CT基本原理与应用：探测器材质的演变过程和主要指标

1、探测器材质的演变过程和主要指标探测器材质的演变过程和主要指标 CT探测器的作用 22021/7/3 CT探测器的主要作用： X-ray quanta light photon electrical signal image tubedetector computer 螺旋时代螺旋时代 按材质 按排数 探测器的分类 32021/7/3 第一代CT: 平移 + 旋转 第二代CT: 平移 + 旋转 第三代CT: 旋转 + 旋转 第四代CT: 旋转 + 固定 第五代CT: 电子扫描束 轴扫时代轴扫时代 第三代CT的分类 42021/7/3 螺旋时代螺旋时代 按材质 按排数 第三代CT: 旋转 + 旋转

2、 轴扫时代轴扫时代 螺旋时代 螺旋CT是球管，探测器材质，探测器排列构造，以及图像重 建共同发展的结果，最终的发展趋势是容积CT 探测器材质：氙, 钨酸镉晶体，闪烁晶体，固态稀土陶瓷 探测器排列构造：单排，4排，8排，16排，64排，128排等 2021/7/36 2 0 2 1 / 7 / 3 7 高压冲氙气型 每对高低电压钨金属板 之间形成一个单探测器 室(cell) 当X光子碰击充满氙气 的单探测器室，光电相 互效应使氙气发生电离 自由电子被阳极迅速收 集并产生电信号 2021/7/38 固态闪烁晶体小块(block)表面镀反 射材料并耦合到底部的光电二极管 (diode) 闪烁晶体材质

3、: 钨酸镉(CdWO4),二 氧硫化二钆(Gd2O2S), Y2O3, SiO2 X光与闪烁晶体发生光电相互效应产 生光电子并在里面穿行激发更多光 子 当光子回到基态的时候，特征放射 会释放可见或UV光谱，光电二极管 进行光电信号转换 被反射回来的光子产生衰减(decay) 和余晖(afterglow) 固态闪烁晶体 2021/7/39 半导体材质：硒(Se), 碲化镉 (CdTe),碲锌镉(CdZnTe) 类似充气型的电伏差结构，X 光和半导体作用直接产生电子 空穴对(electron hole pair) 无需像固态闪烁晶体那样产 生中间状态的光电子 对X光进行计数，未来探测器 的希望 半

4、导体直接转换 CT探测器表现参数 (performance parameters) 102021/7/3 QDE (quantum detection efficiency) GDE (geometric detection efficiency) Decay time constants Afterglow Radiation damage or hysteresis Channel-to-channel uniformity Spatial response uniformity QDE 两个主要因素：探测器厚 度 (detector thickness), 探测器材质 的衰减系数 QDE

5、增加主要决定于探 测器的材质 氙气：60-70%；某些固 态闪烁晶体：98%以上 11 QDE & GDE QDE提供了对进入探测器X线的吸收有效率 探测器的实际几何设计（比如射线校正，钨金属板厚 度），也会影响实际进入探测器室（detector cells ）的X线百份比，或者定义为GDE (geometric detection efficiency) 通常评估探测器实际有效的光电转换为： QDE*GDE 122021/7/3 探测器的衰减组合(decay components) 当X线在固态闪烁晶体探测器中曝光一段时间，然后关闭X线，探测器的输出信 号并不会马上变为零。 旧式电视机关闭后

6、 剩余信号（比如反射回来的光子）会持续一段时间（有短有长的衰减组合）并 对图像产生影响和伪影 13 Time Count t0Time Count t0 Primary Speed & Afterglow 142021/7/3 Afterglow (long) Primary (Decay) Speed / Time (short) Primary Speed & Afterglow 152021/7/3 PrimaryPrimary SpeedSpeed 重建图像的空间分辨率重建图像的空间分辨率 Spatial Resolution AfterglowAfterglow 图像伪影图像伪影 I

7、mage Artifacts Primary Speed on Spatial Resolution 50mA 2sec Scan 200mA 0.5sec Scan No correction Afterglow on Image Artifacts OriginalCorrection Afterglow on Image Artifacts Original Correction Development of x-ray detector for multislice CT with 0.5mm slice thickness and 0.5-second revolution (Proceedings Paper)_Medical Imaging 2002 Physics of Medical Imaging_pp755-763_Vol 4682 Detector comparison (compared with old model) 2021/7/320 高压冲氙气型 l 低QDE (quantum detection efficiency) 60% - 70% l 低密度充气材质导致部分X线无法电离 l 难以制造2D探测器结构，局限于单排CT