（八）、CT成像探测器

温脑

        CT探测器捕捉来自患者的射线束并将其转换为电信号，随后转换为二进制编码信息。探测器表现出几个对CT图像制作至关重要的特性：效率、响应时间、动态范围、高可再现性、稳定性和余辉。
        效率指的是捕获、吸收和转换X射线光子为电信号的能力。CT探测器必须具备较高的捕获效率、吸收效率和转换效率。捕获效率是指探测器能够获取从患者传递的光子的效率；探测器面对射线的面积和两个探测器之间的距离决定了捕获效率。吸收效率是指被探测器吸收的光子数量，取决于探测器面的原子序数、物理密度、尺寸和厚度。
        稳定性是指探测器响应的稳定程度。如果系统不稳定，需要频繁校准以使信号有用。探测器的响应时间是指探测器检测X射线事件并恢复以检测另一个事件的速度。响应时间应该非常短（即微秒级），以避免出现余辉和探测器“堆积”等问题。
        CT探测器的动态范围是“要测量的最大信号与要区分的最小信号的精度之比（即如果最大信号为1 mA，最小信号为1 nA，则动态范围为1百万比1）。大多数CT扫描仪的动态范围约为1百万比1。总体探测器效率或剂量效率是捕获效率、吸收效率和转换效率的乘积。
        余辉是指射线关闭后图像仍然存在的情况。CT探测器的余辉值应该较低，例如，在射线终止后100毫秒内小于0.01%。
        在传统的CT探测器技术中，主要是基于两个技术：闪烁探测器将X射线能量转化为光，然后将光转化为电能（能量积分）；气体电离探测器将X射线能量直接转化为电能。
        闪烁探测器是固态探测器，由闪烁晶体和光电二极管管组成。当X射线照射到晶体上时，会产生光的闪烁。然后，光被引导到光电倍增管（PM管）。晶体的光击中PM管的光电阴极，然后释放电子。这些电子经过一系列精心安排并维持在不同电位的动态极来产生小的输出信号。        
      

       闪烁探测器        
      

       气体电离探测器                光电二极管是一种半导体（硅），其p-n结允许在光照射时流动电流。透镜是光电二极管的重要部分，用于将来自闪烁晶体的光聚焦到p-n结或半导体结上。当光落在结上时，会产生电子空穴对，电子移动到结的n侧，而空穴移动到p侧。电流的大小与光的数量成正比。由于二极管的输出较低，通常与放大器一起使用。此外，光电二极管的响应时间非常快（约为0.5到250纳秒）。
      

       光电二极管        
        目前与光电二极管一起使用的闪烁材料包括钨酸镉和一种由高纯度的稀土氧化物制成的陶瓷材料，基于掺杂的稀土化合物，如钇和钆氧化硫化铝超快陶瓷（Kalender，2005）。通常，这些晶体与光电二极管光学地结合在一起。钨酸镉的转换效率和光子捕获效率分别为99%和99%，动态范围为1百万比1。另一方面，陶瓷稀土氧化物的吸收效率为99%，而其闪烁效率是钨酸镉的三倍。
        随着MSCT扫描仪的引入，具有特征性多排探测器阵列的气体电离探测器和第四代CT系统不再使用。MSCT扫描仪都基于第三代束几何（旋转旋转原理），并使用固态探测器阵列，故我们不再进步一讨论气体探测器。
        进一步的发展，从探测器的排列，多排/多层（MR/MS）探测器的目标是提高单层和双层CT扫描仪的体积覆盖速度性能。MR-MS探测器由一行探测器元素组成。具有n行的探测器将比其单排对应物快n倍。MR-MS探测器是固态探测器，可以在360度旋转中获取4至64至320个切片或更多。此外，这些探测器的设计还可以影响切片的厚度。
      

       多排/多层（MR/MS）探测器        
      

       多排/多层（MR/MS）探测器         

     佳能 80行CT探测器            近期发展的光子计数探测器（photon-counting detector），改变了传统需要将X光转通过闪烁体发光的局面，变成了将X射线转换为可测量的电荷云技术。光子计数探测器计算机断层扫描（PCD CT）的基本性能优于传统CT（能量积分探测器CT：EID CT），因为其对软组织的空间和对比度分辨率更高，且减少了伪影，PCD CT比基于传统EID的双能量CT在X射线光子能量分离方面更为优越。
        常规CT使用的探测器如图所示。目前大多数CT探测器都是由CdWO4（钨酸镉）或Gd2O2S（硫氧化钆）制成的固态闪烁体探测器。当X射线光子进入探测器段的闪烁体时，它们的相互作用产生闪烁光。闪烁光到达光电二极管后，光电二极管将闪烁光转换为电信号。由于每个探测器元素都由间隔物与相邻的探测器元素分隔开，生成的闪烁光不会影响它们。如果分隔物很厚，X射线光子在平面内的利用效率会降低，因此分隔物必须很薄。 在常规CT扫描中，空间分辨率取决于探测器元素的宽度，包括分隔物。目前，该宽度在等位中心为0.25-0.625毫米。 生成的闪烁光强度与每个X射线光子的能量和单位时间内入射光子的数量成正比。由于常规CT探测器在测量时间内产生的闪烁光总量与X射线探测器光电二极管转换的电信号比例相关，因此它们也被称为能量积分探测器（EID）。光电二极管将闪烁光转换的电信号经过放大，然后由积分器积分，最终成为输出信号。
   

     闪烁体处理信号过程      

     光子计数探测器处理信号过程     
         如图当X射线光子进入探测器时，它们与探测器的相互作用产生一个电子-空穴对的电荷云。电荷云可以被应用于PCD的电场扫到成像电极（阳极像素），从而产生脉冲。在理想情况下，由单个光子产生的一个电荷云垂直进入一个像素电极并产生一个脉冲（PCD CT扫描的空间分辨率取决于像素电极的大小）。
        到达像素电极的电子的电荷云产生一个信号，该信号被放大并转换成电压，电压信号被“脉冲整形器”整形。然后，整形的脉冲被发送到“比较器”，它通过脉冲的高度来测量能量值。然后，“计数器”测量具有超过预设能量阈值的波高的脉冲数。
        举个例子，为了获取能量阈值在E1和E2（E1 < E2）之间的脉冲数，从E2中减去E1高的脉冲数，PCD通过将所有脉冲与几个阈值进行比较，将入射光子分类到几个能量区间。
        常用的材料如CdTe、CdZnTe和硅。当材料是CdTe（碲化镉）或CdZnTe（碲化镉锌）时，康普顿散射的概率较低，因为它们的原子序数较大，X射线吸收效率较高。因此，可以获得高度精确的能量信息。另一方面，在硅中，康普顿散射的概率较高。然而硅是一种成熟的半导体，并且已经在硅探测器中开发了通过数据处理获得精确能量信息的方法。
 
      

       康普顿散射               电子与光子发生弹性碰撞（弹性碰撞产生的非弹性散射），电子获得光子的一部分能量而反弹，失去部分能量的光子则从另一方向飞出，这个过程中光子的波长增加，能量减小。在X光电子的相互作用主要包含光电效应和康普顿效应，造成的X光的衰减，这就是X成像的基本物理原理。在成像中康普顿散射也可能导致图像模糊和能量分散，因此在设计成像设备时需要考虑和控制康普顿效应。
总结光子计数探测器的好处就是：

• 具有更高的信号转换效率，能够提高检测器的效率。
  
• 具有更小的探测器像素，提高了分辨率。
  
• 不受传统闪烁体衰减和余晖效应，能够很好的消除电子噪声。
  
• 固有的光谱灵敏度，光谱信息是通过特殊的采集技术获得的，该技术允许采集同一物体的多个X射线能谱能够后期生产更多有用的信息（得益于光子计数器中的不同能量仓，不同KeV能级下生成的图像也不同）。
  
• 减小了X光的剂量，意味着在传统CT相同的剂量下，能够提供更高的分辨率。
  

受制于材料限制，目前的发展路线如下：
碲化镉路线：西门子是全球最大的碲化镉上游企业Acrorad的大股东，二者通过合作，西门子成为了第一个商用的光子计数CT的企业，另外万睿视每年也卖出上千块的光子计数探测器。
碲锌镉路线：21年佳能收购了全能型的碲锌镉探测器企业redlen，成为了目前光子计数CT领域综合技术实力最强的企业，目前其光子计数CT在日本进入临床实验。
硅路线：GE通过收购瑞典Prismatic公司改走深硅路线，目前进入临床实验。
        目前在我国碲锌镉和硅都有自己的布局，比如迪泰克和帧观德芯，但是缺少碲化镉这一非常重要的路线。同时国产厂商也在加紧布局，东软、联影也分别在光子计数CT方面有着自己的计划。
 
      

       西门子碲化镉晶体