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1、CT 原理与结构 CT 原理与结构 第三讲 X 射线探测器 东软飞利浦医疗设备系统有限责任公司 CT 课题研究组 执笔人孙健先生，硕士研究生。关键词关键词:X 射线 CT 机 X 射线探测器 一一 引言引言 X 射线 CT 的主要结构包括两大部分：X 射线断层扫描装置和计算机系统。前者主要由产生 X 射线束的球管以及接收和检测 X 射线的探测器组成；后者主要包括数据采集系统、中央处理系统、操作台等。X-CT 成像系统略图参见图 1。此外，CT 机还应包括图像显示器、多幅照相机等辅助设备。X 射线探测器(Detector)是一种将 X 射线能量转换为可供记录的电信号的装置。它接收到射线照射，然后
2、产生与辐射强度成正比的电信号。通常，探测器所接受到的射线信号的强弱，取决于该部位的人体截面内组织的密度。密度高的组织，例如骨骼吸收 X 射线较多，探测器接收到的信号较弱；密度较低的组织，例如脂肪等吸收 X 射线较少，探测器获得的信号较强。这种不同组织对 X 射线吸收值不同的性质可用组织的吸收系数 m 来表示，所以探测器所接收到的信号强弱所反映的是人体组织不同的 m值，从而对组织性质做出判断。X 射线穿透人体后的衰减遵守指数衰减规律：I=I0e-md(1)式中：I 为通过人体吸收后衰减的 X 射线强度；I0为入射 X 射线强度；m 为接收 X 射线照射组织的线性吸收系数；d 为受检部位人体组织的
3、厚度。从图 1 中看，X 射线源与探测器围绕着一个公共轴心旋转。射线束对整个感兴趣的断面完成一次扫描后，探测器就接受到与组织衰减系数直接相关的投影数据。将所获得全部投影数据输入计算机，通过图像重建算法来重建出探测平面的二维图像，图像的灰度值与组织的衰减系数相对应。这就是X-CT的基本工作原理。X-CT 的图像重建过程实际上就是如何从投影数据中解出成像平面上各象素点的衰减系数。如果象素越小、探测器数目越多，计算机所测出的衰减系数就越多、分辨率越高，重建出的图像也就越清晰。目前，CT 机的矩阵多为 512512，其乘积即为每个矩阵所包含的象素数。探测器组件是由性能完全相同的探测器单元排列而成，每个
4、探测器对应着一束窄的 X 射线。如果有 n 个探测器单元，那么一次就可同时获得 n 个投影数据，所得到的数据也被称为生数据(Raw Data)。二二 探测器剖析探测器剖析 探测器是很复杂的器件。一个典型的探测器包括：闪烁体、光电转换阵列和电子学部分。此外还有软件、电源等附件。目前，CT 中常用的探测器类型有两种，一种是收集荧光的探测器，称闪烁探测器，也叫固体探测器。一种是收集气体电离电荷的探测器，称气体探测器。它收集电离作用产生的电子和离子，记录由它们的电荷所产生的电压信号。1.固体探测器 固体探测器是利用射线能使某些物质闪烁发光的特性来探测射线的装置。由于此种探测器的探测效率高，分辨时间短，
5、既能探测带电粒子，又能探测中性粒子；既能探测粒子的强度，又能测量它们的能量，鉴别它们的性质。所以，固体探测器在 CT 扫描机中得到了广泛的应用。它的原理如图 2 所示。由图 2 可见，固体探测器前面加有反射层，它是涂有白色氧化镁粉末的铝盒。它使闪烁晶体产生的荧光光子能大部分反射到光电阴极上。在晶体与光电倍增管间放置有机玻璃制成的光导，并涂有硅油以保证良好的光耦合。使用最普遍的闪烁晶体是激活碘化钠(NaI)晶体。这种晶体的密度大，对射线和 X 射线有较大的阻止特性。它的透明度和发光度都很高。但 NaI 晶体极易潮解，这是它的致命缺点。NaI 晶体一旦潮解，探测器效率和能量分辨力均急剧下降，以致完
6、全不能使用。在实际应用中，碘化钠晶体被密封在一个铝制外壳内。光电倍增管是一种光电转换器件，通过它可把光子转换成电子。它不同于其它的光电转换器件，如光电管、光电池等，光电倍增管可把微弱的光按比例地转换为较大的电信号，这就是它的倍增作用。光电倍增管的工作是建立在光电效应、次级电子发射和电子光学的基础上的，它一般由光电阴极、次阴极和收集阳极等三部分组成。外界环境对光电倍增管的影响很大。为避免外界磁场和电场的干扰，应采取严密的屏蔽措施，通常是在光电倍增管的外面罩上一个与阴极同电位的合金罩。光电倍增管工作在强辐射场时还会产生各种辐射效应，在这种情况下，应对整个环境加以辐射屏蔽。CT 常用的各种闪烁晶体的
7、性能，如表 1 所示。CT 扫描机上所用的探测器一般用 CdWO4、CsI、CaF2等闪烁晶体，再与光电倍增管组合起来，闪烁晶体的发光光谱和光电倍增管的感光度分布尽量选择一致。在前述的荧光晶体内常加入少量的铊，因为铊受 X 射线照射时发出可见光，可提高转换效率。但加入铊的缺点是会产生时间较长的残光，有时会对信息的收集产生干扰，故加入铊时应尽量避免残光的发生。目前各生产厂家大多采用高效的固态稀土陶瓷探测器，这类探测器所采用的陶瓷闪烁体是由向主基体内有选择地固溶一定量的稀土和碱土离子而制成的，其转换效率极高而且余辉又极短，使 X射线的利用率从原来的 50%提高到了 99%以上。2.气体探测器 气体
8、探测器是利用气体(一般采用化学性能稳定的惰性气体)电离的原理，入射的 X 射线使气体产生电离，通过测量电流的大小来测得入射 X 射线的强度。气体探测器的结构如图 3 所示。气体探测器由一系列单独的气体电离室构成。各气体电离室的上下夹面由陶瓷拼成。每个气体电离室的 X 射线入射面由薄铝板制成，两侧用薄钨片作为隔板分隔开，所有隔板相互连通，加上 500V 直流电压，起收集电子的作用。各个中心收集电极引线接至相应的前置放大器，气体电离室内充满氙气。当入射 X 射线进入各个气体电离室后，将气体电离，正离子由中心收集电极接收，负离子(电子)被隔板接收。正、负离子的定向运动形成电离电流。电离电流与入射的
9、X 射线强度(光子数)成正比，很微弱，经前置放大器放大后，送入数据采集系统。电离电流会产生高温，因而隔板和收集电极均采用钨片。隔板与 X 射线入射方向一致，起到后准直器的作用，它可防止由被测病人产生的散射线进入电离室。气体探测器的光子转换效率比固体探测器要低。采用高压氙气可以增大气体的密度，提高转换效率。但由于钨片机械强度有限，所以不能采用太高的压力，这就限制了转换效率的进一步提高。但由于其几何效率高于固体探测器的几何效率，因而实际上这两种探测器的总检测效率大致相近。气体探测器中各个气体电离室是相互连通的一个整体，处在相同的气压、密度、纯度、温度条件下，因而有较好的一致性。由于 kV 存在波动
10、，CT X 射线管辐射的 X 射线强度不稳定，而 X 射线强度变化对成像有很大的影响。因此，一般在探测器的两端装有参考探测器通道。参考探测器用来测量入射人体前的原始 X 射线强度以修正探测器的测量结果。在扫描和采集数据过程中保证系统的稳定性是非常重要的。为防止探测器输出信号出现零位漂移，在扫描过程中需对探测器的变化进行校正，使得在每个 X 射线脉冲到来之前所有探测器输出皆为 0。此外，每天还应对系统漂移进行校正，保证在全部动态范围内的线性和稳定性。3.两类探测器的特性比较 目前气体探测器和固态探测器在现代化的 CT 中都有选用。选用哪种探测器要看偏重于哪方面的特性。(1)温度特性：固体探测器的
11、输出信号强度与温度的关系极大。所以，采用此探测器的系统有的必须用调节加热或冷却的办法来稳定探测器的温度。然而惰性气体探测器的信号强度与温度的关系不大。(2)噪声：气体探测器易产生噪声和干扰源，而固体探测器则不易产生噪声和干扰源。其原因是气体探测器的各个气体电离室所加电压存在波动以及气体电离室内绝缘体上易产生漏电流。另外，气体电离室的隔板极薄，容易出现极小的颤动。即使隔板的极小颤动亦会产生噪声。(3)饱和现象：在固体探测器的线性范围内，即在固体探测器的特性曲线范围内，固体探测器的输出电信号与入射到固体探测器输入面的 X 射线强度成正比，并超出 CT 要求五个数量级。但是，气体探测器在这么大的信号
12、范围内，有可能出现饱和现象。为了避免此情况的出现，必须仔细设计探测器系统，例如间隔的距离、气体压力以及气体电离室工作电压等等。(4)散射线准直：固体探测器可以与一个散射线准直器组合在一起。气体探测器一般不用附加散射线准直器，而是利用电离室隔板同时作为散射线准直器，但效果不如专用的准直器好。此外，气体探测器本身产生的散射线比固体探测器要多。散射线源主要来自很厚的射线输入窗铝板和窗口到电极板的气体层。(5)剂量利用率：CT 中应用的闪烁晶体一般厚度为 5mm，实际吸收射入的 X 射线可达 100%，并将它们转变为光信号。固体探测器中没有技术上必须的、吸收射线较多的盲层；但在气体探测器中，从输入窗口
13、到电极板之间的气体层吸收射线而不产生信号。此外，也因射入的一部分量子没有被利用而直接穿过了气体探测器，引起气体探测器的射线损失，但只要通过增加压强和加深电离室，就可以将这种效应控制在允许的范围内。由于气体电离室很少的惰性气体泄漏就会降低室内压强，导致对 X 射线的吸收能力减弱，所以在进行气体电离室的机械制造时，要格外注意密封，以防止惰性气体泄漏、损失。三三 性能分析性能分析 探测器最重要的特性是它们的效率、稳定性和响应性；此外，准确性也是其特性之一。1.效率 效率是指它从线束吸收能量的百分数。理想情况下，探测器效率应该为 100%。即可截获全部 X 射线束能量，这将使曝光量减小，降低病人的照射
14、剂量。影响探测器效率的因素有两个：几何效率和吸收效率。(1)几何效率(GDE)：几何效率=探测器有效面积/探测器总面积。几何效率是由每个探测器的孔径和相邻探测器间隔大小来决定。射入间隔的辐射不能被探测器吸收，因而无助于图像的形成。理想的情况是探测器所占的范围要比间隔大。(2)吸收效率(DQE)：也称为量子探测效率。定义为入射 X 射线被探测器吸收的百分率，可用下面公式描述：DQE=maxmaxE0E0(E)-(E)dEdE)e-(E)(1(2)式中(E)为 X 射线谱；(E)是探测器的线性衰减系数；是探测器厚度。DQE 与探测器的厚度和衰减系数 m 有关，并在某种程度上与 X 射线光子的能量有
15、关。(3)总检测效率：探测器的总检测效率是几何效率(GDE)和吸收效率(DQE)的乘积。实际的探测器总检测效率在 50%80%之间。探测器的效率越高，在一定图像质量水平的前提下病人接受的剂量越小。2.稳定性 稳定性是指从某一瞬间到另一瞬间探测器的一致性和还原性，探测器需经常进行校准以保证其稳定性。在第一、二代 X-CT 机中，每次平移运动结束后都要校准探测器。第三代 X-CT 机每天仅校准一次。在第三代 X-CT 机上，若某一通道输出总是偏离实际的测量值，将导致在该体层重建图像中产生环状伪影。第四代扫描机在每一次旋转期间对探测器校正两次，第一次校准是沿着运动扇形射束的前缘，第二次沿着后缘。3.
16、响应性 探测器的响应性是指探测器接收、记录和抛弃一个信号所需的时间。一个探测器应瞬时地响应一个信号，然后立即迅速地抛弃该信号并为响应下一个信号做好准备，如余辉现象严重则影响下一个信号的值。为了避免余辉造成的畸变及假象，需要仔细选择闪烁物质并进行一些软件的校正。4.准确性 由于人体软组织及病理变化所致衰减系数的变化是很小的，因此，穿过人体的线束强度也只引起很小的变化。如果探测器对衰减系数的测量不够准确，测量中的小误差可能被误认为信号的变化。探测器的准确性要求探测器系统必须具有如下特点：低电子噪声、线性、各探测器的均匀一致及瞬时稳定性。四四 多层多层 CT 的探测器配置的探测器配置 多层螺旋与单层
17、螺旋比较，重要的改革就是增加 Z 轴方向的探测器排数，以达到多层采样的目的。1991 年以色列 Elscint 公司的双层螺旋 CT-TWIN 是多层扫描的先驱。目前，各公司产品有 8 64 排探测器，多层螺旋应用的探测器大致可分为三类，矩阵探测器、自适应阵列探测器和混合矩阵探测器。GE 公司的 LightSpeed CT 机采用矩阵探测器。例如，在 41.25mm 模式下，中心 4 个探测器单元有效，四路信号被分别采集，如图 4a 的第一行所示。此时前准直器使射线的本影对正这 4 个探测器单元的中心，以免不必要的剂量。在 42.5mm 模式下，两个相邻的探测器单元合并提供一路信号，如图4a
18、的第二行所示。类似地，3 个相邻单元组成一组，构成 43.75mm 模式，如图 4a 的第三行所示。4个相邻单元组成一组，构成 45mm 模式，如图 4a 的第四行所示。在自适应阵列探测器中，独立探测器单元分成不同的尺寸。例如西门子和飞利浦采用的是自适应阵列探测器。如图 4b 所示。例如，在 41mm 模式下，中间两层切片厚度由探测器单元确定(每排 1mm)。外侧两层切片的内边界由探测器单元的边界决定，它们的外边界由前准直器决定。东芝医疗系统采用的是混合矩阵探测器，如图 4c 所示。在该配置下，中心 4 排探测器单元宽度为0.5mm。在两边各排列了 15 排 1mm 的探测器单元。总共 34
19、排探测器单元。与其它探测器配置类似，仅仅 4 个通道信号可以同时读出。切片厚度的选择是通过几排探测器单元组成一组，这与矩阵探测器中的方法一致。以上三类不同排列方式的探测器组合各有利弊。矩阵探测器排列层厚的组合形式较灵活，但是外周的 4(或 8)排探测器只能组合成一个宽探测器使用，其间的间隔会造成有效信息的丢失，不如自适应阵列探测器的效率高。自适应阵列探测器的优势是在宽层厚时，探测器的间隔较少，量子吸收效率较高。不足之处是层厚组合不如等矩阵探测器灵活。16 层螺旋排列为中心 16 排窄的探测器，两侧各 4 排宽的探测器。五五 混叠伪影的避免混叠伪影的避免 CT 数据采集的第一步是采样。原始的 X
20、 射线密度分布(穿过病人后)是连续的。由探测器阵列对这一连续波形进行离散采样，产生一组信号，在第三代 CT 中被称为一个“View”，或是一个“Projection”。采样在时域中被进一步离散化，将投影分到各次 View 中。在整个采样过程中，必须遵循一些规则，避免可能产生伪影。根据 Shannon 采样定理，原始数据的采样频率必须至少是信号最高空间频率的两倍。在 CT 信号中包括的最高频率受焦点尺寸，机器几何尺寸和探测器单元尺寸的限制。如果用矩形窗函数来近似一个探测器通道的响应，频率响应可以由下式说明。S(f)=f)fsin(3)其中表示探测器通道的物理尺寸。公式(3)是第一个过零点在f=1
21、/的sinc函数。因此，采样信号中包含的最大频率fmax可以假定为1/。在采样过程中，当探测器通道以等距离T均匀间隔时，双倍采样投影的频谱是由原始频谱和原始频谱的无穷个变换而构成的。变换的数量等于采样频率(1/T)和它的谐波。为了能从被采样投影中忠实地恢复初始信号，平移频谱成分不能彼此重叠。在图5中显示了频谱重叠的情况。这种频谱重叠过程被称为混叠(Aliasing)。为了避免重叠，对被采样投影(1/T)的频谱变换的数量应该至少是原始信号中最高频率成分(1/)的两倍。数学上要求T/2。这意味着采样间隔不能大于探测器宽度的一半(/2)。这就是广为人知的Shannon或Nyquist采样定理。不幸的
22、是，第三代CT机不能以间隔小于探测器宽度进行采样。图9a显示了一个模拟投影的原始重建图像。由于投影本质上欠采样，在明显的边缘附近可以清晰地看到混叠条纹。如果(1/T)太小，在平移的频谱之间会发生重叠，并导致混叠伪影。对于第三代CT机，已经提出了不同的方法来克服混叠伪影。一个方法是1/4探测器偏移。这个方案中，探测器中心相对于旋转中心偏移1/4个探测器单元宽度，如图6所示。以扇形束扫描为例说明，位于旋转中心两侧的两个采样。机架旋转180后，在之前获得的采样中交错插入一个采样。即提供了所需的双倍采样，以避免混叠。作为两个采样（，)和(+，)之间的插入采样，投影采样(，)满足下面条件：=+=2)2(
23、4)如图9b显示了在没有增加设备成本的情况下减少了伪影，显著提高了图像质量。然而采用这种方法存在几个缺陷，一个缺点是双倍采样依赖于间隔180进行的两组采样，因此，采样间隔中任何病人的运动都会抵消混叠减小效果，此外从图6中可以看出，除中心射线外，其它位置双倍采样只是近似得到。因此，混叠伪影的减小效果依赖于相对于中心通道的位置。为了克服这些缺陷，人们开始研究通过抖动或偏转X射线焦点的方式实现采样的加倍。如Flying Focal Spot(FFS)方法。首先获得一个标准投影。当机架旋转到一定角度，以至探测器单元位置跨在前一次观测的位置之间时，通过静电或是电磁方式偏转X射线焦点。如图7，8所示。这就
24、实现了一个双倍采样。因为两组采样通常是在一个非常短的时间内进行(典型地，几分之一毫秒)，任何病人的运动都可以被忽略。从图9c看，混叠伪影几乎完全被消除。双倍采样只是近似满足Shannon采样定理，为进一步消除频率的混叠，1/4偏移和焦点抖动的组合很容易满足这个要求。六六 探测器的新技术发展探测器的新技术发展 CT扫描机自20世纪70年代问世以来，随着计算机技术和其它相关技术的进步，获得了突飞猛进的发展。CT的发展趋势是：简化操作、缩短扫描时间、提高检查效率(一次扫描获得的层数更多)和图像质量。1.增大Z轴的覆盖宽度 从发展的角度看，希望X射线管旋转一周就能获得更多的层面，即可完成一个脏器的扫描
25、，实现所谓的容积扫描(Volume Scan)。为此势必要增大探测Z轴的覆盖宽度，要想延长Z轴的覆盖宽度，不仅取决于增加探测器的排数，建立更多的数据采集通道同样非常重要，这样才能既保证Z轴的覆盖宽度又不降低空间分辨率。由于半导体技术的发展，数据处理芯片具备处理海量数据的能力，极大的提高了采集速度，而且体积更小，目前已有公司将探测器和DAS模块集成为一体，突破了传统探测器的限制。GE公司生产的64层CT，其采样的640.625mm排列容积探测器覆盖范围可达40mm，可谓已经迈入容积扫描时代。近几年，有一种称为平板探测器(Flat Panel Detector)的新型CT探测器和与之相配合的新扫描
26、技术正处于开发之中，这种平板探测器Z轴覆盖宽度可达300mm，远远超过任何一种多排探测器。和传统的影像增强器相比较具有相当多的优势，例如，平板探测器采用非晶硅半导体技术将X射线转化为电信号，由于没有中间光电、电光转换环节，X射线的转换效率大大提高。球管旋转一周，可获得整个Z轴宽度的区域图像，是一种极有前途的改进。目前，已有科研机构开发出应用平板探测器的多层CT扫描机。2.提高探测器的灵敏度 目前CT图像的质量有了明显改善，分辨率也有很大的提高，但这多是以提高X射线能量为代价的。我们的目的是既要获得高质量的图像，又要使患者尽量地少接收X射线辐射，这应该是下一步CT改革的重点之一。因此就要提高探测
27、器的灵敏度，在不增加甚至减少辐射剂量的前提下，提高图像质量。例如，目前各一线品牌厂家基本都采用高效的固态稀土陶瓷探测器，这类探测器所采用的陶瓷闪烁体是由向主基体内有选择地固溶一定量的稀土和碱土离子而制成的，其转换效率极高而且余辉又极短，使X射线的利用率从原来的50%提高到了99%以上，适合螺旋扫描需要高效率、短时间反复采集信号的要求。此种探测器与晶体探测器和气体探测器相比具有更高的转换效率，可以用小剂量的X射线获得比较好的CT图像，在低剂量肺部CT普查方面具有很大的优势；具有很好的稳定性，使图像很少产生环型伪影；余辉时间短，可以做快速连续的螺旋扫描。3.双探测器系统 在2005年，西门子公司和
28、先灵公司共同研制的X射线CT新技术，首次在新SOMATOM Definition产品上同时使用两个X射线源和两台探测器，它也是世界上第一个双源CT系统。由于它同时使用两个X射线源和两台探测器，而现在的CT系统只使用一台射线源和探测器，所以新系统比任何一种现有的CT技术快速。七七 结束语结束语 随着半导体技术的发展及各种新材料的应用，X射线探测器技术也将有着长足的发展。可以想象，当灵敏度更高，覆盖宽度更大的新型探测器从实验室走入临床，医师将有条件获得丰富、真实的图像。致谢致谢 首先感谢首先感谢 CT 研发算法组的楼珊珊老师，其严谨的治学态度和始终如一的工作热情深深地影响了我。特别衷心感谢李徽阳医
29、生不辞辛苦，对本文从初稿到最终的完成，进行了多次审阅并提出许多宝贵的修改意见。衷心感谢师兄刘长坤硕士、付斌硕士、孙洪雨硕士、徐皓渝硕士在学习工作中的帮助，对于本文的完成提供宝贵的资料与建议。衷心感谢东软飞利浦公司研发算法组的楼珊珊老师，其严谨的治学态度和始终如一的工作热情深深地影响了我。特别衷心感谢李徽阳医生不辞辛苦，对本文从初稿到最终的完成，进行了多次审阅并提出许多宝贵的修改意见。衷心感谢师兄刘长坤硕士、付斌硕士、孙洪雨硕士、徐皓渝硕士在学习工作中的帮助，对于本文的完成提供宝贵的资料与建议。衷心感谢东软飞利浦公司 CT 研发部这个充满活力的集体，提供了一个良好的学习氛围与科研环境。研发部这个充满活力的集体，提供了一个良好的学习氛围与科研环境。（全文完）来源：世界医疗器械 出版日期：2006年8月