医疗CT中碲锌镉(CZT)探测器的工作原理

图6 CdZnTe探头电路设计图
CZT探头采用8路脉冲实现数据采集，其中 每一路均有一片4 ㎜ ×4 ㎜ × 2㎜的晶片 组成。
3、CZT探测器在医用CT中应用的优势
CT图像质量 的参数
空间分辨率 密度分辨率（能量分辨率） 探测效率
图7：CdTe探测器与其它常用探测器性能比较
高能量分辨率 高空间分辨率
CT值＝k
μm－μw μw
在多数CT中，k取1000；CT的单位为H
水
空气
骨头
μ
1
0.0013
2
CT值
0
-1000
+1000
一个CT装置的密度分辨率为△H=5，即能鉴别相当于0.5％ μw的密度差异，而胶片则 望尘莫及。
第一代
1.2 医用CT的发展过程[1]
第二代
第三代
第四代
第五代
结构：
一个X射线管﹢一个探 测器
高探测效率
例如： 平板探测器的量子探测效率(DQE )
CdTe：40~60%, 闪烁体(如CsI) ：30~40%
图8、不同探测器探测效率比较
CZT探测器制作工艺的优势
晶体体积和面元像素的大小根据对空间和能量分辨率以及测量能谱 范围等具体探测要求而定。
CZT探测器优点
• 高能量分辨率 • CZT探测到的光子直接转换产生电荷，无需光电倍增管和光电转换过程，这使它具有更高的电荷
号，也就是进行扫面和采集数据。
晶体闪烁体探测器
X X
射
射T阵列
闪烁体 光信号耦合 TFT阵列
工作原理：X射线打到闪烁体上，产生次级光，然后通过光电二极管阵 列，如图8-1所示；或是CCD阵列，如图8-2所 示转化成电信号
系统组成：闪烁体，光电倍增管，电源和放大器－分析器，现 代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处理测量结果。
μ1 ＋μ2 ＋… ＋ μn＝∑ μi ＝x-1㏑(I/I0)
n
i=1
我们把重建层面分为n×n个体素的矩阵阵列（通常为256×256，512×512），体素越小，像素也越小，
图像越细腻，携带的生物信息量就会越大。
在重建影像上采取了数学（卷积、反投影）的方法,以更进一步提高影像的质量。
CT数
在图像重建的过程中，首先是计算每个体素的吸收系数，再将其转换为一 个适当的图像像素值，这个图像像素值成为CT值。
μ1 μ2 μ3
x
I
μn
强度为I0的单色X射线通过第一个体素后的强度为：
I1＝I0exp(－μ1x)
通过第二个体素后的强度为：
I2＝I1exp(－μ2x)
＝I0exp[－(μ1 ＋μ2) x]
依次类推，通过第n个体素后的强度为：
In＝ I0exp[－(μ1 ＋μ2 ＋… ＋ μn) x]
• 对上式移项取对数，可得：
• 优点：时间短 • 缺点：生成图像中的固有光圈
最近几代的CT机, 除了更进一步缩短扫描时间之外,还
有一个改进就是在重建影像上采取了 卷积、反投影的新方法,以更进一步 提高影像的质量。
对CZT探测器以及CZT材料提 出了新的要求。
2、CT中CZT探测器的工作原理
CT中探测器的主要功能：探测通过人体层面的X射线，并产生与X射线的辐射强度成正比的电信
气体电离探测器
• 常用气体：氙气；
• 工作原理：
第一步
第二步
第三步
在氙气探测器 上施加高压电 厂和气压，使 之处于电离饱 和状态。
所有自由电荷都 垂直于X射线方向 收集。
从而形成信号电流，
直接反映探测器接 受X射线的情况。
半导体探测器（CdTe/CdZnTe）
图5 CdZnTe探测器示意图
在医学成像器件上，CZT探测器常被 制成由许多单元探测器组成的阵列， 单片一维阵列，单片二维阵列，像素 探测器。
扫描时探测器静止不 动,仅X射线管旋转,使
单帧扫描时间进一步 缩短到2秒以下。
以X射线的磁偏转代替 了原来X射线管的偏转, 大大缩短了扫描时间,
使单帧扫描时间缩短 0.1秒,从而提高了
对快速活动的器官的 诊断能力。
第三代CT的工作原理
图4 第三代工业CT 的工作原理
• 扫描方式：被扫描物体要适合于探测器视图范围，每成一层像X 射线—探测器系统要旋转一次，然后以层宽为基础对被测物进 行重新定位。
图1 投射X射线的发射源与探测器布置示意图 图2 新型螺旋CT
由图像显示器将不同的数据用不同的灰 度级显示出来
CT成像原理：
图3、CT成像原理图 所谓的X-CT断层图像，就是一幅反映层面X射线吸收系数μ值的空间分布图。
X-CT的物理原理
对于临床使用的低能X射线，各种元素的质量吸收系数近似的可用下式表示：
缺点：
扫描速度慢，易产生 运动伪像。
结构： 多个探测器
特点： 单帧影像扫描时间缩 短到20秒左右,但对腹 部来说仍嫌太长。
结构： X射线管和探头作为一 个整体,使用宽角度扇 形X射线束,包围患者 断层
特点：
进一步提高了扫描速 度,将单帧扫描时间减 到了2~3秒。
在第三CT机的基础上 增加探测器的数目(约 420~1500个),布满整个 360°而成一个环形圈.
医疗CT中CZT探测器的工作原 理，以及对CZT材料的要求
主要内容
一
医疗CT发展及其工作原理
二
医疗CT中CZT探测器的工作原理
CZT探测器在
三
医CT中应用的优势
1.1、CT工作原理
X射线围绕病人身体的待查部位 做断层扫描
用高灵敏度的探测器阵列测量透过该断 层的X射线强度
计算机算出小区域内的X射线吸收 数值(CT值)
收集特性和能量分辨率，探测效率比采用闪烁晶体的效率更高，在能量分辨上比闪烁体提高了3 倍。 • 在室温下对X射线、γ射线能量分辨率好，能量探测范围在10 keV～6 MeV，无极化现象，非常适 合探测器能量10～500 keV的光子 。
CZT材料 的优点
CZT电阻率高， 漏电流小，噪声低。
使用环境
体积小，
探测效率高， 灵敏度好
使用环境
• 对温度，湿度不敏感，可在室温下使用（工作温度为 -30℃～50℃），峰值的温漂小于0.1％∕℃；
• 不需液氮制冷； • CZT无潮解，化学性质稳定。
碘化钠(NaI)闪烁晶体则易受潮解而变质，化学性质相 对不稳定。
μm＝kΖαλ3
μm:物质的线性吸收系数； λ:为X射线的波长；
Z：物质的原子序数； α：医用X 射线，3.5。
• 单色X射线通过均匀物质时被吸收的规律为：
I＝I0exp(－μx)
体素： CT利用人体不同组织对X 线的吸收不 等,将人体被测层面分许多立方体小块,称为体 素; 假设： 厚度均为x。
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