医疗CT中碲锌镉(CZT)探测器的工作原理

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号，也就是进行扫面和采集数据。
晶体闪烁体探测器
X 射 线 X 射 线
闪烁体 硅光电管 TFT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。
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。 I
I0
μ1 μ2 μ3
μn
x
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： n μ1 ＋μ2 ＋… ＋ μn＝∑ μi ＝x-1㏑(I/I0)
图2 新型螺旋CT
计算机算出小区域内的X 射线吸收数值(CT值)
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：
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
CT值
1
0
0.0013
-1000
2
+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。
1.2 医用CT的发展过程[1]
第一代 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 缺点：
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。 优点：时间短 缺点：生成图像中的固有光圈
对CZT探测器以及 CZT材料提出了新的 要求。
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。
结构： 多个探测器
特点： 扫描速度慢，易 单帧影像扫描时 产生运动伪像。 间缩短到20秒 左右,但对腹部 来说仍嫌太长。
以X射线的磁偏 结构： 转代替了原来X 在第三CT机的 X射线管和探头 基础上增加探测 射线管的偏转, 作为一个整体, 大大缩短了扫描 器的数目(约 使用宽角度扇形 420~1500个), 时间,使单帧扫 X射线束,包围患 布满整个360° 描时间缩短0.1 者断层 而成一个环形圈. 秒,从而提高了 扫描时探测器静 对快速活动的器 特点： 进一步提高了扫 止不动,仅X射线 官的诊断能力。 管旋转,使单帧 描速度,将单帧 扫描时间减到了 扫描时间进一步 缩短到2秒以下。 2~3秒。
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 二
医疗CT发展及其工作原理
医疗CT中CZT探测器的工作原理
三
CZT探测器在 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
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图1 投射X射线的发射源与探测器布置示意图
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。
对不稳定。
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 。 体积小 CZT探测器因为不需配置光电倍增管，以及外加制冷设备，因此有小 体积，重量轻的特点。
高空间分辨率
CZT材料 的优点
体积小，
探测效率高， 灵敏度好 CZT电阻率高， 漏电流小，噪声低。
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
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
空间分辨率 CT图像质量 的参数 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
使用环境
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）
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。 图5 CdZnTe探测器示意图