CT探测器

参考文献：

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3王骏,周桔; 多排探测器CT成像技术 [J]; 医疗卫生装备; 2006年02期

4杨裕华; X线CT影像技术研究进展 [J]; 医疗设备信息; 2004年09期

5金迪，邵东瑞；CT的发展及应用[J]；临床和实验医学杂志2007年10期

关键词：

CT探测器; 光电倍增管;闪烁晶体; 气体电离室；图像

摘要：摘 要

CT（computed tomography），是现代医学诊断的重要工具。其中，成像技术是CT的重要组成部分，本文对传统CT的发展历史、主流成像手段和各种成像手段的原理进行分类论述，比较各种成像手段的优缺点，旨在理清思路，对未来CT成像系统的发展方向进行展望，在安全性、稳定性、准确性方面提出发展方向和研究思路，在成像材料、电路组成、系统完善方面提出要求，以完善CT成像系统的系统结构，加速我国在这方面理论的研究。

CT成像系统的类型、技术特点和发展方向

X射线CT是X射线断层扫描技术的简称，是在20世纪70年代由英国电子工程师亨斯费尔德发明的。经历了30多年的发展，从早期的单排往复式CT发展到螺旋CT，直到目前最先进的多层螺旋CT，其为满足临床精确影像诊断的要求而在大覆盖范围、薄层、高分辨率、高速度的高科技性能方面取得了长足的进步。今天，在工业，科学和医疗等领域，它都有着广泛的应用。在医疗上，X射线CT可以直接显示普通X线检查所无法观察到的身体内部组织结构和病变，其组织分辨率高，能区分组织间密度的微小差异；在工业中，利用CT，可以观察到物体的内部结构，并为我们展现物质内部的缺陷和不均匀性。在这些高技术参数的协调发展中，作为CT整个系统发展主线之一的数据采集系统也日趋完善，其核心部件——CT探测器，在高科技推进下，无论在设计思想还是工艺材料上都不断革新，以其越来越优异的性能，促进了CT整个系统的飞跃发展。

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．闪烁探测器：闪烁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，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，闪烁探测器在CT扫描机中得到了广泛的应用。闪烁探测器有时也称固体探测器。

闪烁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偶合。

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γ射线和X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。

另一种适用的闪烁晶体是碘化铯（CsI）晶体。其主要优点是在空气中不易潮解，故不需铝制外壳封装。但它的发光效率仅为NaI的30%～40%，且价格昂贵。因此远不及NaI晶体应用普遍。闪烁晶体在使用和保存时，应避免强光照射，否则会严重影响其性能。若因强光照射致使闪烁晶体变色，可用长期避光的方法退色，使闪烁晶体的性能得到恢复。

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。

光电阴极是接收光子而发射电子的电极。它一般是将Sb-Cs或K-Sb-Cs等光电材料，用真空蒸发的方法附着在管子端部透明的内表面而构成。光电阴极的材料决定了光电倍增管的光谱响应范围。

次阴极即次级电子倍增极。光阴极发射的光电子通过一聚焦系统打在第一阴极上，第一阴极发射的电子打在第二阴极上，……。次阴极各级间电压是依次递增的，电子数亦逐次增加，直到被阳极收集为止。次阴极的数目通常为9~14个不等，所以最后阳极所收集的电子数量是很可观的。次阴极一般也以Sb-Cs等光电材料制成，此外也可用Ag-Mg、Cu-Be等合金材料。

收集阳极是最后收集电子并输出信号的电极，它一般用电子逸出功较大的普通材料制成。

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扫描机上所用的探测器一般用NaI、CsI、CsF2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，因为铊受X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。

2．气体探测器：气体探测器是利用气体（一般采用化学性能稳定的惰性气体）电离的原理，入射的X线使气体产生电离，通过测量电流的大小来测得入射X线的强度。

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X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，CT X线管辐射的X线强度不稳定，而X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4～8个通道。参考探测器用来测量入射人体前的原始X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形和稳定性。

3．两类探测器的技术特点：目前气体探测器和闪烁探测器在现代化的CT中都有选用。选用哪种探测器要看偏重于哪方面的技术特点。

（1）温度特性：闪烁探测器的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，而闪烁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和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：在闪烁探测器的线性范围内，即在闪烁探测器的特性曲线范围内，闪烁探测器的输出电信号与入射到闪烁探测器输入面的X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：闪烁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的散射线准直器，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闪烁探测器要多。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线可达100%，并将它们转变为光信号。闪烁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。由于气体电离室很小的惰性气体泄漏就会降低室内压强，导致对X线的吸收能力减弱，所以在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。

4．CT技术的展望：为使CT的成像质量有明显改善,目前主流的方法主要有两类：1、提高X射线能量，2、增强成像系统的灵敏度。但是因为实际使用中，我们发现，提高X射线能量的方法并不能有效的提高成像质量，因为提高X射线能量的方法主要集中在：1、提高X射线的穿透能力（在参数上主要通过提高高压发生器的管电压kV值）来实现，2、提高X射线的剂量（在参数上主要通过提高X射线管的电流时间积mAs值）来实现，由于我们主要的诊断对象为人体，过多的提高kV值使得X射线的穿透能力大大的增强，在提高了成像系统的接收剂量的同时，却大大损失了图像的对比度，另外，过多的提高mAs值使得人体接收剂量大大增加，因为人体对X射线的有限的耐受性，使得这种方法在X射线产品的安全性方面提出了非常高的要求，所以笔者认为，当代的高压发生器的一些基本参数已经基本满足CT成像的要求，还是应该将主要发展精力用在提高X射线发生装置的稳定性和准确性方面.另外就要提高探测器的灵敏度,在不增加甚至减少辐射剂量的前提下,提高图像质量;采用新的成像材料将是一个非常有效的方法，闪烁探测器无论在成像稳定度，对环境条件的依赖度，成像的速度方面都有这先天的优势，所以笔者认为闪烁探测器的成像方式有着非常广阔的发展空间，加强新材料的研制，提高光——电转换的效率，增强探测器的加工工艺，都将是非常有效的提高CT成像质量的方法，另外改进图像处理方式,在软件方面下工夫，随着微处理器性能的大幅度提升，使得快速的对大量数据进行矩阵

运算成为可能，改进CT图像重建的算法，对于我们提高成像质量有着非常重大的意义;最后就是提高扫描速度，近些年来双源甚至多源CT、大孔径CT和多排独立探测器CT的出现使得CT成像的速度有着显著的提高，相信未来的20年里，采用此类成像原理的CT将会大幅度的提高成像质量并取代现在的主流CT. 图像后处理功能的发展,也将是CT发展的另一个重点.MIP,SSD,CT内窥镜和容积演示等图像后处理功能已将常规CT只能显示二维横断解剖发展到三维观察,在医疗中,这些图像已接近实际人体的大体解剖,更接近手术中的实际所见,为手术方案的制定提供了更为详尽的信息.相信将来这些功能将进一步完善。

辽宁省医疗器械产品质量监督检验所 张勇 赵佳洋 金迪 2008.3.12