螺旋CT的多排多层探测器应用设计

螺旋CT的多排多层探测器应用设计

刘 毅，燕桂新，卓 越，胡小兵

【摘 要】【摘要】 目的 设计螺旋CT机的多排多层探测器，提高影像质量。方法 将常规多排探测器改进为多排多层探测器，输出端接超高倍光电耦合放大器，可成倍提高探测器与采集系统的信噪比。结果 多排多层探测器比同样排数的单层探测器输出的信噪比高、省时、剂量少，且图像质量高。结论 多排多层探测器输出的数据量大幅增加，使CT系统的成像质量显著提高。 【期刊名称】生物医学工程学进展 【年(卷),期】2012(033)002 【总页数】3

【关键词】【关键词】 多排多层探测器;X透射线利用率;扫描时间与剂量;图像分辨率

【文献来源】

https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_progress-biomedical-

engineering_thesis/0201222890743.html

多层螺旋CT机的重大突破是以多排探测器技术为核心，其扫描速度快，图像质量高。为此相应软件不断开发升级，显示功能也不断增多等，但扫描剂量却也随之而增加。大部分射线透过固体探测器及其探测间隙而造成剂量损耗和信息大量丢失。为此，设计了一种探测效率更高的“多排多层探测器”，因多层探测透过的射线被层层转换利用，使采集数据量成倍增加，图像质量及功能也将大幅提高。

1 材料与方法

通过专业厂制造多(4、8、16、32、64)排稀土陶瓷固体探测器。如16排即每

排为912个探测器，呈二维阵列，Z轴方向宽20 mm，受光面呈圆弧扇角55o。本设计为将三个16排探测器同向(受光面)重叠安装于一体，以受光面为准为1、2、3层…探测器，随着层数增加第一及第二层每个光电管的间距也有所增加，这样有利于上下对齐，将探测器对齐的光电管输出线并联，将第三层光电管对准探测间隙为独立输出的数据，对齐的上下两个光电管为一个探测单元，共有16×912个两层重叠的探测单元。另外，还有第三层的15×911个间隙探测单元，即为“多排三层稀土陶瓷固体探测器”简称三层探测器。输出端按原电子开关个数相应增加接至放大器(可请厂家工程师设计和安装)。也可改装旧CT机的探测器，如sytec 1800i－CT机:原为气体探测器，可换成多层探测器。也可制造更多层探测器，但造价也将随之升高。经射线穿透测试，2或3层探测器最合适。若将探测器的1、2层并联、第3层通过电子开关单独与采集系统接通，此时可实现“双能量X射线成像技术”［2］，而输出时不同的能量图像用数字软件分离，如小波变换。多层探测器的灵敏误差可在系统内自动零点漂移修正。

2 结果

将扫描床上放两个15 cm厚的水模上下重叠，其间平放一个测试卡，卡的两头放上有机玻璃培养皿(13 cm×8．5 cm ×1．2 cm)做测试模体，其上有96个圆柱形凹、底呈圆锥形。以第一组管电流分别为100、200、300、400 mA，管电压为 100 kV 曝光;第二组管电流不变、管电压为140 kV曝光。X线穿过水模、测试卡等，再穿过1、2层探测器到达第三层探测器并输出电流在负载电阻上产生的电压值U经光耦放大、电压保持后，用数字万用表读出，用同样的方法，如140 kV对1800A－CT机的电离室曝光4次、均绘出坐标(见图1)，

纵坐标为一个(三层)探测单元和1800i－CT机的一个电离室输出的电压值kV，横坐标为CT机的曝光电流强度。

CT机分别在管电压为100kV和140kV对三层探测器曝光:第1层探测器输出的短路电压值为Q1。第1、2层探测器并联输出的短路电压值为Q2，3层探测器并联输出的短路电压值为Q3。它们与CT机曝光强度呈良好的直线关系，输出幅度可达4．1V－11．2 V，且均匀，其灵敏度明显大于CT机的电离室输出的“Q0”2．2V－7．8V的直线。也敏感于CT－HF机的闪烁探测器:经内部放大后为36 mV－6 V。Q3为3层探测器并联时，用100 kv曝光输出的直线，其幅度远大于Q0、Q1、Q2。四条直线也表示:转换的精度和稳定度都十分高。

三层探测的成像光子密度很大，输出的信噪比就很大，图像的密度分辨率也随之增加，扫描时间和剂量也大幅减少，时间分辨率大大提高等，所以可将探测器像素的 PN结尺寸缩小到0．2 mm×0．2 mm，甚至更小，小像素增加空间分辨率。多层探测保持了良好的低对比分辨率。也大大延长了球管的使用寿命。

3 讨论

3．1 多排多层探测器

CT机以大电流、高电压曝光，射线容易穿过三层固态探测器。所以直接测量一个探测单元的光电管依次输出电压值为:第1层16 mV，第2层输出9．6 mV、第3层输出4．1 mV、临时加了第4层还可输出1．3 mV，但将第四层至于探测间隙后其输出为12．6 mV。可见第1层光电管输出的14 mV被利用，而后层输出电压至少为15．4 mV被常规探测形式漏过而浪费，即每次曝光至少

有52．3%的射线透过第1层探测器及间隙后被浪费掉。又因探测器的PN结为硅或硒等材料，按原子序数排列在铝和铜附近，容易穿透。由此可见，必须实行多层探测，射线穿过第一层的PN结时软射线被滤除，第2层接受了相对能量高而均匀的射线，它们可分别输出低能量和高能量的X射线图像信号，实行不同能量的X线图像分离，可实现双能量或多能量X线城像技术。常规多排探测器［3－4］只是在空间面积上充分探测，而多排三层探测器如同传统多层断层暗盒和胶片涂有两面感光药膜的感光功效一样，将大量的透射线层层感光转换。其信噪比为常规相同排数探测器的1倍以上。多排探测可使CT机更快速采集最大量的容积信息时，强大的后处理软件才能发挥最大的作用，才可以薄层和高分辨率扫描和多个观察面，立体的、接近解剖的、仿真的、多彩的、动态的图像显示，且更加逼真、精细、圆滑和更接近自然体。那末多排多层探测更应该产生这样的效果。根据测试显示，探测器并联时输出电压值最稳定，随并联数增加、内阻减小、负载能力增强，信噪比提高。

因CT机有精准方便的校准功能，三层探测器的第二层探测的吸收值为人体组织和光电管PN结材料如硅等的吸收值，第三层探测器与第一层大约有7cm距离其吸收值均可在探测器零点漂移做清零校正或扣除即可。

昂贵的稀土陶瓷固体探测器做成多层探测器，其造价偏高，但图像效果及显示功能成倍提高，可减少曝光剂量及对人体的辐射量，延长球管使用寿命，这样更有意义。 3．2 低剂量扫描

多层探测与光耦放大器的组合无疑提高射线的利用率:螺旋CT机扫描时用200 mA、100 kV，三层探测器大大减少了射线的浪费，经放大后输出约12 V，其

曝光量可大幅缩减。容易实行20 mA～30 mA的低剂量扫描普查胸部。多排多层探测器输出信号相对增强，提高了图像质量，而单层探测使CT机扫描的电流量:高达800 mA，对病人及工作人员的辐射量和球管负荷量均增加许多，以人为本的管理理念，不应增加太大的曝光剂量，世界各国更不提倡。 3．3 超高信噪比

多层探测高效灵敏，其信噪比都高于原来的电离室或固体探测器系统。噪声淹没的信号极少，可测出早期很接近背景密度的病变信号，提高低密度分辨率，此点与计算机辅助诊断(computer aideddetection，CAD)系统［5］结合最有意义，很精确的自动筛选出胸部等不易被发现的早期结节灶等。 3．4 扫描速度－时间分辨率

多排多层探测器因信噪比很高，所以扫描的速度还可加快，扫描时间还可缩短，可预测:心脏，血管及胃肠道等检查，32排三层探测器应该能达到64排探测器的采集数据量同样的效果。如果64排三层探测器，可用大螺距扫描，其时间分辨率更高，活动脏器如心脏、血管、胃肠道及虚拟内窥镜体腔的三维影像质量更高，还省时间和省造影剂。 3．5 图像的层数与厚度

常规多排探测器如8排或32排，得到的图像层数一般为4层，因为它们受到探测的成像光子密度的限制，而多排三层探测得到的成像光子密度很高，扫描所得到的图像层数可接近探测器排数。因采集数据量大而时间短，图像的厚度可以很薄。

3．6 图像质量评价

对水模、测试卡等扫描(100kV，100 mA．)，重建厚度3 mm，图像数学处理