CT探测器的设计与最新技术

1　X射线CT

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。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。CT可提供二维图像和三维图像。

1.1　基本结构

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线束的发生器和球管以及接收和检测X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、磁带机、操作台等。此外,CT机还应包括图像显示器、多幅照相机等辅助设备。

1.2　工作原理

在图1中,X线球管和探测器分别安装在被扫描组织的两侧,方向相对。CT利用人体不同组织对X线的吸收不等,将人体被测层面分成许多立方体小块,称为体素;CT测得每一体素的密度或灰度,即为像素。X线经过选定层面后的衰减总量为各体素X线衰减量的总和,旋转球管,X线从不同角度穿过选定层面,旋转多次后,可得一联立方程,该方程中,X线衰减总量为已知值,各体素X线衰减值为未知量,经计算机运算求出各体素X线衰减值(对应各像素),由这些像素组成一副二维的断层图像,不同的二维图像在计算机中组合成一副三维图像。

在图1中,我们使用的是扇形X射线源和线形探测阵列,这种CT图像质量很高,但是它所需时间较多,即实时性不好。现在许多工业CT使用锥形X射线源、二维晶体阵列和CCD阵列,它是随着数字实时成像技术(DRTR)发展起来的,随着高灵敏传感器和固体探测器的飞速发展,DRTR技术得到了迅速的发展,以前一些成像技术存在实时性差、图像失真等问题;而DRTR可以用低剂量的X射线,精确地再现物体内部图像,DRTR的动态范围(饱和信号电压与其均方根噪声电压之比)很高,可达2000∶1以上,这就意味着它可以显示高清晰度的图像。

2　探测器剖析[1]

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。

2.1　闪烁体材料

在表1中给出了一些常用的晶体材料参数。NaI(Tl)主要用于医疗上γ相机和地质勘探上,它一般不用小通道晶体阵列,因为它发出的波长和硅光电二极管不太匹配,并且它的衰变常数太大。BGO的密度、速度很高,制造也比较容易,但它的转换率不高,它对温度比较敏感,因此,它要求入射光强(或高灵敏度传感器)和温度稳定。CsI的发射光波长与硅(光电二极管)很匹配,并且它的成本也不高,但它的余辉量太高,并且密度不高,这限制了它的使用,它主要用于线形扫描仪,并且能量一般不高于150keV。举例说明,当能量在300keV时,要吸收这些能量的80%需要21mm厚的CsI;相比而言,对CdWO4,只需7mm厚就可以吸收。因此在高速能量场合,一般用CdWO4,但CdWO4本身结构有缺陷,这就限制了它的通道面积不能做得太小。含有杂质的GOS可以作为光屏或陶瓷闪烁体,GOS在陶瓷形式时,转换率是CdWO4的两倍,因为它不是单晶体,所以它从半透明到透明的,但由于它对光的自吸收性,所以它的厚度一般不超过2mm。