基于CZT探测器的双能X线骨密度测量技术

　　引 言

　　骨质密度(BMD)的测量是判断人体是否患有骨质疏松症这种慢性疾病的有效检测方法和根据。骨密度的测量方法很多，从最简单的 X 线平片(RA)，早期的单光子(SPA)，双光子法(DPA)，到定量 CT 法和定量超声(QUS)法，双能 X 射线吸收(DEXA)法测量法等。目前，双能 X 射线吸收(EDXA)法测量法是国际上的金标准。然而这种测量技术的研究在国外相对比较成熟，在国内也有 EDXA 的研究，但是采用的探测技术是传统的 NaI 闪烁晶体。CZT 作为一种新型的探测器在很多方面具有更好的性能指标[1]，为了开发新产品，研制开发了基于 CdZnTe 探测器的双能 X 射线吸收骨密度测量系统。

　　1 系统测量原理

　　基于CZT 探测器的 EDXA 双能 X 射线骨密度测量系统是一种非接触式的骨密度测量。通过 X 射线源产生一定能量范围的 X 射线，经过能量束过滤器后产生高能和低能两个区的双能 X 光能谱图[2]，如图1。

　　骨组织对能高能量有较大的吸收系数，肌肉和其它软组织对低能量的 X 射线有较大的吸收系数。X 射线束通过人体后，X 射线能量有了一定的衰减，衰减后的X射线到达CZT 探测器，在CZT 探测器中光子激发电子空穴对，在探测器外加电场的作用下，电子和空穴分别被正负极板收集，形成电荷脉冲，该电荷脉冲送到 ASIC信号读出专用集成电路芯片中，该芯片由前置放大器和形成放大器组成。在前置放大器中形成高能和低能脉冲，这种脉冲信号在形成放大器中整形为标准的微分脉冲。

　　由ASIC 芯片读出的脉冲信号再送到与其连接的高能甄别器和低能甄别器中。高能甄别器和低能甄别器分别对高度落在其阈值道宽内的脉冲，产生计数脉冲送到与其相连的高能计数器或低能计数器。计数器通过数据传送器与中央计算机相连，中央计算机将数据转换为图像形式在屏幕上显示。计算机控制二维机械扫描机构确定扫描点，成像点与其关联。对骨质密度以及肌肉软组织密度的计算，可由两种光子通过骨及软组织块时衰减的公式来描述：

　　其中I 为衰减后光子的流量率(光子/秒)，I0为衰减前光子的流量率，M 为给定物质的质量(g/cm2)，μ为面衰减系数(cm2/g)，L，H 为代表低能和高能光子角标，S，B 代表软组织和骨头的角标。两种不同能量的低能射线和高能射线能探测到人体系统两种组份的微小变化。X 射线的强度可以直接测量，衰减系数可用不同方法确定，最简单的是使用已公布的值。MS 和MB 可以由下面的表达式得出,而MB 即是通常所说的骨矿密度 BMD。

　　2 系统组成与设计