医疗CT中碲锌镉CZT探测器工作原理.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,1,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,医疗CT中碲锌镉CZT探测器工作原理,医疗,CT,发展及其工作原理,一,医疗,CT,中,CZT,探测器的工作原理,二,主要内容,CZT,探测器在,医,CT,中应用的优势,三,、,CT,工作原理,图,1,投射,X,射线的发射源与探测器布置示意图,图,2,新型螺旋,CT,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,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,值的空间分布图。,X-CT,的物理原理,单色,X,射线通过均匀物质时被吸收的规律为：,I,I,0,exp(,x),1,2,3,n,x,I,0,I,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,。,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：,m,k,3,m,:,物质的线性吸收系数；,Z,：物质的原子序数；,:,为,X,射线的波长；,：,医用,X,射线，,。,对上式移项取对数，可得：,1,2,n,i,x,-1,(,I/I,0,),n,i=1,强度为,I,0,的单色,X,射线通过第一个体素后的强度为：,I,1,I,0,exp(,1,x),通过第二个体素后的强度为：,I,2,I,1,exp(,2,x),I,0,exp,(,1,2,)x,依次类推，通过第,n,个体素后的强度为：,I,n,I,0,exp,(,1,2,n,)x,我们把重建层面分为,nn,个体素的矩阵阵列（通常为,256256,，,512512,），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,m,w,w,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,。,CT,值,k,m,w,w,在多数,CT,中，,k,取,1000,；,CT,的单位为,H,一个,CT,装置的密度分辨率为,H=5,，即能鉴别相当于,w,的密度差异，而胶片则望尘莫及。,水,空气,骨头,1,0.0013,2,CT,值,0,-1000,+1000,1.2,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：,X,射线管和探头作为一个整体,使用宽角度扇形,X,射线束,包围患者断层,特点：,进一步提高了扫描速度,将单帧扫描时间减到了23秒。,结构：,一个,X,射线管一个探测器,缺点：,扫描速度慢，易产生运动伪像。,在第三,CT,机的基础上增加探测器的数目,(,约,4201500,个,),布满整个,360,而成一个环形圈,.,扫描时探测器静止不动,仅,X,射线管旋转,使单帧扫描时间进一步缩短到,2,秒以下。,以,X,射线的磁偏转代替了原来,X,射线管的偏转,大大缩短了扫描时间,使单帧扫描时间缩短秒,从而提高了,对快速活动的器官的诊断能力。,结构：,多个探测器,特点：,单帧影像扫描时间缩短到20秒左右,但对腹部来说仍嫌太长。,第三代,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,图,4,第三代工业,CT,的工作原理,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。,对,CZT,探测器以及,CZT,材料提出了新的要求。,晶体闪烁探测器,气体电离探测,器,半导体探测器,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,闪烁体,硅光电管,TFT,阵列,X,射线,闪烁体,光信号耦合,TFT,阵列,X,射线,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。,第一步,第二步,第三步,气体电离探测器,常用气体：氙气；,工作原理：,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,）,图,5 CdZnTe,探测器示意图,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。,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。,密度分辨率（能量分辨率）,空间分辨率,CT,图像质量,的参数,探测效率,3,、,CZT,探测器在医用,CT,中应用的优势,图,7,：,CdTe,探测器与其它常用探测器性能比较,高空间分辨率,探测效率高，,灵敏度好,体积小，,高能量分辨率,使用环境,CZT,材料,的优点,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；,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,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,：,4060%,闪烁体,(,如,CsI),：,3040%,图,8,、不同探测器探测效率比较,CZT,探测器制作工艺的优势,通过电极焊接连接到读出芯片,生成面元阵列,CZT,晶体的分段电极设计,微电子光蚀刻技术,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、,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。,漏电流小，噪声低,主要因为,CZT,晶体电阻率高达,10,11,cm,。,CZT,探测器,两大技术难点,空穴陷获,CdZnTe,的电子和空穴,差别较大,e,e,5 10,-3,cm,2,/V,h,h,10,-5,cm,2,/V,。,因此，空穴的陷获效应比电子的陷获严重,导致电荷收集不完全,出现严重影响能量分辨率的空穴尾效应。从而影响了能谱的能量分辨率。,晶体缺陷,单晶中的缺陷,(,富,Te,夹杂、龟裂等,),构成对电子和空穴的陷获中心；,由于空穴的迁移率和寿命都较低,空穴的漂移长度较短,在,1 000 V/cm,的电场下,约为,60m,电子漂移长度也仅为,1315 mm,。,解决方法：,改进电极结构,电容弗里希,-,构成只收集电子的单电荷载流子探测器，消除空穴陷获的影响。,再拼接成大面积探测器，以提高探测器的灵敏度。,采用电学方法,脉冲整形、电荷补偿,像素探测器,小像素面元电极的大体积,CdZnTe,晶体阵列探测器,得到了非常好的能量分辨率。,较厚的,CdZnT e,晶体阵列,(,至少,6mm),和小尺寸像素面元电极设计能同时得到好的能谱特性和高空间分辨率,这也是,CdZnTe(CdTe),半导体探测器值得注意的发展方向。,Thank You!,谢谢观赏,