医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理培训课件.ppt

1、医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理1.1、CT工作原理工作原理图图1 投射投射X射线的发射源与探测器布置示意图射线的发射源与探测器布置示意图图图2 新型螺旋新型螺旋CTX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医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理2CT成像原理：图图3、CT成像原理图成像原理图 所谓的所谓的X-CT断层图像，就是一幅反映层面断层图像，就是一幅反映层面X射线吸收系数射线吸收系数值的空间分布图。值的空间分布图。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作

2、原理3X-CT的物理原理的物理原理v 单色X射线通过均匀物质时被吸收的规律为：II0exp(x)123nxI0I体素：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：假设：厚度均为x。对于临床使用的低能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：射线，各种元素的质量吸收系数近似的可用下式表示：mk3m:物质的线性吸收系数；物质的线性吸收系数；Z：物质的原子序数；：物质的原子序数；:为为X射线的波长；射线的波长；：医用医用X 射线，射线，3.5。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理4v 对上式移项取对数，可得：1 2 n i

3、 x-1(I/I0)ni=1强度为强度为I0的单色的单色X射线通过第一个体素后的强度为：射线通过第一个体素后的强度为：I1I0exp(1x)通过第二个体素后的强度为：通过第二个体素后的强度为：I2I1exp(2x)I0exp(1 2)x依次类推，通过第依次类推，通过第n个体素后的强度为：个体素后的强度为：In I0exp(1 2 n)x我们把重建层面分为我们把重建层面分为nn个体素的矩阵阵列（通常为个体素的矩阵阵列（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），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。越大。在重建影像上采取了数

4、学（卷积、反投影）的方法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以更进一步提高影像的质量。质量。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理5CT数数mwwv 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kmww在多数在多数CTCT中，中，k k取取10001000；CTCT的单位为的单位为H H一个一个CT装置的密度分辨率为装置的密度分辨率为H=5，即能鉴别相当于，即能鉴别相当于0.5 w的密度差异，而胶片则望尘莫及。的密度差异，而胶片则望尘莫及。水空气骨头10.00132CT值0-1000+1000

5、医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理61.2 医用医用CT的发展过程的发展过程1第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代第五代第五代结构：结构：X射线管和探头射线管和探头作为一个整体作为一个整体,使用宽角度扇形使用宽角度扇形X射线束射线束,包围患包围患者断层者断层特点：特点：进一步提高了扫进一步提高了扫描速度描速度,将单帧将单帧扫描时间减到了扫描时间减到了23秒。秒。结构：结构：一个一个X射线管射线管一个探测器一个探测器缺点：缺点：扫描速度慢，易扫描速度慢，易产生运动伪像。产生运动伪像。在第三在第三CT机的机的基础上增加探测基础上增加探测器的数目器的数目(约约4201500个个),布

6、满整个布满整个360而成一个环形圈而成一个环形圈.扫描时探测器静扫描时探测器静止不动止不动,仅仅X射线射线管旋转管旋转,使单帧使单帧扫描时间进一步扫描时间进一步缩短到缩短到2秒以下。秒以下。以以X射线的磁偏射线的磁偏转代替了原来转代替了原来X射线管的偏转射线管的偏转,大大缩短了扫描大大缩短了扫描时间时间,使单帧扫使单帧扫描时间缩短描时间缩短0.1秒秒,从而提高了从而提高了对快速活动的器对快速活动的器官的诊断能力。官的诊断能力。结构：结构：多个探测器多个探测器特点：特点：单帧影像扫描时单帧影像扫描时间缩短到间缩短到20秒秒左右左右,但对腹部但对腹部来说仍嫌太长。来说仍嫌太长。医疗CT中碲锌镉CZ

7、T探测器的工作原理7医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理8最近几代的最近几代的CT机机,除了更进一步除了更进一步缩短扫描时缩短扫描时间间之外之外,还有一个改进就是还有一个改进就是在重建影像上采取了卷积、在重建影像上采取了卷积、反投影的新方法反投影的新方法,以更进一以更进一步提高影像的质量。步提高影像的质量。对对CZT探测器以及探测器以及CZT材料提出了新的材料提出了新的要求。要求。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理10晶体闪烁探测器晶体闪烁探测器气体电离探测气体电离探测器半导体探测器半导体探测器2、CT中中CZT探测器的工作原理探测器的工作原理CT中探测器的主要功能：探测通过人体层面的X

8、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。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理11晶体闪烁体探测器晶体闪烁体探测器闪烁体闪烁体硅光电管硅光电管TFT阵列阵列X射线射线闪烁体闪烁体光信号耦合光信号耦合TFT阵列阵列X射线射线工作原理：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，如图列，如图8-1所示；或是所示；或是CCD阵列，如图阵列，如图8-2所所 示转化成电信号示转化成电信号系统组成：闪烁体，系统组成：闪烁体，光电倍增管，光电倍增管，电源和放大器分析器，现电源和放大器分析器，现 代闪烁探

9、测器往往配备有计算机系统来处理测量结果。代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处理测量结果。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理12第一步第一步第二步第二步第三步第三步气体电离探测器气体电离探测器v 常用气体：氙气；v 工作原理：在氙气探在氙气探测器上施测器上施加高压电加高压电厂和气压，厂和气压，使之处于使之处于电离饱和电离饱和状态。状态。所有自由电所有自由电荷都垂直于荷都垂直于X射线方向射线方向收集。收集。从而形成信号从而形成信号电流，直接反电流，直接反映探测器接受映探测器接受X射线的情况。射线的情况。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理13半导体探测器（半导体探测器（CdTe/CdZnTe

10、）图图5 CdZnTe探测器示意图探测器示意图图图6 CdZnTe探头电路设计图探头电路设计图 CZT探头采用探头采用8路脉冲实现数路脉冲实现数据采集，其中每一路均有一片据采集，其中每一路均有一片4 4 2的晶片组成。的晶片组成。在医学成像器件上，在医学成像器件上，CZT探测器常被制成由许多单元探测器常被制成由许多单元探测器组成的阵列，单片一探测器组成的阵列，单片一维阵列，单片二维阵列，像维阵列，单片二维阵列，像素探测器。素探测器。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理14密度分辨率（能量分辨率密度分辨率（能量分辨率）空间分辨率空间分辨率CTCT图像质量图像质量的参数的参数探测效率探测效率 3

11、、CZT探测器在医用探测器在医用CT中应用的优势中应用的优势图图7：CdTe探测器与其它常用探测器性能比较探测器与其它常用探测器性能比较医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理15高空间分辨率高空间分辨率探测效率高，探测效率高，灵敏度好灵敏度好体体积积小，小，高能量分辨率高能量分辨率使用使用环环境境CZT材料材料的的优优点点CZT电电阻率高，阻率高，漏漏电电流小，噪流小，噪声声低。低。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理16使用环境使用环境v 对温度，湿度不敏感，可在室温下使用（工作温度为对温度，湿度不敏感，可在室温下使用（工作温度为 -3050），峰值的温漂小于），峰值的温漂小于0.1；v

12、不需液氮制冷；不需液氮制冷；v CZT无潮解，化学性质稳定。无潮解，化学性质稳定。碘化钠碘化钠(NaI)闪烁晶体则易受潮解而变质，化学性质相闪烁晶体则易受潮解而变质，化学性质相 对不稳定。对不稳定。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理17高探测效率高探测效率例如：例如：平板探测器的量子探测效率平板探测器的量子探测效率(DQE)CdTe：4060%,闪烁体闪烁体(如如CsI)：3040%图图8、不同探测器探测效率比较、不同探测器探测效率比较医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理18CZT探测器制作工艺的优势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

13、光蚀刻技术v 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。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理19CZT探测器优点探测器优点v 高能量分辨率v 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。v 在室温下对X射线、射线能量分辨率好，能量探测范围在10 keV6 MeV，无极化现象，非常适合探测器能量10500 keV的光子。v 体积小v 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。v 漏电流小

14、，噪声低v 主要因为CZT晶体电阻率高达1011cm。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理20CZT探探测测器器两两大技大技术难术难点点空穴陷获空穴陷获 CdZnTe的电子和空穴 差别较大,ee 5 10-3 cm2/V,hh 10-5 cm2/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。晶体缺陷晶体缺陷v 单晶中的缺陷单晶中的缺陷(富富Te夹夹杂、龟裂等杂、龟裂等)构成对电构成对电子和空穴的陷获中心；子和空穴的陷获中心；v 由于空穴的迁移率和由于空穴的迁移率和寿命都较低寿命都较低,空穴的漂空穴的漂移长度较短移

15、长度较短,在在1 000 V/cm的电场下的电场下,约为约为60m,电子漂移长度电子漂移长度也仅为也仅为1315 mm。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理21解决方法：解决方法：v 改进电极结构改进电极结构 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。v 采用电学方法采用电学方法 脉冲整形、电荷补偿v 像素探测器像素探测器 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。医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理22医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理23