ct原理与结构讲座(三)x射线探测器

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1、CT原理与结构第三讲X射线探测器东软飞利浦医疗设备系统有限责任公司CT课题研究组执笔人孙健先生，硕士研究生。关键词:X射线CT机X射线探测器一引言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射线束的球管以及接收和检测X射线的探测器组成；后者主要包括数据采集系统、中央处理系统、操作台等。X-CT成像系统略图参见图1。此外，CT机还应包括图像显示器、多幅照相机等辅助设备。X射线探测器(Detector)是一种将X射线能量转换为可供记录的电信号的装置。它接收到射线照射，然后产生与辐射强度成正比的电信号。通常，探测器所接受到的射线信号的强弱，取决于该

2、部位的人体截面内组织的密度。密度高的组织，例如骨骼吸收X射线较多，探测器接收到的信号较弱；密度较低的组织，例如脂肪等吸收X射线较少，探测器获得的信号较强。这种不同组织对X射线吸收值不同的性质可用组织的吸收系数m来表示，所以探测器所接收到的信号强弱所反映的是人体组织不同的m值，从而对组织性质做出判断。X射线穿透人体后的衰减遵守指数衰减规律：-mdI=I0e(1)式中：I为通过人体吸收后衰减的X射线强度；I0为入射X射线强度；m为接收X射线照射组织的线性吸收系数；d为受检部位人体组织的厚度。从图1中看，X射线源与探测器围绕着一个公共轴心旋转。射线束对整个感兴趣的断面完成一次扫描后，探

3、测器就接受到与组织衰减系数直接相关的投影数据。将所获得全部投影数据输入计算机，通过图像重建算法来重建出探测平面的二维图像，图像的灰度值与组织的衰减系数相对应。这就是X-CT的基本工作原理。X-CT的图像重建过程实际上就是如何从投影数据中解出成像平面上各象素点的衰减系数。如果象素越小、探测器数目越多，计算机所测出的衰减系数就越多、分辨率越高，重建出的图像也就越清晰。目前，CT机的矩阵多为512×512，其乘积即为每个矩阵所包含的象素数。探测器组件是由性能完全相同的探测器单元排列而成，每个探测器对应着一束窄的X射线。如果有n个探测器单元，那么一次就可同时获得n个投影数据，所得到的数据

4、也被称为生数据(RawData)。二探测器剖析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。目前，CT中常用的探测器类型有两种，一种是收集荧光的探测器，称闪烁探测器，也叫固体探测器。一种是收集气体电离电荷的探测器，称气体探测器。它收集电离作用产生的电子和离子，记录由它们的电荷所产生的电压信号。1.固体探测器固体探测器是利用射线能使某些物质闪烁发光的特性来探测射线的装置。由于此种探测器的探测效率高，分辨时间短，既能探测带电粒子，又能探测中性粒子；既能探测粒子的强度，又能测量它们的能量，鉴别它们的性质。所以，固体探测器在CT扫

5、描机中得到了广泛的应用。它的原理如图2所示。由图2可见，固体探测器前面加有反射层，它是涂有白色氧化镁粉末的铝盒。它使闪烁晶体产生的荧光光子能大部分反射到光电阴极上。在晶体与光电倍增管间放置有机玻璃制成的光导，并涂有硅油以保证良好的光耦合。使用最普遍的闪烁晶体是激活碘化钠(NaI)晶体。这种晶体的密度大，对γ射线和X射线有较大的阻止特性。它的透明度和发光度都很高。但NaI晶体极易潮解，这是它的致命缺点。NaI晶体一旦潮解，探测器效率和能量分辨力均急剧下降，以致完全不能使用。在实际应用中，碘化钠晶体被密封在一个铝制外壳内。光电倍增管是一种光电转换器件，通过它可把光子转换成电子。它不同

6、于其它的光电转换器件，如光电管、光电池等，光电倍增管可把微弱的光按比例地转换为较大的电信号，这就是它的倍增作用。光电倍增管的工作是建立在光电效应、次级电子发射和电子光学的基础上的，它一般由光电阴极、次阴极和收集阳极等三部分组成。外界环境对光电倍增管的影响很大。为避免外界磁场和电场的干扰，应采取严密的屏蔽措施，通常是在光电倍增管的外面罩上一个与阴极同电位的合金罩。光电倍增管工作在强辐射场时还会产生各种辐射效应，在这种情况下，应对整个环境加以辐射屏蔽。CT常用的各种闪烁晶体的性能，如表1所示。CT扫描机上所用的探测器一般用CdWO4、CsI、CaF2等闪烁晶体，再与光电倍增管组合起来

7、，闪烁晶体的发光光谱和光电倍增管的感光度分布尽量选择一致。在前述的荧光晶体内常加入少量的铊，因为铊受X射线照射时发出可见光，可提高转换效率。但加入铊的缺点是会产生时间较长的残光，有时会对信息的收集产生干扰，故加入铊时应尽量避免残光的发生。目前各生产厂家大多采用高效的固态稀土陶瓷探测器，这类探测器所采用的陶瓷闪烁体是由向主基体内有选择地固溶一定量的稀土和碱土离子而制成的，其转换效率极高而且余辉又极短，使X射线的利用率从原来的50%提高到了99%以上。2.气体探测器气体探测器是利用气