看不懂CT招标参数?读这篇就够了(4):探测器篇

“拆解”系列第4期,讨论CT之眼:探测器,CT设备最重要的核心部件,没有之一。

第125篇原创

2022

相约第672天

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导语

“拆解”系列第4期,讨论CT之眼:探测器,CT设备最重要的核心部件,没有之一。本文主要讨论CT进入稀土陶瓷时代以后的探测器,以及光子计数探测器。

1971年,英国工程师亨斯菲尔德制造了一台用于扫描人脑的CT,我们称之为CT元年。纵观其52年的发展史,一定程度上等同于探测器的发展史。

探测器,CT核心中的核心。我们常说的多少排CT,其实就指探测器的排数。所有知名的CT整机厂商,也都有悠久的探测器研发及制造历史。

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CT探测器(来自互联网)  

探测器结构

我们先简单了解下CT原始数据的生成过程:X线对人体某一部位进行扫描,射线穿过人体组织后发生不同程度的衰减,探测器接收衰减的X线,将其转换成数字信号,最后通过重建产生CT图像。

探测器的本质是“传感器”,其数据采集和转换过程如下:X线穿过准直器(Anti Sccatter Grid,ASG)到闪烁体(Scintillator),将其变成可见光,然后通过光电二极管阵列(Photodiode Array),将光信号转换成电信号,然后通过以高速多通道模数转换器(ADC)为核心的读出电路,将其转换成原始数字信号,最终通过光纤传入重建柜。

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探测器宏观结构(来自互联网)

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探测器内部结构(来自互联网)

从探测器角度,沿着这一数据采集链路,并结合CT工作原理,常见探测器参数则包括探测器材料、层厚(Z轴探测器单元尺寸)、Z轴宽度(覆盖范围)、排数、单圈扫描可获得图像数、每排探测器个数、探测器总像素单元数、采样率等。其中,探测器材料、层厚、Z轴宽度、排数、采样率尤其重要,我们来一起梳理。

探测器核心参数

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指标1:探测器材料

探测器材料,又称闪烁体材料。总体说来,这是一种吸收高能光子(X射线、γ射线等)后发出可见光的闪烁晶体,广泛应用于高能物理、工业探伤及医学影像等领域。

作为探测器的心脏,闪烁体纯粹依赖于物理,化学,材料等基础学科的积累而实现,是每个厂家不传之密。   目前,主要控制在日本、以色列等国家手中,但我国已经开始向其发起了挑战。  

早期CT的闪烁体是以NaI为代表的单晶体,但由于密度小、易潮解、辐射损伤等缺点早已退出CT行业,仅存在于ECT中。

80年代后期,随着无机材料制备技术的发展,闪烁陶瓷(稀土陶瓷)这一多晶体材料出现,不仅制备工艺简单、尺寸灵活、生产成本低,还凭借高光输出量、高稳定性、低辐射损伤等优点,逐渐成为CT探测器闪烁体的第一选择

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探测器模块及闪烁体(来自互联网)

从稀土陶瓷配方的角度来讲,目前主要包括4种探测器材料:

1)   Hilight和Gemstone,均为GE所有。Hilight为第一个商用稀土陶瓷探测器,曾在全球首台64排CT:LightSpeed VCT上大放异彩。目前Hilight仍在服役,主要应用在64排及以下CT。Gemstone(宝石)探测器由江浩川博士领导开发,主要应用在宝石CT、Revolution CT等高端CT上。

2)   GOS,最早为日本研发,日立,佳能、西门子、飞利浦等CT厂家对其深入研究并开发出GOS探测器。其中,西门子的超高速陶瓷探测器(Ultrafast Ceramic,UFC)通过优化工艺,其光输出高达50000ph/MeV;佳能在其中又添加了一种稀有元素:镨,使光输出(Light Output)再提高了40%。   光输出越高,意味着X线转换效率就越高,CT越“绿色”低剂量。  

除明峰量子眼CT外,我国所有医用CT探测器的闪烁体均为GOS,且全部依赖进口。   因为对国内而言,国外各大公司GOS闪烁陶瓷的核心制备技术目前仍是“未解之谜“, 高端GOS闪烁陶瓷技术对我国仍然是一个重要的“卡脖子”问题。  

3) Superlight,诞生于我国中科院宁波材料技术与工程研究所,同样也是由江浩川博士领导开发,性能媲美宝石闪烁体,明峰医疗基于此首次实现了商用,Superlight目前是我国唯一应用在CT的高性能闪烁体,打破了国外技术垄断。江浩川博士对Gemstone和Superlight的贡献,印证了那句话:千军易得,一将难求。

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明峰神光探测器(来自互联网)

除GE CT和明峰超高端CT外,目前绝大多数CT探测器材料为GOS,因此在招标过程中很少对其进行约束;加上闪烁体参数过于底层和专业(请参考:   为什么CT探测器是一块一块的?),对于临床评价来说存在困难,建议以科普为主,技术评价为辅。

此外,如今稀土陶瓷探测器已足够成熟,绝大部分CT在整个生命周期都不需要更换探测器,某些CT甚至都不需要维修。

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4种闪烁体及性能(原创)

双层探测器

2016年,在以色列海法诞生了世界首台双层探测器CT:飞利浦IQon,其探测器非常具有创新性,由空间上对等的上、下两层构成,上层为添加了钇(Ytrrium)元素的钇基探测器,下层为稀土陶瓷探测器。上层采集低能光子信息,同时允许高能光子穿透并在下层被吸收,从而实现了探测器端的高低能分离。

双层探测器技术的优势在于不改变常规工作流程,时间分辨力高,不增加辐射剂量,无扫描视野限制,可从常规CT扫描中获得全息光谱图像,被认为是“同时、同向、同源”的三同能量成像解决方案。

在经历第一代IQon后,飞利浦最新推出的Spectral CT应该是目前世界上最好的能量CT之一。

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双层探测器原理(来自互联网)

光子计数探测器

光子计数探测器,并不是新鲜事物,很早就应用于高能物理、宇宙射线探测等领域,   公认的下一代X射线成像技术,应用于CT一直以来是很多厂家的梦想。

传统CT探测器原理上称之为“能量积分探测器”,其电路存在固有的系统噪声,在光电转换、模数转换等过程中,也会引进元器件漂浮噪声等,必须使用足够多的X射线来提高信噪比,则降低辐射剂量存在瓶颈。

与基于闪烁体的探测器不同,光子计数探测器基于半导体材料,具有以下优点:

1)因其具有较高的原子序数、较大的X射线吸收系数,可以实现   更低剂量成像

2)因不需要通过闪烁体将X线转换成可见光,没有光横向扩散影响,可以实现   更高空间分辨率成像

3)通过设置阈值实现光子脉冲数计数,每个X射线光子到达探测器后都会产生一个脉冲信号,当强度大于预设阈值才进行计数,可以消除暗电流导致的假计数,实现真正意义上的   零噪声

4)引入独特的能量箱理念,从能量级角度来说,不同能量(如40、70、100KeV)X射线光子被定义为不同能级,将X射线光谱分割出4-8个能量箱,然后通过重建得到多物质图谱,用不同颜色标记不同物质(如水、钙、碘、钆等),最终得到彩色的多能量CT图像

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光子计数CT的能量箱理念(来自互联网)

目前,光子计数CT主要有三种方案:1)   碲化镉(CdTe)方案,西门子推出的世界首台光子计数CT:NAEOTOM Alpha就使用该方案,搭载在其双源平台上。2)   深硅(Si)方案:GE主导,因硅的原子序数低,X射线转换效略弱,其探测器厚度要足够,故称之为“深硅”,不过其优势为能量箱更多;3)   碲锌镉(CdZnTe)方案:由佳能首先推出,目前正与日本国家癌症中心和东柏医院合作测试中。

光子计数CT并非没有隐忧,在高能物理和空天探测已经表明,光子计数探测器的辐射损伤比较明显,不过CT用的X射线光子能量并不算高。   考虑探测器是CT最昂贵的部件,约占总成本1/3之一左右,希望厂家能研发出能使用8-10年的光子计数探测器。  

02

指标2:探测器层厚

对于固态稀土陶瓷探测器来说,其闪烁晶体都是要进行切割的,因为从烧结工艺和重建算法来说,都需要对探测器进行单元分割

在CT学习或招标环节中,探测器层厚是最常见的参数。需要说明的是,通常我们理解的探测器层厚并不是一个物理值,而是一个等中心(ISO)值(请参考:   为什么16cm宽体探测器不是16cm?),这和CT的几何设计都有关系。所以,实际的探测器宽度不是4cm、8cm、16cm,而是宽得多。

不过无论如何,层厚已经是被广泛接受的概念,我们完全可以据此评价CT探测器层厚。

69911652920098911探测器及模块(来自互联网)

我们知道,   CT的空间分辨率一定程度上是由探测器层厚(Z轴探测器单元尺寸)决定的。如今CT探测器,除部分16排CT还在使用非等宽探测器(中间亚毫米级,两侧毫米级)以外,64排及以上CT均使用等宽亚毫米探测。   探测器层厚一般为0.5mm(佳能、联影) 、0.6mm(西门子)、 0.625mm(GE、飞利浦、东软、明峰等)。  

目前,业界最小探测器层厚是0.25mm,由佳能创造并搭载在Aquilion Precision超高清CT上,其最大成像矩阵也达到了惊人的2048×2048,从侧面说明目前日本在探测器无痕切割方面处于全球领先地位,期待我国掌握这项技术

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超高分辨率CT探测器单元(来自互联网)

由于不担心串扰,光子计数器探测器在Z轴方向可根据阳极尺寸来定义虚拟的“探测器层厚”,目前已可以做到0.2mm,这也是光子计数器空间分辨率高的原因之一。

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指标3:探测器Z轴宽度、排与层

我们知道,“排”是指CT探测器在Z轴方向的物理排列数目,其实就是指探测器在Z轴被切割的单元数。比如64排探测器就是指Z轴有64个探测器单元,每个单元的尺寸就是探测器层厚,也代表探测器的纵向分辨率。

1998年,GE、飞利浦、西门子、佳能在北美放射学会上同时发布4排螺旋CT,创造性地在Z 轴上设置多排探测器,机架旋转一周能获得多幅断层图像,奠定了现代CT的设计架构!

此后,CT经历了4排、16排、64排,到后来目前最高的320排(640排犹未可知)的发展过程。我们很容易理解探测器Z轴宽度=探测器层厚×探测器排数。比如,320排CT:宽度=320×0.5mm=16cm;256排CT:宽度=256×0.625mm=16cm。

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不同宽度探测器覆盖范围(来自互联网)

一般来说,排数越多,探测器Z轴越宽,单次扫描覆盖人体范围越大。除双源CT和双层探测器CT外,几乎所有CT都以探测器宽度作为划分CT档次的部分依据。  

目前,具有16cm宽体超高端CT的整机厂商已有5家(佳能、GE、联影、东软、明峰),这说明   宽体CT具有其优越性,如轴扫单器官成像。虽然在肺、肝等场景有时不能全覆盖,但是在心脏、全脑这两个最重要的领域,不动床扫描还是受到很多医院的青睐。  

需要说明的是,双源CT和双层探测器CT,也在经历了排数逐渐增加的过程。比如,双源CT,从第一代40排2.78cm覆盖的Definition,到如今96排5.76cm覆盖的Force;比如双层探测器CT,从第一代64排4cm覆盖的IQon,到如今128排8cm覆盖的Spectral。

除了“排”,CT还有”层”的概念,即机架旋转一周可获得的图像数。比如,16层CT就表示扫描一圈能够获得16层图像;我们也知道,64排、128排CT通常能获得128层、256层图像,这是因为CT采用了飞焦点技术或共轭采集技术。

以大名鼎鼎的飞焦点技术为例,CT球管通过精确、快速地控制电子束偏转,实现X轴和Z轴双向飞焦点,不仅使获得的图像层数加倍,还提高了提高采样率。目前,飞焦点技术已成为提高空间分辨率和成像质量的行业标准。

52371652920099111飞焦点实现逻辑(来自互联网)

04

指标4:每排探测器单元数

为了便于制造和后期维修,目前绝大部分CT探测器均采用模块化方案。探测器单元通过探测器电路、基座等连接在一起,构成一个探测器模块(Module)。例如,佳能采用纯平结构,飞利浦ICT采用拼接球面结构。

需要说明的是,Z轴“整板探测器”是个伪概念,没有不切割的稀土陶瓷探测器,从探测器烧结工艺和重建算法来说,都必须要对探测器进行单元分割。

7811652920099160探测器的X轴排列(来自互联网)

除Z轴外,探测器也有XY平面,它采用几十个探测器模块排布为扇形阵列,比如飞利浦42块、比如飞利浦42块、西门子46块,每个探测器模块在XY方向一般为16个单元。

因此,我们也很容易理解每排探测器单元数(每排探测器通道数)=探测器模块数×每块探测器模块通道数。比如,42个模块意味着每排就有672个单元;46个模块意味着896个单元。

需要重点强调的是,每排探测器单元数有着强烈的厂家风格(如西门子736、飞利浦672、佳能896、GE 912等),绝不可以单纯地以每排探测器通道数来评价探测器性能,因为探测器很多参数之间是互相制衡的!

同样,我们可以据此计算探测器的总物理单元数,即探测器像素单元数。探测器像素单元数=探测器排数×每排探测器单元数。以东软256排CT:NeuViz Epoch为例,其探测器像素单元数=256×672= 172032。

与每排探测器单元数类似,也不建议以探测器像素单元数来评价探测器性能,再次说明我们一直以来重视探测器排数和层厚是非常合理的。

05

指标5:探测器采样率

众所周知,CT在工作中球管是连续出射线的,在圆周每个位置进行照射,探测器通过FET电路控制以毫秒级速度高速开关,采集多个角度切面数据就可以重建出CT图像。

这其中,每个角度采集一次切面,称为一个View,中文翻译是“投影”,是CT重建的数据基础。而采集View的频率,就是采样率。比如,常规模式下Revolution单圈采集984个view,则其采样率为984views/圈。

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CT机架旋转采集逻辑(来自互联网)

让我们再次回到“张三雨中奔跑使用水杯接水”这个模型。如今CT探测器是能量积分探测器,我们将探测器比作“水杯”,将“接水”比作积分过程,只有接到足够的水,才能满足原始数据灰阶区分及信噪比的要求。一个view就代表接水一段再把水倒掉重新接的这个过程,就完成了一个view的采集。

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‍CT扫描及重建原理(来自互联网)

CT重建算法是每个厂家的核心技术,这里就涉及到一个重要的参数,每圈采样率,这是CT非常重要的指标。不同厂家对采样率的定义不同,有的厂家使用 XX个投影/圈,如最大采样率4640views/圈(即每360°最高可采样4640个view);有的厂家则喜欢用频率,即每圈XX个投影数除以该圈转速。如0.35秒转速下,每圈861个view,则采样率为(861/0.35)=2460Hz。

倍增采样

为了提高Z轴分辨率,或者产生双倍图像(如64排128层图像),就诞生了倍增采样技术,如有动态飞焦点、共轭采集、DST等技术。

从CT的原理来说,一个断面投影数越多,意味着目标边缘勾勒越精确,图像质量越高,但是随着采样率提高,带来的好处边际效应递减,因此笔者在这里强调,   通常来说高采样率是好的,但并非可以简单认为采样率越高,图像越好。例如A 款CT 采样率定义为896个投影/圈,倍增后1792个投影/圈,B款CT采样率为4800个投影/圈,A与B采样率差了非常多,但是B的图像就未必好于A。

因为,这要看不同探测器体素大小、不同扫描协议、不同转速、不同矩阵、不同传递函数和截止频率、不同重建条件等等,每个条件都是相互制约的。所以我们发现,高水平的CT某参数相差很大,但是图像往往不分伯仲。

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番外:噪声与探测器封装

所谓探测器封装,即将探测器高度集成,凭借在半导体领域的基础,   飞利浦成为最早实现CT探测器芯片化封装的厂家,如今几乎所有厂家的探测器模块都是高度集成,看不到板卡下的探测器结构。

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飞利浦CT探测器模块(原创)

近年来,我们听过一种宣传,即“零”电子学噪声,极大提升CT图像的空间分辨率和低密度分辨率。

这项技术确实存在。比如,西门子Stellar探测器,不再采用传统的引线结构,而是将探测器单元直接集成到光电二极管上,减少了探测器外围电路的电子噪声和交叉串扰;还比如,联影和万东因为也采用类似技术,其CT探测器也具有低电子噪声的特点。

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新式探测器集成逻辑(来自互联网)  

这种减少外围电路电子噪声的技术,正是   硅通孔(Through Silicon Via,TSV)封装技术,被认为是第四代封装技术。   这是一项高密度封装技术,正在逐渐取代目前工艺比较成熟的引线键合技术,可大幅度减少PCB上的布线,具备减少信号延迟,降低干扰等优点。  

这项技术其实早已存在,比如,图像传感器、堆叠存储芯片以及高性能处理器,都离不开它,只不过近年来开始应用到医学领域。

小结

我们知道,CT的关键部件包括主轴承、滑环、高压发生器、球管、探测器,而探测器之所以能成为核心中的核心,是因为其发展基本决定了CT的发展。甚至可以说,我们“玩”的就是探测器。。。

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