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【通俗易懂】图文分析CT探测器的参数


本文继续用我所擅长的设备拆解的角度,结合小学数学,从CT整体,到探测器结构、参数,缓慢推进,讲述探测器的“排”与“层”。


全文通俗易懂,保证对探测器的所有参数一遍过!

1

CT探测器的整体认识

以经典的飞利浦Brilliance64 CT,出了名的稳定、皮实。感慨一句:飞利浦的球管太XX耐操了,后面专门开一篇好好说道说道!


CT整体结构就机架和床两大块,所有CT都这样。

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图1 飞利浦CT(来自互联网)


打开机架前盖,最亮眼是球管和探测器,如下图。


今天的主角是探测器,CT最重要最神奇的部件

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图2 打开机架前盖


继续,拆探测器的外壳,中间那一长条就是探测器,明显可以看出是一块一块拼起来。其他厂家也是一样,都是拼起来的,有42块的、52块的、56块的。放大上图红色椭圆部分,可清晰可见每块探测器。


注意:如不是维修需要,尽量不要拆探测器外壳,探测器是好好呵护的,另外探测器特别特别特别贵!

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图3  探测器前面及细节


肯定特别想拆1块,研究探测器长啥样吧,满足你!


下图就是1块探测器的,正脸和侧脸。探测器正面是探测器材料,X线从这进入探测器,后面跟着的是X光信号数据处理单元。


记住右边那张图,很重要。


以上是对探测器的整体认识,下面进入正题。

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图4  单块探测器侧面及正面

2

探测器参数图文解读


厂家每次宣传CT时,机架转速和探测器总是要大书特书,毕竟这俩参数是CT一直在努力追求的极限,简直就是CT届的摩尔定律!


探测器的功能是可将入射的不可见X光转换为可见光的闪烁晶体或荧光物质,以完成后续成像。


探测器参数包括探测器材料、探测器排列、每排探测器个数,探测器通道数等。


探测器材料有好几种,有高速稀土陶瓷、人造宝石、固体钨酸铬,闪烁晶体GOS等。四大CT厂家的探测器材料都不太一样,材料就见仁见智,这个离工程师太远。咱们详细分析下面三个参数。

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图5 探测器材料(来自互联网)


为便于理解,一般人为定义探测器有三个方向,即X、Y、Z,如下图所示:


X轴,探测器长度,体现每排探测器的采集单元数;


Z轴,探测器宽度,体现探测的排数;


Y轴,是X线方向,其实没啥意义。

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 图6 探测器的三个方向


很不好理解对吧,继续用图说话。


以单块64排探测器为例分析,从图中(图7上)能清楚看到探测器上有竖直的条纹。实际上,探测器物理结构像田字格(图7下),不仅有竖直条纹,还有水平条纹。每一格是一个探测器的物理单元。

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图7  探测器正面及物理结构


到这,单个探测器的基本结构算是清楚了,开始讲探测器的参数。


01

探测器排列(宽度)


继续用上图,64排探测器,Z轴就代表探测器宽度,64排就是64个单元,每个单元是宽度0.625mm,也是探测器的纵向分辨率


因此探测器总宽64*0.625=4cm。至于为什么是0.625mm,这是每家工艺决定,佳能是0.5mm,西门子是0.6mm,GE和飞利浦是0.625mm。


越薄,图像的细节越多。


再举个栗子,比如同样16cm探测,GE Revolution是16cm=256*0.625,Canon Aquilion ONE是16cm=320*0.5mm。这么薄,也不知道人眼能不能看出来。


肯定有人好奇双源CT探测是怎么计算的,一样:Force,探测器参数是96*0.6*2mm = 5.76cm*2,即2块一模一样的5.76cm的探测器。


补充:虽然现在主流基本上都是64排以上,探测器排列也都是等宽的。但有些老款CT的探测器排列是不等宽的,具体每家不太一样。一般定义探测器排数的规则:以Z轴上最小宽度探测器的数目作为探测器的排数。比如,

16排CT,宽度2.4cm,实际是16+8=24排,宽度是16*0.75;

40排CT:宽度4cm,实际是40+10=50排,宽度是40*0.625;

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图8  16排、40排、64排探测器Z轴


02

每排探测器的采集单元数


1块探测器的X轴是16个单元。16是个好数字,好像其他家探测器也是这样的,主要的是探测器的块数。


上面说,X轴是探测器长度,体现每排探测器的采集单元数。那怎么体现呢?


咱们看整体探测器的正面(图9),整体是由42块探测器拼起来的。因此每排探测器的采集单元数:42*16=672。


再举个栗子,

Revolution CT每排探测器的采集单元数:52*16=832;

Aquilion ONE每排探测器的采集单元数:56*16=896。

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图9 探测器正面


03

探测器的总物理单元数


探测器的总物理单元数,也就是CT像素。CT的空间分辨率与像素大小有密切关系,一般为像素宽度的1.5 倍。像素越小、数目越多,空间分辨率提高,图像越清晰。


CT像素 = X*Z = 64*672= 43008。


同样,其他CT也是这么算的,感兴趣可以看看谁的空间分辨率高。

3

探测器的“层”是如何实现的


先引用李懋老师的原文:

“排”是指CT探测器在Z轴方向的物理排列数目,简单来讲就是有多少排(个)探测器,就是多少排CT,这个指标主要是反映CT硬件结构。目前的CT都是多排CT(MDCT),即Multi-detector CT或者可以写成Multi-row CT或者Multiple detector row CT。

“层”是指CT数据采集系统(Data Acquisition System, DAS)同步获得图像的能力,这个指标主要是反映CT扫描的功能,是一个功能性参数。所谓功能性参数是指要通过图像性能来反映的,不能直接通过实体显示。有多少层CT就代表扫描一圈能够同步获得多少幅图像。比如,我们常说的16层CT、64层CT,就是表示扫描一圈能够获得16层图像、64层图像。目前的CT基本上都是多层CT(MSCT),即Multi-Slice CT或Multi-slice spiral CT或Multislice CT。

通过第三章,“排”已经足够清楚了吧,下面是层。


层,是CT扫描一圈能够获得的图像数。

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图10 GPS探测器排与层CT(来自互联网)


上图各家CT的探测器排数和层数的对比,可以看出,就两种情况:


第一种,探测器层数=探测器排数,即探测器排数和DAS通道数一样。通常来说,64排CT,后面正好跟64通道DAS,扫描一圈获得64幅图(图11)。即,图像数=DAS数=探测器排数。这很好理解对吧。

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图11  常规64排64层技术(来自互联网)


第二种,探测器层数=探测器排数*2,即DAS通道数是探测器排数的2倍,图像数=DAS数=探测器排数*2。


那后一种怎么实现的呢,两种方法:


01

飞焦点技术


普通X线成像是X线轰击到阳极靶面的一个点上,反射到探测器上;而飞焦点成像(图12)是在X线产生的过程中,电子束在磁偏转线圈的作用下,轰击在阳极靶面的不同位置上,从而使焦点在靶面两个不同的位置快速变换。

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 图12 飞焦点


比如,西门子的飞焦点(Z-sharp)技术,通过X线焦点在Z轴上运动,两个焦点位置的X线信号先后到达64排探测器,由64排探测器的“分时读取”并分别传递给128个DAS通道,相当于两个64排探测器在工作,实现每圈64层数据的采集,不仅获得图像加倍,同时也提高了Z轴分辨率,从0.6mm提高到0.33mm。

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图13 飞焦点成像原理(来自互联网)


02

共轭采集技术


X线在机架内旋转180°(即,球管和探测器交换位置)后,可以获得相反方向的X线,即为共轭射线。


GE和飞利浦都采用共轭采集技术,该技术是对连续X线信号进行不同时相上的采集,通过两组DAS系统将对相位相差180°的数据分别进行捕获即转换,可重建出双倍于探测排数的图像数,比如飞利浦Ingenuity Core128,是64排128层CT。


同样,使用共轭采集技术后,可将采样率提高1倍,同时也提高Z轴分辨率,从0.625mm提高到0.3mm。

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图14 共轭采集成像原理(来自互联网)


飞焦点和共轭采集本质上都是通过提高1倍数据采样率,实现获得双倍图像数,同时也提高了Z轴分辨率。




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