注意检测效率和灵敏度之间的差异非常重要。由于X射线和CT成像受X射线量子通量的噪声支配,因此检测效率应尽可能高。应检测到80%或更多的传入量子。太低的检测效率无法通过增加检测器的灵敏度来恢复。
二、CT探测器的分类
CT探测器主要分为固体探测器和气体探测器。其中,固体探测器按照闪烁体的材料区别又分为闪烁探测器和稀土陶瓷探测器;气体常用高压疝气。
气体探测器是利用气体(疝气)电离的原理,入射的X线使气体产生电离,透过测量电流的大小来测得入射X线的强度。气体探测器通常做成一个密闭的电离室,密闭的气室内被加入约30个大气压,以增加电离室的电离。电离室的上下夹面由陶瓷拼成,两侧由薄钨片构成,而X线的入射面由薄铝板构成,中心收集电极也由薄钨片构成。当X线入射到电离室后,使疝气电离,由中心收集电极的正、负极接收(正电极接收负离子,负极相反),通过前置放大器放大后送入数据采集系统。电离室侧面的钨片对X线有准直作用,可防止散射线进入电离室。但是气体探测器致命的缺点在于工艺上面只能做成单排探测器,所以在第三代CT后,已经没有使用气体探测器的CT产品了[2]。
2、固体闪烁体探测器
有些材料当X线或其他带电离子穿过时可以发射出可见光,这种材料被称为闪烁体。为了有效地检测X射线,通常使用含有一些重元素的无机化合物。例如碘化钠(NaI)或钨酸镉(CdWO4)。为了在60keV或更高的量子能量下实现高检测效率,由于X射线成像需要在探测器处达到100μm左右的精细空间分辨率,所以闪烁体的典型厚度范围为0.3到2.5mm。碘化铯(CsI)通常用于此应用,因为它可以生长为如图所示的柱状结构。这种结构限制了闪烁光的横向扩散,从而大大有助于实现可接受的空间分辨率。对于与非晶硅光电二极管一起使用,CsI掺杂铊元素,可作为活化剂改变最大的光发射区域。
在追求“理想的闪烁体”时,评估了满足现代CT扫描仪的高旋转速度,高分辨率和较低患者剂量要求的新材料,安装和几何形状。研究重点是发光量,速度,余辉和透光度。当前在CT检测器中使用的闪烁体的光输出量与Nph=10^6/Eg给出的理论极限相差甚远,其中Nph是每1MeV伽马光子可见光子数,Eg是闪烁体带间隙,β是一个约2.5的数值因子。例如,GOS的理论极限为Nph90,000[4]。
三、CT探测器国内市场分析
我国医疗影像市场广阔,未来仍有较大潜力:2017年中国医疗影像市场规模达到511亿元(73亿美元),占全球医疗影像市场17.4%;2010年至2017年中国医疗影像市场规模的复合增长率达到6.5%,远超全球增速1.0%。
1、西门子医疗
德国西门子拥有超过170年历史,在全球范围内持有18,000个专利,西门子医疗是领先的医疗技术公司。在全球超过70个国家约50,000名员工将继续创新,塑造医疗行业的未来。在上海拥有西门子亚洲培训中心,以及装配工厂和研发中心。在深圳有西门子磁共振研发生产部门。
以SOMATOM?X.cite为例,使用的是StellarInfinitydetector?,Stellar探测器是西门子医疗集团的首个完全集成的探测器。常规的检测器模块依靠信号处理板,其中光电二极管与模数转换器分开布置。这会导致电子噪声,因为信号在二极管和转换器之间的传播距离相对较长。在Stellar探测器中,简化了电路板,并且将转换器直接布置在光电二极管下方。由于来自光电二极管的模拟信号被直接转换为可靠的数字信号,因此这种完全集成降低了电子噪声,从而显着提高了信噪比(SNR),从而优化了剂量效率和图像质量。更高的通道密度和新的几何形状甚至在复杂区域中也可提供均质的图像质量,具有完全电子集成的TrueSignal技术,边缘技术可生成0.5毫米的图像,单次采集层数可达128,空间分辨率0.3mm,最大旋转速度0.3s。
2、飞利浦医疗
荷兰飞利浦医疗作为心脏病、肿瘤、危急护理以及妇女领域的保健专家,始终致力于研发并提供全面的医疗保健解决方案以为用户提供物超所值的保健服务,包含了从疾病预防、放射诊断到治疗,再到健康管理以及监测等等。
以IQonSpectralCT为例,通过新的双层光谱检测器为传统的CT扫描增加了能谱分辨率。借助基于钇的闪烁体(GOS+)可以吸收99%的高能射线,NanoPanel棱镜检测器可同时识别高能和低能光子,不仅可以查看解剖结构,还可以使用颜色来表征关键结构的组织密度含量。与传统的双能CT不同,能谱技术可以运用于任何方式的扫描中。
3、GE通用医疗
美国GE医疗是GE集团旗下(NYSE:GE)的医疗健康业务部门,年营收超170亿美元。致力于成为引领精准医疗的创新者,GE医疗提供智能设备、数据分析、软件应用和服务,实现从疾病诊断、治疗到监护的全方位精准医疗生态体系。GE医疗拥有100多年的悠久历史,在全球160多个国家拥有约5.6万名员工。GE医疗从1979年开始在中国开展业务,于1986年在北京成立了第一家办事处。1991年,航卫通用电气医疗系统有限公司在北京成立,成为GE在中国的第一家合资企业,随后成立华伦公司–致力于打造中国自己的伦琴,与海鹰集团公司合资成立了无锡工厂。目前,GE医疗在中国建立了包括独资和合资企业在内的多个经营实体,拥有员工近7,000名,包括一支由1,000多名工程师组成的研发团队,为中国和全世界开发领先的医疗产品与技术。
4、佳能医疗日本佳能公司,2018年1月4日起,佳能股份有限公司宣布,佳能集团旗下的东芝医疗系统株式会社正式更名为“佳能医疗系统株式会社”(以下简称“佳能医疗系统”)。佳能医疗系统从事用于疾病的早期诊断、早期治疗的CT、MRI、超声波诊断设备、X光诊断设备等影像诊断系统和检查设备的研发和生产,向世界约140个国家和地区提供产品。贯彻执行“MadeforLife”的理念,助力医院的运营,为患者提供低负担的医疗系统服务,助力“守护宝贵生命”的医疗事业的发展。
以AquilionPrecision为例,使用“微锋”高精度切割技术从固体锭中切割生产闪烁体来实现的,闪烁体探测器0.25mm,1792通道的16厘米的探测器,可采集320图像,最大旋转速度0.35s。新的“微锋”精密切割技术用于开发了可光学隔离的离散0.25mm元件,从而允许光传输而不会发生串扰。这一进步,加上闪烁体效率,检测器电路和其他DAS组件的显着改善,已经使导致了历史上剂量效率最高的检测器。尽管通道数量增加了一倍,行厚度减半,检测器产生的图像噪声的幅度相当于以前的896通道0.5毫米系统。
国内
1、联影医疗
联影医疗公司成立于2011年3月,是目前国内唯一一家拥有全线高端影像设备的公司。特别是全身一体化PETCT,更是开创了世界PETCT的中国制造。
以uCT780为例,也是使用的是闪烁体探测器,但是基于TSV(硅通道)技术,直接输出数字信号,低辐射剂量与高图像质量兼而得之。0.5mm探测器单元,最大旋转速度0.3s,可生成128层图像。
2、明峰医疗
明峰医疗系统股份有限公司是成立于2011年,由明峰集团、国家先进制造产业基金、浙江省人才基金、绍兴创业基金及广州越秀产业基金投资的高新技术医疗设备公司。公司总部位于浙江省绍兴市,在中国杭州、中山、郑州、重庆、成都,以及美国俄亥俄州Solon设有研发、生产中心。QuantumEye799为例,原创球面宽体探测器,512层图像,可以产能谱图像。
3、东软医疗
东软医疗系统股份有限公司(以下简称“东软医疗”)是中国大型高端医疗设备的推动者之一。东软医疗目前拥有CT、MRI、DSA、XR、PET/CT、RT、US、IVD、MDaaS九大产品线,能够提供放射影像、常规检查、放疗与核医学、临床应用解决方案。以NeuVizEpoch无极CT为例,使用全景追光者探测器---16cm轴扫+16cm螺旋覆盖,0.259s的旋转速度,0.17mm图像分辨率。
4、安科医疗
深圳安科高技术股份有限公司是在中央领导批示下,由中国科学院与美国Nasdaq上市公司Analogic于1986年合资成立的中国最早的高科技医疗器械公司,是广东省和深圳市最早的高新技术企业之一。公司主要从事高档医疗电子设备的开发、生产和经营,目前产品涉及医疗影像、医疗信息、医疗电子和治疗等四个领域,有六大类、近三十个品种。以ANATOM128产品为例,使用了optiwave光波探测器,以及非接触滑环,可采集128层图像。
结语
参考资料:
[1].Shefer,E.,etal.,StateoftheArtofCTDetectorsandSources:ALiteratureReview.CurrentRadiologyReports,2013.1(1):p.76-91.
[2].MelcherCL.Perspectivesonthefuturedevelopmentofnewscintillators.NuclInstrumMethodsPhysResA.2005;537:6–14.
[3].vanEijkCWE.Inorganicscintillatorsinmedicalimaging.PhysMedBiol.2002;47:R85–106.
[4].DevelopmentoftheHiLightscintillatorforcomputertomographymedicalimaging.NuclInstrumMethodsPhysResA.2003;505:68–71.