Nové CT detektory slibují ostřejší obrazy

Na světovém kongresu výpočetní tomografie (International Society for Computed Tomography 2016 Symposium) zazněla otázka, proč se v oblasti CT detektorů událo v nedávných letech tak málo. Krátkou odpovědí bylo to, že další krok je jednoduše obrovský. A již v současné době si tyto nové technologie razí cestu na komerční trh. [1]

„Nové detektory jsou vyvíjeny hlavně z toho důvodu, že v současné době CT detektory využívají scintilačního materiálu a ten není perfektní“, říká dr. Norbert Pelc ve své přednášce, kterou převzal za jejího autora, Williho Kalendera, který se nemohl zúčastnit sympózia z důvodu zlomené paže.

Jaký typ detektoru by byl ideální? „Budoucí detektory jsou podstatně vyššího řádu ve všech směrech“, říká dr. Pelc, který je profesorem radiologie a biomedicínského inženýrství na univerzitě ve Stanfordu. „Ideální CT detektor by měl nabídnout 100%-ní absorpční účinnost, takže by detekoval všechny rtg fotony, které na detektor dopadnou“, dodává dr. Pelc. „Ale to znamená, že geometrická účinnost je potřeba taktéž 100%-ní, aby nedocházelo ke ztrátě fotonů při jejich interakci s necitlivými částmi. Signál musí být detekován ihned, aby se neprojevovalo zpoždění signálu ani dosvit, jako se tomu děje u scintilačních detektorů.“

Ideální detektor by měl mít vysoké časové rozlišení a taktéž dobré energetické rozlišení, aby poskytoval přesné informace o každém fotonu. Vhodné by tak bylo, aby bylo možné detektor lehce zkonstruovat, aby náklady na jeho výrobu byly nízké a v neposlední řadě, aby byl extrémně stabilní, podotknul dále dr. Pelc.

Dnešní CT detektory využívají scintilačního materiálu k převedení energie rtg fotonů na fotony viditelného světla. Na vstupní straně současných detektorů je oblast scintilátorů, z nichž každý absorbuje rtg fotony a produkuje světlo. Scintilátory jsou navzájem izolované odrazivým materiálem, aby nedocházelo ke cross-talku (cross-talk je jev, kdy je světlo z jedné interakce zaznamenáno i v sousedních scintilačních prvcích, nikoliv pouze v tom jednom, kde došlo k interakci [2]). Typicky jsou detektory konstruovány tak, že v podélném směru je 64 nebo 16 detektorů. Za těmito detektory je vedená elektronika, která umožňuje převedení optického (světelného) signálu na elektrický signál, jeho zesílení, digitalizaci a spojení se zbytkem CT systému.

„Pracuji v oblasti CT detektorů již dlouhou dobu a poslední dostupné CT detektory, které jsem pomáhal navrhnout, obsahují již méně kanálů, jsou kompaktnější, za což si výrobci zaslouží pochvalu. Díky tomu je nyní možné vyrábět masivně multikanálové detektory“, říká dr. Pelc.

Typický 64-řadý detektor je tvořen 180 kanály v podélném směru a 64 kanály v axiálním (příčném) směru, všechny kanály jsou kryty protirozptylovou mřížkou. Odrazivý materiál mezi jednotlivými detekčními elementy je v současné době největší slabinou scintilačních detektorů, protože podstatně snižuje geometrickou účinnost. I kdyby byl odrazivý materiál odstraněn, geometrická účinnost by byla stále horší, právě v důsledku protirozptylové mřížky.

Ale scintilační detektory jsou podstatně rychlejší než tomu bývalo dříve, což umožňuje kratší rotační čas. Nové scintilační detektory využívají ultrarychlý keramický materiál nebo gemstone materiál. Tyto materiály jsou integrovány do vyčítací elektroniky, není potřeba žádné další spojovací elektroniky. Díky tomu byl významně redukován elektronický šum, což umožňuje snížení dávek.

„V současné době testujeme experimentální CT skener, který využívá materiálu s přímou konverzí (nepřímá konverze – rtg foton je převeden na fotony viditelného světla, které jsou poté detekovány, přímá konverze – rtg foton jako takový je detekován). Nejčastěji používaným materiálem pro přímou konverzi je CdTe, CdZnTe a taktéž HgI2 (mercuric iodid)“, dodává dr. Pelc.

Materiály s přímou konverzí se již po dobu cca deseti let využívají ve fyzice vysokých energií. Do hledáčku CT komunity se dostaly zejména proto, protože umožňují tzv. photon counting (rozlišení jednotlivých fotonů) a tedy i energetickou diskriminaci (více o photon counting detektorech zde). Technologie photon counting by byla velkým pokrokem v CT zobrazování, kdyby byla spolehlivá a náklady na její pořízení rozumné. Detektory s přímou konverzí nepotřebují pixelizaci, ani odrazivé materiály, navíc ani nemají mrtvou oblast, což umožňuje vyšší geometrickou účinnost detektorů.

Když interaguje rtg foton se scintilačním materiálem, světlo se šíří různými směry, rozptyluje se. Odrazivé vrstvy se snaží o udržení světla v daném detekčním elementu. Materiál s přímou konverzí neprodukuje světlo, ale pouze nosiče náboje v polovodivém materiálu, které jsou poté sebrány. Proto se energie zdaleka tak nerozptyluje jako ve scintilačním materiálu, point spread function je pak užší a vyšší, prostorové rozlišení tedy lepší. Např. pro CdTe detektor o velikosti 1 mm, kdy náboj prochází délkou 1 mm, je rozptyl mezi 10 a 30 mikrony (mikrometry), zatímco u klasického scintilačního materiálu je rozptyl podstatně větší. Ukázka point spread function pro běžný scintilátor, pro krystalický scintilátor a pro materiál s přímou konverzí je uvedena na obr. 1.

PSF_new_detectorsObr. 1: Point spread function pro různé materiály [1]

Časové rozlišení materiálu, jako je CdTe, je taktéž velmi dobré, typicky pod 100 nanosekund. Díky tak skvělému časovému rozlišení je pak možné rozlišovat při detekci jednotlivé fotony. Scintilační materiály používané v dnešních CT detektorech jsou podstatně rychlejší, než bývaly dříve, avšak nejsou dostatečně rychlé na to, aby umožňovaly rozlišení jednotlivých detekovaných fotonů. Scintilační materiály používané v dnešní době v CT detektorech mají dobu rozpadu signálu aspoň 1 nanosekundu a dosvit alespoň 50 nanosekund. To znemožňuje použití těchto scintilačních materiálů pro rozlišení jednotlivých fotonů (photon counting).

Materiál CdTe má však několik nevýhod. Jednou z nich je, že je dostupný pouze ve velmi malých velikostech, z toho důvodu zatím není možné sestrojit detektor, který by byl dostatečně velký v obou směrech (podelný a axiální). Taktéž vysoká cena CdTe je velkou nevýhodou. Mezi další nevýhody patří malá detekční účinnost při vysokých dávkových příkonech. V současné době jsou tyto materiály schopné detekovat 200 milionů částic za 1 sekundu na ploše 1 mm2, což je nedostatečné pro klinické CT skenery s vyšším výkonem. V neposlední řadě je nevýhodou nedostatečná energetická odezva materiálu CdTe.

Závěrem lze dodat, že tradiční diodové detektory lze zlepšit použitím materiálů s přímou konverzí a v budoucnu snad dojde k jejich zavedení do klinických provozů CT.

Použitá literatura:
[1] http://www.auntminnie.com/index.aspx?sec=ser&sub=def&pag=dis&ItemID=114488
[2] Súkupová L. Klinické CT a cone-beam CT. Česká Radiologie 2015; 69(1): 48-54

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *