V tomto příspěvku je popsaný rozdíl mezi scintilačními a polovodičovými detektory z pohledu příspěvku rtg fotonů různých energií k výslednému CT obrazu.
Při absorpci rtg fotonů v detekčním elementu scintilačního detektoru dochází ke vzniku scintilací – scintilačních fotonů (světelných záblesků), které dopadají na fotodiodu, ve které dochází k produkci elektrického proudu, tedy ke generování odezvy detektoru. Velikost odezvy detektoru je úměrná celkové energii absorbovaných fotonů v tomto detekčním elementu za krátký časový úsek. Protože při vyhodnocení signálu dochází k sumaci energie všech fotonů absorbovaných v jednom detekčním elementu do jednoho signálu, označují se tyto typy detektorů jako energy-integrating detektory (EID) neboli energii-integrující detektory.
Nevýhodou EID je to, že detekční element nedokáže odlišit, od jak energetických fotonů energie pochází. Při vzniku CT obrazu je větší váha přisouzena víceenergetickým fotonům ve srovnání s méněenergetickými. Konkrétní příklad pro objasnění: Absorbuje-li se v detekčním elementu jeden foton o energii 120 keV, je vzniklá odezva detektoru úměrná energii 120 keV. Absorbuje-li ale se jeden foton o energii 40 keV, je odezva detektoru úměrná energii 40 keV, vzniklý signál je třikrát menší, ale v obou případech se jednalo o detekci jednoho fotonu. Z tohoto vyplývá, že rtg fotony nižších energií jsou váženy neúměrně málo ve srovnání s rtg fotony vyšších energií, přičemž jsou to právě fotony nízkých energií (30-60 keV), které nesou informaci o kontrastu v objektu díky větší pravděpodobnosti interakce fotoefektem. Jedná se např. o rtg fotony, které prošly pacientem v místě, kde se nachází kontrastní látka, tedy jsou to ty oblasti, které by v CT obraze měly být zobrazeny. Fotony s vyšší energií obvykle převáží v součtu energií z jednoho detekčního elementu ty s nižší energií, čímž se zhoršuje kontrast rtg obrazu.
Naopak výhodou polovodičových detektorů je odlišení rtg fotonů různých energií, jedná se proto o photon-counting detektory (PCD). Ve srovnání s EID umožňují konstantní vážení rtg fotonů, tedy nezávisle na jejich energii. Opět tentýž příklad jako výše: Je detekován foton o energii 40 keV a 120 keV. Odezva EID na foton o energii 120 keV bude třikrát větší než odezva na foton o energii 40 keV. U PCD jsou však fotony počítány po kusech a tříděny podle energií. Výstupním signálem je v obou případech jeden foton. Ukázka vážení fotonů různých energií pro EID a PCD je graficky znázorněna na obr. 1.
Obr. 1: Odezva detektoru v závislosti na energii interagujícího rtg fotonu pro scintilační detektor (EID) a pro polovodičový detektor (PCD) se znázorněním K-hrany jódu (33 keV). Nízkoenergetické fotony v oblasti okolo K-hrany (30-60 keV), které nesou informace o kontrastu, přispívají k vyššímu CNR u PCD než u EID
S použitím PCD tak dochází ke zlepšení zobrazení kontrastních látek a jiných hodně zeslabujících objektů, protože v CT obraze tvoří lepší kontrast. Získat stejnou kvalitu obrazu s použitím PCD jako s použitím EID, vyjádřenou poměrem CNR, lze s použitím menšího množství kontrastní látky (pro získání stejné hodnoty kontrastu jako dříve postačuje menší objem kontrastní látky) nebo s menší dávkou záření (s vyšším kontrastem pro stejné CNR je akceptovatelný vyšší šum, tedy menší dávka).
Jako materiál scintilačních detektorů se využívá GOS a Gd2O2S, jako materiál polovodičových detektorů se využívá CdTe, CdZnTe, Si.
Použitá literatura
Flohr T, Petersilka M, Henning A, et al. Photon-counting CT review. Phys Med. 2020;79:126-136. doi:10.1016/j.ejmp.2020.10.030
Flohr T, Ulzheimer S, Petersilka M, Schmidt B. Basic Principles and Clinical Potential of Photon-Counting Detector CT. Chin J Acad Radiol. 2020; 3:19-34. doi:10.1007/s42058-020-00029-z