Princip multi-energetických CT detektorů

CT detektory v dnešní době fungují jako integrální detektory, tj. je načítána energie z několika interagujících fotonů současně. Jakmile foton interaguje, vznikají fotony viditelného světla, které jsou zaznamenány fotodiodou, která poté dává výsledný signál. Doba detekce fotonu je rovna cca 2500 ns (2500 ns v FWHM). Kvůli dlouhé době vysvícení nejsou tyto detektory schopny odlišit od sebe jednotlivé fotony, dochází k načítání signálu několika fotonů na sebe, proto označení integrální detektor. Jedná se např. o Gd2O2S, materiál s nepřímou konverzí (energie rtg fotonů je nejprve převedena na fotony viditelného světla, ty jsou detekovány).

Jinou technologii představuje materiál s přímou konverzí, kdy jsou rtg fotony ihned převedeny na elektrický náboj, tj. na elektrony a díry. Materiál je připojen k elektrodám s rozdílným elektrickým potenciálem, takže záporně nabité elektrony putují k anodě, kladně nabité díry putují ke katodě. Doba detekce fotonu je tak podstatně kratší, jedná se přibližně o 25 ns (25 ns ve FWHM). Díky podstatně kratší době detekce rtg fotonu jsou detektory s přímou konverzí použitelné pro detekci jednotlivých fotonů, tj. jsou použitelné pro photon-counting. Jedná se např. o materiál CdTe.

Indirect and direct conversionObr. 1: Nepřímá a přímá konverze u digitálních detektorů

U detektorů s nepřímou konverzí je maximální četnost pulzů řádově 10^3 za sekundu, u přímé konverze až 10^6 za sekundu.

Plocha pod křivkou, jak je uvedena na ob. 1 i na obr. 2, je úměrná energii detekovaného fotonu. Na obr. 2 je u detektoru s přímou konverzí (photon-counting detektor) možné v krátkém čase rozlišit několik detekovaných fotonů, zatímco u detektoru s nepřímou konverzí splývají všechny fotony v jeden široký pík. Je-li u detektoru s přímou konverzí možné nastavit několik energetických prahů, pak je detektor schopný odlišit od sebe různé energie fotonů, což je podstatou multi-energetických detektorů.

Indirect and direct conversion 2Obr. 2: Detekované energie v čase pro nepřímou a přímou konverzi u digitálních detektorů

Ideálně by mělo platit, že se energetické biny nepřekrývají. V reálu tomu však tak není, energetické biny se překrývají, viz obr. 3. K překrytí dochází tím, že se uplatňují určité interakce s určitou pravděpodobností. V ideálním případě foton interaguje fotoefektem, vzniká jeden pík, viz obr. 4. V některých případech však dochází k Comptonově rozptylu a vznikají dva píky o nižších energiích, viz. obr. 5. Tím dochází k degradaci energetického rozlišení detektoru. K degradaci energetického rozlišení detektoru však může dojít i v případě fotoefektu, není-li veškerý náboj detekován jedním pixelem, ale je sdílený mezi několika pixely, viz. obr. 6.

Ideal and real energy binsObr. 3: Energetické biny pro ideální situaci a pro reálnou situaci

Ideal eventsObr. 4: Ideální interakce – interakce detekovaného fotonu fotoefektem

Non ideal eventsObr. 5: Ne-ideální interakce – interakce detekovaného fotonu Comptonovým rozptylem

Non ideal events 2Obr. 6: Neideální interakce – interakce fotoefektem, ale sdílení náboje více pixely

Všechny neideální interakce pak vedou k tomu, že se překrývají energetické biny, jak je uvedeno na obr. 3, což vede ke zhoršení energetického rozlišení detektoru. V ideálním případě by pak bylo možné použít multi-energetické detektory k rozlišení několika materiálů díky rozdílným součinitelům zeslabení.

Poznámka: Nepleťte si digitální detektory s přímou a nepřímou konverzí s technologií přímé a nepřímé konverze u receptorů obrazu obecně (obecně o Computed radiography a Digital radiography zde).

Použitá literatura:
Kachelriess M. Image-based material decomposition with energy-selective detectors in multi-energy CT: a review. European Congress of Radiology 2015, EF 1 – Multi-energy imaging: from physics to diagnosis I

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *