醫(yī)學(xué)CT
計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）結(jié)合了一系列從身體周?chē)煌嵌扰臄z的X射線圖像，并使用計(jì)算機(jī)處理來(lái)創(chuàng)建人體內(nèi)骨骼、血管和軟組織的橫截面圖像（切片）。CT掃描圖像提供的信息比普通X射線更為詳細(xì)。
CT掃描有很多用途，但它特別適合于快速檢查可能因車(chē)禍或其他類(lèi)型創(chuàng)傷而受到內(nèi)傷的人。CT掃描幾乎可以顯示身體的所有部位，用于診斷疾病或損傷，以及計(jì)劃醫(yī)療、手術(shù)或放射治療。
CT信號(hào)檢測(cè)與處理的工作流程如圖1所示。在X射線CT處理鏈中，檢測(cè)步驟通過(guò)物理探測(cè)器來(lái)執(zhí)行，物理探測(cè)器捕獲衰減的X射線束并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼信息。如圖1所示，在幾個(gè)處理步驟之后，結(jié)果可用于計(jì)算機(jī)上的最終可視化和解釋。
在傳統(tǒng)的基于衰減的CT中，X射線在穿過(guò)材料的過(guò)程中由于吸收或散射而被衰減。然后通過(guò)使用X射線檢測(cè)器捕獲衰減的X射線來(lái)測(cè)量衰減。多年來(lái)，檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)有了相當(dāng)大的進(jìn)步。檢測(cè)器捕獲X射線束并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。X射線能量到電信號(hào)的這種轉(zhuǎn)換主要基于兩個(gè)原理：氣體電離檢測(cè)器和閃爍（固態(tài)）檢測(cè)器。兩種檢測(cè)原理的示意圖如圖2所示。氣體電離檢測(cè)器將X射線能量直接轉(zhuǎn)換為電能，而閃爍檢測(cè)器將X射線轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，然后將光轉(zhuǎn)換為電能。
當(dāng)X射線撞擊閃爍晶體時(shí)，它們會(huì)在閃爍介質(zhì)內(nèi)轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)波輻射（可見(jiàn)光）。然后將光導(dǎo)引至電子光傳感器，例如光電倍增管。光電倍增管吸收閃爍體發(fā)出的光，并通過(guò)光電效應(yīng)射出電子。當(dāng)光線照射到光電陰極時(shí)，電子被釋放，然后電子通過(guò)一系列倍增極級(jí)聯(lián)，并保持在不同的電位，從而產(chǎn)生輸出信號(hào)。
閃爍體材料的選擇至關(guān)重要，并且取決于X射線到光轉(zhuǎn)換所需的量子效率以及轉(zhuǎn)換過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，該時(shí)間常數(shù)決定了探測(cè)器的“余輝”（即探測(cè)器的余輝）。甚至在關(guān)閉輻射后也可以拍攝圖像，如下一節(jié)所述）。現(xiàn)代的亞秒級(jí)掃描儀需要非常小的時(shí)間常數(shù)（或非常快的熒光衰減）。
應(yīng)用于醫(yī)用CT的閃爍晶體
Ce:YAG
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 550 |
| 衰減時(shí)間 (ns) | 70 |
| 發(fā)光量 (光子/kev) | 35 |
| 折光率 | 1.82@550nm |
| 輻射長(zhǎng)度 (cm) | 3.5 |
在最大捕獲速率方面，YAP（Ce）相對(duì)于YAG（Ce）表現(xiàn)出更好的性能。但是，選擇YAG（Ce）晶體是因?yàn)樗陌l(fā)射光譜與光電二極管的靈敏度相當(dāng)。量熱計(jì)必須在粒子加速器處理室工作，那里的磁場(chǎng)不可忽略，因此在讀出系統(tǒng)中使用光電二極管比YAP（Ce）晶體所需的標(biāo)準(zhǔn)光電倍增管更可取。此外，使用光電二極管量熱計(jì)的結(jié)果更緊湊，并允許減少整個(gè)pCT裝置的大小。
| Ce:YAG(Y3Al5O12) | 密度 (g/cm3) | 最大發(fā)射波長(zhǎng) (nm) | 衰減常數(shù) (ns) |
| Ref[1] | / | 670 | 100μs |
| Ref[2] | / | 670 | 75 |
| Ref[3] | 4.55 | 550 | 88 |
參考文獻(xiàn)
[1] Design and characterisation of a YAG(Ce) calorimeter for proton Computed Tomography application
[2] Characterization of a Silicon Strip Detector and a YAG：Ce Calorimeter for a Proton Computed Radiography Apparatus
[3] A High Speed Functional MicroCT Detector For Small Animal Studies
Ce:YAP
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 370 |
| 衰減時(shí)間 (ns) | 28 |
| 發(fā)光量 (光子/kev) | 25 |
| 相對(duì)于Nal(Tl)的光輸出 (%) | 60-70 |
| 折射率 | 1.95@370nm |
YAP（Ce）由于具有高的光產(chǎn)額、良好的分辨率、硬度和非吸濕性，在醫(yī)療設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測(cè)探測(cè)器中通常用作帶光子的閃爍體。不幸的是，這種晶體在閃爍光中有一個(gè)緩慢的衰減時(shí)間。這限制了它們的高頻應(yīng)用。在這種情況下，人們研究了如何利用這種晶體作為質(zhì)子的量熱計(jì)，以較高的速度進(jìn)入粒子，如質(zhì)子計(jì)算機(jī)斷層掃描。
參考文獻(xiàn)
[1] YAP(Ce) crystal characterization with proton beam up to 60 MeV
[2] Mcps-range photon-counting X-ray computed tomography system utilizing an oscillating linear-YAP(Ce) photon detector
[3] Dark-count-less photon-counting X-ray computed tomography system using a YAP-MPPC detecto
CsI
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 410 |
| 衰減時(shí)間 (ns) | 40 |
| 發(fā)光量 (光子/kev) | 25 |
| 相對(duì)于Nal(Tl)的光輸出 (%) | 75 |
| 折射率 | 1.82@410nm |
與傳統(tǒng)的由0.4 mm厚的氧化釓硫閃爍體組成的aS1000模型相比，CsI探測(cè)器具有8 mm厚的CsI晶體，具有更高的X射線吸收效率。
| CsI | 密度 (g/cm3) | 最大發(fā)射波長(zhǎng) (nm) | 衰減常數(shù) (ns) |
| Ref[1] | 4.51 | 540 | 680 |
參考文獻(xiàn)
[1] A High Speed Functional MicroCT Detector For Small Animal Studies
Ce:LYSO
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 410 |
| 衰減時(shí)間 (ns) | 40 |
| 發(fā)光量 (光子/kev) | 25 |
| 相對(duì)于Nal(Tl)的光輸出 (%) | 75 |
| 輻射長(zhǎng)度 (cm) | 1.82@410nm |
Ce:LYSO是高密度，高光產(chǎn)率和短衰減時(shí)間的單晶非吸濕閃爍體，已成功用于醫(yī)學(xué)CT成像儀中。
| Ce:LYSO(LuYSiO5) | 密度 (g/cm3) | 最大發(fā)射波長(zhǎng) (nm) | 衰減常數(shù) (ns) |
| Ref[1] | 7.1 | 420 | 48 |
| Ref[2] | 7.1 | 420 | 40 |
| Ref[3] | 7 | 420 | / |
參考文獻(xiàn)
[1] YAP(Ce) crystal characterization with proton beam up to 60 MeV
[2] Luminescence Emission Properties of (Lu; Y)2SiO5：Ce (LYSO：Ce) and (Lu; Y)AlO3：Ce (LuYAP：Ce) Single Crystal Scintillators Under Medical Imaging Conditions
[3] A comparative study of the luminescence properties of LYSO：Ce, LSO：Ce, GSO：Ce and BGO single crystal scintillators for use in medical X-ray imaging
Ce:LuAG
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 535 |
| 波長(zhǎng)范圍 (nm) | 475-800 |
| 衰減時(shí)間 (ns) | 70 |
| 發(fā)光量 (光子/kev) | 25 |
| 折射率 | 1.84@633nm |
通過(guò)使用具有高密度和高原子序數(shù)的材料可以實(shí)現(xiàn)高檢測(cè)效率。通常利用Ce3+的5d至4f快速發(fā)光，具有獨(dú)特的20-60 ns衰減時(shí)間來(lái)在室溫下提供有效的發(fā)射。摻Ce的Lu3Al5O12（LuAG:Ce）是眾所周知的閃爍體，具有理想的物理和閃爍特性。
參考文獻(xiàn)
[1] Crystal growth and characterization of LuAG：Ce：Tb scintillator
[2] Epitaxial growth of LuAG：Ce and LuAG：Ce,Pr films and their scintillation properties
BGO
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 480 |
| 衰減時(shí)間 (ns) | 300 |
| 發(fā)光量 (光子/kev) | 8-10 |
| 折射率 | 2.15 |
| 能量分辨率 (%) | 12 |
鍺酸鉍 (BGO; Bi4Ge3O12) 具有較高的X射線截止功率，但其相對(duì)較低的閃爍效率（NaI（TI）的8-16%）和較長(zhǎng)的閃爍衰減時(shí)間（300ns）要求與光電倍增管進(jìn)行有效的光耦合，以獲得良好的時(shí)間分辨率和合理的能量分辨率。
參考文獻(xiàn)
[1] A QUAD BGO DETECTOR AND ITS TIMING AND POSITIONING DISCRIMINATION FOR POSITRON COMPUTED TOMOGRAPHY
[2] Plastic scintillation detectors for high resolution emission computed tomography.
[3] YAP(Ce) crystal characterization with proton beam up to 60 MeV
CdWO4
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 490 |
| 衰減時(shí)間 (ns) | 14000 |
| 發(fā)光量 (光子/kev) | 12-15 |
| 相對(duì)于Nal(Tl)的光輸出 (%) | 50 |
| 折射率 | 2.2-2.3 |
鎢酸鎘 (CWO) 單晶廣泛應(yīng)用于X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描和內(nèi)窺鏡、光譜和輻射測(cè)量設(shè)備，用于制造帶有光電二極管或光電放大器的小型探測(cè)器和計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）的多元素檢測(cè)組件。
參考文獻(xiàn)
[1] A bench-top megavoltage fan-beam CT using CdWO4-photodiode detectors. I. System description and detector characterization
[2] Production ofthe high-quality CdWO4 single crystals for application in CT and radiometric monitoring
[3] MONOLITHICALLY INTEGRATED X-RAY DETECTOR ARRAYS FOR COMPUTED TOMOGRAPHY
LaBr3
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 380 |
| 衰減時(shí)間 (us) | 25 |
| 發(fā)光量 (光子/kev) | 63 |
| 輻射長(zhǎng)度 (cm) | 1.881 |
| 反射損耗/表面 (%) | 6.3 |
LaBr3 (Ce) – 溴化鑭-是鑭和溴的鹽化合物，是新一代基于無(wú)機(jī)閃爍體的γ輻射探測(cè)器之一。LaBr3（Ce）閃爍體具有快速的光輸出衰減時(shí)間，具有優(yōu)異的能量分辨率性能。
| LaBr3 | 密度 (g/cm3) | 光輸出 [Nal (Tl) (%)] | 衰減常數(shù) (ns) |
| Ref[1] | 5.08 | 160 | 26 |
參考文獻(xiàn)
[1]A Study on Determination of an Optimized Detector for Single Photon Emission Computed Tomography
GOS
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 510 |
| 衰減時(shí)間 (us) | 5.5 |
| 相對(duì)光輸出 (%) | 80 |
| 余輝 (%) | <0.01 |
| 發(fā)光強(qiáng)度 (keV) | 27.5 |
參考文獻(xiàn)
[1]Improvements in the X-ray Characteristics of Gd2O2S:Pr Ceramic Scintillators