System detektorów jest prawdopodobnie kluczowym elementem tomografu. Jego zadaniem jest konwersja padającego promieniowania rentgenowskiego na sygnał elektryczny, który jest podstawą do rekonstrukcji obrazu. Decydującymi właściwościami są wysoka wydajność kwantowa (wydajność konwersji promieni X na ładunki elektryczne), duży zakres dynamiczny i szybki zanik sygnału (niski poziom poświaty) w połączeniu z doskonałą stabilnością sygnału.
Detektory CT – ciągle udoskonalane
Detektory TK, poczynając od pierwszych detektorów gazowych, przeszły wiele etapów rozwoju - czasem radykalnych, a czasem jedynie stopniowych. W oparciu o opatentowany materiał scyntylacyjny UFCTM, Siemens nieustannie wyznacza nowe standardy w konstrukcji detektorów TK.[1] Najnowszą innowacją jest w pełni zintegrowany detektor StellarInfinity, który Siemens stosuje we współczesnych aparatach TK najwyższej klasy (rys. 1), a który po raz pierwszy wprowadzono w aparacie SOMATOM Force. Dzięki niebywałemu poziomowi integracji elektronicznej detektor StellarInfinity zapewnia wyjątkowo niski poziom szumu elektronicznego i dużą dynamikę sygnału. Czyni go to optymalnym narzędziem do wykorzystania obecnych i przyszłych możliwości rekonstrukcji iteracyjnej.
Kolejny krok: detektory z technologią zliczania fotonów 1
Materiały półprzewodnikowe, takie jak tellurek kadmu (CdTe), są w stanie konwertować promieniowanie rentgenowskie bezpośrednio na impulsy elektryczne. Każdy padający kwant promieniowania X generuje chmurę swobodnych nośników ładunku, przy czym ilość swobodnych ładunków jest proporcjonalna do energii padającej wiązki promieniowania rentgenowskiego. Silne pole elektryczne wewnątrz materiału detektora przenosi chmury ładunków na piksele anody (Rys. 2B), w których generowany jest prąd elektryczny. Wysoce zintegrowane układy przetwarzają impulsy z ładunków na impulsy napięciowe o czasie trwania kilku nanosekund, które można zliczać cyfrowo.
Dotychczas CdTe nie był stosowany w dostępnych na rynku detektorach klinicznych tomografów komputerowych z następujących powodów:
- Celem detektorów z technologią zliczania fotonów jest osobna rejestracja każdego promienia X. Ze względu na dużą średnicę pacjenta skanowanego w warunkach klinicznych, do detektora dociera stosunkowo duża liczba wiązek promieniowania rentgenowskiego w bardzo krótkim czasie. W klinicznym obrazowaniu TK całego ciała - nawet przy niskich dawkach stosowanych obecnie - czas między dotarciem dwóch promieni X do pojedynczego piksela może wynosić zaledwie kilka nanosekund. Dlatego elektronika detektora musi być niezwykle szybka i precyzyjna.
- Stabilność sygnału ma ogromne znaczenie w tomografii komputerowej. Nawet najmniejsze wahania stabilności sygnału detektora mogą prowadzić do widocznych artefaktów pierścieniowych na obrazach TK. Wytwarzanie materiałów krystalicznych wystarczająco czystych i o doskonałej stabilności sygnału wymaganych do uzyskania diagnostycznej jakości obrazu w aparatach TK całego ciała nie było dotychczas możliwe.
Rys. 2B: Pewne materiały (np. CdTe) mogą bezpośrednio konwertować promieniowanie rentgenowskie na prąd elektryczny. Każdy foton można zarejestrować osobno i zmierzyć jego energię.
Informacje na wielu poziomach energii
Jeśli jednak takie detektory staną się dostępne, będą one miały ogromne zalety. Umożliwią nie tylko rejestrowanie i zliczanie poszczególnych fotonów, ale także pomiar energii każdego z nich. Bez żadnych innych wymogów technicznych możliwa stałaby się wieloenergetyczna tomografia komputerowa. W zasadzie, jako kolejny krok po dwuenergetycznej tomografii komputerowej, można by uzyskać dowolną liczbę poziomów energii. Jednak, aby ograniczyć ilość danych przekazywanych przez detektor, bardziej praktyczne jest dzielenie rejestrowanych fotonów na pewne zakresy energii lub "przedziały energetyczne" i odczytywanie danych tylko dla tych przedziałów. Obecnie stosowana dwuenergetyczna tomografia komputerowa jest skuteczna dla materiałów obecnych w ludzkim ciele i dla jodowych środków kontrastujących. Większa liczba "przedziałów" nie spowoduje uzyskania dodatkowych informacji. Gdyby jednak w przyszłości pojawiły się nowe środki kontrastowe, takie jak nanocząstki złota z dodatkowymi pikami absorpcyjnymi w stosowanym zakresie energii promieniowania X[2], korzystne mogłoby być zastosowanie trzech, czterech, a nawet większej liczby przedziałów (k-edge imaging).
Niższa dawka i wyższa rozdzielczość przestrzenna
Ponieważ w tomografii komputerowej z technologią zliczania fotonów rejestrowane są tylko impulsy sygnału powyżej określonego progu, takie detektory całkowicie eliminują szum elektroniczny, który powstaje w każdym elemencie elektronicznym do momentu digitalizacji sygnału. Detektor StellarInfinity wyznacza nowy standard ze względu na wyjątkowo niski poziom szumu elektronicznego dzięki całkowitej integracji fotodiod i przetworników analogowo-cyfrowych w jednym układzie scalonym. W scenariuszach klinicznych, w których stosuje się bardzo niskie dawki promieniowania [3] lub gdy mamy do czynienia ze słabym sygnałem, np. w przypadku pacjentów otyłych, daje to wyraźne korzyści. Detektory z technologią zliczania fotonów pozwolą osiągnąć zupełnie nowy poziom w tej dziedzinie. Ponadto detektory zliczające fotony dają możliwość przypisania wyższej wagi fotonom o niskiej energii niż fotonom o wysokiej energii. Pozwala to jeszcze bardziej poprawić stosunek kontrastu do szumu (CNR) w badaniach wykorzystujących wzmocnienie kontrastowe. Wstępne badania pokazują, że możliwa będzie dodatkowa redukcja dawki o 32%[4].
We współczesnych scyntylatorach piksele muszą być podzielone mechanicznie i dlatego nie mogą być nieskończenie małe. Wraz ze zmniejszaniem rozmiaru piksela spada geometryczny współczynnik wydajności, ponieważ zwiększa się względna powierzchnia przegród między pikselami. W detektorach z technologią zliczania fotonów mechaniczne rozdzielanie pikseli nie jest konieczne. Piksele mogą być formowane w procesie fotolitograficznym, jak to już jest stosowane w przypadku chipów krzemowych. W rezultacie piksele mogą być niezwykle małe. Oczywiście i w tym przypadku należy znaleźć optymalną wielkość, która zapewni praktyczną, dodatkową wartość kliniczną. Ostatnie publikacje dotyczące tomografii komputerowej wskazują, że wielkość piksela w detektorach zliczających fotony, przeznaczonych do skanerów klinicznych, może być zmniejszona trzy- lub czterokrotnie w porównaniu z dzisiejszymi detektorami ciała stałego.
Prototypowe instalacje
Siemens jest pierwszą firmą produkującą sprzęt medyczny, która zademonstrowała potencjał technologii zliczania fotonów przy dużym strumieniu promieniowania w dwóch prototypowych instalacjach zbliżonych do urządzeń klinicznych. [5,6] Prototypy bazują na sprzęcie SOMATOM Definition Flash, w którym drugi system detektorów zastąpiono detektorem z technologią zliczania fotonów. Po raz pierwszy w zastosowaniu na człowieku osiągnięto równoważność kliniczną porównywalną z istniejącą technologią. W ciągu najbliższych pięciu lat Siemens będzie współpracować z siecią partnerów nad optymalizacją technologii i określeniem nowych możliwości klinicznych.
O Autorach
Stefan Ulzheimer, PhD, Siemens Healthineers, Germany
Steffen Kappler, PhD, Siemens Healthineers, Germany