新型CT探测器
——一文揭秘ScintiStar探测器的神奇

CT技术发展至今，各种创新技术层出不穷。然而核心部件CT探测器技术一直被传统GPS三家所垄断，各自分别拥有自主新型探测器Gemstone探测器、Nano panel探测器和Stellar探测器，并凭借垄断性技术优势稳稳占据中高端CT市场份额。

如今，全球第4家拥有自主新型探测器厂家已经出现，而且还有不少颠覆传统的黑科技，性能非常卓越，但是未被人们广泛了解。本文将逐一解密其中的神奇。

一、全方位实现卓越图像品质

ScintiStar®（闪烁之星）探测器是国家十二五、十三五科技支撑项目成果转化产品。

新型CT探测器需要解决传统CT探测器所存在信号低、噪声高、热扰伪影等一些列问题，涉及闪烁体材料、ASIC芯片、及ASG等一些列关键技术的研发，绝非某个局部工艺的改善。和传统CT探测器比较，具有CT图像品质更佳、X线辐射剂量更低、无热扰伪影和稳定性高等优势。

1.1 更加丰富的图像细节

当一束X光通过患者后到达探测器，首先被闪烁体接收到。闪烁体材料将X光子转换成可见光，在传送给后面的光电二极管，从而最终转换成电信号。

ScintiStar®探测器基于国际公认顶尖科学家团队自主研发的闪烁体材料，具备业界最好的性能，尤其是ScintiStar®探测器系列中的DivineLight（神光）探测器，其各项性能指标媲美宝石CT探测器，和其他探测器比较，拥有更快的可见光转换效率，获得更加丰富的图像细节。

1.2 最大X线信号利用率

ScintiStar®探测器采用闪烁体和光电二极管无死区耦合设计，拥有最大的几何效率设计，X光信号的利用率达到极限，图像品质进一步提升。而传统设计存在较大比列的死区，不仅X光信号利用率低，而且极易产生图像伪影。

1.3 超性能芯片

ScintiStar®探测器在中高端CT探测器上使用了最新的256通道ASIC芯片（以前的产品最高位128通道），除了高集成度的优势外，此芯片还比以前的产品具有更高的计数率，更低的功耗，更低的噪音，以及更好地线性度。从而确保了系统的优秀性能，包括高采样率、高动态范围、以及优秀的图像质量。

二、超低剂量

低剂量扫描时因X光光子数不足的情况下的图像质量会受到影像，探测器模块小型化和高度集成化是改善超低剂量图像品质的有力手段。

1.1 探测器模块化设计

ScintiStar®探测器采用了小型化集成化的全新思路设计，它将整个影像链都集成在一个体积非常小的模块中，如下图所示。图中的模块包括了防散射栅格、闪烁体阵列、光电二极管阵列、陶瓷基板、多通道连接器、以及A/D转换电子电路板。这种一体化的设计被证明对降低电子噪音非常有效。这种效果表现在良好的低剂量图像质量上。另外这种一体化、小型化、和高度集成化的设计也对提高探测器的可靠性有很大的帮助（图1）。

图1 闪烁之星探测器模块系列

1.2 稳定可靠的低噪设计

ScintiStar®探测器为何不选择基于TSV技术的“0噪声”设计？

1.2.1 TSV技术获得“0噪声”是不可能的

在剂量非常低的情况下，电子噪声才显得比较重要。就探测器本身而言，噪声的来源包括ASG的设计、闪烁材料的线性度、信号串扰、光电二极管的噪声、ASIC芯片的噪声、以及前端电路板的噪声等。在通常所说的电子噪声中，光电二极管和ASIC芯片是主要贡献者。当电子从光电二极管传输到ASIC芯片上要经过一段电路，这个电路形成的电容也会制造一些噪声，但贡献非常有限。目前主流的ASIC芯片的电子噪声约每通道1800个电子，光电二极管的电子噪声约每通道1600个电子。光电二极管到ASIC之间的通路造成的噪声约为800个电子，所以探测器模块总的电子噪声约为3000个电子左右（总噪声的计算是各个单项的平方之和再开平方）。目前实测的电子噪音在2500到3000电子左右。如果不计入ASIC和光电二极管之间传导的影响，电子噪声也有2400电子左右。所以缩短这个传导距离会有所降低电子噪声，但是变化非常有限。我们当然希望探测器的电子噪声越低越好，但是用很小的一部分贡献来引申出“0噪声”的结论显然是错误的。

ScintiStar®探测器采用A/D电路的低噪声设计，每通道的电子噪声在2700电子以下，因此明峰医疗CT的图像噪声很低。在同等条件下测得的图像噪声和国际上最顶级的一家大公司的产品相比降低约10%。

1.2.2 牺牲了几何效率

TSV探测器技术仅仅是ASIC和光电二极管芯片通过TSV技术焊接工艺，十几年前已经有这种探测器技术。在缺乏技术能力时，基于TSV技术需要在外围留有较多的死区供切割加工用，否则会大大降低成品率；另外模块和模块之间的距离也比其他的“传统”的设计要大。这样将造成探测器更多死区区域，降低了探测器的几何效率，这些额外的信号损失，对图像信噪比有负面的影响，还容易导致伪影。

在CT噪声中，量子噪声一般占主要地位，决定了整个图像噪声的水平。牺牲探测器几何效率去换取很有限的电子噪声优化，无异于捡了芝麻丢了西瓜。

1.2.3 需要考虑探测器的稳定性

探测器里的主要发热部件是ASIC芯片，一般是每个通道1.5-3毫瓦。而光电二极管对温度的变化是非常敏感的。通常的设计中ASIC芯片和光电二极管是分开一段距离的，ASIC芯片封装在独立的电路板上，靠着外加的散热片和风扇进行冷却，不会对光电二极管的响应有直接影响。光电二极管的温度可以通过温控系统保持恒定，这样就确保了图像的稳定性。但是TSV探测器由于ASIC芯片直接贴着光电二极管发热，虽然可以采取一些方法制冷，但是不容易保持光电二极管的温度恒定，这就决定了探测器的稳定性比较差，图像质量在使用过程中容易漂移或产生伪影。如果使用效果比较好的水冷，虽然对温度的恒定有帮助，但使得整个系统更加复杂，漏水的风险较大，成本提高。

ScintiStar®探测器的温度控制精度达到了0.5度，这种高精度的温度控制是得探测器对环境的变化不敏感。明峰医疗的电路板设计从接地和电磁屏蔽方面都做足了功课，最后的测试表明启明探测器对环境的电磁辐射和电源的波动均不敏感，探测器可以长时间处于非常稳定的状态，保持了机器长时间扫描状态下的图像质量稳定一致（图2）。

图2 ScintiStar® 探测器超低剂量扫描图

三、消除温扰伪影

ScintiStar®探测器模块的边缘通道进行分离式的设计，使得模块之间没有互相干扰，大大地降低了系统对环境温度的敏感性，减少了温度变化带来的图像伪影。

图3是市场上CT产品ASG的常规设计。在两个模块之间有一块后准直器的钨片是公用的，这样的设计所带来的问题是当温度变化时，两个模块的热膨胀不一致，公用的钨片不能保证一直处于两个模块之间的同一个位置。这种位置的变化会带来图像的伪影。因此启明探测器采取了如图4所示的设计，将两个模块之间的钨片换成两块分离的结构，这样模块之间没有相互干扰，可以完全消除温度变化所带来的图像伪影，而这个问题一直是长期困扰业界的技术难题。明峰医疗的设计是一个有很大意义的自主创新（图4）。

图3 市场上CT 产品ASG 的常规设计示意图

图4 启明探测器准直器分离式模块设计示意图

四、独有外层图像解决方案

X光穿过前准直器后在边缘处会导致一定的散射，这些散射X射线通常集中在探测器的外层（譬如第1层和第64层），并导致图像噪音并降低这几层图像的质量。ScintiStar®探测器通过对最外层的二极管阵列进行特殊掺杂，消除了X光照射所导致的噪音，率先在CT上解决了这个困扰所有厂商的问题，并降低了成本。此技术已经申请了美国专利。

ScintiStar®探测器综合性能已经达到国际顶尖水平，局部关键技术甚至超越和颠覆了传统。目前ScintiStar®探测器已经为明峰医疗ScintCare系列各型号CT产品带来了国际一流的图像品质。

习总书记曾强调：“真正的大国重器，一定要掌握在自己手里。核心技术、关键技术，化缘是化不来的，要靠自己拼搏。”

明报国大志，攀科技高峰！国内有一支明峰医疗科学家团队，他们正在朝乾夕惕地拼搏，掌握一项又一项高端医学影像领域的大国重器！