臨床CTのCDTE検出器でのスペクトル解像度と高フラックス機能のトレードオフ

目的：CDTEまたはCZT基板を使用した光子カウント検出器は、将来のCTシステムの有望な候補ですが、電荷共有やパルスパイルアップなど、多くの非理想性に悩まされています。検出器のピクセルサイズを増やすことにより、システムはパイルアップの増加を犠牲にして電荷共有特性を改善できます。この作業の目的は、これらの考慮事項を検出器ピクセルピッチの最適化に記述することです。 方法：CDTE基板を介したX線の輸送は、GEANT4を使用してモンテカルロファッションでシミュレートされました。堆積エネルギーは、相互作用の深さに依存してサイズを備えたガウス関数として分布した電荷に変換され、拡散とクーロン反発からの広がりをキャプチャしました。その後、料金はピクセル化された方法で収集されました。Pulse Pileupは、モンテカルロシミュレーションと個別に組み込まれました。測定分散のCramér-rao下限（CRLB）は、基底材料投影について数値的に推定されました。これらの推定値のノイズは、CT画像に伝播されました。250、350、および450ミクロンのピクセルピッチをシミュレートし、結果をパイルアップで光子カウント検出器と比較しましたが、そうでなければ理想的なエネルギー応答と理想的なデュアルエネルギーシステム（80/140kvpでスズろ過）を比較しました。モデル化されたCDTEの厚さは2 mmで、入射スペクトルは140 kVpおよび500 mAで、有効なデッドタイムは67 nsでした。充電回路はモデル化されていません。シミュレーションを均一な厚さのオブジェクトに制限し、高空間周波数での小さなピクセルの潜在的な利点を考慮しませんでした。 結果：非常に高いX線フラックスでは、パルスパイルアップが支配し、小さなピクセルサイズが最適です。低フラックスまたは厚いオブジェクトの場合、電荷共有が支配的であり、大きなピクセルサイズが最適です。低フラックスでは、ビームの硬度に応じて、基底材料投影タスクの分散のCRLBは、450ミクロンピクセルピッチと比較して250ミクロンピクセルピッチで32％-55％高くなります。ただし、両方とも、理想的な光子カウント検出器の約4倍悪化しています。最適なピクセルサイズは、X線技術やオブジェクトサイズなどの多くの要因に依存します。高技術（140 kvp/500 ma）では、250ミクロンのピクセルサイズと比較して450ミクロンピクセルの分散の比率は、10、15、20、および25を画像化する場合、2126％、200％、97％、および78％です。それぞれ水のCM。300 mg/cm2のヨウ素がオブジェクトに添加されている場合、分散比はそれぞれ117％、91％、74％、72％です。同等のモノエネルギーイメージングなどの非スペクトルタスクは、スペクトルの歪みに敏感ではありません。 結論：検出器ピクセルサイズは、CDTE検出器における重要な設計上の考慮事項です。ピクセルが小さくなると、高磁束で機能を改善できますが、電荷共有を増加させると、スペクトルパフォーマンスが低下します。最適なピクセルサイズは、特定のタスクと充電型の時間に依存します。

PURPOSE: Photon-counting detectors using CdTe or CZT substrates are promising candidates for future CT systems but suffer from a number of nonidealities, including charge sharing and pulse pileup. By increasing the pixel size of the detector, the system can improve charge sharing characteristics at the expense of increasing pileup. The purpose of this work is to describe these considerations in the optimization of the detector pixel pitch. METHODS: The transport of x rays through the CdTe substrate was simulated in a Monte Carlo fashion using GEANT4. Deposited energy was converted into charges distributed as a Gaussian function with size dependent on interaction depth to capture spreading from diffusion and Coulomb repulsion. The charges were then collected in a pixelated fashion. Pulse pileup was incorporated separately with Monte Carlo simulation. The Cramér-Rao lower bound (CRLB) of the measurement variance was numerically estimated for the basis material projections. Noise in these estimates was propagated into CT images. We simulated pixel pitches of 250, 350, and 450 microns and compared the results to a photon counting detector with pileup but otherwise ideal energy response and an ideal dual-energy system (80/140 kVp with tin filtration). The modeled CdTe thickness was 2 mm, the incident spectrum was 140 kVp and 500 mA, and the effective dead time was 67 ns. Charge summing circuitry was not modeled. We restricted our simulations to objects of uniform thickness and did not consider the potential advantage of smaller pixels at high spatial frequencies. RESULTS: At very high x-ray flux, pulse pileup dominates and small pixel sizes perform best. At low flux or for thick objects, charge sharing dominates and large pixel sizes perform best. At low flux and depending on the beam hardness, the CRLB of variance in basis material projections tasks can be 32%-55% higher with a 250 micron pixel pitch compared to a 450 micron pixel pitch. However, both are about four times worse in variance than the ideal photon counting detector. The optimal pixel size depends on a number of factors such as x-ray technique and object size. At high technique (140 kVp/500 mA), the ratio of variance for a 450 micron pixel compared to a 250 micron pixel size is 2126%, 200%, 97%, and 78% when imaging 10, 15, 20, and 25 cm of water, respectively. If 300 mg/cm2 of iodine is also added to the object, the variance ratio is 117%, 91%, 74%, and 72%, respectively. Nonspectral tasks, such as equivalent monoenergetic imaging, are less sensitive to spectral distortion. CONCLUSIONS: The detector pixel size is an important design consideration in CdTe detectors. Smaller pixels allow for improved capabilities at high flux but increase charge sharing, which in turn compromises spectral performance. The optimal pixel size will depend on the specific task and on the charge shaping time.