碘化铯非品硅平板探测器的原理及应用

1、碘化铯非晶硅平板探测器的原理及应用桂朝伟 唐晓薇 翟俊鹏 崔彦青文章编号 1672-8270(200909-0010-04 中图分类号 TH 772 文献标识码 B摘要 通过介绍碘化铯非晶硅平板探测器的材料特性、工作原理和临床应用等特点，表明了该项技术的优缺点、发展方向及在数字化摄影系统中的重要地位。关键词 数字化摄影（DR）；平板探测器；碘化铯；非晶体硅Principle and application of a-Si sensor panel/Gui Chaowei, Tang Xiaowei, Zhai Junpeng, et al/China Medical Equipment,200

2、9,6(9:10-13.Abstract By introducing the material properties, working principles and clinical applications of the photomicrograph of an a-Si sensor panel, the paper indicates the advantages and disadvantages, the development direction and the importance of the technology in the Digital Radiography sy

3、stem.Key words Digital radiography; Flat plane detector; Cesium iodide; Amorphous siliconFirst-author's address Division for Repair of Medical Equipment, Daxing Health Administration Buearu, Daxing 102600, China.在数字化摄影(Digital Radiography , DR中, 1 术语X线能量转换成电信号是通过平板探测器( Flat Plane 1.1 非晶硅(Amorpho

4、us siliconDetector ,FPD来实现的, 所以平板探测器的特性会对DR 图像质量产生比较大的影响1。到目前为止，碘化铯和非晶体硅（简称非晶硅）的组合在所有物质中，量子检测效率（DQE）和MTF特性是最好的，GE、西门子、飞利浦和其他多家公司都采用了这种平板探测器来构建它们的DR系统。非晶硅平板探测器作为DR的核心部件需要我们积极地去了解和掌握其技术、原理和应用。北京市大兴区卫生局医疗器械修理所 北京 102600北京市阜外心血管病医院 北京 100037 北京市大兴区人民医院 北京 102600作者简介桂朝伟,男,(1974- ,大学本科，工程师，从事医院设备维修和管理工作。目

5、前担任北京市大兴区人民医院医学工程部副主任。非晶硅是通过蒸化沉淀成型的一种非晶体薄片，常规集成电路是由晶体硅晶片组成。晶体硅晶片是生长晶(grown crystals的切片。非晶硅对于X线接收器来说是最理想的材料，因为非晶硅对放射线的伤害是免疫的。供成像器使用的非晶硅被搀入氢和扩散P/N掺杂物来产生P/N结。1.2 碘化铯(Cesium iodide碘化铯具有高X线接收和高可视光子产量。搀入0 ZHONGGUO YIXUEZHUANGBEI 中国医学装备2009年9月第6卷第9期 碘化铯非晶硅平板探测器的原理及应用-桂朝伟等学术论著钠可产生蓝光，在核粒子检测器中被用作光电阴极。而搀入铊能产生绿

6、光，可用作硅检测器。CsI（碘化铯）闪烁层是一种吸收X线并把能量转换为可见光的化合物。闪烁体材料由厚度为 500600m 连续排列的针状碘化铯晶体构成，针柱直径约6m。CsI晶体的针状结构可以像光纤一样把散射光汇集到光电二极管，可以有效地抑制光线的散射，从而改善探测器的MTF和DQE特性，不过仍然不能完全克服散射效应。如图1-1所示。图 1-1 CsI（碘化铯）闪烁层示意图碘化铯材料具有优于其它X线荧光体材料的吸收性能。此外，碘化铯晶体具有良好的X线-电荷转换特性。据实验研究，单个X线光子可产生 8001000个光电子。在当前产品中，碘化铯与非晶硅的结合可获得最高的DQE值2。1.3 带自动焊

7、接每个像素单元由具有光敏性的非晶硅光电二极管及不能感光的开关二极管、行驱动线和列读出线构成。位于同一行所有像素元的行与驱动线相连，位于同一列所有像素元的列与读出线相连，以此构成探测器矩阵的总线系统。这些连接的空间常常比象素的尺寸还小，为了保证信号的正常传输，经常使用小的柔性印刷板来连接上千个节点。低密度端一般焊接在附加电子设备的印刷电路板上。而高密度端使用一个各向异性的导片与玻片连接来控制温度和压力。柔性电路一般为一卷像胶片, 因此在大容积上, 吸附过程(attachment process 由机器完成。该技术称为带自动焊接, 该方法称为TAB吸附。1.4 调制转换参数（MTF）和量子探测效率

8、（DQE）判断平板探测器图像质量的好坏，通常用调制转换参数（MTF）和量子探测效率（DQE）来衡量。MTF值和DQE值高则表明该平板探测器产生的图像质量能够达到较好的空间分辨率和密度分辨率。对于一幅图像，能够正常进行诊断的空间频率为（0.53.0）cycles/mm。量子探测效率（DQE）：是一种对成像系统的信号和噪声从输入到输出的传输能力的表达，以百分比表示。DQE 反映的是平板探测器的灵敏度、噪声、X 线剂量和密度分辨率。国际IEC 工作组, IEC SC62B WG33 建立了一种在国际上认可的数字X 线成像系统DQ E 的方法,即IEC 62220 - 1 。DQ E 测量的结果是依赖

9、于测量所用的曝光条件和参数设置3。调制转换参数（MTF）：是一个成像系统提取其目标的对比度作为清晰度函数的能力; MTF 反映的是平板探测器影像对比度和空间分辨率。MTF 表达了输入信号与输出信号的比值,该数值越大,表示成像系统的信息量损失越小。MTF 表达了输入信号与输出信号的比值,该数值越大,表示成像系统的信息量损失越小4。2 工作原理在非晶硅平板探测器(Photomicrograph of an a-Si sensor panel 的放大图中, 作为开关使用的是一个薄片三极管(TFT,非常像使用在液晶显示的活动矩阵里的开关。平板设计中一个重要的目的是取使用光电二极管(高占空因子的成像器的

10、最大区域, 这样使到达光的量浪费最小。信号通过细金属线传输,该传感器平板的像素中心矩是127m，占空因子是35%。如图1-2所示。 图 1-2 非晶硅平板探测器结构示意图ZHONGGUO YIXUEZHUANGBEI 学术论著中国医学装备2009年9月第6卷第9期 碘化铯非晶硅平板探测器的原理及应用-桂朝伟等读出柱图 1-2 非晶硅平板探测器结构示意图位于探测器顶层的碘化铯闪烁晶体将入射的X线转换为可见光，可见光激发非晶硅光电二极管阵列，使光电二极管产生电流，实现从可见光到电信号的转换，在光电二极管自身的电容上形成储存电荷。每一像素电荷量的大小与入射X线的强弱成正比，同时该阵列还将空间上连续的

11、X线图像转换为一定数量的行和列构成的总阵式图像。点阵的密度决定了图像的空间分辨率。在中央时序控制器的统一控制下，行驱动电路与读取电路将电荷信号逐行取出，转换为串行脉冲序列并量化为数字信号。获取的数字信号经通信接口电路传至图像处理器，从而形成X线数字图像5。如 图1-3所示。图1-3 非晶硅平板探测器工作原理示意图3 X线转换利用非晶硅将X线转换为可读出的电荷一般有三种方法，它们是本征导电法，光敏电阻法和闪烁体法。每种方法都有它的优缺点，把它们应用到X线成像器上都有一定的局限性。目前非晶硅平板探测器一般使用闪烁体方法来实现X线与电荷间的转换。ZHONGGUO YIXUEZHUANGBEI闪烁体法

12、(The Scintillator Method。闪烁体是一种吸收X线并把能量转换为可见光的化合物。好的闪烁体每个X线光子可以产生许多个可见光光子, 每1kV X线输出2050个可见光光子。闪烁晶体通常由高原子系数的物质组成，它具有高X射线吸收率的特点；同时又是一种低浓度的触化酶，它可以将X射线线性转换成可见光。闪烁晶体可以是细粒状的，像磷光体或晶体，比如碘化铯6。3.1 磷闪烁体结构磷是一种受到X线激发而发光的物质。用于X线成像的磷是由稀土硫氧化物搀入其它稀土元素构成的。通常是在硫氧化钆(gadolinium和硫氧化镧(lanthanum中搀入铽(terbium，它们发射的蓝或绿光极易和胶片

13、灵敏度相匹配。使用不同的颗粒和化合物可以产生不同的分辨率和亮度。在使用时, 将它们与蓝色黏合剂混合,涂上塑料薄膜。这种设计可以使闪烁体紧贴X光胶片来提高灵敏度。但涂层必须达到一定厚度来阻止高能射线，否则光散射是一个问题。3.2 碘化铯闪烁体结构碘化铯的使用，比较好的解决了分辨率和亮度不可兼得的问题。在适当的蒸发条件下, 它随着细针的排列密度而变化(1020 mm in diameter。这样产生的晶体作为光导管, 可见光光子产生在输入层附近, 输入层要求比较厚(up to 1mm,来保持高的分辨率。铯的原子序数较高, 因此它是一个优秀的X线接收器, 这种金属对于输入的X线非常适用，因为它产生每

14、个光子只需要2025 eV。当搀入铊(thallium 碘化铯可以激发出550 nm的光，这个波长正是非晶硅光谱灵敏度的峰值。在当前的产品中,碘化铯与非晶硅的结合材料具有最高的DQE值。4 实时处理4.1 主处理器从传感器平板成像程序的初期开始,所有的图像处理必须提供一个实时的清晰准确的图像数据。成像器被设计为16-bit的程序管路处理器，处理速度为40兆像素/秒。实时处理的功能包括:偏移量(o f f s e t 校正匿二中国医学装备2009年9月第6卷第9期 碘化铯非晶硅平板探测器的原理及应用-桂朝伟等学术论著和增益, 逐个像素(pixel by pixel黑电平箝定(clamping；污

15、点插补(blemish interpolation；桢积累(accumulation和均化(averaging。为了支持该处理器在不同操作模式下具有实时的图像校正数据, 每个NVRAM和SDRAM最少都必须为128 Mbit。4.2 辅助处理器(Auxiliary Processor为了满足一些特殊的后处理要求，可以增加一个插入式处理器。这样可以提供下面这些附加的实时功能:X线曝光控制, 图像数据柱型图窗口化，扫描转换为常规视频格式，目录查找(tables, GAMMA校正，降噪可变递归滤波。所有这些功能都是通过外部软件控制。4.3 读出放大器从传感器平板上读出信号时有几千个信号需要被并行处理

16、，为此，Varian公司专门开发了一种多通道电荷放大器，来配合宽动态范围的非晶硅平板探测器。其特点是:128个独立通道，低噪音，大动态范围，相关双通道取样(correlated double sampling，128-to-1 输出多路器(Multiplexer；1x, 2x, or 4x 芯片存储( on-chip binning；有源噪音去除 (active noise cancellation；输入ESD保持；该放大器被安装在用户TAB包内。5 临床应用特点常规X线摄影是以增感屏/胶片为体系,利用X线的穿透作用、荧光效应和化学作用,使穿过人体后发生不同衰减的X线作用在屏/片系统,形成不同

17、密度的X线胶片影像。传统拍摄模式存在量子检测效率较低（仅为20%30%）、不便于存储、成像速度慢、辐射剂量高等缺陷。DR系统由于使用了平板探测器，实现了图像数字化，成像质量也大幅提高。高质量图像：TFT像素的尺寸直接决定了图像的空间分辨率，最高可达3.6 LP/mm，图像数据动态范围为14 bit，最高可达到16 bit，DQE和MTF高，图像层次丰富。时间分辨力高：成像速度快，在曝光后几秒即可显示图像，非晶硒平板探测器的成像时间25 s，非晶硅平板探测器的成像时间可以缩短到6 s7 s，从而改善和优化了工作流程。曝光宽容度大：摄影成功率接近100%，容许一定范围内的曝光误差，并可在后处理中调

18、节、修正成像。后处理功能强大：处理功能包括对比度、亮度、边缘处理、增强、黑白反转、放大、缩小、测量等,通过这些功能的调节使图像的质量得到改善。数字化成像：图像的数字化便于在计算机中存储、传输和调阅，节省存储空间及胶片和冲片液的支出，数字化方式能直接与 PACS 网络系统相连接，实现远程会诊。已知的数据显示，碘化铯材料具有优于其它X线荧光体材料的吸收性能，碘化铯和非晶硅的组合在所有物质中，量子检测效率（DQE）是最高的。但是碘化铯非晶硅平板探测器仍然存在一些缺陷，例如：非晶硅平板探测的基板是由某种玻璃制成的,像所有玻璃一样,处理不当容易破碎；在X射线转换过程中需要经过光电转换，存在光的散射效应；光