【毕业设计】基于tcl医疗集团光子大c项目探测器的研究

毕业设计（论文）题目基于TCL医疗集团光子大C项目探测器的研究院（部）系放射学院所学专业生物医学工程2013年6月3日摘要研究意义X射线机是临床最早应用的医疗器械影像设备，而且也是使用历史最长、范围最广的影像设备；就目前在医院的影像设备中，X射线机约占70，X射线机产业在医疗器械行业中占60以上份额。随着相关技术的发展与进步，许多先进技术应用于X射线机中，使X射线机由传统胶片机向数字化X射线机方向发展、由中频机向高频机方向发展。就目前国内现状，我国仍然是传统机占据主流，但数字化、高频化的步伐正在加快。研究内容DR系统由不同的平板探测器技术突破而发展起来。DR也因使用不同的探测器分为平板探测器DR、CCD探测器DR。现在普遍应用的DR主要是采用平板探测器（FPD），它或者将X射线强度直接转变成各阵元的电信号，或者在极为有限的空间内先将X射线信号转变为可见光，再通过光电二极管转换成电信号，然后再由专门的读出电路将这些电信号直接读出并送计算机系统进行处理。随着探测器技术的不断发展，具有能谱分辨能力的光子计数探测器成为人们研究的焦点，并在X射线成像领域开始得到应用。使用该种探测器，可以将具有较宽能谱分布的X射线分为不同的能区分别进行计数，获得详细的能谱信息及不同能量射线的衰减信息，由此引出了“多能谱成像”的概念。研究结果目前，PHILIPS公司已经研制出多能谱CT成像系统的样机并使用小鼠进行了一系列的K吸收边缘成像实验，在此系统中使用了GAMMAMEDICAIDEAS公司生产的1024个像素的线阵CDTE探测器，使用的微焦点X射线源的电压范围介于70KVP和130KVP之间。通过使用该系统对不同能谱区域成像结果进行了分析，验证了多能谱成像的可行性。关键词平板探测器；光子计数探测器；多能谱成像ABSTRACTXRAYMACHINEISAMEDICALIMAGINGEQUIPMENTINCLINICALFIRSTAPPLIED,BUTALSOTHEUSEOFIMAGINGEQUIPMENTWITHTHELONGESTHISTORY,THEWIDESTRANGEOFATPRESENTTHEIMAGINGEQUIPMENTINTHEHOSPITAL,XRAYMACHINEACCOUNTEDFORABOUT70,INDUSTRIALXRAYMACHINESACCOUNTEDFORMORETHAN60SHAREINTHEMEDICALDEVICEINDUSTRYWITHTHEDEVELOPMENTANDPROGRESSOFRELATEDTECHNOLOGY,MANYADVANCEDTECHNIQUESWEREAPPLIEDTOTHEXRAYMACHINE,THEXRAYMACHINERAYFROMTHETRADITIONALFILMMACHINEDIGITALXMACHINEDIRECTIONOFDEVELOPMENT,DEVELOPMENTBYINTERMEDIATEFREQUENCYTOHIGHFREQUENCYMACHINEDIRECTIONONTHECURRENTDOMESTICSITUATION,OURCOUNTRYISSTILLOCCUPYTHEMAINSTREAMOFTRADITIONALMACHINE,BUTTHEDIGITAL,HIGHFREQUENCYISACCELERATINGTHEPACEOFTHEDRSYSTEMCONSISTSOFFLATPANELDETECTORTECHNOLOGYBREAKTHROUGHINDIFFERENTDEVELOPMENTDRISALSODUETOTHEUSEOFDIFFERENTDETECTORSISDIVIDEDINTODRFLATPANELDETECTOR,CCDDETECTORDRNOWTHEUNIVERSALAPPLICATIONOFDRISMAINLYUSEDFORFLATPANELDETECTORFPD,ORITWILLXRAYINTENSITYDIRECTLYINTOELECTRICALSIGNALSOFEACHARRAYELEMENT,ORINVERYLIMITEDSPACEWITHINTHEFIRSTXRAYSIGNALINTOVISIBLELIGHT,ANDTHENTHROUGHTHEPHOTODIODEISCONVERTEDTOELECTRICALSIGNALS,ANDTHENBYTHEREADOUTCIRCUITOFSPECIALWILLTHESESIGNALSDIRECTLYREADANDSENTTOACOMPUTERSYSTEMFORPROCESSINGWITHTHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFDETECTORTECHNOLOGY,WITHAPHOTONCOUNTINGDETECTORRESOLUTIONBECAMETHEFOCUSOFTHESTUDY,ANDHASBEENUSEDINXRAYIMAGINGTECHNOLOGYUSETHISKINDOFDETECTOR,THEWIDESPECTRUMOFXRAYDISTRIBUTIONISDIVIDEDINTOZONESDIFFERENTCOUNTING,GAINATTENUATIONINFORMATIONANDDIFFERENTENERGYRAYENERGYSPECTRUMINFORMATIONWITHTHECONCEPT,WHICHLEADSTOTHE“MULTISPECTRALIMAGING“ATPRESENT,PHILIPSCOMPANYHASDEVELOPEDMANYSPECTRALCTIMAGINGSYSTEMPROTOTYPEANDCONDUCTEDASERIESOFKABSORPTIONEDGEIMAGINGEXPERIMENTSUSINGMICE,GAMMAMEDICAIDEASCOMPANYPRODUCTIONOF1024PIXELSISUSEDINTHISSYSTEMOFTHELINEARARRAYCDTEDETECTOR,USINGTHEMICROFOCUSXRAYSOURCEVOLTAGERANGEISBETWEEN70ANDKVP130KVPTHROUGHTHEUSEOFTHESYSTEMCANBEANALYZEDFORDIFFERENTSPECTRALREGIONSIMAGINGRESULTS,VERIFYTHEFEASIBILITYOFMULTISPECTRALIMAGINGKEYWORDSTHEFLATPANELDETECTOR；PHOTONCOUNTINGDETECTORS；MULTISPECTRALIMAGING目录第一章绪论11数字X线产品的发展12光子计数探测器的提出23未来探测器的展望2第二章现有探测器的介绍31CCD探测器32非晶硒探测器4第三章光子计数探测器61光子计数原理62光子计数探测器原理73基于楔条形阳极光子计数探测器实验的结果分析11第四章总结与展望141NOVARAY光子探测器的研究现状142现有探测器市场调查结果153探测器的展望17参考文献18致谢19绪论随着当今各种高新技术的发展，X射线成像设备也在不断地改进和提高，由于各种高新技术融入到了X射线成像设备之中，从而为提供高质量的X射线影像奠定了良好的基础，为提高X射线影像诊断水平开辟了美好的前景，也为人类的卫生健康事业开创出新的未来。1数字X线产品的发展数字化X射线探测器的真正发展始于80年代初CR技术的出现，此后相继出现了DR、DDR等直接或间接数字化探测器，比较而言，CR在技术上相对同一，彼此之间没有实质性的结构差异，而DR或DDR则在探测材料、探测方式、生产工艺、品种规格等方面不断地有所发展。DR系统由不同的平板探测器技术突破而发展起来。DR也因使用不同的探测器分为平板探测器DR、CCD探测器DR及线阵DR。其中平板探测器DR又分为直接数字化DR和间接数字化DR，直接数字化DR探测器采用非晶硒，其工作原理是利用非晶硒的光电导性同，将X射线直接转换成电信号，形成直接数字化。间接数字化DR探测器采用非晶硅光电二极管阵列，它利用碘化铯（CSI）的特性，将入射后的X射线光子转换成可见光，再由具有光电二极管作用的非晶硅阵列变为电信号，通过外围电路检出及A/D转换，而获得数字图像。CCD探测器将由CCD探测器接收X射线在荧光屏上产生荧光信号，然后将光信号转换成电荷经处理形成数字图像。现在普遍应用的DR主要是采用平板探测器（FPD），它或者将X射线强度直接转变成各阵元的电信号，或者在极为有限的空间内先将X射线信号转变为可见光，再通过光电二极管组成的薄膜晶体管（THINFILMTRANSISTOR,TFT）转换成电信号，然后再由专门的读出电路将这些电信号直接读出并送计算机系统进行处理。大量DR平板探测技术应用于临床诊断X射线机始于90年代初，以美国DRC公司率先开发的平板探测器为标志。1995年在北美放射学会（RSNA）上展出了世界第一台基于平板DR探测器的X射线机，这标志着数字X射线成像技术正式进入X射线机产品领域，同时也预示着新的一轮X射线机的技术革命就此开始。1997年STERLING，TRIXELL和CANON等公司推出直接数字化X射线摄影技术。STERLING公司利用非晶硒探测X射线，而TRIXELL和CANON公司则利用非晶硅制成的光电二极管探测X线。此后大公司相继跟进，1997年GE公司也推出DR探测器X射线机。DRC公司是最先发明基于非晶硒技术的直接转换方式平板检测器的公司，2004年又成功研制出采用非晶硒技术的70UM乳腺FPD，并和LORAD公司合作生产了新一代数字化乳腺机。2005年岛津在HOSPEQ2005展会上，推出世界首台直接转换型平板多功能X射线机，该新机型首次把平板探测器（ASE）用于消化道造影检查，而且实现动态转换。它集透视、DR、DSA等放射科传统影像设备的功能于一身。1997年GE公司推出第一台非晶硅探测器DR射线机，探测器采用的是CSIASITFT结构；法国TRIXELL、公司也采用同类技术开发出DR系统；美国瓦里安公司（VARIAN）和日本CANON公司则采用GOSASITFT技术开发出非晶硅探测器的DR系统。由于GOS的光输出量较低，VARIAN公司后来的产品也采用CSI。这两类DR探测器技术都是将闪烁荧光体置于顶部“涂”有硅的薄膜晶体二极管阵列之上，然后利用光敏元件将光信号转化成电信号，最后转换成字信号输送到计算。目前采用非晶硅探测技术的生产企业还有SIEMENS、PHILIPS等公司,TRIXELL平板是由法国THALES，德国SIEMENS和荷兰PHILIPS共同投资生产的，所以目前TRIXELL平板是当前TFT结构产品的主流，也是DR探测器的金标准。2光子计数探测器的提出随着探测器技术的不断发展，具有能谱分辨能力的光子计数探测器成为人们研究的焦点，并在X射线成像领域开始得到应用。使用该种探测器，可以将具有较宽能谱分布的X射线分为不同的能区分别进行计数，获得详细的能谱信息及不同能量射线的衰减信息，由此引出了“多能谱成像”的概念。光子计数（PHOTONCOUNTING）的概念从80年代提出以来，在弱光和微光的探测领域发挥了重要作用1。近些年，随着光子计数X射线探测器技术飞速发展，尤其是与之相应的高速处理电子学设备和专用集成电路的进步，使得探测短时间大计数成为可能，并为其应用于X射线成像打下了基础。由于光子计数探测器具有能谱分辨能力，可以将具有较宽能谱的X射线分能区进行计数，从而实现了“多能谱”成像。该技术被认为是未来X射线成像发展的趋势。2008年北美放射学年会年会上，光子计数多能谱成像技术的应用作为一个热点专题进行了深入的讨论，同时一系列的新产品和新技术也得到了展示，GE公司展示了其利用光子计数探测器的多能谱CT成像系统所得到的图像。PHILIP公司也在加紧多能谱CT的研究和实验工作，并推出了用于小动物成像的样机。由此可见，该领域的研究已经变得十分活跃。3未来探测器的展望在数字化大趋势下，随着DR探测器技术的发展，未来DR临床应用会更加广泛。重要性已不仅仅是为了提供实现PACS和无胶片化放射科所必需的数字化X射线图像，而且由于DR的出现，拓展了放射诊断应用的范围，也为计算机辅助诊（CAD）创造了条件。第二章现有探测器的介绍1CCD探测器CCDCHARGECOUPLEDDEVICES平面传感器成像方式是先把入射X射线经闪烁器（如荧光屏）转换为可见光，经反光镜反射由组合镜头或由组合镜头直接耦合到CCD芯片上，由CCD芯片将可见光信号转换成电信号，再由计算机把电信号变为数字信号。此类系统中荧光板有碘化铯和硫氧化钆两种，光学系统有透镜和光纤两种在透镜方式中为了避免CCD受到射线辐射造成损坏，有些装置上还在光学系统中加入了反光镜，已有新技术可以在不加反光镜的条件下大大减少CCD的受损。光纤方式的发展是为了克服透镜方式固有的缺陷，透镜方式对光通量的采集在空间上是有限的，这导致整个系统需要加大辐射剂量，为了弥补这一不足，在基于光纤的CCD探测器方面已经开展了不少有益的探索与研究，并获得了较好的效果。间接型平板探测器由碘化铯构成的闪烁体层、非晶硅阵列层、信号读出电路和石英玻璃衬体等部分组成。是一种三层结构表面一层为碘化艳闪烁体材料，其中碘化艳光柱达20UM；第二层是以非晶硅为材料的光电二极管电路；最底层TFT大面积薄膜晶体管阵列电荷信号读出电路即电荷收集阵列电路。当然还有起支持作用的玻璃层。其工作原理是X射线光子激发碘化铯闪烁体层产生荧光，荧光的光谱频段位于550NM，这正是非晶硅的灵敏度峰值。工作时，荧光通过针状晶体传输至非晶硅二极管阵列，后者接受荧光信号并将其转换为电信号，信号送到对应的非晶硅薄膜晶体管并在其电容器上形成存储电荷，由信号读出电路读出并将其数字化后送计算机重建图像。同样，转换后数字信号的数值大小也和电信号的强度电压的高低呈正比。X射线的转换过程为X射线碘化铯可见光非晶硅光敏二极管TFD阵列非晶硅薄膜晶体管TFT阵列数字信号。非晶硅探测器所采用的闪烁体材料由连续排列的针状碘化铯晶体构成，针柱的直径约6微米，外表面由重元素铊包裹以形成可见光波导减少漫射。出于防潮的需要闪烁体层生长在薄铝板上，应用时铝板位于X射线的入射方向同时还可起到光波导反射端面的作用。图21CCD探测器流程图2非晶硒探测器非晶硒DR探测器成板状，以非晶硒ASE膜材料作为X射线转换膜把X射线能量直接转变成数字信号电荷改变，用非晶态硒涂覆于薄膜晶体管TFT阵列上，每个薄膜晶体管单元尺寸139UM139UM，即每毫米内有7个点。在常用的1417胶片面积内的单元数有25603072，可满足几乎所有诊断要求。每个基本像素单元在控制电路的触发下，像素储存电荷按顺序传到外围读出电路，经14比特A/D转换，直接输出数字化信号。非晶硒平板探测器主要结构由基板、集电矩阵、硒层、电介层、顶层电极和保护层等构成，集电矩阵由按矩阵排列的接收电极和薄膜晶体管（THINFILMTRANSISTOR,TFT）组成。非晶态硒层涂覆在集电矩阵上，再上是电介层、顶层电极。放大器和A/D转换器都置于探测器封装扁平外壳内,构成平板探测器（FLATPANELDETECTOR,FPD,从外部看，探测器是接收X射线照射而直接输出数字图像信息，所以称作直接X射线摄影。非晶硒探测器工作原理，透过人体后的入射X射线在硒层中产生电子空穴对，在外施偏压的电场作用下，电子和空穴对向相反方向移动形成电流，随之在TFT积分形成储存电荷，存储的电荷与X射线光子能量与数量成正比，每个薄膜晶体管作为一个基本单元称之为像素，在扫描控制器的触发控制下，按顺序依次读取每个像素存储的电荷，该信号经过有源阵列放大后直接送到ADC电路同步进行A/D转换14BITA/D形成图像的数字信号。转换后数字信号的数值大小和电信号的强度电压的高低呈正比。其转换过程为X射线硒电荷非晶硅薄膜晶体管TFT数字信号图22非晶硒探测器流程图第三章光子计数探测器光子计数也叫做光电子计数，是探测微弱光的一种新技术,该技术利用了弱光照射下光电倍增管（PMT输出的电流信号存在自然离散的特点,采用脉冲高度甄别技术和数字计数技术将淹没在背景噪声中的信号提取出来。光子计数技术与其他微弱光检测方法锁频放大技术、锁相放大技术相比有以下优点1测量结果受PMT的漂移、系统增益的变化及其他不稳定因素影响较小2提高了测量结果信噪比；3输出的是数字信号，适合于计算机接口作数字数据处理4有较宽的线性动态范围。目前光子计数技术已被广泛应用于医学、生物学、物理学、天文学等领域里微弱光的探测研究中。1光子计数原理1光子流量光是由光子组成的，具有粒子性。光子的静止质量为零，有一定的能量，光子的能量EP与频率的关系为（31）HCVEP单位时间内通过某一截面的光子数R称为光子流量，单位时间内通过该截面的光能量为光流强度，用光功率P表示，则（32）PRP当光功率为1016W时，对于633NM的HENE激器，有4光子/秒（33）此时可见光的光子流量为一毫秒内不到一个光子,便于对单个光子进行检测3。光流强度小于1016W时称为弱光,此时只有光子计数技术才能保证较高的测量精度。（2）光电倍增管光电倍增管是最常用的单光子检测器件,它基于外光电效应和二次电子发射效应的电真空器件，由光电阴极、多个电子倍增极和阳极等组成6。结构如图所示。使用时相邻倍增电极间加有电压,光阴极吸收光子后以一定的概率发射光电子，在电场作用下射向第一倍增电极,引起电子的二次发射而激发出更多的电子，然后又射向下一个倍增极从而激发出更多的电子,这使得光电倍增管具有很高的灵敏度。倍增后的电子被阳极收集后作为信2103号输出。光电倍增管是优良的单光子探测器，工作于光子计数模式时，最大计数率可达30MHZ,而暗计数率可以做到非常低（10HZ）5。图31光电倍增管典型结构图32光子计数系统2光子计数探测器原理光子计数型探测器作为近年来迅速发展的一项技术，得到了业界的广泛关注和研究。这种探测器应用于PET和SPECT设备中已有十多年的历史，但是近些年才开始在X射线透视和CT成像中得到应用。其主要原因是X射线透视和CT成像需要探测器具有较高的光子计数率以保证较快的扫描速度，而光子计数探测器需要将每个入射光子作为一个独立事件进行分析，并判断其所属能量区间，因此计数率较高时不同光子与物质相互作用会产生叠加。另外，X射线透视和CT成像对于探测器的分辨率要求很高，也限制了光子计数探测器的应用。但是，随着技术的不断发展，尤其是电子学处理速度的快速提高，这些问题都在逐渐得到解决。许多学者都认为，光子计数探测器将是未来X射线成像领域的发展方向。光子计数型探测器可以通过设置电子学阈值，滤除能量较低的脉冲，从而可以完全消除低能噪声对成像结果的影响。通过设置更多的电子学阈值，可以甄别每个入射光子与物质相互作用得到的脉冲信号，识别入射光子的能量信息并将其对应到不同的能区分别进行累计，从而将较宽能谱分布的X射线分能区进行计数，直接得到不同能区的成像结果。这种方式相对于传统的“伪双能”成像方式，不同的能区之间完全没有重叠，区分度更好。且不需使用任何滤波整形设备，克服了传统双能设备存在的一些缺陷，提高了物质识别的精度。较传统的电荷积分式探测器（CHARGEINTEGRATINGDETECTOR）相比，光子计数探测器具有很多的优势。首先，它可以消除低能噪声对于成像带来的影响，有效提高了图像质量；另外，它引入了能谱的信息，一次扫描可以得到不同能区的成像结果，将X射线成像由“黑白”引入了“彩色”，由此给该领域带来了一系列有益的变革。近10年来，与之相应的高速处理电子学设备得到了迅速发展，人们研制出各种可以应用于X射线成像的光子计数型探测器，距离实际应用的要求越来越近。目前，研究最广应用最多的计数型探测器有两种，一种是碲锌镉（CADMIUMZINCTELLURIDE，CZT）材料制成的半导体探测器。CZT晶体是目前发展较快的一种探测器材料2，它由CDTE和ZNTE的混合物经过一定的晶体生长方法制作而成，其具有较高的探测效率和分辨能力，是目前研究最多的探测器材料之一。另一种为碲化镉（CADMIUMTELLURIDE，CATE）材料制成的探测器。这两种材料是光子计数探测器最主要的制作材料。其他材料的探测器也可以制作成为光子计数设备1997年ARFELLI等研制出了应用于硅探测器的计数装置，2004年THUNBERG等研制出了气体雪崩计数探测器，2004年SHIKHAIEV等1112研制出了微通道板计数型探测器。使用气体也可以制作计数型探测器，但探测效率较低，对于高能量的X射线的能量分辨率较差，因此在DR和CT设备中不常使用,但在乳腺成像中，由于射线能量不高因此取得了较好的效果。可见，近些年此领域的研究正变得越来越活跃。90年代初期开始，以CERN牵头并联合16个欧洲研究机构开展了MEDIPIX项目，致力于研究光子计数探测器在高能物理探测和医学成像中的应用。其第一代产品MEDIPIX1具有6464个像素，像素大小为170M170M。第二代MEDIPIX2也已经研制完成，其像素个数更多且面积更小。使用MEDIPIX2光子计数探测器，CERN等研究机构的学者进行了一系列的研究，包括在牙科CT成像中降低辐射剂量，在物质识别领域的应用等。第三代的研制接近尾声，其像素个数为256256，可探测的能量范围为8140KEV，能量分辨率约为2KEV。该种探测器已经在CT实验样机中得到了应用。目前，光子计数型探测器的饱和计数率最高可达61062个光子/MM/S,距离医学成像的实用要求越来越近。传统的X射线成像系统中使用电荷积分型探测器，光子的能量沉积在探测器中并转换为电信号，成像时光子所贡献的权重和能量成正比。但我们知道，越高能量的射线穿透能力越强，因此得到的图像对比度较低能量的射线要差。因此，对于不同的能量区域赋予不同的权重来进行成像，可以大幅度提高图像质量，这种方法被称为“光子能量权重成像（PHOTONENERGYWEIGHTINGIMAGING）”。图33光子计数探测器成像简单模型示意图假设能谱分布为E的X射线穿过一个由两种材料组成的简单物体，该物体左侧材料的线性衰减系数为1，右侧材料的线性衰减系数为2，假定21，入射的光子计数为I0。当X射线穿过此物体后，穿过左侧物体的光子计数为I，穿过右侧物体的光子计数为。两种不同材料的对比度信噪比（34）假设光子计数探测器对X射线能谱平均分为N段进行分别探测，每段的能量间隔为，E2IISNRS为探测区域的起始能量。第I个能区的起始能量可以表示为0E（35）EII0第I个能区内的入射X射线能谱中的光子数目可以表示为（36）穿过被扫描物质之后，X射线的光子衰减比例（37）为能量的光子穿过厚度为物体的衰减情况，若物体厚度为T，可以表示为ET（38）TEET在每个能量区域中，探测器的光子计数等于穿过物体前的能谱计数与衰减比例的乘积（39）IINI（310）II在每个能量区域中探测器输出信号的差异可以表示为（311）IIINTS其噪声可以表示为（312）22IIIIIS若探测器的噪声满足泊松分布，则可以表示为（313）IISTNI2所有的能量区域集的探测器信号合起来则构成了整个探测器的信号输出，我们对不同能区的探测器信号赋予了不同的权重IW（314）NIIS1从而得到了整个探测器信号输出的信噪比的表达式（315）IEIIDI100IEIIIIDT1002111NIIIIIISWTNR在传统的电荷积分式探测器成像时，光子所贡献的权重与能量成正比，即能量越高，光子权重越大。而在光子计数探测器中，光子能量权重可以根据需要进行取值并进行图像处IW理和重建。在上述模型中，能量权重取如下值时，可以使得信噪比最大（316）通过设定不同的能量阈值，可以对低能噪声进行有效甄别和去除，从而也提升图像EW的质量和信噪比。GIERSCH等10建立了模型并进行了MONTECARLO模拟实验，结果表明采用这种方法可以使得图像的对比度信噪比提高50以上。因此，如果需要获得同等信噪比的图像，可以减少照射的光子数量，从而大幅度降低X射线辐射剂量。在乳腺成像中，由于乳腺癌变组织与正常组织之间对比度较差，且该器官对于辐射剂量较为敏感，光子计数探测器的应用有效提升了检测精度并降低射线剂量，因此，目前该技术已经在乳腺成像设备中得到了应用。3基于楔条形阳极光子计数探测器实验的结果分析实验介绍图34样机系统结构图该系统包括紫外准直光学系统、置于高真空系统内的探测器及后续的电子学系统3个部分组成。由于MCP主要对紫外段线辐射有响应,所以通常使紫外光源来检测检测目标物置于MCP前端12MM,紫外光经过准直后垂直入射到该目标。WSA光子计数成像探测器的工作原理如下图所示,探测器系统主要由微通道板堆MCP、WSA位置灵敏阳极和位置读出电路3部分组成。DE12EXP1图35WSA光子计数成像探测器成像原理图MCP是一种电子倍增器件,使用时在其两端加上高压,起到光电转化及电子倍增的作用。入射的光子打在MCP通道内壁激发出光电子,光电子在高压的作用下多次碰撞内壁形成“雪崩”效应,在输出面产生包含大量电子的电子云,在电场的作用下,电子云入射到位置灵敏阳极上,并由其确定电子云质心位置,即入射光子的位置。探测器的空间分辨率与MCP堆的增益成正比。为了提高增益,本设计将3个有效口径为40MM、长径比是40比1的MCP叠加在一起,当MCP堆两端高压为3000V时,增益能达到107,设计的探测器样机中的MCP堆就是工作在这个状态。普通CCD一般都用像元尺寸、像元数量等参数来表示它们的分辨能力。WSA光子计数探测器没有实际的像元,MCP作为它的感光面,自身不能记录入射粒子的位置,所以无法直接提供系统分辨率信息而WSA阳极虽然能记录MCP降落电子云质心位置,但每次它都是作为一个整体对质心位置的记录。因此,需要对探测器进行分辨率检测。检测原理图如图1所示,检测目标放置在MCP前面1MM处,探测器收集该目标透射过来的光子。在进行光学检测时,通常使用分辨率板作为检测目标,其中根据美国空军1951年制定的分辨率标准即USAF1951制作的分辨率检测板应用最广。该检测板包含了不同空间频率的明暗条纹,分别赋予了不同的组号和单元号。观察者通过观测成像图片,仔细识别出系统所能分辨的最细条纹,记录下该条纹的组号和单元号,通过计算或查表能够得到该条纹的对应空间频率。下图为对一块分辨率标准检测板所成的灰度值图像,图是对图5中方框部分的放大。通过观察能够发现该图像所能分辨的最细条纹单元为图6中方框部分,该单元条纹编号为第2组第6单元。通过生产厂家提供的分辨率对应表,可以知道该单元条纹对应的空间频率为713LP/MM,对应线宽为014MM,这可以认为是我们的探测器所能达到的分辨率。图36分辨率板成像检测结果图图37方框部分放大图人眼直接观察检测图得出分辨率的方法虽然方便,但却存在人的主观性因素,不同人的观测结果可能不同,同一人不同时间的观测结果也可能不同。为了消除人眼观测主观性的缺点,本文计算了探测器对第2组第6单元条纹的成像调制度（M。M的定义为最大亮度与最小亮度的差与它们的和的比值（317）很明显,M介于0和1之间。M越大,意味着反差越大,图像越容易分辨。当最大亮度与最小亮度完全相等时,反差完全消失,这时的M等于0。黑白相间条纹的物调制度为100,但是没有成像系统能将条纹百分百的转移到像平面上,当空间频率增加时,像的M也将随之降低。实验结果图38水平方向像元灰度值分布图39垂直方向像元灰度值分布对于正常人来说,人眼的调制度阈值为3,目视系统的极限分辨率大致等于M为3时所对应截止空间频率7摄影系统极限分辨率所对应的M相对要高108。本文的探测器对第2组第6单元条纹的纵向、横向M分别达到了57和37,这表明探测器完全能够分辨该单元条纹,即空间分辨率达到了014MM。1MINAXI第4章总结与展望NOVARAY公司作为美国硅谷的一个在DSA研究前沿的公司，现已制作出了针对光子探测器一系列的产品。TCL医疗集团作为NOVARAY公司在中国的唯一的合作伙伴，是其光子探测器在中国发展的有力后盾1NOVARAY光子探测器的研究现状图41NOVARAY公司作出的光子探测器示意图较小的探测器和检测病人的间距较大的散射减少，可见，由NOVARAY系统检测9。线的散射减少，以及更高的检测效率，降低整体的X射线曝光时，相对于传统的X线透视系统病人皮肤暴露传播的光束在一个较大的入口区域比常规系统被进一步减小的结果。常规的系统具有大面积的检测器靠近病人的胸部，因此，大量的散射辐射到达探测器。为了解决这个问题，传统的系统采用了一个网格的薄铅箔片，病人和检测器之间的，平行排列，以减少散射辐射到达探测器。由于铅箔片的厚度，约30的图像辐射被吸收在分散缩格，降低图像质量10。网格，因为这是一个不完美的装置，通常尽可能多的散射辐射图像的辐射到达探测器。散射辐射噪声，降低了信号噪声比和降低图像质量。图42逆几何NOVARAY系统常规系统的点的X射线源的辐射集中在其进入病人的皮肤。随着NOVARAY分布的X射线源，X射线辐射扩散，在其进入病人的皮肤，辐射扩散超过约一倍的面积的常用系统，切割皮肤的辐射暴露了50，减少辐射损伤的可能性。点的X射线源的传统系统中，在患者体内的任何对象在检测器上投下阴影，导致在SHADOWGRAM图像。可在NOVARAY的系统中，在患者体内的任何对象从许多不同的角度，作为X射线源的扫描成像。位的三十分之一秒，的SCANCATH检测器捕获的小字段的视图图片，每个多达9000离散位置上的扫描X射线源。捕获深度信息，在这些众多的图像和切片的同时重建，每相隔约一厘米。NOVARAY认为SCANCATH的心导管检查是唯一的系统，可以捕获和显示多片图像在一定的时间内。2现有探测器市场调查结果表41现有探测器市场调查表公司技术特性应用领域产品CARESCMOS（CM）43SR7LP/MMFLERRAY通过表41可以了解到现有探测器的行列中平板探测器作为目前热门追逐的产品，但在平板探测器的性能评价方面还有不少争论。DQE测量给出探测器有效传输信号的信息,是评价像素数字化探测器要重视的参数。平板探测器、CR磷光成像板和胶片屏的动态范围分别为105、104和103,因此,采用平板探测器时可用较大的曝光宽容度以获得最高的图像质量。此外,由于高调制转换功能,对于给定的空间分辨率只要很短的曝光。目前平板探测器的尺寸和分辨率通常为2500250014BITS和35LP/MM。尽管和胶片相比,空间分辨率较低36LP/MM,胶片为57LP/MM,采用硒平板探测器进行的临床试验还是非常有前途的。采用非晶硅平板探测器和CCD探测器的临床试验也标明令人振奋的结果。空间分辨率近年来已有很大提高,如有的已达5或7LP/MM,而有效临床应用的精确度又非胶片所能比拟,所以平板探测器作为数字化X射线摄影装置的关键件极有发展前途,目前主要问题还是价格昂贵,如果这一障碍排除,无胶片医院将会早些涌现。另一个要考虑的因素是大型平板探测器中的故障问题,因为这会产生伪像,从而导致极大的误诊,特别是在乳腺诊断中,因此要置入质控部件以检测故障区域。预测首先市场化的是采用硒平板探测器的装置,接着是在易于改型的墙式BUCKY或XKODAK连二亚硫酸钆（CM）2419DR系列机FUJI磷光成像板SR5LP/MMGE非晶硅平板探测器（CM）SR35LP/MM通用，乳腺REVOLUTIONXQ/LHOLOGIC直接平板探测器（CM）46通用EPEX,RADEXIMAGINGCCDXPLORERROGENCMOSSELING硒板探测器直接读出SR39LP/MM胸部C型臂SWISSRAYCCD（CM）436SR3LP/MMDDRMUIDDRCHESTTOSHHA硒板探测器动态成像TREX非晶硅探测器CMOS探测器射线机上装上平板探测器。不管怎样,移动式或悬吊式C型臂装置可能会迅速采用平板探测器。乳腺X射线摄影装置也可用平板探测器或者CCD探测器来改型使之升级换代,但主要障碍将是价格问题。全视场数字乳腺X射线摄影装置已投市,但因用于普查,医院难以回收成本,因而限制了推广使用。携带式X射线机不能采用平板探测器,是一大限制。因此另一种数字X射线摄影技术CR成像板在无胶片环境中仍有一定优势。不用特殊处理而能取得电子信息的CR图像处理的新发展可望开辟CR技术的新领域,因为CR技术较平板探测器技术要在价格上占很大优势。由此不应推断平板探测器将取代CR成像板。平板探测器的应用进展将延伸至PACS和远程X射线领域,因为传统的胶片X射线摄影术还停留在非数字化诊断图像模式中。总之,平板探测器的出现将使图像成像装置市场日见繁荣,为滞后的传统X射线摄影装置实现数字化提供有利的条件。3探测器的展望近些年，使用光子计数探测器进行多能谱成像已经成为X射线成像领域的热门话题和研究方向。该技术对于提高图像质量、信噪比和检测精度，降低辐射剂量有着重要意义。但是针对医学应用的特殊需求，多能谱成像技术仍然存在着某些技术难题。在医用成像系统中，短时间内需要捕获大量的光子，需要有大量的信息进行转换并传输存储至计算机中，对于电子学处理及存储设备有很高的要求。目前，随着技术的发展，快速多通道的脉冲计数读出电子学设备已经研制出来，这些问题都将逐渐得到解决。目前，PHILIPS公司已经研制出多能谱CT成像系统的样机并使用小鼠进行了一系列的K吸收边缘成像实验，在此系统中使用了GAMMAMEDICAIDEAS公司生产的1024个像素的线阵CDTE探测器，使用的微焦点X射线源的电压范围介于70KVP和130KVP之间。通过使用该系统对不同能谱区域成像结果进行了分析，验证了多能谱成像的可行性。随着技术的发展和进步，基于光子计数探测器的多能谱成像将得到更加广泛地应用，进一步的研究主要包括以下几个方面高探测效率探测器的制备及晶体生长工艺的进一步研究；高速电子学设备和读出电路的研制及开