平板探测器的原理及应用.ppt

2012-02,平板探测器的原理及应用,2012-02,主要内容,平板探测器的概念 非晶硅平板探测器 非晶硒平板探测器 CMOS平板探测器 平板探测器的指标与评价,2012-02,平板探测器,通过面阵探测器，取代传统胶片等材料。 将X射线透照工件生成的图像信号转换成易于存储和处理，符合一定行业标准的数字图像。 相对于线阵探测器 提高图像的读出速度 减少X线曝光时间,线阵扫描探测器,平板探测器,2012-02,平板探测器的应用,2012-02,平板探测器的典型结构,2012-02,典型的平板型DR组成,X线高压发生器 产生高压（高压，灯丝，高压整流，交换闸） X线球管 产生X射线 准直器 减少散射线控制照射野 平板探测器 将X射线转换成已处理的电信号 图像后处理系统 A/D转换，图像预处理，图像重建等,2012-02,平板探测器的种类,直接能量转换形 非晶态硒（Amorphous Selenium，a-Se） 间接能量转换形 非晶态硅（Amorphous Selenium，a-Si+碘化铯(CsI) /硫氧化钆(g)( GdOS/Gd2O2S) CCD,2012-02,直接型-非晶态硒,典型结构： 非晶硒层（a-Se） 光电导材料 薄膜半导体阵列 （Thin Film Transistor array，TFT）,尺寸数十厘米,2012-02,非晶硒型成像原理,向非晶硒层加正向偏置电压（0-5kv），即预置初始状态。 X射线照射,非晶硒层产生电子、空穴对在外加电场下产生电流，并在TFT层存储电荷。 读出TFT层存储的电荷，放大并经过A/D转换后输出到计算机。 所有电荷信号被读取后，消除残余电荷，恢复到初始状态。,2012-02,非晶硒平板探测器的特点,直接进行光电转换没有散射，清晰度要高 物理性能稳定 介电常数低 电阻率高 暗电流小 光电吸收效率高 光电导效率随X射线强度增大而增大,2012-02,直接型-非晶态硒,美国Hologic公司,日本岛津公司,2012-02,间接型-非晶态硅,闪烁体或荧光体层 + 非晶硅层（a-Si） （具有光电二极管作用） + TFT阵列,2012-02,间接型-非晶态硅,基本工作过程原理： a：入射的X射线图像经碘化铯闪烁晶体转换为可见光图像， b：可见光图像由下一层的非晶硅光电二极管阵列转换为电荷图像 c：对电荷信号逐行取出，转换为数字信号，再传送至计算机，从而形成X射线数字图像,2012-02,闪烁体和荧光体,能将在X线照射下激发出可见光的发光晶体物质统称闪烁体或荧光体， 荧光是指在X线激发停止后持续（10-8s）发光的过程 闪烁是指单个高能粒子在闪烁体上瞬时激发的闪光脉冲,2012-02,间接型-闪烁体：硫氧化钆,作用：将X射线光子转化成可见光光子发射,特点： 成像速度快 性能稳定 成本较低,层状排布（散射线造成的不清晰度较大） 主要有日本佳能生产的CXDI系列 也是唯一能实现移动的X射线探测器,2012-02,间接型-闪烁体：碘化铯,用碘化铯 作为光电装换的介质 碘化铯（CsI:T1闪烁体） 连续排列、针状 直径约为6-7m 厚度为500-600m 外围用 铊包裹 减少漫射,2012-02,非晶硒与碘化铯吸收系数,随着非晶硒厚度的提升（500m到700m）对X光的吸收率也随之上升 资料中介绍：碘化铯厚度的的增加，吸收系数上升，但图像分辨率下降。 随X射线能量增高，非晶硒和碘化铯的吸收系数都随之下降。,2012-02,间接型-闪烁体,硫氧化钆 碘化铯 非晶硅 响应,2种闪烁体的光谱特性和非晶硅的响应特性,2012-02,间接型-闪烁体, 碘化铯和硫化钆发射光谱与a-Si光电二极管量子效率谱均以波长550nm处出现峰值且具有很好的匹配关系。 使用CsI做涂层的探测器转换效率比硫氧化钆涂层高。,可见光,2012-02,CCD探测器,反射式,2012-02,CCD探测器,直射式 光纤式 CCD尺寸小，一般为3-5cm2,闪烁体一般为碘化铯 光学纤维 CCD芯片,闪烁体一般为碘化铯 光学透镜 CCD芯片,2012-02,CCD探测器工作原理,采用闪烁体将X线能量转换为可见荧光 采用反射/透镜/光纤进行缩小并传入CCD 产生光生电子，电子数与光子数成正比。并以电荷形式存入存储装置 读取电荷信号，经放大、A/D等处理后生成数字信号,2012-02,CCD型和CMOS型,CCD,CMOS 没有电荷转移功能，需要经过X-Y选址电路。 PD：产生蓄积电荷 MOS-Fet：控制读出,2012-02,平板探测器类型的选择,观察和区分不同组织的密度，因此对密度分辨率的要求比较高。宜使用非晶硅平板探测器的DR，这样DQE比较高，容易获得较高对比度的图像 需要对细节要有较高的显像，对空间分辨率的要求很高，因此宜采用非晶硒平板探测器的DR，以获得高空间分辨率的图像。,2012-02,平板探测器的主要参数,DQE - Detective Quantum Efficiency 量子探测效率 SR - Spatial Resolution 空间分辨率 MTF - Modulation Transfer Function 调制传递函数 S /N - Signal to Noise ratio 信噪比,2012-02,量子探测效率-DQE,定义：探测器（增感屏，胶片，IP,FPD)探测到的光量子与发射到探测器上的量子数目比 通常用 输出信噪比的平方与输入信噪比的平方之比来表示，一般为百分数。 DQE=,2012-02,量子探测效率-DQE,其中G是探测器的增益， 是单位面积的X射线探测器输入的量子 MTF是调制传递函数， NPS是噪声功率谱。,另一种计算方法：,2012-02,空间分辨率,空间分辨率是指图像每个像素点的大小 特征是调制传递函数 MTF,2012-02,调制传递函数（MTF）,MTF为探测器对比度空间频率转移函数 通常用来表示探测器对于图像细节的分辨能力 在系统应用的空间频率范围内MTF值越高则空间频率特性越好，对于影像系统来说可以获得更好的图像对比度。,2012-02,调制传递函数（MTF）,MTF对比 500m层厚结构化碘化铯晶体 和 粉末状增感屏,注：图像上亮度分布相邻的黑线或白线的距离定义为空间周期,2012-02,调制传递函数（MTF）,空间频率优化 通过滤波器改善调制传递函数,2012-02,调制传递函数（MTF）,一种便于理解的MTF的图解方法,2012-02,噪声,平板探测器的噪声主要来源于两个方面： a：探测器电子学噪声 （小） b：X射线图像量子噪声 RQA5测试标准下一个大小为150m的像素通常可以吸收1400个X光子，此时量子噪声约为37个X光子，而读出噪声则仅相当于35个X光子,2012-02,其他参数,记忆效应(memory effect) 表示图像残留的参数，通常用两个参量来表示残留因子的变化 一次曝光20S后记忆效应(Short-term memory effect 20s) 如：0.1% 一次曝光60S后记忆效应(Short-term memory effect 60s) 如：0.02% 灵敏度（Sensitivity）响应度 一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号 X射线吸收率 X射线可见光转换系数 填充系数 光电二极管光电转换系数,2012-02,其他参数,线性(Linearity) 最大的线性剂量(X-ray maximum linear dose)： 表示探测器可达到线性度要求的剂量范围上限 非线性度(Non-linearity)： 用百分比来表示在max最大的线性剂量之间输出的非线性程度 微分非线性度（Linearity-differential-FT） 积分非线性度(Linearity-integral-FT） 空间非线性度(Linearity-spatial-FT）,2012-02,其他参数,探测器图像获取时间 探测器预备时间 曝光等待时间 曝光窗口 图像读出时间 对于非晶硅探测器典型值为2.8S左右 实际一般为56 S,2012-02,其他参数,温度稳定性（Stability） 额定条件下探测器的输出随温度的变化率，被称为探测器的温度系数（Detector temperature coefficient) 暗电流 无光和电输入下的输出电流。（半导体发热） 限制了器件的信号处理能力、动态范围 产生噪声和干扰,2012-02,非晶硒型,优点： 1、转换效率高； 2、动态范围广； 3、空间分辨率高； 4、锐利度好； 缺点： 1、对X线吸收率低，在低剂量条件下图像质量不能很好的保证，而加大X线剂量，不但加大病源射线吸收，且对X光系统要求过高。 2、硒层对