平板探测器的原理及应用

1、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

2、 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

3、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。 X射线 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 Direct Ray产品指标 成像范围35cm x43cm 像素数量3560 x3072 像素尺寸1

4、39m 空间分辨率3.6Lp/mm 成像时间5-7s 曝光周期30s 像素深度14bit Sonialvision Snfire指标 成像范围43cm x43cm 像素数量2880 x2880 像素尺寸150m 空间分辨率3.3Lp/mm 快速R/F切换 0.5s 像素深度14bit 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

5、：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 闪烁体层 非晶硅阵列 集成电路读出板 列驱动板 X射线 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：

6、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

7、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

8、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 F

9、unction 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= NS NS inin outout 2 2 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

10、 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：

11、 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

12、 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

13、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

14、系统要求过 高。 2、硒层对温度敏感，使用条件受限，环境适应性差。 2012-02 碘化铯/非晶硅型 优点： 1、转换效率高； 2、动态范围广； 3、空间分辨率高； 4、在低分辨率区X线吸收率高（原子序数高）； 5、环境适应性强。 缺点： 1、高剂量时DQE不如非晶硒型； 2、因有荧光转换层故存在轻微散射效应； 3、锐利度相对略低于非晶硒型。 2012-02 各种DR探测器的比较 类型DQEMTF灵敏度记忆效应 非晶硒低高低有 碘化铯 非晶硅 高略低高无 氧化钆 非晶硅 低低高无 2012-02 谢谢！ 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

15、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 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 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 平板探测器的主要参数 DQE - Detec