平板DR探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其成像原理(天地智慧)

1、(天地智慧醫(yī)療)平板DR探測(cè)器原理(天地智慧醫(yī)療)從 1995年RSNA上推出第一臺(tái)平板探測(cè)器（Flat Panel Detector）設(shè)備以來(lái)，隨著近年平板探測(cè)技術(shù)取得飛躍性的發(fā)展，在平板探測(cè)器的研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中，平板探測(cè)技術(shù)可分(天地智慧醫(yī)療)為直接和間接兩類。（一）間接能量轉(zhuǎn)換(天地智慧醫(yī)療)間接FPD的結(jié)構(gòu)主要是由閃爍體或熒光體層加具有光電二極管作用的非晶硅層(amorphous Silicon，a-Si)再加TFT陣列構(gòu)成。其原理為閃爍體或熒光體層經(jīng)X射線曝光后，將X射線光子轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，而后由具有光電二極管作用的非晶硅層變?yōu)閳D像電信號(hào)，最后獲得數(shù)字圖像。在間接FPD的圖像采集中，由

2、于有轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的過(guò)程，因此會(huì)有光的散射問(wèn)題，從而導(dǎo)致圖像的空間分辨率極對(duì)比度解析能力的降低。換閃爍體目前主要有碘化銫(CsI，也用于影像增強(qiáng)器)，熒光體則有硫氧化釓(GdSO，也用于增感屏)，采用CsI+a-Si+TFT結(jié)構(gòu)的有Trixell、瓦里安和GE公司等，而采用GdSO+a-Si+TFT有Canon等。1、碘化銫 ( CsI ) + a-Si + TFT ：當(dāng)有 X 射線入射到 CsI 閃爍發(fā)光晶體層時(shí)，X 射線光子能量轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光光子發(fā)射,可見(jiàn)光激發(fā)光電二極管產(chǎn)生電流, 這電流就在光電二極管自身的電容上積分形成儲(chǔ)存電荷. 每個(gè)象素的儲(chǔ)存電荷量和與之對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的入射 X 射線光子能量

3、與數(shù)量成正比。發(fā)展此類技術(shù)的有法國(guó) Trixell 公司解像度 143um2 探測(cè)器 ( SIEMENS、Philips、湯姆遜合資 ) 、美國(guó) GE 解像度 200um2 探測(cè)器 ( 收購(gòu)的 EG & G 公司 ) 等。其原理見(jiàn)右圖。Trixell公司（目前有西門子、飛利浦、等廠家使用，成本約9.5萬(wàn)美金）用的是Csl柱狀晶體結(jié)構(gòu)的閃爍體涂層，此種結(jié)構(gòu)可以減少可見(jiàn)光的閃射，但由于工藝復(fù)雜難以生成大面積平板，所以采用四塊小板拼接成17×17大塊平板，拼接處圖像由軟件彌補(bǔ)。 GE、佳能（佳能、東芝、島津使用）的平板是使用Csl或Gd2O2S:Tb涂層，因不是柱狀晶體結(jié)構(gòu)，所以能

4、量損失較Trixell 嚴(yán)重。(天地智慧醫(yī)療)2、硫氧化釓 ( Gd2O2S ) + a-Si + TFT ：利用増感屏材料硫氧化釓 ( Gd2O2S ) 來(lái)完成 X 射線光子至可見(jiàn)光的轉(zhuǎn)換過(guò)程。發(fā)展此類技術(shù)的公司有 Canon 公司解像度 160um2 探測(cè)器等。此類材料制造的 TFT 平板探測(cè)器成像快速、成本較低，但一般灰階動(dòng)態(tài)范圍較低（12 bit 以下），與其它高階14 bit產(chǎn)品圖像診斷質(zhì)量相比較為不足。3、碘化銫 ( CsI ) / 硫氧化釓 ( Gd2O2S ) + 透鏡 / 光導(dǎo)纖維 + CCD / CMOS ：X射線先通過(guò)閃爍體或熒光體構(gòu)成的可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換屏，將X射線光子變?yōu)榭梢?jiàn)

5、光圖像，而后通過(guò)透鏡或光導(dǎo)纖維將可見(jiàn)光圖像送至光學(xué)系統(tǒng)，由CCD采集轉(zhuǎn)換為圖像電信號(hào)。發(fā)展此技術(shù)的IDC、深圳藍(lán)韻、北京萬(wàn)東、深圳安健等公司。深圳藍(lán)韻的KeenRayCCD DR探測(cè)器的像素為4K×4K，16Bit圖像輸出，無(wú)論在圖像上還是在價(jià)格上均是取代CR的最佳產(chǎn)品。(天地智慧醫(yī)療)4、CsI ( Gd2O2S ) + CMOS ：此類技術(shù)受制于間接能量轉(zhuǎn)換空間分辨率較差的缺點(diǎn)，雖利用大量低解像度 CMOS 探頭組成大面積矩陣，尚無(wú)法有效與 TFT 平板優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)。發(fā)展此類技術(shù)的公司有CaresBuilt、Tradix公司等。（二）直接能量轉(zhuǎn)換(天地智慧醫(yī)療)直接FPD的結(jié)構(gòu)主要是

6、由非晶硒層(amorphous Selemium，a-Se)加薄膜半導(dǎo)體陣列(Thin Film Transistor array，TFT)構(gòu)成的平板檢測(cè)器。由于非晶硒是一種光電導(dǎo)材料，因此經(jīng)X射線曝光后直接形成電子-空穴對(duì)，產(chǎn)生電信號(hào)，通過(guò)TFT檢測(cè)陣列，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字化圖像。從根本上避免了間接轉(zhuǎn)換方式中可見(jiàn)光的散射導(dǎo)致的圖像分辨率下降的問(wèn)題。雖然在技術(shù)上和生產(chǎn)工藝上要求很高，但卻是獲得高圖像質(zhì)量的理想方式，采用這一技術(shù)的有島津，AnRad，Hologic公司等。(天地智慧醫(yī)療)直接轉(zhuǎn)換FPD具有理論界限值的卓越分辨率和量子探測(cè)率，不僅具備可高分辨率以清晰顯示微小血管及病灶，而且具有

7、高靈敏度可大幅降低曝光射線量。直接轉(zhuǎn)換式FPD無(wú)論在低分辨率時(shí)還是在高分辨率時(shí)均具有極高的DQE值。對(duì)于大物體的檢出能力與間接轉(zhuǎn)換型FPD大致相同，但對(duì)于微小病變，直間轉(zhuǎn)換型FPD的檢出能力更強(qiáng)。（間接轉(zhuǎn)換型的DQE低頻時(shí)雖然顯示高值，但在2lp/mm以上時(shí)，其值急劇減小。）直接轉(zhuǎn)換式FPD研發(fā)廠家為了得到更高DQE值，獲得良好的S/N特性，在降低噪音成分方面做出了更多的努力，尤其是在對(duì)圖像質(zhì)量影響最大的配線阻抗噪聲和讀取放大器的熱噪聲方面需進(jìn)行了革新性的改良，將這兩種噪聲控制在最低程度，使實(shí)際測(cè)量值達(dá)到與理論值基本一致的水平。直接轉(zhuǎn)換式FPD對(duì)于大物體的檢出能力與間接轉(zhuǎn)換型大致相同，但對(duì)于微

8、小病變，直間轉(zhuǎn)換型具有更強(qiáng)的檢出能力。（間接轉(zhuǎn)換型的DQE低頻時(shí)雖然顯示高值，但在2lp/mm以上時(shí)，其值急劇減小。）(天地智慧醫(yī)療)（三）平板的使用與養(yǎng)護(hù)(天地智慧醫(yī)療)現(xiàn)在不管是非晶硒、非晶硅、CCD這些平板探測(cè)器，還是各大知名國(guó)際廠商，所有探測(cè)器保修最長(zhǎng)只有五年?，F(xiàn)在醫(yī)院在購(gòu)買期間只注意了牌子，什么高象素，高配置，忽視了服務(wù)和設(shè)備壽命，而最基本的滿足臨床使用診斷的這個(gè)根本目標(biāo)沒(méi)有重視。平板探測(cè)器使用一定年限或者經(jīng)過(guò)一定次數(shù)曝光，老化損壞是必然的，不可避免的。一般在五個(gè)以內(nèi)的壞的可以用軟件補(bǔ)，但十個(gè)以上就是一片白點(diǎn)，所以這是不可逆的，而且隨著曝光次數(shù)增加，壞點(diǎn)會(huì)成壞道。在壞點(diǎn)剛剛出現(xiàn)的時(shí)候

9、就及時(shí)向廠方提出維護(hù)，一般情況下還不至于壞到那個(gè)程度。按照理論要求，平板在三到六個(gè)月之間是必須要做一次校準(zhǔn)的，這個(gè)也是醫(yī)院在購(gòu)買安裝的時(shí)候需要向廠方提出的一個(gè)合理要求。而且現(xiàn)在大部分DR操作里面已經(jīng)開(kāi)放的平板探測(cè)器的校準(zhǔn)程序，廠方要求院方一定時(shí)間內(nèi)也要對(duì)平板進(jìn)行校準(zhǔn)。非晶硒怕冷,非晶硅怕潮.工作環(huán)境的保持十分重要,在使用中應(yīng)盡量嚴(yán)格地按照廠家的要求控制機(jī)房的環(huán)境, 一定要在機(jī)房?jī)?nèi)安裝抽濕器和空調(diào)，否則會(huì)壞的比較快。另外射線也會(huì)造成損傷使轉(zhuǎn)換層老化，效率降低，這與累積劑量有關(guān)，就正常的劑量(500uR)而言100萬(wàn)次曝光后仍可保持70%的效率問(wèn)題并不大。但一定要注意遮光器(尤其是腰椎側(cè)位等)的使

10、用，否則漏光的部分由于經(jīng)常接受過(guò)量輻射則老化會(huì)大大加快。(天地智慧醫(yī)療)1. 非晶硒探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其成像原理：(直接轉(zhuǎn)換)直接數(shù)字化X線成像的平板探測(cè)器，利用了非晶硒的光電導(dǎo)性，將X線直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，形成全數(shù)字化影像。(天地智慧醫(yī)療)成像原理：X線粒子射入加有高電壓的非晶硒感光層，其中原本定向移動(dòng)的電荷發(fā)生電導(dǎo)率的改變，伴隨著空穴電子對(duì)分布不均勻的形成，感光層內(nèi)就有了不均勻聚集的電荷通過(guò)薄膜晶體管陣列轉(zhuǎn)換為可測(cè)的電信號(hào)，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，成為可直接由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)(天地智慧醫(yī)療)特性：直接光電轉(zhuǎn)換 直接讀出 量子檢測(cè)率（DQE）較高 曝光寬容度大

11、0;后處理功能強(qiáng)大 (天地智慧醫(yī)療)FPD對(duì)環(huán)境，溫度，濕度要求較高，需要較高的偏直電壓，刷新速度慢，仍不能滿足動(dòng)態(tài)攝影。所以不常用。高電壓硒EX-線薄膜晶體管陣列（TFT）存儲(chǔ)電容信號(hào)放大構(gòu)件直接成像X線非晶硒感光層電信號(hào)影像數(shù)字信息探測(cè)器有效探測(cè)面積：35X43cm(天地智慧醫(yī)療)采集矩陣：2560x3072(天地智慧醫(yī)療)像素大?。?39×139m(天地智慧醫(yī)療)采集像素A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)：14bit(天地智慧醫(yī)療)空間分辨率：3.6lp/mm(天地智慧醫(yī)療)2. 非晶硅探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其成像原理:（間接轉(zhuǎn)換）(天地智慧醫(yī)療)分碘化銫（CsI）+非晶硅 和 硫氧化釓GOS+非

12、晶硅(天地智慧醫(yī)療)結(jié)構(gòu)由碘化銫閃爍體層、非晶硅光電二極管陣列、行驅(qū)動(dòng)電路以及圖像信號(hào)讀取電路四部分。與非晶硒平板探測(cè)器的主要區(qū)別在于熒光材料層和探測(cè)元陣列層的不同，其信號(hào)讀出、放大、A/D轉(zhuǎn)換和輸出等部分基本相同。非晶硅平板探測(cè)器，是一種以非晶硅光電二極管陣列為核心的X線影像探測(cè)器。它利用碘化銫（CsI）的特性， 將入射后的X線光子轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光，再由具有光電二極管作用的非晶硅陣列變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)外圍電路檢出及A/D變換，從而獲得數(shù)字化圖像。由于經(jīng)歷了X線、可見(jiàn)光、電荷圖像、數(shù)字圖像的成像過(guò)程，通常被稱作間接轉(zhuǎn)換型平板探測(cè)器。碘化銫針 柱 直 徑6 µm(天地智慧醫(yī)療)(天

13、地智慧醫(yī)療)主要非晶硅平板探測(cè)器參數(shù)說(shuō)明探測(cè)器法國(guó)Trixell Pixium 4600美國(guó)GERevolution美國(guó)VARIANPaxScan4343R DRZ Plus日本佳能CXDI-40G韓國(guó)三星探測(cè)器類型針狀碘化銫+非晶硅4塊拼接碘化銫+非晶硅整版碘化銫+非晶硅整版硫氧化釓+非晶硅整版碘化銫+非晶硅整版影像區(qū)面積43cm×43cm41cm×41cm43cm×43cm43cm×43cm43cm×43cm像素矩陣3K×3K2K×2K3K×3K2688×26883K×3K像素大小143um

14、200um139um160um143um極限空間分辨率3.5LP/mm2.5LP/mm3.6LP/mm3.0LP/mm3.5LP/mmDQE (100%MTF時(shí)）65%74%70%33%65%A/D 轉(zhuǎn)換14bit14bit14bit14bit14bit灰階度14bit14bit14bit12bit14bit圖像預(yù)覽時(shí)間5s5s3s3s5s圖像處理時(shí)間8s8s5s20s15s工作環(huán)境要求溫度18-30溫度10-40溫度10-40溫度10-40溫度10-40是否需要特殊輔助裝置（如水冷設(shè)備）不需要需要不需要不需要不需要探測(cè)器校正周期3-6個(gè)月用戶自定義校正周期（建議每一年校正一次）用戶自定義校正

15、周期（建議每一年校正一次）用戶自定義校正周期（建議每一年校正一次）用戶自定義校正周期（建議每一年校正一次）3CCD探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其成像原理：（間接轉(zhuǎn)換）CCD（Charge Coupled Device）電荷耦合器是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的元件，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，CCD已是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，它是由數(shù)量眾多的光敏單元排列組成面陣，光敏單元可小至50m2以下，空間分辨率很高，幾何失真小，均勻性和一致性好。但CCD對(duì)X射線不敏感，所以需要先將X射線激發(fā)熒光屏產(chǎn)生熒光，經(jīng)增強(qiáng)后成為Video信息，經(jīng)反光鏡反射到CCD鏡頭，被采集并轉(zhuǎn)換為電信息，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。獲得數(shù)字影像(天地智慧醫(yī)療)成像主要原理：

16、是X線在熒光屏上產(chǎn)生的光信號(hào)由由光學(xué)傳導(dǎo)至CCD探測(cè)器接收，隨之將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷并形成數(shù)字X線圖像。(天地智慧醫(yī)療)CCD的特性：光電靈敏度高動(dòng)態(tài)范圍大空間分辨率高(天地智慧醫(yī)療)較小的失真惰性極小高性能，長(zhǎng)壽命(天地智慧醫(yī)療)CCD是半導(dǎo)體器件，理論上具有無(wú)限使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，我國(guó)規(guī)定CCD使用壽命為真空管攝像機(jī)的35倍。它的體積小，重量輕，功率小。所以，現(xiàn)今醫(yī)療領(lǐng)域，大多商家都采用CCD探測(cè)器。(天地智慧醫(yī)療)CCD有兩大特點(diǎn)，一是CCD采用電荷耦合器件作為圖像傳感器，沒(méi)有攝像管，不用電子束掃描；二是CCD輸出的視頻信號(hào)中也有圖像信息、復(fù)位電平和干擾脈沖，它是一個(gè)電壓信號(hào)，而不象攝像管輸出的高阻電流信號(hào)。(天地智慧醫(yī)療)目前國(guó)內(nèi)只要CCDDR探測(cè)器技術(shù)參數(shù)說(shuō)明探測(cè)器KeenrayCCDDR探測(cè)器，深圳藍(lán)韻研制XDS3000探測(cè)器萬(wàn)東研制IDC 4K/3KCCD探測(cè)器IDC研制類型針狀碘化銫+非晶硅硫氧化釓+非晶硅4K：針狀碘化銫+非晶硅3K：硫氧化釓+非晶硅影像尺寸17×1717×