平板式探測器和常規(guī)X射線數(shù)字化成像未來

1、12002年第2期收稿日期2002-02-05本文作者郭長運高級工程師(正高級 , 本刊編委。1緒言人類正在進入數(shù)字化時代, 數(shù)字化浪潮一浪高過一浪。歷史悠久、應(yīng)用廣泛的常規(guī)X 射線成像技術(shù), 近年來也加快了向數(shù)字化進軍的步伐。應(yīng)運而生的F PD 是全數(shù)字化X 射線成像技術(shù)革命中又一關(guān)鍵性成就和進展。有人稱這是繼圖像增強器(I IT 問世二十幾年來常規(guī)X 射線成像技術(shù)最大的一次革命。數(shù)字化, 就是將信息轉(zhuǎn)換成計算機系統(tǒng)能處理的由基本信息單位“0”“1”組成的信號形式。F PD 投入市場以前, 已有數(shù)種不同探測器的常規(guī)X 射線數(shù)字化成像系統(tǒng)。如D R 領(lǐng)域中的膠片掃描儀系統(tǒng)、CR 系統(tǒng)、多絲正比

2、室X 射線掃描系統(tǒng)2和閃爍體CCD系統(tǒng)3等、D F 領(lǐng)域中有數(shù)字化機制的I IT 系統(tǒng)等。新研發(fā)的F PD 別樹一幟。該直接輸出數(shù)字圖像信號的探測器呈數(shù)厘米厚平板狀。有a Si F PD 和a Se F PD 兩類。前者由閃爍體、薄膜a Si 光電二極管陣列和a Si T F T (也少有用開關(guān)二極管 陣列構(gòu)成。X 射線穿過反射層到達閃爍體后, 激發(fā)出可見光子并傳遞到下層的光電二極管, 轉(zhuǎn)換為電信號, 結(jié)電容暫存電荷。將電脈沖(約13V 加到T F T 門極, T F T 導(dǎo)通, 便把該存儲于漏極的電荷于源極讀出至數(shù)據(jù)(讀出 線, 后被數(shù)據(jù)讀出放大器(電荷放大器 放大、處理并進而去A /D 變

3、換形成對應(yīng)像素的數(shù)字化圖像信號。見圖1。閃爍體為:一般厚約300m 、各向平板式探測器和常規(guī)X 射線數(shù)字化成像未來郭長運(中國康復(fù)研究中心北京100077摘要本文綜合論述、分析和討論了平板檢測器(F PD 主要組成部分和整體檢測器工作機理、優(yōu)良特性和現(xiàn)有水平。將用于數(shù)字化X 射線攝影(D R 的F PD 和傳統(tǒng)射線攝影用膠片增感屏系統(tǒng)(簡稱屏片系統(tǒng) 進行了比較。F PD D R 系統(tǒng)代表著數(shù)字攝影系統(tǒng)優(yōu)點且較其它系統(tǒng)具有優(yōu)勢。將用于數(shù)字化X (D F F PD -攝像器件系統(tǒng)(簡稱I I T 系統(tǒng) 進行了對比, 也簡述了F PD D R 和D F 。X 射線成像系統(tǒng)是和F PD 技術(shù)聯(lián)系在一起

4、的。關(guān)鍵詞非晶硅(a Si F PD ; (:T l Se ; ; (T F T ; 數(shù)據(jù)讀出放大器; D R ;D F ;X 射線敏感度; ; M T (E ; 曝光劑量文章編號1007-7510(2002 02-0001-08Flat Panel Detector an d the Future of the Conventional X -ra y D igital Ima gingGU O Chang -yun(China Rehabilit at io n Research Cent er ,Beijig 100077,China Abstract :T he w o r king

5、m echanism ,dist ingushing charact erist ics and t he cur rent st at e of m ain p art s and t he hole bo dy of t he f lat p anel det ecto r (F PD are comp rehen sively expo unded ,analyzed and discussed in t his p ap er. A comp ariso n betw een F PD in digit al X -ray radiograp hy (D R and f ilm -sc

6、reen in t randit io nal X -ray radiograp h is m ade ,so is t he comp ariso n betw een F PD in digit al X -ray f luo ro scop y (D F and t he im age int en sif ier -cam era sy st em(I I T sy st em fo r sho rt int randit io nal X -ray f luo ro scop y. T he f act t hat t he F PD D R rep resent s t he ad

7、vant ages of D R sy st em s and is sup erio r to ot her D R is m ent io ned. Also som e F PD D R and D F p ro duct s and t heir applicat io n are brief ly described. From t he ana 2lyzat io n t he p ap er believes t hat t he f ut ure of t he co nvent io nal X -ray im aging sy st em is clo sely relat

8、 ed to t he F PD t ech nology.Key words :amo rp ho us silico n (a -Si F PD ;amo rp ho us selenium (a -Se F PD ;CsI :T 1,a -Se layer ; P IN p hoto dio de ;t hin -f ilm -t ran sisto r (T F T ;dat a reado ut amplif ier ;D R ;D F ;X -ray sen sit ivit y ;elect ro nic noise ;mo dulat io n t ran sf er f un

9、ct io n (M T F ;det ect ive quant um eff iciency (DQ E 22002年第2期同性的 Gd 2O 2S :T b “非結(jié)構(gòu)性”閃爍體板或一般厚約500m 、在光電二極管上生長、制造成細針(或柱 狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CsI :T l “結(jié)構(gòu)性”閃爍體板(T b 和T l 的作用是改變閃爍體被激發(fā)光波長 。后者由光電導(dǎo)材料a Se 和a Si T F T 陣列構(gòu)成。陣列板每一單元包含一個存儲電容和a Si T F T 。工作時,a Se 光電導(dǎo)層兩面的電極板間加有數(shù)千伏或更高電壓, 光電導(dǎo)層吸收照射的X 射線光量子, 激發(fā)出電子和空穴對(ehp , 并在所

10、加電場下運動至相應(yīng)電極。到達像素電極的電荷, 給存儲電容充電, 產(chǎn)生相應(yīng)電荷變化。同上理, 信號電荷通過T F T 輸出, 經(jīng)放大、處理、變換, 形成對應(yīng)像素的數(shù)字化圖像信號。見圖2。在F PD 三極, 每一T F T , T F T 的多 , 一行的所有列, , 讀出所有行。全部單元的信, 所有信息被處理為一幅完整的數(shù)字化圖象。1975年a Si 薄膜中摻雜成功, 為a Si 、a Se 等非晶半導(dǎo)體開辟了道路。a Si 和a Se 薄膜有優(yōu)良電學(xué)性能, 對襯底結(jié)構(gòu)無特殊要求, 且用薄膜工藝代替單晶生長和切割, 制備工藝簡單, 成本低, 易于實現(xiàn)大面積化, 照射野很容易做到很大(如胸片攝影的

11、14英寸×17英寸等, 1in (英寸 =2. 54cm 。為F PD 開發(fā)并成為璀璨的明星提供了不可多得的好條件。2F PD 主要部分特性、D R 用途F PD 性能及和屏一片的比較a Se 和CsI :Tl 、Gd 2O 2S :Tb 晶體都是穩(wěn)定的優(yōu)良絕緣體。它們的帶隙能量均大于2eV , 有利于遏制熱載流子及其噪聲的產(chǎn)生。Cs 、Gd 等原子序數(shù)和密度都較高, 截取X 射線能量效率高。特別是CsI 的K 邊緣在33kV 左右, 剛好低于一般射線攝影有用能段。圖34示出幾種材料對X 射線的吸收曲線(未示出K 邊緣 。不難看出, 在一般射線成像能段, CsI 的高射線吸收率、Gd

12、 2O 2S (GO S 和a Se 的較高吸收率。圖3幾種材料對X 射線的吸收曲線圖1a Si F PD 垂直方向截面圖(a 及二維像素分布圖(b 圖2a Se F PD 垂直方向截面圖(a 及二維像素分布圖(b 32002年第2期 被吸收的X 射線光子在CsI :T l 晶體中以45個可見光光子/kV 能量的高轉(zhuǎn)換率被轉(zhuǎn)換為可見光光子5(Gd 2O 2S :T b 的轉(zhuǎn)換率約為CsI :T l 的1/3 。加有光反射層, CsI :T l 可將被射線激發(fā)產(chǎn)生的可見光信號的50%以上傳輸?shù)焦怆姸O管接收面。兩種晶體中產(chǎn)生的可見光波長均在550nm 附近, 十分接近a Si 光電二極管的最佳響

13、應(yīng)波長(560nm 左右 。a Si 光電二極管采用P IN 型(見圖1 , 結(jié)電容小、響應(yīng)速度快、探測效率高。它高效地將可見光信號轉(zhuǎn)換為電荷信號, 峰值響應(yīng)有的可高達約90%6。峰值靈敏度可達0. 60. 7A /W 1。CsI :Tl/a Si F PD 上述組成部分性能, 充系數(shù)(像素光敏感區(qū)面積/, 該F PD 的X 即X 7(17英寸×17英寸143m 、填充系數(shù)0. 68 , 每一入射DN 5X 射線光子, 可轉(zhuǎn)換成其像素內(nèi)1000e 。T F T 為M O SF ET , 門極關(guān)斷電壓-6V 。關(guān)斷時漏極源極電阻在106M 以上, 源極-門極電阻也十分之大, 所引起的漏

14、電流及其散粒噪聲可忽略6。T F T 關(guān)斷時呈現(xiàn)的電阻熱噪聲, 由于電阻很大, 從而和數(shù)據(jù)讀出放大器前輸入電容一起的時間常數(shù)大, 噪聲高頻部分已被大幅衰減; 其低頻部分及T F T 的1/f 低頻噪聲, 則因數(shù)據(jù)讀出放大器后面級系A(chǔ) C 級連、呈低(頻 阻高(頻 通性質(zhì), 幾被放大器所濾除。更常在T F T 開通前后對數(shù)據(jù)讀出線電壓施以“復(fù)合相關(guān)雙采樣”, 進一步消除1/f 噪聲及其它低頻噪聲影響6。P IN 型a Si 光電二極管自身分流電阻很大。F PD 中該管典型工作偏壓僅-3. 2V 左右。它具有十分理想的暗電流特性。加之T F T 關(guān)閉時高阻性, 某40cm ×30cm 面

15、積、127m 、0. 57填充系數(shù)的a Si F PD , , 每個像素的fA 8。a ehp , 保證電子、空穴到達各自極, 并可提高X 射線光子ehp 的轉(zhuǎn)換效率。一般加有電壓10V /m , 這時在60kV X 射線光子照射下, 轉(zhuǎn)換成ehp 所需能量約42eV /ehp 11。X 射線光子每kV 能量可以激發(fā)出20多個ehp , 流向像素電極的電荷可以100%地收集到信號電容中。這樣, 在a Se 較高X 射線吸收率和高填充系數(shù)(像素電極面積/像素面積 基礎(chǔ)上, a Se F PD 有著相當(dāng)不錯的X 射線敏感度。如在層厚1000m 、場強10V /m 時,射線源管壓80kV 、射線有2

16、0m m Al 濾過情況下, 測得射線敏感度高達3400p C/m R cm 291R =2. 58×10-4C/kg 。同時,a Se 的1015-cm 高電阻率保證了即使在高場強下暗電流也很小:1000m 厚a Se 在10V /m 下, 暗電流僅50pA /cm 29, 如此小暗電流保證了暗電流散粒噪聲很小。F PD 的M T F 主要由閃爍體或a Se 轉(zhuǎn)換層M T F (M T Fa 及轉(zhuǎn)換成的可見光或電荷信號讀出結(jié)構(gòu)(即取樣像素孔徑 M T F (M T F s 特性確定。結(jié)構(gòu)性CsI :T l 層由1020m 微細柱體組成, 能有效控制光信號內(nèi)部散射, 空間鑒別率可達1

17、0lp /m m 。結(jié)合小像素間距, a Si F PD 得到相當(dāng)不錯的空間鑒別率。a Se 層中, 信號電荷是在電場作用下移向收集點的, 之前不會有散開, 可謂是“電場控制”空間鑒別率, 因此可以做到十分優(yōu)良。a Se F PD 的空間頻率特性實際上主要由M T F s 決定。采用小象素間距, 空間鑒別率可以做到相當(dāng)高。兩類F PD 的M T F 曲線示于圖4, 其中上圖為上例7D R 用途F PD 在DN -5條件下測得。下圖為D R 用途Direct Ray a Se F PD aSe厚500m 、場強10V /m 、像素矩陣2560×3072、像圖4F PD M T F 曲線

18、(上圖:aSi , 下圖:aSe 42002年第2期素間距 139 m 、填充系數(shù)0. 86在75kV p 下測得的頻率特性1416。除了像素區(qū)域, F PD 還有著精密的低噪聲周邊電子電路, 如數(shù)據(jù)讀出電路、空間定位電路等。像素所固有的KT C 噪聲N s =2k T Cp (k :波爾茨曼常數(shù),T :絕對溫度,Cp :像素電容 及數(shù)據(jù)讀出電路(放大器、數(shù)據(jù)讀出線等 噪聲N A 構(gòu)成上述部分“電子噪聲”主體。一般Cp 為12p F 左右。并不過多減小Cp 來求極小N s , 以保大的電荷存儲能力。另方面, 為減小N A 做更大努力。讀出電路中采樣保持電路限定了噪聲帶寬上限。通過優(yōu)化數(shù)據(jù)讀出放

19、大器設(shè)計、降低數(shù)據(jù)線電容、優(yōu)化讀數(shù)時序安排、采用降噪技術(shù)等, 上例8a Si F PD 在數(shù)據(jù)線電容為100p F 時, 素總體電子噪音<2000e 。PD , 試驗指出:NA , 12, 攝影劑量相對較大, 。如:對某500m 厚CsI :T l +a Si F PD 按DN 5條件X 射線攝影, 在標準劑量250R 下, 150m 大小像素一般吸收1400個X 射線光子, 這時生成的量子噪聲為37個X 線光子, 而整體讀出噪聲不過(等效 35個X 射線光子13。另, 每m m 內(nèi)有限數(shù)目像素對a Se 不足衰減的N yquist 頻率以上量子噪聲采樣、由混迭效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲, a Si

20、 F PD 的Sw ank f acto r 噪聲, 對系統(tǒng)特性小有影響4。F PD 處理機使用標定、校正軟件進行暗電流、增益不均勻性、行相關(guān)噪聲、壞像素(壞像素剔除及通過鄰近像素進行插值 等多種校正, 是提高和優(yōu)化圖像質(zhì)量的又一保障措施(含對系統(tǒng)噪聲、圖像偽影的消除 。F PD 各環(huán)節(jié)低噪聲特性從而整體的低噪聲特性、像素電容大存儲能力(如某200m 尺寸像素存儲信號電容Cp =2. 4p F , 可存儲48M e 、12或14比特的信號A /D 變換能力(4096或16384灰階 、F PD 有關(guān)部分高射線吸收率、高信號轉(zhuǎn)換率和傳輸能力從而整體高射線敏感度特性、有效的增益校正和暗電流校正等,

21、 造就了D R 系統(tǒng)高動態(tài)范圍(2000:1,4000:1或更高 、優(yōu)良低密度分辨特性、低成像劑量等品質(zhì)。圖5示出了例14a Se F PD 在75kV p X 射線照射、1. 5m m Cu 濾過情況下攝影測得的低密度鑒別率特性:表征低對比度分辨能力的檢測指數(shù)(1/閾值對比度×低對比度細節(jié)面積 和低對比度細節(jié)面積關(guān)。, F , 100R 5, 仍可得到S/N =40db 的優(yōu)良圖像。很小暗電流(并有效校正 、低噪聲、主要有關(guān)部件(如數(shù)據(jù)讀出放大器、a Si 系統(tǒng)中光電二極管1等 優(yōu)良直線性、必要時采取直線性標定和校正等, 保證了D R 用途F PD 在動態(tài)范圍內(nèi)的優(yōu)良直線性。圖5圖

22、6a Si (a 和a Se (b F PD DQ E 曲線52002年第2期系統(tǒng)DQ E 綜合反映和評價了一個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率、噪聲特性、M T F 特性等。F PD 在這些方面的優(yōu)良品質(zhì), 集中表現(xiàn)在出色的DQ E 數(shù)值上。圖6分別示出某a SiF PD 10(有效成像尺寸20. 5cm ×20. 5cm 、1K 2像素矩陣、200m 像素間距 D R 用途時在500R 劑量下的DQ E 曲線及例14a Se F PD 的DQ E 的曲線4。D R 用途F PD 大量像素中存儲的圖像數(shù)據(jù), 在很短時間內(nèi)被高速讀出。如例8F PD 2304×3200像素矩陣中數(shù)據(jù)在3. 2

23、秒左右讀出到數(shù)據(jù)讀出線, 例14F PD 2560×3072數(shù)據(jù)在4秒內(nèi)讀出。從而整個攝影周期可以做到很短, 前者5秒17, 后者7秒16。上述F PD 性能, 和屏片系統(tǒng)成明顯對比片X 射線攝影, DQ E 0. a 中在類似F 片DQ E , 100:1, 直線性也相對較差, 屏片高質(zhì)量成像劑量約1m R , 速度200的約需0. 6m R 。人眼觀測膠片不足20灰階。屏片成像空間鑒別率可達38lp /m m , 但在有診斷價值的空間頻率范圍(0. 53lp /m m 內(nèi), a SeF PD 的M T F 曲線遠優(yōu)于它(見圖4下 。屏片低對比度鑒別率也明顯劣于F PD , 如圖5

24、中在相同F(xiàn) PD 條件下測得的屏片(U V 快速U V G 的H T 細節(jié)面積曲線所示。此外, 屏片攝影周期要長約數(shù)分鐘。綜上, 說明了F PD 圖象質(zhì)量等主要指標均已達到或超過屏片系統(tǒng)。美GE 公司稱, 其a Si F PD 較屏片節(jié)省劑量60%以上, 低對比度結(jié)構(gòu)觀察能力提高45%, 動態(tài)范圍提高10倍以上19。美Hologic 公司也稱, 其DirecRay a Se F PD , 曝光因子同于速度為400的屏片系統(tǒng), 空間鑒別率卻等同速度為100的屏片系統(tǒng), 低對比度鑒別率優(yōu)于速度為200的屏片系統(tǒng)(同等輸入劑量下 16。F PD D R 系統(tǒng), 不僅代表了膠片外各高性能探測器X 射線

25、數(shù)字成像的諸多優(yōu)點-量子效率高、受檢查者吃線少, 系統(tǒng)動態(tài)范圍大、攝影條件寬容度大, 探測器特性曲線線性好、能如實反映人體密度結(jié)構(gòu), 圖像密度分辨率高、診斷信息量豐富及X 射線數(shù)字圖像系統(tǒng)一般優(yōu)點-可方便進行多種圖像處理、分析測量、最優(yōu)顯示、成像功能擴展、無膠片保存, 能和多種診斷手段所得圖像互參互補甚至合并處理, 可通過數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)部門間或異地間數(shù)字圖像傳輸?shù)? 而且具有其它系統(tǒng)難以匹敵的優(yōu)勢。膠片一掃描儀系統(tǒng)只是特殊情況下權(quán)宜之計,CR 系統(tǒng)綜合性能較F PD 系統(tǒng)為差, 多絲正比室X 射線掃描系統(tǒng)的分辨率較F PD 系統(tǒng)要低、掃描時間過長, 閃爍體CCD 系統(tǒng)中CCD 尺寸較小(一般25平方厘米 , 如果成像野要求大, 則縮微裝置縮微系數(shù)大, 會造成系統(tǒng)DQ E 下降太多, 如采用幾個CCD 組成陣列, 則單幅圖像傳送時間又嫌太長。F PD 系統(tǒng)無上顧此失彼之虞。已有一些公司生產(chǎn)F PD D R 系統(tǒng), 并帶來一