非晶硅平板探測器bate（參考文獻）

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非晶硅X射線平板探測器

非晶硅X射線平板探測器是一種以非晶硅光電二極管陣列為核心的X射線影像探測器。在X射線照射下探測器的閃爍體或熒光體層將X射線光子轉(zhuǎn)換為可見光，而后由具有光電二極管作用的非晶硅陣列變?yōu)閳D像電信號，通過外圍電路檢出及A/D變換，從而獲得數(shù)字化圖像。由于其經(jīng)歷了Ｘ射線－可見光－電荷圖像－數(shù)字圖像的成像過程，尋常也被稱作間接轉(zhuǎn)換型平板探測器。非晶硅平板探測器具有成像速度快，良好的空間及密度分辯率，高信噪比，直接數(shù)字輸出等優(yōu)點。從而被廣泛的應(yīng)用于各種數(shù)字化Ｘ射線成像裝置。本節(jié)將從：非晶硅平板探測器基本結(jié)構(gòu)及成像原理；探測器圖像預(yù)處理；探測器品質(zhì)參數(shù)三個方面對其加以介紹。

1：非晶硅平板探測器基本結(jié)構(gòu)及成像原理

平板探測器

圖1：非晶硅平板探測器結(jié)構(gòu)示意圖

非晶硅平板探測器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由碘化銫閃爍體層，非晶硅光電二極管陣列，行驅(qū)動電路以及圖像信號讀取電路四部分構(gòu)成。

非晶硅平板X射線探測器成像的基本過程為：

a：位于探測器頂層的碘化銫閃爍晶體將入射的X射線圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像，b：位于碘化銫層下的非晶硅光電二極管陣列將可見光圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖像每一像素電荷量的變化與入射X射線的強弱成正比，同時該陣列還將空間上連續(xù)的X射線圖像轉(zhuǎn)換為一定數(shù)量的行和列構(gòu)成的點陣式圖像。點陣的密度決定了圖

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像的空間分辯率

c：在中央時序控制器的統(tǒng)一控制下，居于行方向的行驅(qū)動電路與居于列方向的讀取電路將電荷信號逐行取出，轉(zhuǎn)換為串行脈沖序列并量化為數(shù)字信號。獲取的數(shù)字信號經(jīng)通信接口電路傳送至圖像處理器從而形成X射線數(shù)字圖像

以上為較為典型的非晶硅平板X射線探測器工作過程，實際應(yīng)用中還有其它的探測器形式。如用X射線熒光體取代閃爍體，以非晶硅薄膜晶體管陣列取代二極管陣列來構(gòu)造探測器，但其基本結(jié)構(gòu)及成像過程與上述典型探測器是一致的。

下面將以典型探測器為例詳細介紹構(gòu)成探測器各部分的工作原理，結(jié)構(gòu)特征及其主要的性能參數(shù)同時還將涉及對不同形式的探測器性能對比的內(nèi)容

1．1碘化銫閃爍晶體(CesiumIodidescintillator)

???ù?±??6μm圖2：針狀碘化銫晶體層顯微照片

探測器所采用的閃爍體材料由連續(xù)排列的針狀碘化銫晶體構(gòu)成，針柱的直徑約6微米，外表面由重元素鉈包裹以形成可見光波導(dǎo)減少漫射。出于防潮的需要閃爍體層生長在薄鋁板上，應(yīng)用時鋁板位于X射線的入射方向同時還可起到光波導(dǎo)反射端面的作用。閃爍體層的厚度為500至600微米,尋常將碘化銫晶體的這種針狀結(jié)構(gòu)稱作CsI:T1閃爍體。

1．1．1碘化銫晶體的X射線吸收特性(X-rayabsorption)

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圖3：不同能量X射線的CsI與Se吸收系數(shù)對比

由上圖可見SCIX射線吸收系數(shù)是X射線能量的函數(shù)，隨著X射線能量的增高材料的吸收系數(shù)逐漸降低，材料厚度增加吸收系數(shù)升高；在常規(guī)診斷X射線能量范圍內(nèi)CsI材料具有優(yōu)于Se材料及其他X射線熒光體材料的吸收性能。從理論上講增加材料的厚度可提高材料的吸收系數(shù)，但增加材料的厚度會導(dǎo)致圖像分辯率的降低。圖中給出的厚度為探測器設(shè)計中尋常采用的典型厚度

1．1．2碘化銫晶體的發(fā)射光譜特性(SpectralofCsIlightemission)

圖4：CsI發(fā)射光譜與a-Si光電二極管量子效率譜匹配特性

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由圖4可見CsI發(fā)射光譜與a-Si光電二極管量子效率譜均以波長550nm處出現(xiàn)峰值且具有很好的匹配關(guān)系。

碘化銫晶體以上兩方面特性使得該材料具有良好的X射線電荷轉(zhuǎn)換特性（單個DN5X射線光子可產(chǎn)生800-1000個光電子）

1．1．3結(jié)構(gòu)化碘化銫晶體(CsI：T1)的空間頻率響應(yīng)

圖5：500μM層厚結(jié)構(gòu)化碘化銫晶體CsI：T1與粉末狀增感屏MTF對比

線性系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)尋常采用系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)來（MTF）表示，在系統(tǒng)應(yīng)用的空間頻率范圍內(nèi)MTF值越高則空間頻率特性越好，對于影像系統(tǒng)來說可以獲得更好的圖像對比度，出于提高MTF的需要應(yīng)采用完量薄的X射線轉(zhuǎn)換層；但降低轉(zhuǎn)換層的厚度又會帶來X射線吸收效率的降低。這是在轉(zhuǎn)換材料的選擇和設(shè)計上需要平衡的一對矛盾，因此人們尋常選用稀有重元素的化合物作為制備X射線閃爍體的材料，另一方面人們還從改變晶體結(jié)構(gòu)著手來改善空間頻率響應(yīng)特性。結(jié)構(gòu)化碘化銫晶體CsI：T1正是這一指導(dǎo)思想下提出的一個較好的解決方案。其具體方法是：通過創(chuàng)造適合的條件使CsI：T1材料晶體沿著垂直于基底的方向生長，成為相互獨立的直徑僅為幾微米的柱狀晶體，晶體的長度可達毫米量級，從而形成類光纖結(jié)構(gòu)。入射X射線激發(fā)閃爍晶體產(chǎn)生可見光，其中小于波導(dǎo)全反射角的部分將沿著波導(dǎo)的方向直達探測器表面；大于全反射角的部分將通過在鄰近晶體表面的屢屢反射最終進入全反射角而到達探測器表面。因此與粉末狀閃爍

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體屏相比此種結(jié)構(gòu)對于層厚的依靠大為降低，具有較好的空間頻率響應(yīng)特性。

當(dāng)然，結(jié)構(gòu)化碘化銫晶體CsI：T1的光波導(dǎo)特性并不意味著可以無限制的增加閃爍體的厚度，其它的限制性因素也需要加以考慮,如：視差效應(yīng)（X射線入射角應(yīng)小于由象素大小/轉(zhuǎn)換層厚度決定的角度）等。

1．2非晶硅光電二極管陣列(AmorphousSilicondiodearray)

探測器結(jié)構(gòu)中由非晶硅光電二極管陣列完成可見光圖像向電荷圖像轉(zhuǎn)換的過程，同時還實現(xiàn)了連續(xù)圖像的點陣化采樣。作為探測器的核心其性能特征是決定探測器成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素

1．2．1非晶硅光電二極管陣列基本結(jié)構(gòu)

圖6：非晶硅光電二極管陣列及像素放大照片

典型探測器的陣列結(jié)構(gòu)如圖6所示：由間距為143μm的非晶硅光電二極管按行列矩陣式排列，17’*17’的探測器陣列由3000行乘3000列共900萬個像元構(gòu)成，根據(jù)臨床應(yīng)用要求的不同也可采用不同的像元尺寸以及不同的陣列大小。

圖6右邊的照片為單個像元的放大照片，每一像元由具有光敏性的非晶硅光電二極管及不能感光的開關(guān)二極管，行驅(qū)動線和列讀出線構(gòu)成。位于同一行所有像元的行驅(qū)動線相連，位于同一列所有像元的列讀出線相連，則構(gòu)成了探測器矩陣的總線系統(tǒng)。

1．2．2探測器像元基本結(jié)構(gòu)

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圖7：探測器像元等效電原理圖

每一像元由負極相連的一個光電二極管和一個開關(guān)二極管對構(gòu)成，尋常將這種結(jié)構(gòu)稱作雙二極管結(jié)構(gòu)（2XD）。也有采用光電二極管——晶體管對構(gòu)造探測器像元的結(jié)構(gòu)形式。為了以示區(qū)別尋常將采用前一種結(jié)構(gòu)的探測器陣列稱作TFD陣列而后一種則稱作TFT陣列

1．2．3TFD的電性能及工作原理

雙二極管結(jié)構(gòu)（2XD）大大簡化了陣列的制造工藝同時也具有良好的電性能，開關(guān)二極管SD為20μm*20μm的PIN二極管具有良好的電流開關(guān)特性（44mA/cm*時不大于5nS）因而具有讀出速度快的優(yōu)點，反向漏電流(Leakagecurrent)為10nA/cm*,-4v；NIP光電二極管的反向漏電流為1nA/cm*,-4v；光量子效率為550nm時>80%；感光區(qū)域填充系數(shù)（Fill-factors）（感光區(qū)域面積占像元總面積的百分比）為70%；光電二極管結(jié)電容及分布電容約為1.9pF。以上的電性能參數(shù)說明TFD陣列具有較高的光量子效率及讀出效率滿足大規(guī)模圖像陣列的需要。

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圖8：TFD陣列等效電原理及工作時序

雙二極管結(jié)構(gòu)（2XD）工作基本流程如下：

a：在像素讀出期間被選中的行驅(qū)動線產(chǎn)生一個相對與列電位的負脈沖（VP2），這時開關(guān)二極管SD導(dǎo)通將光電二極管電容充電

b：行驅(qū)動脈沖終止后則兩只二極管均處于反偏狀態(tài)，電容將維持在充電狀態(tài)c：當(dāng)有X射線照射時，其產(chǎn)生的光電荷將電容放電

d：下一次行驅(qū)動脈沖（下一個VP2）到來時將再次對光電二極管電容沖電。充電電荷的數(shù)量與光電荷的數(shù)量相對應(yīng)

探測器通過檢出每一像元的充電電荷量而獲取圖像信息

由于光電二極管電容不可能被完全充電的機制會導(dǎo)致惰性和弱信號時線性變差，因此在實際的探測器工作時序中增加了預(yù)置脈沖（presetpulse）VP1和背景可見光復(fù)位(opticalreset)過程，以改善探測器性能。

1．3探測器外圍電路

探測器的外圍電路由：時序控制器，行驅(qū)動電路，讀出電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，通信及控制電路組成。在時序控制器的統(tǒng)一指揮下行驅(qū)動將像元的電荷逐行檢出，讀出電路由專用低功耗CMOS模擬集成電路構(gòu)成，該芯片集成了120路讀出放大器及120對1多路開關(guān)，將并行的列脈沖信號轉(zhuǎn)換為串行脈沖信號。一個具有3000

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列的圖像矩陣需要25個讀出單元，而這些單元均采用柔性電路布置于探測器板上并通過導(dǎo)電膜與后面的主電路板相連。主電路板上包含的A/D轉(zhuǎn)換電路將脈沖信號轉(zhuǎn)換為14BIT數(shù)字信號，并通過數(shù)字接口發(fā)送到圖像處理器。

1．4探測器系統(tǒng)接口

a：圖像數(shù)據(jù)光纖接口：圖像數(shù)據(jù)被編碼為160Mbits/S串行數(shù)據(jù)流通過光電轉(zhuǎn)換器發(fā)送給數(shù)據(jù)光纖。900萬像素圖像矩陣的讀出時間為1.2秒，圖像采集循環(huán)的典型時間間隔為5秒

b：雙向通訊接口：波特率為9600的RS-232C通訊接口用于控制及狀態(tài)信息的傳輸

c：5VDC，24VDC探測器工作電源

3：探測器性能參數(shù)(DetectorPerformances)

3．1調(diào)制傳遞函數(shù)MTF(Modulationtransferfunction)

MTF為探測器對比度空間頻率轉(zhuǎn)移函數(shù),尋常用來表示探測器對于圖像細節(jié)的分辯能力

圖：非晶硅探測器MTF

3．2噪聲功率譜(Noisespectrum)

對于平板探測器圖像系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的噪聲水平是影響最終成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此對探測器噪聲及其相關(guān)因素的分析和控制，亦成為探測器設(shè)計及質(zhì)量評價的重要指標(biāo)。

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平板探測器的噪聲主要來源于兩個方面：a：探測器電子學(xué)噪聲b：X射線圖像量子噪聲

在普通X射線攝影條件下，電子學(xué)噪聲要遠小于量子噪聲。在RQA5測試標(biāo)準(zhǔn)下一個大小為150μm的像素尋?？梢晕?400個X光子，此時量子噪聲約為37個X光子，而讀出噪聲則僅相當(dāng)于3—5個X光子。

3．3量子檢測效率DQE（DETECTIVEQUANTUMEFFICIENCY）

探測器的ＤＱＥ被定義為輸出信噪比的平方與輸入信噪比的平方之比尋常用百分?jǐn)?shù)來表示。用以表征探測器對于圖像信噪比的傳遞性能

圖：CsIDQE示意圖

3．4探測器的其它品質(zhì)因素

3．4．1靈敏度（Sensitivity）

非晶硅探測器的靈敏度由四個方面的因素決定：X射線吸收率，X射線－可見光轉(zhuǎn)換系數(shù)，填充系數(shù)和光電二極管可見光－電子轉(zhuǎn)換系數(shù)。尋常用X射線靈敏度S表示。

如可標(biāo)注某探測器X射線靈敏度S為：S～1000e-/nGy/pelDN-5Beam

表示該探測器在標(biāo)準(zhǔn)DN-5X射線下每nGy在單個像素上產(chǎn)生的電荷數(shù)為1000個。由于X射線靈敏度S與線質(zhì)有關(guān)尋常同時給出線質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如：DN-5Beam3．4．2線性(Linearity)

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探測器的線性尋常用以下幾個參數(shù)來表示

最大的線性劑量(X-raymaximumlineardose@DN5)：表示探測器可達到線性度要求的劑量范圍上限（與線質(zhì)有關(guān)DN5）

非線性度(Non-linearity)：用百分比來表示在０－Ｄmax最大的線性劑量之間輸出的非線性程度，尋常包含微分非線性度（Linearity-differential-FT），積分非線性度(Linearity-integral-FT），空間非線性度(Linearity-spatial-FT）三個參數(shù)

3．4．3記憶效應(yīng)(memoryeffect)

表示圖像殘留的參數(shù)，尋常用兩個參量來表示殘留因子的變化

一次曝光20S后探測器短期記憶效應(yīng)(Short-termmemoryeffect20s)如：0.1%一次曝光60S后探測器短期記憶效應(yīng)(Short-termmemoryeffect60s)如：0.02%需要注意的是此處的數(shù)值是在正常曝光條件下，如出現(xiàn)過曝光情形則大于此數(shù)值

3．4．4探測器圖像獲取時間

由探測器預(yù)備時間，曝光等待時間，曝光窗口，圖像讀出時間四部分構(gòu)成。對于非晶硅探測器典型值為2.8S左右

實際的應(yīng)用中由