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关于DR探测器技术

文字:[大][中][小] 发布时间:2017-6-13  浏览次数:1060

                                                                 关于DR探测器技术

对于数字化X射线摄影 ( DR ) 技术来讲,决定其图像质量不仅仅是平板所采用的技术类型,同时还有平板的 DQE 和MTF、采集矩阵、采集灰阶、空间分辨率、最小像素尺寸等重要因素构成。  探测量子效率DQE ( Detective Quantum Efficiency ) 是输入信号转导成输出信号的效率,高探测量子效率是潜在剂量降低的基础。数字平板探测板都具有的特性是相对于屏-片X线摄影都有较高的 DQE ,目前很多公司公布的 DQE 过于集中在低端、低空间分辨率时的 DQE 。在低空间分辨率时,非晶硒的DQE比非晶硅的低,但随着空间分辨率的增加,非晶硒 DQE 实际上大于非晶硅,虽然它仍然是减小的,但是减小的不快,所以非晶硒在检测细节方面的能力较强。  平板探测器的采集灰阶基本上都是 14 Bit 、16,384 灰阶,只有 Canon 等少数公司的探测板为原始图像为 12 Bit 、4,096 灰阶, A/D 转换为14Bit。在相同的图像尺寸时,采集矩阵越大,像素尺寸越小,图像分辨率越高,细小组织结构才能更好显示。目前,非晶硒14×17寸大面积探测器最小达到139 um2 ( 新医科技, Hologic ),非晶硅 17 寸大面积探测板最小为 143 um2 ( Trixell )。(一) 间接能量转换  平板探测器的结构由闪烁体或荧光体层涂上有光电二极管作用的非晶硅层 (amorphous Silicon,a-Si) 再加TFT (Thin Film Transistor) 阵列或 CCD (Charge Coupling Device) 、或CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-Conductor) 构成。间接数字化平板探测器亦分两步完成工作:第一步,X射线经过闪烁晶体(碘化铯或磷)产生可见光;第二步,可见光经光电转换由TFT D转变为电荷。由于需产生可见光进行转换,有可见光必然会有光的散射,必然会造成图像质量的下降,由于工艺的改进,新一代闪烁晶体材料制作成“松针”状种植在非晶硅上,虽然比传统整块闪烁体材料产生的散射要少一些,但根本性质没有改变,仍需产生可见光进行转换,有可见光必然会有光的散射,必然会造成图像质量的下降。  1、碘化铯 ( CsI ) + a-Si + TFT :当有 X 射线入射到 CsI 闪烁发光晶体层时,X 射线光子能量转化为可见光光子发射,可见光激发光电二极管产生电流, 这电流就在光电二极管自身的电容上积分形成储存电荷. 每个象素的储存电荷量和与之对应范围内的入射 X 射线光子能量与数量成正比。发展此类技术的有法国 Trixell 公司解像度 143um2 探测器 ( SIEMENS、Philips、汤姆逊合资 ) 、美国 GE 解像度 200um2 探测器 ( 收购的 EG & G 公司 ) 等。其原理见右图。Trixell公司(目前有西门子、飞利浦、万东、上医厂、长青、泛太平洋等厂家使用,成本约9.5万美金)用的是Csl柱状晶体结构的闪烁体涂层,此种结构可以减少可见光的闪射,但由于工艺复杂难以生成大面积平板,所以采用四块小板拼接成17″×17″大块平板,拼接处图像由软件弥补。 GE、佳能(佳能、东芝、岛津使用)的平板是使用Csl或Gd2O2S:Tb涂层,因不是柱状晶体结构,所以能量损失较Trixell 严重。

2、硫氧化钆 ( Gd2O2S ) + a-Si + TFT :利用増感屏材料硫氧化钆 ( Gd2O2S ) 来完成 X 射线光子至可见光的转换过程。发展此类技术的公司有美国瓦里安公司、日本 Canon 公司解像度 160um2 探测器等。 此类材料制造的 TFT 平板探测器成像快速、成本较低,但一般灰阶动态范围较低(12 bit 以下),与其它高阶14 bit产品图像诊断质量相比较为不足。

3、碘化铯 ( CsI ) / 硫氧化钆 ( Gd2O2S ) + 透镜 / 光导纤维 + CCD / CMOS :X射线先通过闪烁体或荧光体构成的可见光转换屏,将X射线光子变为可见光图像,而后通过透镜或光导纤维将可见光图像送至光学系统,由CCD采集转换为图像电信号。发展此技术的ssRay、Wuestec、新医科技等公司。其原理可见右图。新医科技的CCD DR为2K×2K,12Bit图像输出,无论在图像上还是在价格上均是取代CR的最佳产品。

4、CsI ( Gd2O2S ) + CMOS :此类技术受制于间接能量转换空间分辨率较差的缺点,虽利用大量低解像度 CMOS 探头组成大面积矩阵,尚无法有效与 TFT 平板优势竞争。发展此类技术的公司有CaresBuilt、Tradix公司等。(二) 直接能量转换  直接能量转换 TFT 平板 DDR ( Direct Digital ) 探测器的结构主要由非晶硒层 ( Amorphous Selenium,a-Se ) 加薄膜半导体阵列 ( Thin Film Transistor array,TFT ) 构成。入射的 X 射线光子在硒层中产生电子空穴对,在外加偏压电场作用下,电子和空穴对向相反的方向移动形成电流,电流在薄膜晶体管中积分成为储存电荷。每一个晶体管的储存电荷量对应于入射的 X 射线光子的能量与数量。材料非晶硒的是不产生可见光,而只是电子的传导,没有散、折射线产生的能量损失。  早期的非晶硒平板存在的缺陷包括温度适应性差以及成像速度慢。发展此类技术的公司有收购了 DRC 公司的 Hologic 公司和和台湾新医科技。目前在国内我们最熟悉的平板为美国公司Hologic( Hologic、柯达、珠海友通、沈阳东软、北京东健等公司使用 )生产非晶硒平板,由于直接能量转换图像质量极佳,深受医生的喜爱。但由于 Hologic 目前平板对温度等环境要求较为严苛稳定性不够好,容易被冻坏出现坏点(据说国内已有用户平板出现坏点),成像时间慢需10 秒以上(由于使用的Readout电子电路设计老式,数据读出慢)。新医科技 , 联同众多技术创新合作伙伴,在DDR技术领域的主要突破推出新一代非晶硒探测板在技术上取得重大进展,改变早期非晶硒探测板对温度环境敏感和成像速度慢的缺点,实现工作环境温度 5℃ - 40℃ 和快速 3 - 5 秒成像,同时也成功开发出世界唯一直接能量转换便携式 ( Portable DDR ) ,可搭配床边机,实现了以前 DR 无法做到的灵活性及床边摄片的需求。同时新医科技在Detector Housing 内置独家专利“反馈热控制”设计的新型感测盒能抵御严苛的温度环境变化(-10℃ - 50℃), 保护探测板稳定性和寿命,保证图像质量。  专业普放升级方案提供科室以有限的资金条件,对现有设备进行量身定做 DDR升级。线扫描技术  1、由于采用狭缝式线扫描技术和高灵敏度的线阵探测器。球管发出的平面扇形 X 射线束穿过人体到达探测器,得到一行信号数据,在扫描机构的帮助下,球管和探测器平行自上而下匀速移动,逐行扫 描,将一行行的数据经过计算机处理、重建后就得到一幅平面数字图像。采用此类技术的有我国的中兴航天公司。  2、采用条状 CCD 结构的探测器技术,由将 X 光子转换为可见光的闪烁体和四片 CCD 构成,利用线扫描方式完成数据收集。发展此类技术的有 Fisher 公司。  对于线性扫描技术来讲普遍存在的缺点是曝光时间过长,像素矩阵、空间分辨率等指标都不高等,已趋向于淘汰。