平板探测器的原理及应用

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–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（AmorphousSelenium，a-Se）•间接能量转换形–非晶态硅（AmorphousSelenium，a-Si+碘化铯(CsI)/硫氧化钆(gá)(GdOS/Gd2O2S)–CCD2012-02直接型-非晶态硒典型结构：①非晶硒层（a-Se）光电导材料②薄膜半导体阵列（ThinFilmTransistorarray，TFT）•尺寸数十厘米2012-02非晶硒型成像原理•向非晶硒层加正向偏置电压（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DirectRay产品指标成像范围35cmx43cm像素数量3560x3072像素尺寸139μm空间分辨率3.6Lp/mm成像时间5-7s曝光周期30s像素深度14bitSonialvisionSnfire指标成像范围43cmx43cm像素数量2880x2880像素尺寸150μm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①闪烁体或荧光体层+②非晶硅层（a-Si）（具有光电二极管作用）+③TFT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：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：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6-7μm厚度为500-600μm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（500μm到700μm）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①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。②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2012-02CCD探测器•反射式2012-02CCD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2012-02CCD探测器工作原理•①采用闪烁体将X线能量转换为可见荧光•②采用反射/透镜/光纤进行缩小并传入CCD•③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•④读取电荷信号，经放大、A/D等处理后生成数字信号2012-02CCD型和CMOS型•CCD•CMOS–没有电荷转移功能，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---DetectiveQuantumEfficiency量子探测效率•SR---SpatialResolution空间分辨率•MTF---ModulationTransferFunction调制传递函数•S/N---SignaltoNoiseratio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=NSNSininoutout222012-02量子探测效率-DQE其中G是探测器的增益，Φ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MTF2012-02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500μm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：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150μm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3—5个X光子2012-02其他参数•记忆效应(memoryeffect)–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-termmemoryeffect20s)如：0.1%•一次曝光60S后记忆效应(Short-termmemoryeffect60s)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•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-raymaximumlineardose)：–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０－Ｄmax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5～6S2012-02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（Detectortemperaturecoefficient)•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！