平板DR探测器结构及其成像原理(天地智慧)

平板DR探测器原理(天地智慧医疗) 从 1995年RSNA上推出第一台平板探测器（Flat Panel Detector）设备以来，随着近年平板探测技术取得飞跃性的发展，在平板探测器的研发和生产过程中，平板探测技术可分(天地智慧医疗)为直接和间接两类。 （一）间接能量转换(天地智慧医疗) 间接FPD的结构主要是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非晶硅层(amorphous Silicon，a-Si)再加TFT阵列构成。其原理为闪烁体或荧光体层经X射线曝光后，将X射线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号，最后获得数字图像。在间接FPD的图像采集中，由于有转换为可见光的过程，因此会有光的散射问，从而导致图像的空间分辨率极对比度解析能力的降低。换闪烁体目前主要有碘化铯(CsI，也用于影像增强器)，荧光体则有硫氧化钆(GdSO，也用于增感屏)，采用CsI+a-Si+TFT结构的有Trixell、瓦里安和GE公司等，而采用GdSO+a-Si+TFT有Canon等。 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、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。(天地智慧医疗) 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 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IDC、深圳蓝韵、北京万东、深圳安健等公司。深圳蓝韵的KeenRayCCD DR探测器的像素为4K×4K，16Bit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。(天地智慧医疗) 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(天地智慧医疗) 直接FPD的结构主要是由非晶硒层(amorphous Selemium，a-Se)加薄膜半导体阵列(Thin Film Transistor array，TFT)构成的平板检测器。由于非晶硒是一种光电导材料，因此经X射线曝光后直接形成电子-空穴对，产生电信号，通过TFT检测阵列，再经A/D转换获得数字化图像。从根本上避免了间接转换方式中可见光的散射导致的图像分辨率下降的问题。虽然在技术上和生产工艺上要求很高，但却是获得高图像质量的理想方式，采用这一技术的有岛津，AnRad，Hologic公司等。(天地智慧医疗) 直接转换FPD具有理论界限值的卓越分辨率和量子探测率，不仅具备可高分辨率以清晰显示微小血管及病灶，而且具有高灵敏度可大幅降低曝光射线量。直接转换式FPD无论在低分辨率时还是在高分辨率时均具有极高的DQE值。对于大物体的检出能力与间接转换型FPD大致相同，但对于微小病变，直间转换型FPD的检出能力更强。（间接转换型的DQE低频时虽然显示高值，但在2lp/mm以上时，其值急剧减小。）直接转换式FPD研发厂家为了得到更高DQE值，获得良好的S/N特性，在降低噪音成分方面做出了更多的努力，尤其是在对图像质量影响最大的配线阻抗噪声和读取放大器的热噪声方面需进行了革新性的改良，将这两种噪声控制在最低程度，使实际测量值达到与理论值基本一致的水平。直接转换式FPD对于大物体的检出能力与间接转换型大致相同，但对于微小病变，直间转换型具有更强的检出能力。（间接转换型的DQE低频时虽然显示高值，但在2lp/mm以上时，其值急剧减小。）(天地智慧医疗) （三）平板的使用与养护(天地智慧医疗) 现在不管是非晶硒、非晶硅、CCD这些平板探测器，还是各大知名国际厂商，所有探测器保修最长只有五年。现在医院在购买期间只注意了牌子，什么高象素，高配置，忽视了服务和设备寿命，而最基本的满足临床使用诊断的这个根本目标没有重视。 平板探测器使用一定年限或者经过一定次数曝光，老化损坏是必然的，不可避免的。一般在五个以内的坏的可以用软件补，但十个以上就是一片白点，所以这是不可逆的，而且随着曝光次数增加，坏点会成坏道。在坏点刚刚出现的时候就及时向厂方提出维护，一般情况下还不至于坏到那个程度。按照理论要求，平板在三到六个月之间是必须要做一次校准的，这个也是医院在购买安装的时候需要向厂方提出的一个合理要求。而且现在大部分DR操作里面已经开放的平板探测器的校准程序，厂方要求院方一定时间内也要对平板进行校准。 非晶硒怕冷,非晶硅怕潮.工作环境的保持十分重要,在使用中应尽量严格地按照厂家的要求控制机房的环境, 一定要在机房内安装抽湿器和空调，否则会坏的比较快。另外射线也会造成损伤使转换层老化，效率降低，这与累积剂量有关，就正常的剂量(500uR)而言100万次曝光后仍可保持70%的效率问题并不大。但一定要注意遮光器(尤其是腰椎侧位等)的使用，否则漏光的部分由于经常接受过量辐射则老化会大大加快。(天地智慧医疗) 1. 非晶硒探测器结构及其成像原理：(直接转换) 直接数字化X线成像的平板探测器，利用了非晶硒的光电导性，将X线直接转换成电信号，形成全数字化影像。(天地智慧医疗) 成像原理：X线粒子射入加有高电压的非晶硒感光层，其中原本定向移动的电荷发生电导率的改变，伴随着空穴电子对分布不均匀的形成，感光层内就有了不均匀聚集的电荷通过薄膜晶体管阵列转换为可测的电信号，再进行A/D转换，成为可直接由计算机进行处理的数字信号 (天地智慧医疗) 特性：⑴直接光电转换 ⑵直接读出 ⑶量子检测率（DQE）较高  ⑷曝光宽容度大 ⑸后处理功能强大 (天地智慧医疗) FPD对环境，温度，湿度要求较高，需要较高的偏直电压，刷新速度慢，仍不能满足动态摄影。所以不常用。 探测器有效探测面积：35X43cm(天地智慧医疗) 采集矩阵：2560x3072(天地智慧医疗) 像素大小：139×139μm(天地智慧医疗) 采集像素A/D转换位数：14bit(天地智慧医疗) 空间分辨率：3.6lp/mm (天地智慧医疗) 2. 非晶硅探测器结构及其成像原理:（间接转换）(天地智慧医疗) 分碘化铯（CsI）+非晶硅  和  硫氧化钆GOS+非晶硅(天地智慧医疗) 结构由碘化铯闪烁体层、非晶硅光电二极管阵列、行驱动电路以及图像信号读取电路四部分。与非晶硒平板探测器的主要区别在于荧光材料层和探测元阵列层的不同，其信号读出、放大、A/D转换和输出等部分基本相同。 非晶硅平板探测器，是一种以非晶硅光电二极管阵列为核心的X线影像探测器。它利用碘化铯（CsI）的特性， 将入射后的X线光子转换成可见光，再由具有光电二极管作用的非晶硅阵列变为电信号，通过外围电路检出及A/D变换，从而获得数字化图像。由于经历了X线、可见光、电荷图像、数字图像的成像过程，通常被称作间接转换型平板探测器。 (天地智慧医疗) (天地智慧医疗) 主要非晶硅平板探测器参数说明 探测器 法国Trixell Pixium 4600 美国GE Revolution 美国VARIAN PaxScan4343R DRZ Plus 日本佳能 CXDI-40G 韩国三星 探测器类型 针状碘化铯+非晶硅 4块拼接 碘化铯+非晶硅 整版 碘化铯+非晶硅 整版 硫氧化钆+非晶硅 整版 碘化铯+非晶硅 整版 影像区面积 43cm×43cm 41cm×41cm 43cm×43cm 43cm×43cm 43cm×43cm 像素矩阵 3K×3K 2K×2K 3K×3K 2688×2688 3K×3K 像素大小 143um 200um 139um 160um 143um 极限空间分辨率 3.5LP/mm 2.5LP/mm 3.6LP/mm 3.0LP/mm 3.5LP/mm DQE (100%MTF时） 65% 74% 70% 33% 65% A/D 转换 14bit 14bit 14bit 14bit 14bit 灰阶度 14bit 14bit 14bit 12bit 14bit 图像预览时间 ＜5s ＜5s ＜3s ＜3s ＜5s 图像处理时间 ＜8s ＜8s ＜5s ＜20s ＜15s 工作环境要求 温度18-30℃ 温度10-40℃ 温度10-40℃ 温度10-40℃ 温度10-40℃ 是否需要特殊辅助装置 （如水冷设备） 不需要 需要 不需要 不需要 不需要 探测器校正周期 3-6个月 用户自定义校正周期（建议每一年校正一次） 用户自定义校正周期（建议每一年校正一次） 用户自定义校正周期（建议每一年校正一次） 用户自定义校正周期（建议每一年校正一次）             3．CCD探测器结构及其成像原理：（间接转换） CCD（Charge Coupled Device）电荷耦合器是一种将光能转换为电能的元件，随着微电子技术的发展，CCD已是一项成熟的技术，它是由数量众多的光敏单元排列组成面阵，光敏单元可小至50μm2以下，空间分辨率很高，几何失真小，均匀性和一致性好。但CCD对X射线不敏感，所以需要先将X射线激发荧光屏产生荧光，经增强后成为Video信息，经反光镜反射到CCD镜头，被采集并转换为电信息，再转换为数字信息。获得数字影像 (天地智慧医疗) 成像主要原理：是X线在荧光屏上产生的光信号由由光学传导至CCD探测器接收，随之将光信号转换成电荷并形成数字X线图像。(天地智慧医疗) CCD的特性：⑴光电灵敏度高⑵动态范围大⑶空间分辨率高(天地智慧医疗) ⑷较小的失真⑸惰性极小⑹高性能，长寿命(天地智慧医疗) CCD是半导体器件，理论上具有无限使用寿命。在实际应用中，我国规定CCD使用寿命为真空管摄像机的3~5倍。它的体积小，重量轻，功率小。所以，现今医疗领域，大多商家都采用CCD探测器。(天地智慧医疗) CCD有两大特点，一是CCD采用电荷耦合器件作为图像传感器，没有摄像管，不用电子束扫描；二是CCD输出的视频信号中也有图像信息、复位电平和干扰脉冲，它是一个电压信号，而不象摄像管输出的高阻电流信号。(天地智慧医疗) 目前国内只要CCDDR探测器技术参数说明 探测器 KeenrayCCDDR探测器， 深圳蓝韵研制 XDS3000探测器 万东研制 IDC 4K/3KCCD探测器 IDC研制 类型 针状碘化铯+非晶硅 硫氧化钆+非晶硅 4K：针状碘化铯+非晶硅 3K：硫氧化钆+非晶硅 影像尺寸 17″×17″ 17″×17″ 17″×17″ 像素矩阵 4096×4096， 1680万像素 3072×3072，940万 4K：4096×4096，1680万像素 3K：3072×3072，940万 像素尺寸 108um 143um 108um 极限空间分辨率 4.6LP/MM 3.5LP/MM 4K：4.6LP/MM 3K：3.5LP/MM 密度分辨率 65536灰阶 16384灰阶 16384灰阶 动态范围 采集：16比特 输出：16比特 采集：12比特 输出：14比特 采集：14比特 输出：14比特 图像采集时间 6s 8s 8s