一种x射线数字平板成像检测技术的制作方法
【专利摘要】本发明涉及X射线检测设备【技术领域】，尤其是一种X射线数字平板成像检测技术，整套检测系统主要由平板探测器，计算机及软件组成，当X射线穿过被检测物体到达平板探测器时，平板探测器将X射线不可见光信息转换成数字信号，然后由计算机软件处理成数字图像显示，数字图像更易于存档，成本更低廉，数字图像、视频序列甚至立体数据流很容易连接到客户端，平板探测器成像快捷，更利于检测自动化，提高检测效率。
【专利说明】一种X射线数字平板成像检测技术
【技术领域】
[0001]本发明涉及X射线检测设备【技术领域】，尤其是一种X射线数字平板成像检测技术。【背景技术】
[0002]目前，数字化技术改变了人们的生活，人们以越来越高的效率收集、保存、分析和使用信息。上世纪70年代，美国便对X射线数字成像进行了广泛和深入的研究，但那时尚无法有效地设计和生产出可靠经济的数字X射线成像系统；80年代中期，射线工作者和医学工作者终于等到了一种技术，计算机射线成像(CR)中的成像板(IP板)，这种体积小，轻便，便于携带的成像装置，开始淘汰了 X射线照相所用的胶片、化学试剂和射线透视成像中笨重的影像增强感；90年代后期，在硅谷瓦里安的金斯顿技术中心，第一个商业用的非晶硅平板数字X射线探测器诞生了，开始永远的改变X射线成像技术。但是，现有X射线检测设备技术中依然存在以下缺点，数字化设备太大，不便于携带，容易损坏，且图像多方位采集不易，不能够长时间实时传输，显像模糊不清等。
【发明内容】
[0003]为了解决现有X射线检测设备技术的不足，本发明提供了一种X射线数字平板成像检测技术，X射线数字平板成像检测技术首先体现在数字平板成像，即X射线成像数字化设备越来越小，越来越耐用，当图像是数字时就便于携带，图像容易在多方位同时采集，并且可以长距离实时传输，图像清晰。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种X射线数字平板成像检测技术，整套检测系统主要由平板探测器，计算机及软件组成。当X射线穿过被检测物体到达平板探测器时，平板探测器将X射线不可见光信息转换成数字信号，然后由计算机软件处理成数字图像显示；
所述平板探测器的中间是一个非晶硅TFT/光电二极管排列，与这个阵列紧密结合在一起的是X射线闪烁体；
所述的平板探测器由一片附有薄层非晶硅的玻璃组成；
所述的闪烁体是由碘化铯组成；碘化铯是一种X射线吸收体，能把X射线转化成可见光光子，然后进入光电二极管阵列；
碘化铯和非晶硅这两种材料的结合产生最高的量子检测效率；
量子检测效率是衡量成像器性能的尺度；
非晶硅以极小的尺寸刻印成数百万晶体管，排列成高度有序的阵列，每个薄膜晶体管附着在高吸收性的光电二极管上，从而形成各个像素；
光子撞击光电二极管，转化成电荷的两个载体，由于产生的电荷载体会随着进入的光子的强度变化而变化，电子图像产生了，通过计算机迅速的读取和解释所产生数字图像；所述平板探测器中的平板X射线成像器是以大尺寸的以非晶硅薄膜晶体管阵列形式的固态集成电路为基础； 平板成像帧速率在每秒1-2帧，抓图时间在8秒-12秒。
[0005]X射线数字平板成像检测技术首先体现在数字平板成像，即X射线成像数字化设备越来越小，越来越耐用，当图像是数字时就便于携带，图像可以很容易的在多方位同时采集，并且可以长距离实时传输；平板X射线成像器是以固态集成电路技术为基础，由于X射线不容易聚焦，成像器就需要与成像物体的尺寸相当，这就需要尺寸很大的集成电路，大面积的集成电路是以非晶硅薄膜晶体管(TFT)阵列的形式出现；平板成像最通用的闪烁体是硫氧化礼和碘化铯。
[0006]数字化X射线成像过程是，X射线管发射的X射线光子穿过目标物体，没有被物体吸收的X射线光子撞击一层闪烁体材料，闪烁体材料将X射线光子转化成可见光光子，这些可见光光子可以激活非晶硅的像素，这些激活的像素产生电子数据，它可以被计算机转化成高质量的目标物体图像，目标物体图像在计算机显示器显示。
[0007]本发明的有益效果是，一种X射线数字平板成像检测技术，所产生的数字图像，和传统的模拟图像、胶片相比，更易于存档，成本更低廉；数字图像、视频序列甚至立体数据流很容易连接到客户端，平板成像的质量无论是测试，还是实际应用，效果都良好，成像快捷，更利于检测自动化，可大大提高检测效率；平板成像数字化的检测结果，经过计算机管理更安全方便，并且平板成像的剂量很低。
[0008]【具体实施方式】
一种X射线数字平板成像检测技术，整套检测系统主要由平板探测器，计算机及软件组成，当X射线穿过被检测物体到达平板探测器时，平板探测器将X射线不可见光信息转换成数字信号，然后由计算机软件处理成数字图像显示。
[0009]平板探测器由一片附有薄层非晶硅的玻璃组成，非晶硅以极小的尺寸刻印成数百万晶体管，排列成高度有序的阵列，每个薄膜晶体管附着在高吸收性的光电二极管上，从而形成各个像素；光子撞击光电二极管，转化成电荷的两个载体，叫做电子空穴对；一个电子空穴对包括一个带负电的电子和一个带正电的空穴(空白的能量空间就像一个带正电的电子)。
[0010]由于产生的电荷载体会随着进入的光子的强度变化而变化，电子图像也就产生了，它可通过计算机迅速的读取和解释所产生数字图像。
[0011]尽管非晶硅有很好的电子性能，但它不是一种特别好的X射线光子吸收体，因此，X射线光子首先撞击由硫氧化钆或碘化铯组成的闪烁体，这个闪烁体可以吸收X射线光子并将它转化成可见光光子，然后进入光电二极管阵列。
[0012]由于碘化铯是一种很好的X射线吸收体，并能把X射线转化成可见光光子，非晶硅能把这种能量形式最好地的转化成电荷载体，碘化铯和非晶硅这两种材料的结合产生最高的量子检测效率(DQE)。
[0013]量子检测效率是衡量成像器性能的尺度，高量子检测效率意味着同样剂量时可以获得更好的图像质量，或者使用较低的剂量却获得相同质量的图像。
[0014]平板探测器中间是一个非晶硅TFT/光电二极管排列，与这个阵列紧密结合在一起的是X射线闪烁体。
[0015]通常X射线转换屏，非植入屏，比如硫氧化钆，是一个独立可拆卸的薄片，通过机械压力与阵列紧密结合在一起，然而，如果使用碘化铯屏，为了获得最好的光学耦合功效，附着在阵列上，碘化铯可以应用于光子通量很低的低剂量X射线透视法。在一定剂量下，碘化铯的光输出大致是钆屏的两倍，在光电二极管中产生的信号大约是钆屏的4倍。因为碘化铯附着在阵列上形成柱形结构，圆柱可以做光管，减少在闪烁物上的光散射，例如，600 μ m碘化铯具有相当于300 μ m厚度的非植入屏，像硫氧化钆这些屏幕具有价格低廉，使用灵活的优势。因为这样的闪烁屏可以很容易的更换以符合应用的要求。
[0016]闪烁体产生的光被阵列中光电二极管吸收，产生电子，电子储存在光电二极管自身的电容中，光电二极管对550nm波长的绿光谱光吸收性能最大，硫氧化钆和铊都参合着碘化铯，在这个频率可产生最高的光输出。
[0017]非晶硅光电二极管中有大量的暗电流，大部分二级管信号电容会在没有信号情况下被填充，与用于CMOS成像器的晶体硅光电二极管相比，非晶硅光电二极管的暗流大大减少。因此，在室温下，非晶硅平板阵列性能会非常出众，交替积分次数可以高出十倍，二极管电容独立于信号有助于检测系统的线性特征。检测系统的线性特征对有效纠正阵列和电子器件中的所有非一致性来源至关重要。
[0018]TFT光电二极管矩阵一般是逐行扫描，从上到下每次一行。TFT本质上是开关，当一个正极电压作用在一个闸门线上时，选择行的(TFTs)开关闭合，使它们导电，TFTs上的偏压，选择行的像素向数据线输出储存的信号电子；每个数据线末端是一个电荷积分放大器，将电荷信号转换成电压。
[0019]因厂商不同，电子线路不同，但都为一个可编程的增益阶段和一个将电压转换成数字信号的AD转换器，扫描的一个重要作用是，即使在输出像素的过程中，平板探测器不断地收集整个关联信号，没有一个会丢失，平板探测器是一个积分探测器，每个像素的积分时间等于帧时间。
电子仪器可以被安装于阵列的侧面，X光束以外，以防被辐射损坏，就像在高能(MeV)应用中那样。但在诊断程序方面，为了能最全面的观测，电子仪器也可以装在阵列后面，用一个薄层的铅保护起来。
[0020]当非晶硅产生满足要求的信号，它还不能做随后信号的处理工作，所以，在玻璃边缘阵列的每个行和列，需要通过TAB信号线和标准晶体硅芯片连接。
[0021]TAB桥接玻璃上的连接密度和典型电流板可处理的密度是，玻璃面的TAB包每100 μ m有128个通道，而电流板端TAB排线每400 μ m有40或者更少的通道。需要直接连到阵列的芯片、读取芯片和驱动芯片，都装在TAB包里。
[0022]平板成像器最明显的优势是尺寸和重量，一个12” X 16”有效区域的平板探测器，不到12”IIT体积的25%，不到16”ΙΙΤ体积的15%。另外，平板探测器不仅代替了图像增强器，而且还包括附带的影像记录装置，包括CXD摄像机、35_摄像机和现场影视记录设备。除了尺寸减小以外，平板成像器的重量是IIT成像系列的60%。传统情况下，IIT 一边的机械结构是重的，使用平板，重的一面转到了 X射线管，从而减少了所用机械结构的体积和成本。
[0023]由于它的体积和重量，在可移动探壁上安装16” IIT是不切实际的，但是，在带有平板成像器的探壁上可以实现很大的活动范围。
[0024]安在IIT的记录装置对平板探测器不是必须的，这是一种平板技术固有多模式容量的内容。从电子学角度来看，阵列结构和读出与动态随机读取内存(DRAM)很相似，阵列中的存取部分仅是一定行和列的寻址问题。
[0025]和动态随机读取内存相同，信号被存储为一个点荷包，类多加一个像素的数据是将电荷包简单的结合起来，可以轻易做到将2x2像素领域读取一个超像素，通过邻近像素前置电荷积分放大器的信号结合实现。
[0026]像素绑定提供两个有利条件，一是灵敏度，因为超像素可以看到更多的X射线光子，就有更高的信噪比(SNR) ;二是可获得更高的帧率，通常平板最大的数字数据转换率被限定为一个固定值，像素绑定可以减少总矩阵的大小，因此可以获得更高的帧率，例如，一个30fpsl024X 1024成像器也可以读取60fps或更高的512X512超像素。
[0027]平板成像器通常有三个模式:全场，7.5fps全分辨率，用于DSA (数字减影血管造影)，射线照相；全场，30fps—般分辨率，用于X射线透视，摄影；74场30fps全分辨率，用于X射线透视检测缩放模式。因为这些模式被定为阵列的寻址，平板可在不到一秒钟的时间内在两种模式间转换，而日常对X射线的使用会降低IIT图像质量，IIT的使用寿命相对较小，因此平板和相对大小的IIT相比更加经济。瓦里安检测显示，在相同的使用条件下，平板辅以服务寿命要大大高于IIT，在大多数有利条件下，平板完全可以达到设备使用寿命的要求。
[0028]除了提高了平板的形成因子和适应性以外，还提高了图像质量。在IIT为基础的成像中，在信号转链中有很多步，每一步信号都会有损失和失真，例如IIT中的电子光学器件会受到磁场的影响；螺旋焊管的检测，影像增强器在检测管端时会受到很大的磁场影响，输出磷光体的光学器件容易遭受强光的遮盖，这是一种大范围的色亮度干扰，结果是图像在图像直径方向的几何失真和亮度不一致。由于扭曲和亮度不一样，IIT/CCD成像链容易遭受从边缘到边缘的对比度损失，这就是IIT应用时要确定中心的原因。而平板探测器就不存在这方面的影响。作为对比，平板具有直接、简短的信号转换路径，没有光学本质的变化，结果是平板的图像从边缘到边缘是平整一致的，类似于胶片的图像。
[0029]平板探测器也具有很大成像动态范围。一个平板探测器可以覆盖从低剂量荧光透视法到造影，通常模数转换器(ADCs )在平板探测器里面有一个固定的输入范围，为了使信号适应这个范围，在数字化之前有一个模拟增益过程，高的增益适用于弱信号，可是损失每帧的最大剂量。由于能量和剂量有很不同的结果，乳腺X射线照相需要一个特殊的平板探测器。
[0030]平板成像具有很大的曝光范围，这意味着事实上消除了由于曝光过量或不足原因引起的重新拍摄，大的动态范围也能使计算机层析照相(CT)应用于从低剂量的透视水平到仪器的射线照相，例如血管照相平板在全分辨率模式下的信号响应，剂量范围从IuR到
1.2mR,尤其是非晶硅TFT/光电二极管技术，对进入平板探测器剂量的影响是极端的线性的，成像响应线性偏离小于0.01%。为了使对每个像素实时执行偏离和增益校正容易进行，这样的线性程度是必须的，由于阵列中的每个像素有自身的增益值和零信号电平，没有校准的图形是很大的非线性，如果成像响应是非线性的，实时校准像素的算法就很难处理。
[0031]对剂量的信噪比(SNR)行为是很重要的。如果电子噪声足够低，在X射线束中的噪声带来有害成像记录，噪声相对于X射线光子数量的平方根，也就是说，X射线光子限制很大的范围，这表明在这个剂量范围，探测器可以有效控制图像的噪声。
[0032]一个成像系统灵敏度更准确的方法是计算量子检测效率(DQE)，DQE是空间频率的函数，对于数字化的X射线，DQE等于输出信噪比SNR的平方与输入信噪比SNR的平方比值。如下所示:
【权利要求】
1.一种X射线数字平板成像检测技术，整套检测系统主要由平板探测器，计算机及软件组成，其特征在于，当X射线穿过被检测物体到达平板探测器时，平板探测器将X射线不可见光信息转换成数字信号，然后由计算机软件处理成数字图像显示； 所述平板探测器的中间是一个非晶硅TFT/光电二极管排列，与这个阵列紧密结合在一起的是X射线闪烁体； 所述的平板探测器由一片附有薄层非晶硅的玻璃组成； 所述的闪烁体是由碘化铯组成；碘化铯是一种X射线吸收体，能把X射线转化成可见光光子，然后进入光电二极管阵列； 碘化铯和非晶硅这两种材料的结合产生最高的量子检测效率。
2.根据权利要求1所述的X射线数字平板成像检测技术，其特征在于，量子检测效率是衡量成像器性能的尺度。
3.根据权利要求1所述的X射线数字平板成像检测技术，其特征在于，非晶硅以极小的尺寸刻印成数百万晶体管，排列成高度有序的阵列，每个薄膜晶体管附着在高吸收性的光电二极管上，从而形成各个像素。
4.根据权利要求1所述的X射线数字平板成像检测技术，其特征在于，可见光光子撞击光电二极管，转化成电荷的两个载体，由于产生的电荷载体会随着进入的光子的强度变化而变化，电子图像产生了，通过计算机迅速的读取和解释所产生数字图像。
5.根据权利要求1所述的X射线数字平板成像检测技术，其特征在于，所述平板探测器中的平板X射线成像器，是以大尺寸的以非晶硅薄膜晶体管阵列形式的固态集成电路为基础。
6.根据权利要求1所述的X射线数字平板成像检测技术，其特征在于，平板成像帧速率在每秒1-2帧，抓图时间在8秒-12秒。
【文档编号】G01N23/04GK103837555SQ201410102370
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】王建华 申请人:烟台华科检测设备有限公司