X線雙能量數字化平行板探測器的研究和設計

劉 毅

新疆省生產建設兵團農六師醫院放射科(831300)

X線雙能量數字化平行板探測器的研究和設計

劉 毅

新疆省生產建設兵團農六師醫院放射科(831300)

用硅光電池研究設計一種性能最優良,對 X射線也很靈敏的并經微電子技術大規模集成化制造,部分粘貼閃爍晶體、造出 x線雙能量數字平行板探測器,配上相應計算機,并直接與傳統 x線機組合的數字儀,可實行各種數字式的攝片和透視。

數字平行板探測器;雙能量 X射線成像技術;高清晰數字成像

0 引言

X線數字成像儀的先進與否主要取決其探測器的性能:如 CR的 IP板、DR的平行板探測器 FPD(簡稱平板),LDRD的多絲正比室等,其次才是與計算機組合的軟硬件配置,多絲正比室雖所測的劑量很低、但它和 IP板一樣都缺乏時間分辨率,僅用于攝片。而平板其時間分辨率很高,可用于各種數字化的拍片和透視,有望代表 X線數字化成像的未來。

目前先進的平板[1],[5]有非晶硅 (a-Si)FPD、非晶硒 (a-Se)FPD兩類,均由美國制造,因集成工藝復雜、其DR很昂貴,我國依賴進口,為此設計一種容易制造的“硅光電池X線平行板探測器”簡稱光電池式平板,其數字儀即“DR”,價格低、成像質量高,可直接與傳統機配用,實施各種數字式的拍片和透視。

1 硅光電池式平板的設計

普通半導體光敏管對 X射線不敏感,經測試發現,有一種硅光電池對 X射線很敏感。該光電池由單晶硅或多晶硅晶圓片經微電子技術制造的大面積 PN結光電器件,制造技術已很成熟,它早已用在許多領域的光測量中。用 8"或 12"(1"=2.54cm)的晶圓片,幾片拼接光刻光腐,矩形陣列為 2000×3016個光電池 pn結,即 像素 (微電子工藝:0.35μm-0.18μm,一致性為1%-3%)。每一個像素尺寸:120μm ×80μm,像素間距:80μm,經測試、修正、補償、封裝等,構成有效成像面積為 14"×17"的平板。在平板上橫豎間隔式將光電池粘貼閃爍晶體如碘化銫等。閃爍晶體用透射線材料半球冠封閉,內面反光,激發的可見光只傳向光電池,再將 0.38mm厚的面積與平板一樣的銅皮鉆孔覆蓋其受光面,孔的大小與數量均與閃爍體相對一致,銅皮將不貼閃爍體的光電池遮擋、濾除低能射線、透過均勻的高能射線,閃爍體經孔直接探測極低能量的射線,即“雙能量 x射線測量成像”技術[4]。如再提高成像質量而忽略成本,可將平板的光電池 1/3粘貼閃爍晶體經孔測量最低能射線,另 1/3也由孔直接測量,余下 1/3因銅皮遮擋只測量高能射線。三種形式橫豎均勻依次分布,即為“多能量 X射線成像”技術,平板輸出不同能量的 x線圖像信號可用解析法或軟件濾波法如小波變換處理等分離后再放大。像素間距用鉛條填充隔離。

通過制造工藝將光電池 PN結的 N區做的極薄,使耗盡層增厚、充分電離,提高對各能量段射線的轉換效率。為降噪、降劑量,還專門將平板采集系統的放大器改為抗干擾能力極強,放大倍數更高的線性光電耦合式功率放大器 (簡稱:光耦功放)。(自主專利技術)。

為降低實驗成本,經專業設計在生產數碼相機廠先訂做僅能拍嬰兒胸片 5"×5"9(幾片拼接)的小平板,平板與影像工作站暫時連接。

小平板的測試:

(1)將平板 (屏蔽閉光)放在我院中型 C臂透視機下曝光測試,用 20cm厚的水模遮擋,選擇最小曝光量 如 0.5mA、以管電壓 40、60、80、100、120KV為一組、依次對平板和非晶硅平板各曝一組光,一個光電池經光耦放大、非晶硅平板的輸出可在采集系統的放大器輸出端測得、其電壓值經電壓保持、數字萬用表讀出,繪出坐標圖,見圖1。

(2)小平板和影像增強器分別都放上測試卡后透視曝光,平板和影像增強器輸出的測試卡圖像分別顯示在工作站電視屏和 C臂機的電視屏上。

3 結果

因工藝該光電池的感光譜增寬:為 0.38-1.1μm,在 0.38μm段仍有≥40%的相對響應度,而該段為紫外線與 X射線的交匯處,所以它的靈敏度與轉換效率都很高。

圖1為以管電壓變化為主的 X線曝光強度與光電池輸出的短路電流 ISC在負載電阻 RL產生的電壓USC和非晶硅平板輸出經采集放大的電壓 V線質關系坐標圖。

圖1 Usc與非晶硅平板輸出電壓 V線質關系Fig.1 Use the output voltage line and amorphous silicon flat-panel quality relationship

Q1Q2分別為非晶硅平板和光電池理想的輸出直線,其靈敏度:Q2大于 Q1。它表明光耦放大器的線性放大精度和倍數均很高。

比較二者的測試卡圖像的分辨率和清晰度可知,工作站測試卡可顯示到 3.6-6LPmm。而 C臂機電視屏上測試卡僅顯示到 1-2LPmm,故測試卡影像的清晰度以小平板為佳。

4 討論

硅光電池在眾多的光電器件中具備許多最優參數和性能,如性能十分穩定,重復性和頻率特性很好,相互干擾小,響應迅速,無余輝及后滯、信號前沿陡,開關性好,光分辨率極高,動態范圍大,而價格低廉。當 RL≤100Ω時、其輸出的 ISC與入射的光強呈良好的線質關系、其個性為工作時無需加任何電源,光照時輸出端直接產生電動勢、即“光生伏特效應”,特別是基本無噪聲、光疲勞現象和無需任何電源。另其它光電器件無法相比,這諸多優點用作成像指標、平板的成像性能有望優于非晶硅、非晶硒類平板。

4.1 成像原理簡述

X線→人體→透射線→I C式平板 (6百萬個光電池 pn結即像素 )光電轉換→多路電子開關選擇→光耦放大→低通濾波器→A/D轉換序列脈沖→緩沖計數→計算機后處理 (格式 ST-CDMedicalV3.1)→重建高清晰數字圖像→顯示屏顯示或打印照片。

4.1.1 靈敏度與轉換效率

該光電池的 pn結經特殊加工后,使平板對射線更靈敏。由圖1可知,0.5 mA,40KV:光電池經光耦放大輸出 0.16V,而非晶硅平板僅在 60KV時在放大器測得 0.2V。該光電池的轉換效率理論上可達 24%,其它光電器件的轉換率小于 20%,而獲諾貝爾獎的多絲正比室的轉換率為 30%。

4.1.2 曝光劑量

為進一步降低曝光劑量平板輸出還專門使用了超高倍數的光耦放大器,眾所周知:光耦放大器具有常規放大器無法具備的性能:即極強的降噪和抗干擾能力,共模抑制比≥140分貝,將噪聲和干擾完全抑制,放大倍數可達十幾萬倍以上,故平板的曝光劑量可降致很低[2]。20cm的水模其吸收值相當于胸部,僅用 0.01mAs、60K V,可輸出 0.51V,圖像信噪比以很高。40K V-120K V的曝光,I C式平板輸出電壓為 0.06V-2.1V。非晶硅平板拍胸片則需 2.7mAs、75kv的曝光。0.01mAs時、60K V-120K V的曝光輸出電壓僅為 0.2V-1.6V。非晶硅平板的 DR為掃描式曝光,雖散射線少,但曝光時間 (幾秒)長,人體的輻射時間增加,累計損傷大,射線的利用率低,易引起影像模糊,球管負荷增加,因內部放大器間為阻容式或直接式耦合,無論電路怎樣精良設計制造、通常共模抑制比≤120分貝,放大倍數僅達幾萬倍,平板所需的曝光劑量大。而本平板為大面積一次性短時間曝光。相對散射線大些,但對人體的累計損傷小,輻射損傷的意義主要指累計損傷。球管負荷小,影像清晰度高。

4.1.3 無噪聲

光電池本身基本無噪聲、又無電源的波動和干擾,光耦放大的同時將干擾和噪聲隔離和抑制,多絲正比室為零背景噪聲輸出,而 IC平板可為接近零背景噪聲輸出,無噪聲不存在噪聲淹沒信號,多能量 X射線成像的低密度高對比度的檢測、可測出早期很接近背景密度的病變信號,此點與計算機輔助診斷(computer aideddetection,CAD)系統[3]結合最有意義,很精確的自動篩選出胸部和乳腺等不易被發現的早期結節灶和微鈣化灶等。而進口平板工作時需加上千伏高壓、存在電源波動和干擾、暗電流至少50pA,采集輸出后也在μA級以上,低于μA級的電信號被淹沒,實行 CAD效果相對欠佳。

4.1.4 高信噪比

該平板無噪聲和光耦放大其信噪比較高。像素尺寸越小,信噪比越低,高信噪比的平板可再縮小像素尺寸,提高其分辨率,此點較進口平板有一定優勢。

4.1.5 時間分辨率

平板光電池的 pn結面積較小,結電容小,響應速度可為幾微秒,其開關信號前沿很陡,幾乎無余輝和滯后,現代微電子工藝也可制造成超高速光電池,符合或小于透視生成每幀圖像 33毫秒 (讀取一個像素的信號所需時間為 10微秒 -15微秒)的要求,可以作到 25幀 -50幀 /秒,光電池的動態范圍本身就很大,能用于數字透視 (FD)的平板,有望代替 IIT+光耦合器 +CCD攝像器件,實行各種數字透視。

4.1.6 穩定性、重復性和頻率特性及溫度特性

硅光電池性能很穩定,幾乎無光疲勞現象,重復性也很好,因結電容小等、頻率特性很好,其性質隨環境溫度變化不大,使用溫度在 -55℃-+125℃,故對環境溫度無要求。而非晶硅、非晶硒平板使用溫度僅在 +10℃-+35℃,溫度高了工作不穩定,低了晶體易凍壞,運輸和使用需要恒溫。

4.1.7 圖像質量

光電池除上述優點外本身就有很高的光分辨率,像素間距用鉛條填充隔離,避免散射線的干擾,閃爍體無雜光影響,空間分辨率可達 3.6IP/mm-6IP/mm,多能量 x線成像技術,使該平板必有很高的密度分辨率。攝影時可省去昂貴的濾線器,光電池的制造成本很低,組建的 DR造價也不會高。而非晶硒、非晶硅平板存在電源干擾和波動、像素間距未填充鉛條和閃爍體未密封,必然有較多的 x散射線及晶體雜光的干擾,采集放大為阻容耦合,故噪聲相對大,空間分辨率僅為 1IP/mm-3.5IP/mm,無多能量 x線探測技術。因高壓裝置和配專用機、其成本很高。

5 小結

因 I C式平板的電氣參數本身就優于非晶硅,非晶硒的許多電氣參數,其成像指標一定也優于非晶硅,非晶硒的平板,其 ICDR系統直接與原有攝影機組合、能產生高分辨率的圖像,而造價卻低,有望普及使用。IC式平板用途很廣,有可能用作 CT機、C形臂、放療儀等許多放射線測量儀器的探測器。

[1]騰洪嶺.數字 x射線探測器 [J].中國醫療器械雜志,2001,24(4):234-236.

[2]康慶廟,等.低劑量數字化 x線系統的原理及結構[J].中國醫療器械雜志 ,2001,24(2):63-81.

[3]張碧云,等.計算機輔助檢測系統對數字化胸片中肺結節診斷的應用價值 [J].中華放射學雜志,2005,39(10):1092-1094.

[4]王春燕,等.雙能量 X射線成像技術[J].醫療設備信息,2001,(10):27-30.

[5]郭長云.平板式探測器和常規 x射線數字化成像未來[J].醫療設備信息,2002,(2):1-8.

The Research and Design of Dual-energy X-raysD igital Flat PanalDetector

Liu Yi
Wu Jiaqu Hospital Xin jiang(831300)

This paper briefly introduce a new dual-energy low-dose digital flat panal detector.This silicon photo electric cell is extremely sensitive to x-ray.We can produce the digital flat panal detector by using PN as an image of the silicon photo electric cell and the integrated circuit of technology ofmicro electron.Its resolving power can reach entire range digital photo and image if deplaymatching a computer and traditional x-rays digital instrument.

silicon photo electric cell,low-dose multi-energy x-rays imaging;clearly of digital imaging

R812

B

1674-1242(2011)02-0085-03

10.3969/j.issn.1674-1242.2011.02.006

劉毅,E-mail:Liuyi561021@163.com

2011-03-01)