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一種x射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及X射線檢測(cè)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)，整套檢測(cè)系統(tǒng)主要由平板探測(cè)器，計(jì)算機(jī)及軟件組成，當(dāng)X射線穿過(guò)被檢測(cè)物體到達(dá)平板探測(cè)器時(shí)，平板探測(cè)器將X射線不可見(jiàn)光信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由計(jì)算機(jī)軟件處理成數(shù)字圖像顯示，數(shù)字圖像更易于存檔，成本更低廉，數(shù)字圖像、視頻序列甚至立體數(shù)據(jù)流很容易連接到客戶端，平板探測(cè)器成像快捷，更利于檢測(cè)自動(dòng)化，提高檢測(cè)效率。
【專利說(shuō)明】一種X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及X射線檢測(cè)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)。【背景技術(shù)】
[0002]目前，數(shù)字化技術(shù)改變了人們的生活，人們以越來(lái)越高的效率收集、保存、分析和使用信息。上世紀(jì)70年代，美國(guó)便對(duì)X射線數(shù)字成像進(jìn)行了廣泛和深入的研究，但那時(shí)尚無(wú)法有效地設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出可靠經(jīng)濟(jì)的數(shù)字X射線成像系統(tǒng)；80年代中期，射線工作者和醫(yī)學(xué)工作者終于等到了一種技術(shù)，計(jì)算機(jī)射線成像(CR)中的成像板(IP板)，這種體積小，輕便，便于攜帶的成像裝置，開(kāi)始淘汰了 X射線照相所用的膠片、化學(xué)試劑和射線透視成像中笨重的影像增強(qiáng)感；90年代后期，在硅谷瓦里安的金斯頓技術(shù)中心，第一個(gè)商業(yè)用的非晶硅平板數(shù)字X射線探測(cè)器誕生了，開(kāi)始永遠(yuǎn)的改變X射線成像技術(shù)。但是，現(xiàn)有X射線檢測(cè)設(shè)備技術(shù)中依然存在以下缺點(diǎn)，數(shù)字化設(shè)備太大，不便于攜帶，容易損壞，且圖像多方位采集不易，不能夠長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)傳輸，顯像模糊不清等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有X射線檢測(cè)設(shè)備技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)，X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)首先體現(xiàn)在數(shù)字平板成像，即X射線成像數(shù)字化設(shè)備越來(lái)越小，越來(lái)越耐用，當(dāng)圖像是數(shù)字時(shí)就便于攜帶，圖像容易在多方位同時(shí)采集，并且可以長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)傳輸，圖像清晰。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，一種X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)，整套檢測(cè)系統(tǒng)主要由平板探測(cè)器，計(jì)算機(jī)及軟件組成。當(dāng)X射線穿過(guò)被檢測(cè)物體到達(dá)平板探測(cè)器時(shí)，平板探測(cè)器將X射線不可見(jiàn)光信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由計(jì)算機(jī)軟件處理成數(shù)字圖像顯示；
所述平板探測(cè)器的中間是一個(gè)非晶硅TFT/光電二極管排列，與這個(gè)陣列緊密結(jié)合在一起的是X射線閃爍體；
所述的平板探測(cè)器由一片附有薄層非晶硅的玻璃組成；
所述的閃爍體是由碘化銫組成；碘化銫是一種X射線吸收體，能把X射線轉(zhuǎn)化成可見(jiàn)光光子，然后進(jìn)入光電二極管陣列；
碘化銫和非晶硅這兩種材料的結(jié)合產(chǎn)生最高的量子檢測(cè)效率；
量子檢測(cè)效率是衡量成像器性能的尺度；
非晶硅以極小的尺寸刻印成數(shù)百萬(wàn)晶體管，排列成高度有序的陣列，每個(gè)薄膜晶體管附著在高吸收性的光電二極管上，從而形成各個(gè)像素；
光子撞擊光電二極管，轉(zhuǎn)化成電荷的兩個(gè)載體，由于產(chǎn)生的電荷載體會(huì)隨著進(jìn)入的光子的強(qiáng)度變化而變化，電子圖像產(chǎn)生了，通過(guò)計(jì)算機(jī)迅速的讀取和解釋所產(chǎn)生數(shù)字圖像；所述平板探測(cè)器中的平板X射線成像器是以大尺寸的以非晶硅薄膜晶體管陣列形式的固態(tài)集成電路為基礎(chǔ)； 平板成像幀速率在每秒1-2幀，抓圖時(shí)間在8秒-12秒。
[0005]X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)首先體現(xiàn)在數(shù)字平板成像，即X射線成像數(shù)字化設(shè)備越來(lái)越小，越來(lái)越耐用，當(dāng)圖像是數(shù)字時(shí)就便于攜帶，圖像可以很容易的在多方位同時(shí)采集，并且可以長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)傳輸；平板X射線成像器是以固態(tài)集成電路技術(shù)為基礎(chǔ)，由于X射線不容易聚焦，成像器就需要與成像物體的尺寸相當(dāng)，這就需要尺寸很大的集成電路，大面積的集成電路是以非晶硅薄膜晶體管(TFT)陣列的形式出現(xiàn)；平板成像最通用的閃爍體是硫氧化禮和碘化銫。
[0006]數(shù)字化X射線成像過(guò)程是，X射線管發(fā)射的X射線光子穿過(guò)目標(biāo)物體，沒(méi)有被物體吸收的X射線光子撞擊一層閃爍體材料，閃爍體材料將X射線光子轉(zhuǎn)化成可見(jiàn)光光子，這些可見(jiàn)光光子可以激活非晶硅的像素，這些激活的像素產(chǎn)生電子數(shù)據(jù)，它可以被計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化成高質(zhì)量的目標(biāo)物體圖像，目標(biāo)物體圖像在計(jì)算機(jī)顯示器顯示。
[0007]本發(fā)明的有益效果是，一種X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)，所產(chǎn)生的數(shù)字圖像，和傳統(tǒng)的模擬圖像、膠片相比，更易于存檔，成本更低廉；數(shù)字圖像、視頻序列甚至立體數(shù)據(jù)流很容易連接到客戶端，平板成像的質(zhì)量無(wú)論是測(cè)試，還是實(shí)際應(yīng)用，效果都良好，成像快捷，更利于檢測(cè)自動(dòng)化，可大大提高檢測(cè)效率；平板成像數(shù)字化的檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)管理更安全方便，并且平板成像的劑量很低。
[0008]【具體實(shí)施方式】
一種X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)，整套檢測(cè)系統(tǒng)主要由平板探測(cè)器，計(jì)算機(jī)及軟件組成，當(dāng)X射線穿過(guò)被檢測(cè)物體到達(dá)平板探測(cè)器時(shí)，平板探測(cè)器將X射線不可見(jiàn)光信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由計(jì)算機(jī)軟件處理成數(shù)字圖像顯示。
[0009]平板探測(cè)器由一片附有薄層非晶硅的玻璃組成，非晶硅以極小的尺寸刻印成數(shù)百萬(wàn)晶體管，排列成高度有序的陣列，每個(gè)薄膜晶體管附著在高吸收性的光電二極管上，從而形成各個(gè)像素；光子撞擊光電二極管，轉(zhuǎn)化成電荷的兩個(gè)載體，叫做電子空穴對(duì)；一個(gè)電子空穴對(duì)包括一個(gè)帶負(fù)電的電子和一個(gè)帶正電的空穴(空白的能量空間就像一個(gè)帶正電的電子)。
[0010]由于產(chǎn)生的電荷載體會(huì)隨著進(jìn)入的光子的強(qiáng)度變化而變化，電子圖像也就產(chǎn)生了，它可通過(guò)計(jì)算機(jī)迅速的讀取和解釋所產(chǎn)生數(shù)字圖像。
[0011]盡管非晶硅有很好的電子性能，但它不是一種特別好的X射線光子吸收體，因此，X射線光子首先撞擊由硫氧化釓或碘化銫組成的閃爍體，這個(gè)閃爍體可以吸收X射線光子并將它轉(zhuǎn)化成可見(jiàn)光光子，然后進(jìn)入光電二極管陣列。
[0012]由于碘化銫是一種很好的X射線吸收體，并能把X射線轉(zhuǎn)化成可見(jiàn)光光子，非晶硅能把這種能量形式最好地的轉(zhuǎn)化成電荷載體，碘化銫和非晶硅這兩種材料的結(jié)合產(chǎn)生最高的量子檢測(cè)效率(DQE)。
[0013]量子檢測(cè)效率是衡量成像器性能的尺度，高量子檢測(cè)效率意味著同樣劑量時(shí)可以獲得更好的圖像質(zhì)量，或者使用較低的劑量卻獲得相同質(zhì)量的圖像。
[0014]平板探測(cè)器中間是一個(gè)非晶硅TFT/光電二極管排列，與這個(gè)陣列緊密結(jié)合在一起的是X射線閃爍體。
[0015]通常X射線轉(zhuǎn)換屏，非植入屏，比如硫氧化釓，是一個(gè)獨(dú)立可拆卸的薄片，通過(guò)機(jī)械壓力與陣列緊密結(jié)合在一起，然而，如果使用碘化銫屏，為了獲得最好的光學(xué)耦合功效，附著在陣列上，碘化銫可以應(yīng)用于光子通量很低的低劑量X射線透視法。在一定劑量下，碘化銫的光輸出大致是釓屏的兩倍，在光電二極管中產(chǎn)生的信號(hào)大約是釓屏的4倍。因?yàn)榈饣C附著在陣列上形成柱形結(jié)構(gòu)，圓柱可以做光管，減少在閃爍物上的光散射，例如，600 μ m碘化銫具有相當(dāng)于300 μ m厚度的非植入屏，像硫氧化釓這些屏幕具有價(jià)格低廉，使用靈活的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)檫@樣的閃爍屏可以很容易的更換以符合應(yīng)用的要求。
[0016]閃爍體產(chǎn)生的光被陣列中光電二極管吸收，產(chǎn)生電子，電子儲(chǔ)存在光電二極管自身的電容中，光電二極管對(duì)550nm波長(zhǎng)的綠光譜光吸收性能最大，硫氧化釓和鉈都參合著碘化銫，在這個(gè)頻率可產(chǎn)生最高的光輸出。
[0017]非晶硅光電二極管中有大量的暗電流，大部分二級(jí)管信號(hào)電容會(huì)在沒(méi)有信號(hào)情況下被填充，與用于CMOS成像器的晶體硅光電二極管相比，非晶硅光電二極管的暗流大大減少。因此，在室溫下，非晶硅平板陣列性能會(huì)非常出眾，交替積分次數(shù)可以高出十倍，二極管電容獨(dú)立于信號(hào)有助于檢測(cè)系統(tǒng)的線性特征。檢測(cè)系統(tǒng)的線性特征對(duì)有效糾正陣列和電子器件中的所有非一致性來(lái)源至關(guān)重要。
[0018]TFT光電二極管矩陣一般是逐行掃描，從上到下每次一行。TFT本質(zhì)上是開(kāi)關(guān)，當(dāng)一個(gè)正極電壓作用在一個(gè)閘門(mén)線上時(shí)，選擇行的(TFTs)開(kāi)關(guān)閉合，使它們導(dǎo)電，TFTs上的偏壓，選擇行的像素向數(shù)據(jù)線輸出儲(chǔ)存的信號(hào)電子；每個(gè)數(shù)據(jù)線末端是一個(gè)電荷積分放大器，將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓。
[0019]因廠商不同，電子線路不同，但都為一個(gè)可編程的增益階段和一個(gè)將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換器，掃描的一個(gè)重要作用是，即使在輸出像素的過(guò)程中，平板探測(cè)器不斷地收集整個(gè)關(guān)聯(lián)信號(hào)，沒(méi)有一個(gè)會(huì)丟失，平板探測(cè)器是一個(gè)積分探測(cè)器，每個(gè)像素的積分時(shí)間等于幀時(shí)間。
電子儀器可以被安裝于陣列的側(cè)面，X光束以外，以防被輻射損壞，就像在高能(MeV)應(yīng)用中那樣。但在診斷程序方面，為了能最全面的觀測(cè)，電子儀器也可以裝在陣列后面，用一個(gè)薄層的鉛保護(hù)起來(lái)。
[0020]當(dāng)非晶硅產(chǎn)生滿足要求的信號(hào)，它還不能做隨后信號(hào)的處理工作，所以，在玻璃邊緣陣列的每個(gè)行和列，需要通過(guò)TAB信號(hào)線和標(biāo)準(zhǔn)晶體硅芯片連接。
[0021]TAB橋接玻璃上的連接密度和典型電流板可處理的密度是，玻璃面的TAB包每100 μ m有128個(gè)通道，而電流板端TAB排線每400 μ m有40或者更少的通道。需要直接連到陣列的芯片、讀取芯片和驅(qū)動(dòng)芯片，都裝在TAB包里。
[0022]平板成像器最明顯的優(yōu)勢(shì)是尺寸和重量，一個(gè)12” X 16”有效區(qū)域的平板探測(cè)器，不到12”IIT體積的25%，不到16”ΙΙΤ體積的15%。另外，平板探測(cè)器不僅代替了圖像增強(qiáng)器，而且還包括附帶的影像記錄裝置，包括CXD攝像機(jī)、35_攝像機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)影視記錄設(shè)備。除了尺寸減小以外，平板成像器的重量是IIT成像系列的60%。傳統(tǒng)情況下，IIT 一邊的機(jī)械結(jié)構(gòu)是重的，使用平板，重的一面轉(zhuǎn)到了 X射線管，從而減少了所用機(jī)械結(jié)構(gòu)的體積和成本。
[0023]由于它的體積和重量，在可移動(dòng)探壁上安裝16” IIT是不切實(shí)際的，但是，在帶有平板成像器的探壁上可以實(shí)現(xiàn)很大的活動(dòng)范圍。
[0024]安在IIT的記錄裝置對(duì)平板探測(cè)器不是必須的，這是一種平板技術(shù)固有多模式容量的內(nèi)容。從電子學(xué)角度來(lái)看，陣列結(jié)構(gòu)和讀出與動(dòng)態(tài)隨機(jī)讀取內(nèi)存(DRAM)很相似，陣列中的存取部分僅是一定行和列的尋址問(wèn)題。
[0025]和動(dòng)態(tài)隨機(jī)讀取內(nèi)存相同，信號(hào)被存儲(chǔ)為一個(gè)點(diǎn)荷包，類多加一個(gè)像素的數(shù)據(jù)是將電荷包簡(jiǎn)單的結(jié)合起來(lái)，可以輕易做到將2x2像素領(lǐng)域讀取一個(gè)超像素，通過(guò)鄰近像素前置電荷積分放大器的信號(hào)結(jié)合實(shí)現(xiàn)。
[0026]像素綁定提供兩個(gè)有利條件，一是靈敏度，因?yàn)槌袼乜梢钥吹礁嗟腦射線光子，就有更高的信噪比(SNR) ;二是可獲得更高的幀率，通常平板最大的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率被限定為一個(gè)固定值，像素綁定可以減少總矩陣的大小，因此可以獲得更高的幀率，例如，一個(gè)30fpsl024X 1024成像器也可以讀取60fps或更高的512X512超像素。
[0027]平板成像器通常有三個(gè)模式:全場(chǎng)，7.5fps全分辨率，用于DSA (數(shù)字減影血管造影)，射線照相；全場(chǎng)，30fps—般分辨率，用于X射線透視，攝影；74場(chǎng)30fps全分辨率，用于X射線透視檢測(cè)縮放模式。因?yàn)檫@些模式被定為陣列的尋址，平板可在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)在兩種模式間轉(zhuǎn)換，而日常對(duì)X射線的使用會(huì)降低IIT圖像質(zhì)量，IIT的使用壽命相對(duì)較小，因此平板和相對(duì)大小的IIT相比更加經(jīng)濟(jì)。瓦里安檢測(cè)顯示，在相同的使用條件下，平板輔以服務(wù)壽命要大大高于IIT，在大多數(shù)有利條件下，平板完全可以達(dá)到設(shè)備使用壽命的要求。
[0028]除了提高了平板的形成因子和適應(yīng)性以外，還提高了圖像質(zhì)量。在IIT為基礎(chǔ)的成像中，在信號(hào)轉(zhuǎn)鏈中有很多步，每一步信號(hào)都會(huì)有損失和失真，例如IIT中的電子光學(xué)器件會(huì)受到磁場(chǎng)的影響；螺旋焊管的檢測(cè)，影像增強(qiáng)器在檢測(cè)管端時(shí)會(huì)受到很大的磁場(chǎng)影響，輸出磷光體的光學(xué)器件容易遭受強(qiáng)光的遮蓋，這是一種大范圍的色亮度干擾，結(jié)果是圖像在圖像直徑方向的幾何失真和亮度不一致。由于扭曲和亮度不一樣，IIT/CCD成像鏈容易遭受從邊緣到邊緣的對(duì)比度損失，這就是IIT應(yīng)用時(shí)要確定中心的原因。而平板探測(cè)器就不存在這方面的影響。作為對(duì)比，平板具有直接、簡(jiǎn)短的信號(hào)轉(zhuǎn)換路徑，沒(méi)有光學(xué)本質(zhì)的變化，結(jié)果是平板的圖像從邊緣到邊緣是平整一致的，類似于膠片的圖像。
[0029]平板探測(cè)器也具有很大成像動(dòng)態(tài)范圍。一個(gè)平板探測(cè)器可以覆蓋從低劑量熒光透視法到造影，通常模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs )在平板探測(cè)器里面有一個(gè)固定的輸入范圍，為了使信號(hào)適應(yīng)這個(gè)范圍，在數(shù)字化之前有一個(gè)模擬增益過(guò)程，高的增益適用于弱信號(hào)，可是損失每幀的最大劑量。由于能量和劑量有很不同的結(jié)果，乳腺X射線照相需要一個(gè)特殊的平板探測(cè)器。
[0030]平板成像具有很大的曝光范圍，這意味著事實(shí)上消除了由于曝光過(guò)量或不足原因引起的重新拍攝，大的動(dòng)態(tài)范圍也能使計(jì)算機(jī)層析照相(CT)應(yīng)用于從低劑量的透視水平到儀器的射線照相，例如血管照相平板在全分辨率模式下的信號(hào)響應(yīng)，劑量范圍從IuR到
1.2mR,尤其是非晶硅TFT/光電二極管技術(shù)，對(duì)進(jìn)入平板探測(cè)器劑量的影響是極端的線性的，成像響應(yīng)線性偏離小于0.01%。為了使對(duì)每個(gè)像素實(shí)時(shí)執(zhí)行偏離和增益校正容易進(jìn)行，這樣的線性程度是必須的，由于陣列中的每個(gè)像素有自身的增益值和零信號(hào)電平，沒(méi)有校準(zhǔn)的圖形是很大的非線性，如果成像響應(yīng)是非線性的，實(shí)時(shí)校準(zhǔn)像素的算法就很難處理。
[0031]對(duì)劑量的信噪比(SNR)行為是很重要的。如果電子噪聲足夠低，在X射線束中的噪聲帶來(lái)有害成像記錄，噪聲相對(duì)于X射線光子數(shù)量的平方根，也就是說(shuō)，X射線光子限制很大的范圍，這表明在這個(gè)劑量范圍，探測(cè)器可以有效控制圖像的噪聲。
[0032]一個(gè)成像系統(tǒng)靈敏度更準(zhǔn)確的方法是計(jì)算量子檢測(cè)效率(DQE)，DQE是空間頻率的函數(shù)，對(duì)于數(shù)字化的X射線，DQE等于輸出信噪比SNR的平方與輸入信噪比SNR的平方比值。如下所示:
【權(quán)利要求】
1.一種X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)，整套檢測(cè)系統(tǒng)主要由平板探測(cè)器，計(jì)算機(jī)及軟件組成，其特征在于，當(dāng)X射線穿過(guò)被檢測(cè)物體到達(dá)平板探測(cè)器時(shí)，平板探測(cè)器將X射線不可見(jiàn)光信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由計(jì)算機(jī)軟件處理成數(shù)字圖像顯示； 所述平板探測(cè)器的中間是一個(gè)非晶硅TFT/光電二極管排列，與這個(gè)陣列緊密結(jié)合在一起的是X射線閃爍體； 所述的平板探測(cè)器由一片附有薄層非晶硅的玻璃組成； 所述的閃爍體是由碘化銫組成；碘化銫是一種X射線吸收體，能把X射線轉(zhuǎn)化成可見(jiàn)光光子，然后進(jìn)入光電二極管陣列； 碘化銫和非晶硅這兩種材料的結(jié)合產(chǎn)生最高的量子檢測(cè)效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)，其特征在于，量子檢測(cè)效率是衡量成像器性能的尺度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)，其特征在于，非晶硅以極小的尺寸刻印成數(shù)百萬(wàn)晶體管，排列成高度有序的陣列，每個(gè)薄膜晶體管附著在高吸收性的光電二極管上，從而形成各個(gè)像素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)，其特征在于，可見(jiàn)光光子撞擊光電二極管，轉(zhuǎn)化成電荷的兩個(gè)載體，由于產(chǎn)生的電荷載體會(huì)隨著進(jìn)入的光子的強(qiáng)度變化而變化，電子圖像產(chǎn)生了，通過(guò)計(jì)算機(jī)迅速的讀取和解釋所產(chǎn)生數(shù)字圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)，其特征在于，所述平板探測(cè)器中的平板X射線成像器，是以大尺寸的以非晶硅薄膜晶體管陣列形式的固態(tài)集成電路為基礎(chǔ)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字平板成像檢測(cè)技術(shù)，其特征在于，平板成像幀速率在每秒1-2幀，抓圖時(shí)間在8秒-12秒。
【文檔編號(hào)】G01N23/04GK103837555SQ201410102370
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】王建華 申請(qǐng)人:煙臺(tái)華科檢測(cè)設(shè)備有限公司