平板探测器的原理及应用

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。
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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 MTF
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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
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CCD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
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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。
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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。
S out DQE= S in
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N out N in
2
2
量子探测效率-DQE
另一种计算方法：
– 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）
• 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
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平板探测器的种类 • 直接能量转换形
– 非晶态硒（Amorphous Selenium，a-Se）
• 间接能量转换形
– 非晶态硅（Amorphous Selenium，a-Si+碘 化铯(CsI) /硫氧化钆(gá)( GdOS/Gd2O2S) – CCD
线阵扫描探测器
• 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
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平板探测器
平板探测器的应用
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平板探测器的典型结构
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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
• 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
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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。
• 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
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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
快速R/F切换 0.5s 像素深度 14bit
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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）
③
+ TFT阵列
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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
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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
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直接型-非晶态硒
• 美国Hologic公司
Direct Ray产品指标
成像范围 像素数量
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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
（Thin Film Transistor array， TFT）
• 尺寸数十厘米
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非晶硒型成像原理
X射线
• 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。
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。
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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
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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
平板探测器的原理及应用
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主要内容
• • • • • 平板探测器Baidu Nhomakorabea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
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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。
硫氧化钆 碘化铯 非晶硅 响应
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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
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CCD探测器
• 反射式
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CCD探测器
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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。
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各种DR探测器的比较
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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。
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间接型-闪烁体
2种闪烁体的光谱特性和非晶硅的响应特性
• 直射式
闪烁体一般为碘化铯
光学透镜 CCD芯片
• 光纤式
闪烁体一般为碘化铯 光学纤维 CCD芯片
CCD尺寸小，一般为3-5cm2
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CCD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
类型 DQE MTF 灵敏度 记忆效应
非晶硒
碘化铯 非晶硅 氧化钆 非晶硅
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低
高 低
高
略低 低
低
高 高
有
无 无
谢谢！
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像素尺寸
• 日本岛津公司
Sonialvision Snfire指标
成像范围 像素数量
像素尺寸 空间分辨率
35cm x43cm 3560x3072
139μm
43cm x43cm 2880x2880
150μm 3.3Lp/mm
空间分辨率 3.6Lp/mm
成像时间 曝光周期
像素深度
5-7s 30s
14bit
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调制传递函数（MTF）
• 一种便于理解的MTF的图解方法
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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
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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5～6 S
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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（Detector temperature coefficient)
X射线 闪烁体层
非晶硅阵列
列驱动板
集成电路读出板
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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
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间接型-闪烁体：硫氧化钆
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其他参数
• 记忆效应(memory effect)
– 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-term memory effect 20s) 如：0.1% • 一次曝光60S后记忆效应(Short-term memory effect 60s) 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
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其他参数 • 线性(Linearity) • 最大的线性剂量(X-ray maximum linear dose)：
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平板探测器的主要参数
• DQE --- Detective Quantum Efficiency 量子探测效率 • SR --- Spatial Resolution 空间分辨率 • MTF --- Modulation Transfer Function 调制传递函数 • S /N --- Signal to Noise ratio 信噪比