DR平板探测器技术

2.2 直接平板探测技术
• 应用 • 采用这一技术的有DRC，东芝，岛津， AnRad公司等。现在最著名的是美国 HOLOGIC公司研制和生产的（早期是 DUPONT公司开发研制的）非晶硒层TFT 探测板。
2.3 间接平板探测技术
• 间接能量转换平板探测器的结构由闪烁体或 荧光体层涂上有光电二极管作用的非晶硅层 (amorphous Silicon，a-Si) 再加TFT (Thin Film Transistor) 阵列构成。
DR平板探测器技术
• 主要内容 • 平板探测器的结构与原理
直接平板探测技术 间接平板探测技术 电荷耦合器件探测技术
• 平板探测器的主要参数
空间分辨率、对比度分辨率、像素尺寸、 DQE、 动态范围
• 屏/片、CR与DR系统的比较
一. 总述
• 与屏/片系统及CR系统相比，DR系统的核 心部件为平板探测器，它是一种将X线能量 直接转化为电信号，产生X线图像的检测 器。 • 它可被称为是放射学历史上最为重要的技 术突破之一。
平板探测器的主要参数
3.3 像素尺寸
• 增加了的空间分辨率又被因此带来的噪声 淹没，要弥补此问题就要增大X线曝光剂 量。这与X线影像技术的发展是相违背的。 因此要选择适当的像素尺寸，不能一味的 减小像素尺寸。
像素尺寸选择
平板探测器的主要参数
3.3 像素尺寸
• 通常情况下，平板探测器空间分辨率大多 在2．5~3．6lp／mm，对应于探测器像素 单元大小为139—200µm，像素矩阵介于 2000x2000-3000x3000之间。
平板探测器的主要参数
3.4 探测量子效率（ Detective Quantum Efficiency ，DQE） • 其定义为探测器输出影像的信噪比与输入 影像信噪比的比值
SNR2 at detector output DQE = SNR2 at detector input
平板探测器的主要参数
平板探测器的主要参数
3.4 探测Fra Baidu bibliotek子效率
• 控制噪声/提高DQE的方法：
– 高效的闪烁体与高象素填充因子 – 闪烁物与探测器间的有效连接 – 减低电子的噪音
平板探测器的主要参数
3.5 动态范围 • 动态范围是衡量探测器性能的一个关键指 标，是指探测器能够线性地探测出X线入射 剂量的变化，其最低剂量与最高剂量之 比。假如，DR探测器能线性地探测出剂量 变化最低值是1μGy，剂量低于1μGy时输 出都是0；能探测的最高值是10mGy，剂量 再高输出也是相同；那么两输入剂量高低 之比是1μGy：10mGy＝1：10000（即10 的4次方），为该探测器的动态范围。
DR
屏/片、CR与DR系统的比较
• 4.3 曝光剂量 屏/片 CR 由于影像接受部分技术限制，屏/片技 术所需的剂量是很大的。 与常规摄影剂量相比，在获得同样质量 图像的情况下所用理论X线计量要小于 前者。但是IP的潜影随时间的推移信号 在衰减，因此在小剂量曝光的情况下， 仍难获得满意的图像。 DR系统具有较高的曝光宽容度和量子 检测效率，故而曝光条件有所降低。相 比传统胸片剂量仅为常规剂量的1/4。
2.5 直接与间接转换技术的对比
（3）小结 从成像速度上看，非晶硒板比之非晶硒板 成像更加迅速。这一特点决定了用作透视 的平板探测器多采用间接转换技术。
三. 平板探测器的主要参数
平板探测器的主要参数
3.1 空间分辨率 • DR的空间分辨率指图 像空间范围内的解像 力或解像度，以能够 分辨清楚图像中黑白 相间线条的能力来表 示。黑白相间的线条 简称线对，一对黑白 相间的线条称之为一 个线对，分辨率的线 性表达单位是线对/毫 米（LP/mm）。
*参见黄邻彬、储晓阳、林盛才 DR 平板探测器的应用探讨
2.5 直接与间接转换技术的对比
（3）小结 从曝光剂量上看，非晶硅板具有较高的量 子检出效能，故而其曝光剂量比之同等条 件下的非晶硒板有明显降低，基本是后者 的1/2*。故而从剂量角度考虑，间接转换技 术更具优势。
*参见黄邻彬、储晓阳、林盛才 DR 平板探测器的应用探 讨
CR
DR
屏/片、CR与DR系统的比较
• 4.2 图像分辨力 屏/片 CR 屏片系统的空间分辨率十分出色，可 达到4.0 LP/mm。 X线散射与光散射降低了图像的分辨 率。与屏/片系统比较，CR系统空间分 辨率有时稍显不足；与DR系统相比， CR系统主要不足是时间分辨率较差， 不能满足动态器官和结构的显示。 DR系统不存在光学模糊，其空间分辨 率比CR系统出色，接近屏/片；密度分 辨率也高于CR系统。
2.5 直接与间接转换技术的对比
（2）直接转换技术 • 以硒作为光电导体可以直接将光信号转换 为电信号，避免散射的发生。 • 相对于间接转换技术，直接转换对X线吸收 率低，在低剂量条件下图像质量不能很好 保证。且硒对温度较敏感，使用条件受到 限制。
2.5 直接与间接转换技术的对比
（3）小结 从空间分辨率上看，非晶硒板比非晶硅板 表现出更好的分辨性能。根据实测数据显 示*，直接转换技术的分辨率平均可达到 3.8Lp/mm，而间接转换的平均分辨率在 3.0Lp/mm左右。
• 探测元阵列层 • 入射的X线在闪烁晶体层被转化成为可见光 后，再由光电二极管矩阵转换成电信号。
2.3 间接平板探测技术
• X光会产生散射，从而对图像质量有较大的 影响。
2.3 间接平板探测技术
“松针”状闪烁晶体材料
6 µm Needle diameter
2.3 间接平板探测技术
• “松针”状闪烁晶体材料种植在非晶硅上。
DR
屏/片、CR与DR系统的比较
• 4.4 工作效率 屏/片
传统方式摄影后须将胶片进行显影、定影 等一系列冲洗过程，全程需几分钟时间， 且每张胶片只能利用一次，效率较低。 CR系统中，IP曝光后需拿到激光扫描仪读 出，整个过程有多个步骤，相对DR系统 时间较长。和传统屏/片相比，工作时间提 高并不显著，但IP可重复使用，应用效率 大大提高。 DR系统在曝光完毕后，只需经过几秒到 十几秒的时间即可看到数字图像。
2.2 直接平板探测技术
• 像素矩阵（探测元阵列） • TFT每个象素具有电荷接收电极，信号储存 电容及信号传输器，通过数据网线与扫描 电路连接。最后由读出电路读取数字信号 并还原成影像。
2.2 直接平板探测技术
• 像素矩阵（探测元阵列） • 场效应管（FET）的开关作用。 • 像素信号逐一按顺序读出、放大，送到A/D 转换器。
平板探测器的主要参数
3.1 空间分辨率
• 空间分辨率受很多因素的影响与制约。 • 像素大小也是影响空间分辨率的重要因素 之一。
平板探测器的主要参数
3.1 空间分辨率
• 探测器元件的尺寸和距离仅仅为我们提供 了系统的最大空间分辨率，由于光的散射 或电荷的扩散，探测器的有效空间分辨率 会有所损失，但对于直接转换探测器，有 效空间分辨率接近最大空间分辨率。
光吸收
产生电子-空穴
Read Out Electronics
转化数字信号
Digital Data
2.3 间接平板探测技术
• 荧光材料层 • 多利用CsI闪烁体。通常由高原子序数的物 质组成，对X线有高的吸收能力。 • CSI与非晶硅的结合是具有最高的DQE(量 子测量效率)值的材料。
2.3 间接平板探测技术
2.3 间接平板探测技术
• 应用 • 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和GE公司等，而采用GdSO+aSi+TFT有Canon和瓦里安公司等。
2.4 电荷耦合器件探测技术
• 碘化铯 ( CsI ) / 硫氧化钆 ( Gd2O2S ) + 透 镜 / 光导纤维 + CCD / CMOS
四. 屏/片、CR与DR系统的比较
屏/片、CR与DR系统的比较
• 4.1 成像原理 屏/片 带有患者信息的X线入射到胶片上，通 过显影、定影、水洗和干燥等过程最终 形成不可后期处理的模拟影像。 它是一种X线间接转换技术。利用IP作 为X线检测器，利用其核心层光激励发 光物质的特性将光信号进行采集与转 换，输出可后处理的数字影像。 它是一种X线直接转换技术。利用特殊 结构直接把X线光子转化成电信号并输 出数字影像。
CR
DR
谢
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平板探测器的主要参数
3.2 对比度分辨率 • 图像对比度性能主要反映了系统捕获和显 示物体真是反差的能力。
平板探测器的主要参数
3.3 像素尺寸 • 在探测器面积一定的条件下为了增加空间 分辨率，可以减小像素尺寸，降低单位像 素面积，增加像素密度。 • 但是单位像素的面积越小，会使像素有效 因子减少，像素的感光性能越低，信噪比 降低，动态范围变窄。因此这种减小像素 尺寸的方法不可能无限制地增大分辨率， 相反会引起图像质量的恶化。
• X线转换单元 • 应用非晶硒(a—Se)为光电材料将X线转换 成电子信号。当X线照射非晶硒层时，入射 的 X 射线光子在硒层中产生电子空穴对并 形成电流。
2.2 直接平板探测技术
• 像素矩阵（探测元阵列） • 用薄膜晶体管(TFT)技术在一玻璃基层上组 装几百万个探测元的阵列，每个探测元包 括一个电容和一个TFT，且对应图像的一个 象素。
3.4 探测量子效率
• DQE是一种对成像系统的信号和噪声从输 入到输出的传输能力的表达。 • DQE数值越大，表示所采集影像信噪比损 失越小，即视频链对噪声的贡献越小。
平板探测器的主要参数
3.4 探测量子效率
• DQE与探测器的感光材料、结构和工艺有 关，其中也与像素大小密切关联。图像噪 声与每个像素单元接收的有效光子数成反 比，一般说像素尺寸大，像素内所包含的 光子数增加，会降低图像噪声，提高检测 灵敏度和DQE
碘化铯-非晶硅平板探测器结构
2.3 间接平板探测技术
• 它利用荧光物质（碘化铯）将X线转化为可 见光，在由光电采集电路转换成图像电荷 信号。
Photons
Cesium Iodide (CsI) Light
吸收X线 发射可见光
探测器
Amorphous Silicon Panel (Photodiode/Transistor Array) Electrons
2.2 直接平板探测技术
这种探测器的结构主要由非晶硒层 ( Amorphous Selenium，a-Se ) 加薄膜晶 体管阵列 ( Thin Film Transistor array， TFT ) 构成。它将X线能量直接转变成数字 信号。
非晶硒平板探测器结构
基本像素单元（探测元）示意图
2.2 直接平板探测技术
2.5 直接与间接转换技术的对比
（1）间接转换技术 • CsI闪烁体层由于晶体结构的关系，在传递 信号的同时不可避免的有光散射的发生， 吸收率有所下降，对图像质量略有影响但 并不严重。 • 间接转换具有较高的量子检测效能，可在 较低剂量X线曝光情况下获得高质量的图 像。 • 另外其成像速很快，透视及时间减影等领 域，增大了X线的使用范围。
二. 平板探测器的结构与原理
2.1 平板探测器的种类
• 根据探测器技术（X线转换方式）的不同， 可主要分为以下三种。分别为： （1）直接平板探测技术 （非晶硒）； （2）间接平板探测技术 （非晶硅+碘化 铯）； （3）电荷耦合器件探测器，即CCD转换平板 探测器（X线闪烁体+CCD二极管陈列）；