刘 毅

新疆省生产建设兵团农六师医院放射科(831300)

X线双能量数字化平行板探测器的研究和设计

刘 毅

新疆省生产建设兵团农六师医院放射科(831300)

用硅光电池研究设计一种性能最优良,对 X射线也很灵敏的并经微电子技术大规模集成化制造,部分粘贴闪烁晶体、造出 x线双能量数字平行板探测器,配上相应计算机,并直接与传统 x线机组合的数字仪,可实行各种数字式的摄片和透视。

数字平行板探测器;双能量 X射线成像技术;高清晰数字成像

0 引言

X线数字成像仪的先进与否主要取决其探测器的性能:如 CR的 IP板、DR的平行板探测器 FPD(简称平板),LDRD的多丝正比室等,其次才是与计算机组合的软硬件配置,多丝正比室虽所测的剂量很低、但它和 IP板一样都缺乏时间分辨率,仅用于摄片。而平板其时间分辨率很高,可用于各种数字化的拍片和透视,有望代表 X线数字化成像的未来。

目前先进的平板[1],[5]有非晶硅 (a-Si)FPD、非晶硒 (a-Se)FPD两类,均由美国制造,因集成工艺复杂、其DR很昂贵,我国依赖进口,为此设计一种容易制造的“硅光电池X线平行板探测器”简称光电池式平板,其数字仪即“DR”,价格低、成像质量高,可直接与传统机配用,实施各种数字式的拍片和透视。

1 硅光电池式平板的设计

普通半导体光敏管对 X射线不敏感,经测试发现,有一种硅光电池对 X射线很敏感。该光电池由单晶硅或多晶硅晶圆片经微电子技术制造的大面积 PN结光电器件,制造技术已很成熟,它早已用在许多领域的光测量中。用 8"或 12"(1"=2.54cm)的晶圆片,几片拼接光刻光腐,矩形阵列为 2000×3016个光电池 pn结,即 像素 (微电子工艺:0.35μm-0.18μm,一致性为1%-3%)。每一个像素尺寸:120μm ×80μm,像素间距:80μm,经测试、修正、补偿、封装等,构成有效成像面积为 14"×17"的平板。在平板上横竖间隔式将光电池粘贴闪烁晶体如碘化铯等。闪烁晶体用透射线材料半球冠封闭,内面反光,激发的可见光只传向光电池,再将 0.38mm厚的面积与平板一样的铜皮钻孔覆盖其受光面,孔的大小与数量均与闪烁体相对一致,铜皮将不贴闪烁体的光电池遮挡、滤除低能射线、透过均匀的高能射线,闪烁体经孔直接探测极低能量的射线,即“双能量 x射线测量成像”技术[4]。如再提高成像质量而忽略成本,可将平板的光电池 1/3粘贴闪烁晶体经孔测量最低能射线,另 1/3也由孔直接测量,余下 1/3因铜皮遮挡只测量高能射线。三种形式横竖均匀依次分布,即为“多能量 X射线成像”技术,平板输出不同能量的 x线图像信号可用解析法或软件滤波法如小波变换处理等分离后再放大。像素间距用铅条填充隔离。

通过制造工艺将光电池 PN结的 N区做的极薄,使耗尽层增厚、充分电离,提高对各能量段射线的转换效率。为降噪、降剂量,还专门将平板采集系统的放大器改为抗干扰能力极强,放大倍数更高的线性光电耦合式功率放大器 (简称:光耦功放)。(自主专利技术)。

为降低实验成本,经专业设计在生产数码相机厂先订做仅能拍婴儿胸片 5"×5"9(几片拼接)的小平板,平板与影像工作站暂时连接。

小平板的测试:

(1)将平板 (屏蔽闭光)放在我院中型 C臂透视机下曝光测试,用 20cm厚的水模遮挡,选择最小曝光量 如 0.5mA、以管电压 40、60、80、100、120KV为一组、依次对平板和非晶硅平板各曝一组光,一个光电池经光耦放大、非晶硅平板的输出可在采集系统的放大器输出端测得、其电压值经电压保持、数字万用表读出,绘出坐标图,见图1。

(2)小平板和影像增强器分别都放上测试卡后透视曝光,平板和影像增强器输出的测试卡图像分别显示在工作站电视屏和 C臂机的电视屏上。

3 结果

因工艺该光电池的感光谱增宽:为 0.38-1.1μm,在 0.38μm段仍有≥40%的相对响应度,而该段为紫外线与 X射线的交汇处,所以它的灵敏度与转换效率都很高。

图1为以管电压变化为主的 X线曝光强度与光电池输出的短路电流 ISC在负载电阻 RL产生的电压USC和非晶硅平板输出经采集放大的电压 V线质关系坐标图。

图1 Usc与非晶硅平板输出电压 V线质关系Fig.1 Use the output voltage line and amorphous silicon flat-panel quality relationship

Q1Q2分别为非晶硅平板和光电池理想的输出直线,其灵敏度:Q2大于 Q1。它表明光耦放大器的线性放大精度和倍数均很高。

比较二者的测试卡图像的分辨率和清晰度可知,工作站测试卡可显示到 3.6-6LPmm。而 C臂机电视屏上测试卡仅显示到 1-2LPmm,故测试卡影像的清晰度以小平板为佳。

4 讨论

硅光电池在众多的光电器件中具备许多最优参数和性能,如性能十分稳定,重复性和频率特性很好,相互干扰小,响应迅速,无余辉及后滞、信号前沿陡,开关性好,光分辨率极高,动态范围大,而价格低廉。当 RL≤100Ω时、其输出的 ISC与入射的光强呈良好的线质关系、其个性为工作时无需加任何电源,光照时输出端直接产生电动势、即“光生伏特效应”,特别是基本无噪声、光疲劳现象和无需任何电源。另其它光电器件无法相比,这诸多优点用作成像指标、平板的成像性能有望优于非晶硅、非晶硒类平板。

4.1 成像原理简述

X线→人体→透射线→I C式平板 (6百万个光电池 pn结即像素 )光电转换→多路电子开关选择→光耦放大→低通滤波器→A/D转换序列脉冲→缓冲计数→计算机后处理 (格式 ST-CDMedicalV3.1)→重建高清晰数字图像→显示屏显示或打印照片。

4.1.1 灵敏度与转换效率

该光电池的 pn结经特殊加工后,使平板对射线更灵敏。由图1可知,0.5 mA,40KV:光电池经光耦放大输出 0.16V,而非晶硅平板仅在 60KV时在放大器测得 0.2V。该光电池的转换效率理论上可达 24%,其它光电器件的转换率小于 20%,而获诺贝尔奖的多丝正比室的转换率为 30%。

4.1.2 曝光剂量

为进一步降低曝光剂量平板输出还专门使用了超高倍数的光耦放大器,众所周知:光耦放大器具有常规放大器无法具备的性能:即极强的降噪和抗干扰能力,共模抑制比≥140分贝,将噪声和干扰完全抑制,放大倍数可达十几万倍以上,故平板的曝光剂量可降致很低[2]。20cm的水模其吸收值相当于胸部,仅用 0.01mAs、60K V,可输出 0.51V,图像信噪比以很高。40K V-120K V的曝光,I C式平板输出电压为 0.06V-2.1V。非晶硅平板拍胸片则需 2.7mAs、75kv的曝光。0.01mAs时、60K V-120K V的曝光输出电压仅为 0.2V-1.6V。非晶硅平板的 DR为扫描式曝光,虽散射线少,但曝光时间 (几秒)长,人体的辐射时间增加,累计损伤大,射线的利用率低,易引起影像模糊,球管负荷增加,因内部放大器间为阻容式或直接式耦合,无论电路怎样精良设计制造、通常共模抑制比≤120分贝,放大倍数仅达几万倍,平板所需的曝光剂量大。而本平板为大面积一次性短时间曝光。相对散射线大些,但对人体的累计损伤小,辐射损伤的意义主要指累计损伤。球管负荷小,影像清晰度高。

4.1.3 无噪声

光电池本身基本无噪声、又无电源的波动和干扰,光耦放大的同时将干扰和噪声隔离和抑制,多丝正比室为零背景噪声输出,而 IC平板可为接近零背景噪声输出,无噪声不存在噪声淹没信号,多能量 X射线成像的低密度高对比度的检测、可测出早期很接近背景密度的病变信号,此点与计算机辅助诊断(computer aideddetection,CAD)系统[3]结合最有意义,很精确的自动筛选出胸部和乳腺等不易被发现的早期结节灶和微钙化灶等。而进口平板工作时需加上千伏高压、存在电源波动和干扰、暗电流至少50pA,采集输出后也在μA级以上,低于μA级的电信号被淹没,实行 CAD效果相对欠佳。

4.1.4 高信噪比

该平板无噪声和光耦放大其信噪比较高。像素尺寸越小,信噪比越低,高信噪比的平板可再缩小像素尺寸,提高其分辨率,此点较进口平板有一定优势。

4.1.5 时间分辨率

平板光电池的 pn结面积较小,结电容小,响应速度可为几微秒,其开关信号前沿很陡,几乎无余辉和滞后,现代微电子工艺也可制造成超高速光电池,符合或小于透视生成每帧图像 33毫秒 (读取一个像素的信号所需时间为 10微秒 -15微秒)的要求,可以作到 25帧 -50帧 /秒,光电池的动态范围本身就很大,能用于数字透视 (FD)的平板,有望代替 IIT+光耦合器 +CCD摄像器件,实行各种数字透视。

4.1.6 稳定性、重复性和频率特性及温度特性

硅光电池性能很稳定,几乎无光疲劳现象,重复性也很好,因结电容小等、频率特性很好,其性质随环境温度变化不大,使用温度在 -55℃-+125℃,故对环境温度无要求。而非晶硅、非晶硒平板使用温度仅在 +10℃-+35℃,温度高了工作不稳定,低了晶体易冻坏,运输和使用需要恒温。

4.1.7 图像质量

光电池除上述优点外本身就有很高的光分辨率,像素间距用铅条填充隔离,避免散射线的干扰,闪烁体无杂光影响,空间分辨率可达 3.6IP/mm-6IP/mm,多能量 x线成像技术,使该平板必有很高的密度分辨率。摄影时可省去昂贵的滤线器,光电池的制造成本很低,组建的 DR造价也不会高。而非晶硒、非晶硅平板存在电源干扰和波动、像素间距未填充铅条和闪烁体未密封,必然有较多的 x散射线及晶体杂光的干扰,采集放大为阻容耦合,故噪声相对大,空间分辨率仅为 1IP/mm-3.5IP/mm,无多能量 x线探测技术。因高压装置和配专用机、其成本很高。

5 小结

因 I C式平板的电气参数本身就优于非晶硅,非晶硒的许多电气参数,其成像指标一定也优于非晶硅,非晶硒的平板,其 ICDR系统直接与原有摄影机组合、能产生高分辨率的图像,而造价却低,有望普及使用。IC式平板用途很广,有可能用作 CT机、C形臂、放疗仪等许多放射线测量仪器的探测器。

[1]腾洪岭.数字 x射线探测器 [J].中国医疗器械杂志,2001,24(4):234-236.

[2]康庆庙,等.低剂量数字化 x线系统的原理及结构[J].中国医疗器械杂志 ,2001,24(2):63-81.

[3]张碧云,等.计算机辅助检测系统对数字化胸片中肺结节诊断的应用价值 [J].中华放射学杂志,2005,39(10):1092-1094.

[4]王春燕,等.双能量 X射线成像技术[J].医疗设备信息,2001,(10):27-30.

[5]郭长云.平板式探测器和常规 x射线数字化成像未来[J].医疗设备信息,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

刘毅,E-mail:Liuyi561021@163.com

2011-03-01)