非晶硅平板探测器bate(参考文献)
非晶硅X射线平板探测器
非晶硅X射线平板探测器是一种以非晶硅光电二极管阵列为核心的X射线影像探测器。在X射线照射下探测器的闪烁体或荧光体层将X射线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的非晶硅阵列变为图像电信号，通过外围电路检出及A/D变换，从而获得数字化图像。由于其经历了Ｘ射线－可见光－电荷图像－数字图像的成像过程，通常也被称作间接转换型平板探测器。非晶硅平板探测器具有成像速度快，良好的空间及密度分辨率，高信噪比，直接数字输出等优点。从而被广泛的应用于各种数字化Ｘ射线成像装置。本节将从：非晶硅平板探测器基本结构及成像原理；探测器图像预处理；探测器品质参数三个方面对其加以介绍。
1：非晶硅平板探测器基本结构及成像原理
平板探测器
图1：非晶硅平板探测器结构示意图非晶硅平板探测器基本结构如图1所示，由碘化铯闪烁体层，非晶硅光电二极管阵列，行驱动电路以及图像信号读取电路四部分构成。
非晶硅平板X射线探测器成像的基本过程为：
a：位于探测器顶层的碘化铯闪烁晶体将入射的X射线图像转换为可见光图像，b：位于碘化铯层下的非晶硅光电二极管阵列将可见光图像转换为电荷图像
每一像素电荷量的变化与入射X射线的强弱成正比，同时该阵列还将空间上连续的X射线图像转换为一定数量的行和列构成的点阵式图像。点阵的密度决定了图
像的空间分辨率
c ：在中央时序控制器的统一控制下，居于行方向的行驱动电路与居于列方向的读取电路将电荷信号逐行取出，转换为串行脉冲序列并量化为数字信号。获取的数字信号经通信接口电路传送至图像处理器从而形成X 射线数字图像
以上为较为典型的非晶硅平板X 射线探测器工作过程，实际应用中还有其它的探测器形式。如用X 射线荧光体取代闪烁体，以非晶硅薄膜晶体管阵列取代二极管阵列来构造探测器，但其基本结构及成像过程与上述典型探测器是一致的。
下面将以典型探测器为例详细介绍构成探测器各部分的工作原理，结构特征及其主要的性能参数同时还将涉及对不同形式的探测器性能对比的内容
1．1碘化铯闪烁晶体(Cesium Iodide scintillator)
图2：针状碘化铯晶体层显微照片
探测器所采用的闪烁体材料由连续排列的针状碘化铯晶体构成，针柱的直径约6微米，外表面由重元素铊包裹以形成可见光波导减少漫射。出于防潮的需要闪烁体层生长在薄铝板上，应用时铝板位于X 射线的入射方向同时还可起到光波导反射端面的作用。闪烁体层的厚度为500至600微米,通常将碘化铯晶体的这种针状结构称作CsI:T1闪烁体。
1．1．1碘化铯晶体的X 射线吸收特性(X-ray absorption)
图3：不同能量X射线的CsI与Se吸收系数对比
由上图可见SCIX射线吸收系数是X射线能量的函数，随着X射线能量的增高材料的吸收系数逐渐降低，材料厚度增加吸收系数升高；在常规诊断X射线能量范围内CsI材料具有优于Se材料及其他X射线荧光体材料的吸收性能。从理论上讲增加材料的厚度可提高材料的吸收系数，但增加材料的厚度会导致图像分辨率的降低。图中给出的厚度为探测器设计中通常采用的典型厚度
1．1．2碘化铯晶体的发射光谱特性(Spectral of CsI light emission)
图4：CsI发射光谱与a-Si光电二极管量子效率谱匹配特性
由图4可见CsI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。
碘化铯晶体以上两方面特性使得该材料具有良好的X射线---电荷转换特性（单个DN5 X射线光子可产生800-1000个光电子）
1．1．3结构化碘化铯晶体(CsI：T1)的空间频率响应
图5：500μM层厚结构化碘化铯晶体CsI：T1与粉末状增感屏MTF对比
线性系统的空间频率响应通常采用系统的调制传递函数来（MTF）表示，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，出于提高MTF的需要应采用尽量薄的X射线转换层；但降低转换层的厚度又会带来X射线吸收效率的降低。这是在转换材料的选择和设计上需要平衡的一对矛盾，因此人们通常选用稀有重元素的化合物作为制备X 射线闪烁体的材料，另一方面人们还从改变晶体结构着手来改善空间频率响应特性。结构化碘化铯晶体CsI：T1正是这一指导思想下提出的一个较好的解决方案。其具体方法是：通过创造适宜的条件使CsI：T1材料晶体沿着垂直于基底的方向生长，成为相互独立的直径仅为几微米的柱状晶体，晶体的长度可达毫米量级，从而形成类光纤结构。入射X射线激发闪烁晶体产生可见光，其中小于波导全反射角的部分将沿着波导的方向直达探测器表面；大于全反射角的部分将通过在临近晶体表面的多次反射最终进入全反射角而到达探测器表面。因此与粉末状闪烁
体屏相比此种结构对于层厚的依赖大为降低，具有较好的空间频率响应特性。
当然，结构化碘化铯晶体CsI：T1的光波导特性并不意味着可以无限制的增加闪烁体的厚度，其它的限制性因素也需要加以考虑,如：视差效应（X射线入射角应小于由象素大小/转换层厚度决定的角度）等。
1．2非晶硅光电二极管阵列(Amorphous Silicon diode array) 探测器结构中由非晶硅光电二极管阵列完成可见光图像向电荷图像转换的过程，同时还实现了连续图像的点阵化采样。作为探测器的核心其性能特征是决定探测器成像质量的关键因素
1．2．1非晶硅光电二极管阵列基本结构
图6：非晶硅光电二极管阵列及像素放大照片
典型探测器的阵列结构如图6所示：由间距为143μm的非晶硅光电二极管按行列矩阵式排列，17’*17’的探测器阵列由3000行乘3000列共900万个像元构成，根据临床应用要求的不同也可采用不同的像元尺寸以及不同的阵列大小。
图6右边的照片为单个像元的放大照片，每一像元由具有光敏性的非晶硅光电二极管及不能感光的开关二极管，行驱动线和列读出线构成。位于同一行所有像元的行驱动线相连，位于同一列所有像元的列读出线相连，则构成了探测器矩阵的总线系统。
1．2．2探测器像元基本结构
图7：探测器像元等效电原理图
每一像元由负极相连的一个光电二极管和一个开关二极管对构成，通常将这种结构称作双二极管结构（2XD）。也有采用光电二极管——晶体管对构造探测器像元的结构形式。为了以示区别通常将采用前一种结构的探测器阵列称作TFD阵列而后一种则称作TFT阵列
1．2．3TFD的电性能及工作原理
双二极管结构（2XD）大大简化了阵列的制造工艺同时也具有良好的电性能，开关二极管SD为20μm*20μm的PIN二极管具有良好的电流开关特性（44mA/cm*时不大于5nS）因而具有读出速度快的优点，反向漏电流(Leakage current)为10nA/cm*,-4v；NIP光电二极管的反向漏电流为1nA/cm*,-4v；光量子效率为550nm 时 >80%；感光区域填充系数（Fill-factors）（感光区域面积占像元总面积的百分比）为70%；光电二极管结电容及分布电容约为1.9pF。以上的电性能参数说明
TFD阵列具有较高的光量子效率及读出效率满足大规模图像阵列的需要。
图8：TFD阵列等效电原理及工作时序
双二极管结构（2XD）工作基本流程如下：
a：在像素读出期间被选中的行驱动线产生一个相对与列电位的负脉冲（VP2），这时开关二极管SD导通将光电二极管电容充电
b：行驱动脉冲结束后则两只二极管均处于反偏状态，电容将维持在充电状态c：当有X射线照射时，其产生的光电荷将电容放电
d：下一次行驱动脉冲（下一个VP2）到来时将再次对光电二极管电容冲电。充电电荷的数量与光电荷的数量相对应
探测器通过检出每一像元的充电电荷量而获取图像信息
由于光电二极管电容不可能被完全充电的机制会导致惰性和弱信号时线性变差，因此在实际的探测器工作时序中增加了预置脉冲（preset pulse）VP1和背景可见光复位(optical reset)过程，以改善探测器性能。
1．3探测器外围电路
探测器的外围电路由：时序控制器，行驱动电路，读出电路，A/D转换电路，通信及控制电路组成。在时序控制器的统一指挥下行驱动将像元的电荷逐行检出，读出电路由专用低功耗CMOS模拟集成电路构成，该芯片集成了120路读出放大器及120对1多路开关，将并行的列脉冲信号转换为串行脉冲信号。一个具有3000
列的图像矩阵需要25个读出单元，而这些单元均采用柔性电路布置于探测器板上并通过导电膜与背面的主电路板相连。主电路板上包含的A/D转换电路将脉冲信号转换为14BIT数字信号，并通过数字接口发送到图像处理器。
1．4探测器系统接口
a：图像数据光纤接口：图像数据被编码为160Mbits/S串行数据流通过光电转换器发送给数据光纤。900万像素图像矩阵的读出时间为 1.2秒，图像采集循环的典型时间间隔为5秒
b：双向通讯接口：波特率为9600的RS-232C通讯接口用于控制及状态信息的传输
c：5VDC，24VDC探测器工作电源
3：探测器性能参数(Detector Performances) 3．1调制传递函数MTF(Modulation transfer function)
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
图：非晶硅探测器MTF
3．2噪声功率谱 (Noise spectrum)
对于平板探测器图像系统来说，系统的噪声水平是影响最终成像质量的关键因素，因此对探测器噪声及其相关因素的分析和控制，亦成为探测器设计及质量评价的重要指标。
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
b：X射线图像量子噪声
在普通X射线摄影条件下，电子学噪声要远小于量子噪声。在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。
3．3量子检测效率DQE（DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY）
探测器的ＤＱＥ被定义为输出信噪比的平方与输入信噪比的平方之比通常用百分数来表示。用以表征探测器对于图像信噪比的传递性能
图：CsIDQE示意图
3．4探测器的其它品质因素
3．4．1灵敏度（Sensitivity）
非晶硅探测器的灵敏度由四个方面的因素决定：X射线吸收率，X射线－可见光转换系数，填充系数和光电二极管可见光－电子转换系数。
通常用X射线灵敏度S表示。
如可标注某探测器X射线灵敏度S为：S～1000e-/nGy/pel DN-5 Beam
表示该探测器在标准DN-5 X射线下每nGy在单个像素上产生的电荷数为1000个。由于X射线灵敏度S与线质有关通常同时给出线质标准如：DN-5 Beam
3．4．2线性(Linearity)
探测器的线性通常用以下几个参数来表示
最大的线性剂量(X-ray maximum linear dose@DN5)：表示探测器可达到线性度要求的剂量范围上限（与线质有关 DN5）
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，通常包含微分非线性度（Linearity-differential-FT），积分非线性度(Linearity-integral-FT），空间非线性度(Linearity-spatial-FT）三个参数
3．4．3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后探测器短期记忆效应(Short-term memory effect 20s) 如：0.1% 一次曝光60S后探测器短期记忆效应(Short-term memory effect 60s) 如：0.02% 需要注意的是此处的数值是在正常曝光条件下，如出现过曝光情形则大于此数值
3．4．4探测器图像获取时间
由探测器预备时间，曝光等待时间，曝光窗口，图像读出时间四部分构成。
对于非晶硅探测器典型值为2.8S左右
实际的应用中由于图像的处理和显示均需占用一定的时间，因此实际图像获取时间为5～6S
3．4．5探测器的温度稳定性（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)，通常用此参数来衡量探测器的温度特性。如：标定某探测器温度系数为－０.1%/K。对于固体探测器图像系统而言通常会设计温度漂移校正的功能（Offsetting correction）。采用在图像处理中扣除漂移因子的方法来保持图像输出的稳定。
直接数字成像系统图像校正简介
本节将对探测器成像系统固有缺陷，校正的基本原理，方法等加以介绍。
探测器成像系统固有缺陷
由于直接数字成像系统以大规模固体探测器阵列为图像获取部件，因此不可避免的会遇到坏点（defect point），漂移(offset)，空间非均匀性，非线性响应等固体探测器阵列固有的缺陷，如何对上述缺陷加以恰当的修正成为直接数字成像系统设计中一项十分重要的问题。
探测器坏点：直接数字成像探测器以其像元对于X射线的线性响应为成像基础，如果某一像元对X射线的照射不响应或响应不良（存在明显的非线性）则称其为坏点（defect point）。一个直接数字成像探测器通常由数百万个像元构成，要制造一个不存在任何坏点的探测器几乎是不可能的，出于成本的考虑允许探测器存在一定数量的坏点可以使成品率大幅度提高，通常可以根据不同探测器的物理特性及图像质量要求来确定坏点的接收准则，在使用过程中探测器还会产生新的坏点。探测器坏点按其几何形状可分为点状分布坏点（包含单点，双点，多点），线状分布坏点（单线，双线），以及区域面状分布坏点。这些坏点可由转换层的缺陷，二极管阵列单元损坏或行列驱动线及放大器损坏引起，有的探测器由于采用了多板拼接工艺也会存在拼接工艺线，此类工艺线也纳入线状坏点的范畴。对于每一具体的探测器类型而言制造商均制定了针对不同坏点类型的详细的接收规范规定每种坏点的数量，分布及位置关系作为探测器合格与否的判断依据。
探测器图像的空间非均匀性：造成探测器成像不均匀的原因主要有以下三个方面的原因
1）虽然在线性曝光剂量范围内探测器单个像元的X射线响应是线性的但不同像元的X射线响应系数并不完全一致，从而导致图像不均匀。
2）行驱动电路，读取放大器，A/D转换器等外围电路的不一致导致的图像不均匀。
3）入射X射线本身固有的空间分布不均匀性导致的图像不均匀。
这几类非均匀性尽管在图像上的表现不同但都属系统性的不均匀，在一定的限度内可以通过软件处理来加以校正，对于由噪声，电磁干扰等随机因素引起的图像
不均匀则是不可以校正的。
探测器的漂移：影响探测器工作的环境因素随时间的变化如温度，湿度，气压，电磁环境等会导致探测器的输出的变化，这些变化称为探测器的漂移
探测器图像的漂移校正及空间非均匀性校正
漂移校正及空间非均匀性校正基于以下的原理：
1）曝光后所获得的探测器输出P
r o w =P
x
+P
o f f s e t.
; P
o f f s e t
为曝光时所采集图像中暗
电荷引起的像元值，P
x
为由X射线照射所引起的实际像元值及有用像元信
息值。固P
x = P
r o w
-P
o f f s e t，
而式中的P
o f f s e t
在图像采集时是没法直接得到，
由于P
o f f s e t
由外界环境变化所导致因而是渐变的，它可以用曝光前采集的暗
图像像元值P‘
o f f s e t
来近似。因此实际的曝光图像可用曝光后和曝光前所采集的两幅图像相减来获得。
2）基于在应用范围内探测器像元的响应是线性的特性，Px
n =A
n
X,A
n
为该像元的
转换系数。由于不同的像元A
n 不完全相同，所以Px
n
并不能代表像元处入
射X射线的真实大小。因此还需求出各像元的A
n 来加以修正。A
n
可以用标
准剂量的均匀X射线曝光采集来获得及A
n =P
N g a i n
/X
g a i n
。P
N g a i n
为在标准Xgain
剂量下所采集的参考图像。通过应用参考图像的修正，最终可获得入射X 射线所包含的真实信息。由于A
n
在探测器的工作过程中是长期保持稳定的，因此仅需定期采集参考图像即可。
综上所述可以采用以下的计算方法来完成漂移校正及空间非均匀性校正。
P
n =C(P
N r o w
–P
N r a w o f f s e t
)/(P
N g a i n
-P
N g a i n o f f s e t
)
P
n
:校正后最终像元值
P
N r o w
:曝光后采集获得的像元值
P
N r o w o f f s e t
:曝光前的暗像元值
P
N g a i n
:参考图像曝光采集值
P
N g a i n o f f s e t
:参考图像曝光前所采集的暗像元值
Ｃ为一个常数通常可通过设定标准剂量下图像目标亮度值来确定。
采用以上的校正方法逐点校正整幅图像即可获得稳定的反映入射Ｘ射线真实信息的数字化图像。
探测器坏点校正
探测器坏点的标定：由于探测器坏点指哪些对Ｘ射线不响应或响应不良的点，因此可以采用标准参考均匀Ｘ射线Ｘdefect下采集以检出对Ｘ射线不响应的坏点，然后分别在２Ｘdefect及4Xdefect剂量下曝光采集以检出响应不线性的坏点；
由于经过漂移校正及空间非均匀性校正后获得的均匀剂量下的图像Ｐ应呈现以平为期望值，标准差为δ的正态分布。对于分布在nδ之外的像元则标定均亮度Ｐ
为坏点，n的取值通常为２～４之间，由设计者选定。通过以上的步骤即可获得标定了所有坏点位置的坏点图（defect map）.
探测器坏点的校正：坏点校正工作在完成漂移校正及空间非均匀性校正后进行。坏点校正的基本方法为采用临近像素插值法进行修正，但必须考虑该点周围像元的状况（临近有无其他坏点）选用不同的插值算法，通常由设计者根据探测器制造商提供的接收准则及自身试验结果来设计，在此不详细介绍。在探测器坏点校正中有以下几个方面的因素需要加以关注：
图：坏点信号可以被相邻点捕捉
１）探测器ＭＴＦ越高则坏点校正的伪影越严重，因为ＭＴＦ越高临近像元包含本像元的信息越少（信息的点扩散函数），极端情况下坏点位置的图像信息将完全丢失不能由临近像元插值获得。因此应根据探测器ＭＴＦ来制定插值方案。
２）应根据像元密度梯度来调整插值的权重，每一坏点周围有８个临近像元（16个次临近像元）存在４个梯度方向（水平，垂直，左斜，右斜），对于密度梯度较小的方向可给予较高的权重或者仅采用此方向插值，可减小插值
带来的伪影。
３）设定插值算法的限定条件，对于不能满足条件的坏点则放弃插值（如临近坏点太多）。以避免因插值带来的信息错误。
经过漂移校正，空间非均匀性校正，坏点校正可获得稳定，完整，正确地反映入射Ｘ射线信息的数字图像，这种图像被称为洁净图像（clean imagine），可用于图像存储及表达。获得洁净图像的过程通常称为图像的预处理。
综上所述通过图像预处理可以校正直接数字成像系统固有的系统性缺陷从而达到改善成像效果的目的。实际上成像系统的漂游，不均匀，坏点并非数字成像带来的新问题，传统的模拟成像也存在类似的问题如：增感屏损伤，不均匀，增强器疵点，洗片造成的密度不稳定，畸变等等，模拟方式下没有很好的解决手段。而在数字成像条件下则可采用数字处理的方法加以修正，这也可算是数字化所带来的一种进步。
数字化对于图像质量评价的影响
随着数字X射线探测器技术及数字图像处理技术的快速发展，X射线放射影像数字化已成为趋势。各种数字影像设备已广泛的应用于临床检查及诊断。本文将从医用X射线的获取及表达的角度来探讨数字化对于图像质量评价的影响，1：X射线数字图像形成的基本过程
不论采用何种技术路线（数字或是模拟），X射线成像的实质都是利用X射线可以穿透人体的能力来获取人体内部结构信息，并且以可见的方式表达出来。从而达到疾病检查与诊断的目的。因此任何的医用X射线数字成像技术均包含了图像信息的产生，获取和表达三个过程。
图1：X射线数字图像形成的基本过程
数字化对于成像过程的影响
1）：在图像获取的过程中增加了取样及量化的环节。尽管不同的设备所采用的X 射线影像探测器形式各不相同，如：II+CCD数字摄相机；IP板+CR扫描仪；多丝正比电离室；非晶Se平板探测器；非晶Si平板探测器等。但其基本的数字图像获取过程是相同的。都经历了：X光——电信号——采样——量化的过程，将空间上及密度上连续的X射线图像信息转换为离散的数字信息，以满足图像存储及处理的需要。而正是这种取样及量化的过程给X射线图像质量评价引入了新的内容，这一点在本文的后面将加以讨论。
2）：由于数字信息可以方便的进行存储及再现，使得图像信息的获取与表达可以成为完全独立的两个环节，图像后处理技术提升了图像信息表达的能力。
2：数字图像后处理对于图像质量的影响
数字图像后处理对于图像质量的影响主要来源于它对图像表达效果的提升。作为灰度图像，传统的X射线图像主要利用灰阶的变化来表现图像的细节，所以图像的对比度及细节分辨率一直作为图像质量评价的两个主要因素。并且将成像各环节对这两个因素的影响作为对成像环节品质评价的重要依据。成像系统的调制传递函数（MTF）就成为了最重要的系统指标。随着数字图像后处理技术的发展，这种观点已逐渐发生了变化。这主要是因为：在传统的X射线成像过程中图像的细节对比度以不可逆转的方式下降，这种下降是影响图像信息获取的主要障碍。而在数字图像系统中图像的后处理可以通过适当的算法来提升图像的对比度及边缘锐利程度，从而达到改善图像效果的目的。同时数字图像处理还使得利用图像的轮廓线条来表达图像信息成为可能。
图2：图像后处理对图像细节对比度提升示意图
数字图像后处理改善细节对比度的方法
随着高速数字图像处理的发展，数字图像后处理现已可同时应用图像的灰度域和空间频率域变换来改善图像的表达效果
图像的灰度域处理：
利用图像的窗宽/窗位调整；非线性变换以及局部对比度优化等技术使得图像的输出更适合人的观察，从而使图像信息充分的表现出来。通常将人眼观察曲线；输出设备特性曲线（如：显示器，激光相机等）以及感兴趣区密度分布等整合为图像目标输出曲线来实现表达优化。
图像的空间频域处理
如：图像边缘增强，空间频谱优化等技术（边缘增强是一种高通空间频率滤波方式）。其技术实质为通过构造特定的空间频率滤波器，使得系统的空间频率响应优化到适合观察的形式。
图3：空间频率优化示意图
图4：图像后处理对图像显示效果的改善
总之图像后处理可以明显提升图像系统的信息表达能力，改善图像感官质量对系统图像质量的提高起着重要的作用。但图像后处理并不能逆转成像过程中图像信息劣化的趋势，因此图像系统中图像处理的作用并非是决定性的，如何提高图像信息获取的能力仍然是提高成像质量的关键。
3：图像的点阵化采样对于图像质量的影响
在数字图像系统中经常采用图像点阵的大小（一定的视野下）表示图像的分辨率，实际上起决定作用的是像元的大小及像元间距。通常将像元间距的倒数对应的空间频率称作图像探测器的采样频率fs，根据采样定律 fs/2=fn fn为探测器的赖奎斯特频率。对数字图像系统而言人们通常利用fn来表示图像系统的极限分辨率。将由0~fn所构成的频率范围称作系统频率窗口。当然由于数字图像是二维图像所以系统的频率坐标及Fs,Fn都应是二维的，为了便于分析和计算工程上通常采用一维简化模型（大多数情况下这种简化是有效的）。
图5：探测器一维简化模型及采样频率
其中 b为像元长度 a 为像元间距 fn=1/2a fs=1/a
设S0=1 则S1=Sinc(πb/a);更高阶影响可以省略。
根据采样理论，探测器点阵模型对成像的影响主要表现在以下三个方面
1）：像元的扩散函数为空间频率响应系统函数的一个部分。
MTFpix=Sinc(πfb)
2）：采样频率对于图像的调制效应
S1取决于探测器的填充系数且通常并不为0，所以对于图像信息中频率f 高于fn的部分将由于受到S1的调制而出现在频率（fs-f）处，由f>fn,fs=2fn;
则fs-f 3）：相位修正函数 对于实际的成像过程仅仅引入MTFpix来修正系统空间频率响应是不充分的，这是因为实际的图像信号在位置上存在从-a/2~+a/2不同相位差的可能，为了消除其影响，可以用空间频率为f的信号在所有相位的平均值来表示。 在频域中相当于将表示信号频谱的矢量围绕频率轴旋转一个角度。当信号相对于像元从-a/2移动到+a/2时，将信号频谱的矢量在实频率轴方向的分量相互叠加。而得到相位修正因子MTFphase MTFphase=Sinc(πfa) 以上三种效应在后面对于系统品质因素的讨论中将会得到应用。 数字图像系统品质因素 作为对数字图像系统品质因素的讨论应包含对成像全过程的分析，但由于在图像信息产生环节数字图像系统与传统模拟成像并无区别此处不再赘述；而图像信息表达的环节，在前文中讨论图像后处理时已有所涉及，同时由于此环节以图像表达为目标，对于图像感观质量的要求涉及对于临床要求的准确翻译。难于进行量化的分析。固此处仅围绕图像获取环节对图像探测器的品质因素加以分析 探测器调制传递函数（MTF） 图1：探测器MTF 作为表征探测器对比度空间频率响应的系统函数，探测器MTF由成像链每一环节的转移函数共同决定，下面将以一个典型的具有X光—可见光转换环节的探测器为例来介绍系统函数的分析方法及其对成像质量的影响。 假定该探测器具有闪烁晶体X射线转换层，转换层的调制传递函数为MTF c o n v ，这一函数由转换层本身的材料及结构决定。 该探测器阵列由边长为b的矩形感光像元构成，像元间距为a，为了便于进行采样分析假定该矩阵是连续无边界的（实际情况下除探测器边缘的少数像元外前面的假设是成立的）为了便于计算,仅采用一维简化模型，事实上上述探测器具有相同的垂直及水平方向MTF。 当仅考虑转换层的影响时 MTF（f）=MTF c o n v (f) 当引入像元扩散函数时 MTF(f) = MTF p i x MTF c o n v (f)MTF p i x =Sinc(πfb) 通常将此时的MTF称作采样前MTF（MTF presam ple）实际应用中通常用来表 示探测器的空间频率响应 当引入探测器采样相位修正函数时，得出的传函被称为有效传递函数MTF e f f MTF e f f (f) =MTF p r e s a m p l e (f)*MTF p h a s e MTF p h a s e (f)=Sinc( πfa) MTF e f f 较为接近实际对比度空间频率转移函数，通常可以用于不同类型探测 器的性能比较。从理论上讲探测器MTF越高越能真实地获得图像信息，完美的探测器MTF应为与空间频率无关的水平直线，但实际上由于采样效应的存在,这种观点并不完全正确，这一点在后面关于探测器伪影及噪声的分析中将得到体现。由像元间距为a，则采样频率为 fs=1/a，同时fn=1/2a被称为探测器的赖奎斯特（Nyquist）频率，根据采样理论图像将被采样频率f s调制，此时图像信息中f>f n的部分会出现在空间频率f s-f上。如空间频率F=1.8FN的信息会出现在频率 F‘=0.2FN处，MTF值为12%。通常可将上述现象称为探测器的采样伪影，对于探测器成像是有害的。由此可见探测器的MTF值并非越高越好，尤其是在大于f n 的 区域MTF值越高越不利。理想的MTF应在小于f n 的区域具有较高的值,在大于f n 的区域为0，但在实际情况中是不可能作到的。因此如何选择适当的MTF分布是在探测器分析中需要仔细考虑的问题。 噪声功率谱与空间频率响应 对于数字图像系统来说，系统的噪声水平是影响最终成像质量的关键因素，因此对探测器噪声及其相关因素的分析和控制，亦成为系统设计及质量评价的重要指标。 探测器的噪声主要来源于两个方面： a：探测器电子学噪声 b：X射线图像量子噪声 图3噪声功率谱的空间频率响应 DR平板探测器分类介绍 从1995年RSNA上推出第一台平板探测器（Flat Panel Detector）设备以来，随着近年平板探测技术取得飞跃性的发展，在平板探测器的研发和生产过程中，平板探测技术可分为直接和间接两类。 （一）间接能量转换 间接FPD的结构主要是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非晶硅层(amorphous Silicon，a-Si)再加TFT阵列构成。其原理为闪烁体或荧光体层经X射线曝光后，将X射线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号，最后获得数字图像。在间接FPD的图像采集中，由于有转换为可见光的过程，因此会有光的散射问题，从而导致图像的空间分辨率极对比度解析能力的降低。换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+a-Si+TFT有Canon和瓦里安公司等。 1、碘化铯( CsI ) + a-Si + TFT ：当有X 射线入射到CsI 闪烁发光晶体层时，X 射线光子能量转化为可见光光子发射,可见光激发光电二极管产生电流, 这电流就在光电二极管自身的电容上积分形成储存电荷. 每个象素的储存电荷量和与之对应范围内的入射X 射线光子能量与数量成正比。发展此类技术的有法国Trixell 公司解像度143um2 探测器( SIEMENS、Philips、汤姆逊合资) 、美国GE 解像度200um2 探测器( 收购的EG & G 公司) 等。其原理见右图。Trixell公司（目前有西门子、飞利浦、万东、上医厂、长青、泛太平洋等厂家使用，成本约9.5万美金）用的是Csl柱状晶体结构的闪烁体涂层，此种结构可以减少可见光的闪射，但由于工艺复杂难以生成大面积平板，所以采用四块小板拼接成17″×17″大块平板，拼接处图像由软件弥补。GE、佳能（佳能、东芝、岛津使用）的平板是使用Csl或Gd2O2S:Tb涂层，因不是柱状晶体结构，所以能量损失较Trixell 严重。 2、硫氧化钆( Gd2O2S ) + a-Si + TFT ：利用増感屏材料硫氧化钆( Gd2O2S ) 来完成X 射线光子至可见光的转换过程。发展此类技术的公司有美国瓦里安公司、*** Canon 公司解像度160um2 探测器等。此类材料制造的TFT 平板探测器成像快速、成本较低，但一般灰阶动态范围较低（12 bit 以下），与其它高阶14 bit产品图像诊断质量相比较为不足。 3、碘化铯( CsI ) / 硫氧化钆( Gd2O2S ) + 透镜/ 光导纤维+ CCD / CMOS ：X射线先通过闪烁体或荧光体构成的可见光转换屏，将X射线光子变为可见光图像，而后通过透镜或光导纤维将可见光图像送至光学系统，由CCD采集转换为图像电信号。发展此技术的ssRay、Wuestec、新医科技等公司。其原理可见右图。新医科技的CCD DR为2K×2K，12Bit图像输出，无论在图像上还是在价格上均是取代CR的最佳产品。 4、CsI ( Gd2O2S ) + CMOS ：此类技术受制于间接能量转换空间分辨率较差的缺点，虽利用大量低解像度CMOS 探头组成大面积矩阵，尚无法有效与TFT 平板优势竞争。发展此类技术的公司有CaresBuilt、Tradix公司等。 （二）直接能量转换 直接FPD的结构主要是由非晶硒层(amorphous Selemium，a-Se)加薄膜半导体阵列(Thin Film DR平板探测器参数解释 1.调制传递函数（MTF） MTF的涵义:就是描述系统再现成像物体空间频率范围的能力，理想的成像系统要求100%再现成像物体细节，但现实中肯定存在不同程度的衰减，所以MTF始终<1，它说明成像系统不能把输入的影像全部再现出来，换句话说，凡是经过成像系统所获得的图像都不同程度损失了影像的对比度。MTF值越大，成像系统再现成像物体细节能力越强。系统的MTF是必须要测定的。要评价数字X线摄影系统的固有成像质量，必须计算出不受主观影响的、系统所固有的预采样MTF 2.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l毫米（LPlmm）。在单位宽度范围内能够分辨清楚线对数越多，表示图像空间分辨率越高。图像分辨率可用分辨率测试卡直接测出。但空间分辨率的提高不是无限的，其与探测器对X线光子的检测灵敏度、动态范围信噪比等有密切关系。厂商在DR宣传材料中标注的分辨率很多都是根据像素大小计算出来的而不是临床上真正关心的系统分辨率。但在实际临床X线成像过程中影响分辨率的因素有很多；例如X线焦点、SID （胶片距）、患者运动、曝光时间、探测器感光灵敏度、像素大小、计算机图像处理、显示器性能等。系统中的每一个子系统发生变化都会影响整个系统的分辨率（所谓”木桶效应“）。尤其要注意的是监视器分辨率，DR系统探测器本身的分辨率一般高于系统所配监视器的分辨率。目前临床所用最高档CRT型和LCD型显示器显示像素为2K×2.5K。这些监视器都是当作选件卖的，而DR系统本身所带监视器都为128O×1O24或1600×1200的普通计算机用监视器。从提高工作效率讲，屏读电子闯片是发展方向。所以在追求高分辨率的时候不要忘记监视器这一环。 3．X线照射剂量和影像噪声 在实际的成像条件下、噪声将始终干扰目标的检测。任何影像系统的图像上噪声都是由成像系统自身的本征噪声和二线量子噪声构成。系统本征噪声与探测器温度有关。一般来说是个常量，二线量子噪声与二线曝光剂量成反比，曝光剂量低，表现出的噪声大，当曝光剂量低到一定程度二线量子噪声将表现为主要成分。评价照射剂量和影像噪声最好的指标是探测器的DQE，其定义为探测器输出影像的信噪比与输人影像信噪比的比值，该数值越大，表示所采集影像信噪比损失越小。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。 在探测器面积一定的条件下为了增加空间分辨率。只好减小像素尺寸、降低单位像素面积、增加像素密度。我们知道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，最终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。因此单有高的空间分辨率并不意味着更高的发现病变的能力。 4．影像动态范围和对比分辨率 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 CCD探测器 CCD探测器产品特点 1) 反射式单CCD,大面阵设计像素矩阵4K×4K,1700万像素,极限空间分辨率可达到4、6lp/mm。 2) 17×17英寸成像面积,完全满足临床检查需要。 3) CCD防X射线辐射设计,图像质量长期可靠一致,使用成本大幅降低。 主要技术参数 有效视野:17英寸x17英寸/ 17英寸x14英寸像素填充系数:100% 像素矩阵:4kx4k,3kx3k像素尺寸:108um /140um 电源要求:220V AC 10A 50Hz 一、电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices),简称CCD。 CCD的最基本单元MOS电容器就是构成CCD的最基本单元就是,它就是金属—氧化物—半导体(MOS)器件中结构最为简单的。 CCD原理: 1、信号电荷的产生:CCD工作过程的第一步就是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出,依据的就是半导体的内光电效应(也就就是光生伏特效应)。 2、信号电荷的存储:CCD工作过程的第二步就是信号电荷的收集,就就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。 3、信号电荷的传输(耦合):CCD工作过程的第三步就是信号电荷包的转移,就就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元,直到全部电荷包输出完成的过程。 图示为CCD成像区的一小部分(几个像素)。图像区中这个图案就是重复的。 4、信号电荷的检测:CCD工作过程的第四步就是电荷的检测,就就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。 输出类型主要有以下三种:;1)电流输出;2)浮置栅放大器输出;3)浮置扩散放大器输出。 测量过程由复位开始,复位会把前一个电荷包的电荷清除掉。 电荷输送到相加阱。此时,V out 就是参考电平。在这个期间,外部电路测量参考电平。 二、CCD的基本原理 1、CCD的工作过程示意图 6828医用磁共振设备 分类编号：6828-01 管理类别：Ⅲ类 品名举例：永磁型磁共振成像系统、常导型磁共振成像系统、超导型磁共振成像系统分类名称：医用磁共振成像设备(MRI) 医用磁共振设备是一种利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激发后产生信号，用探测器检测并输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像的医学影像设备。 优点：具有非射线成像、无创、无害；可以创建轴面图像、矢状面图像、冠状面图像或者中间任何角度的图像，而无需患者移动分毫；在心血管和脑脊髓成像时无需注入对比剂，安全、无痛苦，同时可作功能分析等优点。 缺点：价格昂贵、费时，尚难满足广泛应用；空间分辨率不及CT；不适于某些急危病人；装有心脏起搏器的病人不能应用，以免引起起搏器失灵，造成生命危险。 6830医用X射线设备 分类编号：6830-04 & 管理类别：Ⅲ类 品名举例：X射线头部CT机、全身CT机、螺旋CT机、螺旋扇扫CT机 分类名称：X射线计算机断层摄影设备（CT） CT(Computed Tomography)，即电子计算机断层扫描，它是利用精确准直的X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描，具有扫描时间快，图像清晰等特点，可用于多种疾病的检查；根据所采用的射线不同可分为：X射线CT（X-CT）以及γ射线CT（γ-CT)等。 优点：CT诊断由于它的特殊诊断价值，已广泛应用于临床。而且随着工艺水平、计算机技术的发展，CT得到了飞速的发展。多排螺旋CT投入实用的机型已经发展到了320排，同时各个厂家也在研究更先进的平板CT。CT与PET相结合的产物PET/CT在临床上得到普遍运用，特别是在肿瘤的诊断上更是具有很高的应用价值。 缺点：CT设备比较昂贵，检查费用偏高，某些部位的检查，诊断价值，尤其是定性诊断，还有一定限度，所以不宜将CT检查视为常规诊断手段，应在了解其优势的基础上，合理的选择应用。此外，CT诊断辐射剂量较普通X线机大，故怀孕妇女不宜进行CT检查。 6870软件 分类编号： 管理类别：Ⅱ类 品名举例：CR/DR 、病理图像分析系统、显微分析系统、红外热象处理、数字化超声工 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910192143.X (22)申请日 2019.03.14 (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路800号 (72)发明人 杨志 刘一剑 陈辛未 周志华 苏言杰 胡南滔 张亚非 (74)专利代理机构 上海智晟知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 31313 代理人 陆黎明 (51)Int.Cl. H01L 27/146(2006.01) H01L 27/12(2006.01) (54)发明名称一种X射线平板探测器及其制作方法(57)摘要本发明提供了一种X射线平板探测器及其制作方法。X射线平板探测器包括TFT背板、传感光电二极管矩阵面板、栅驱动信号电路系统、传感信号读取电路系统、图像信号处理电路系统以及其他的外围功能电路等部分。其中TFT背板是整个系统的重要部分，TFT可实现开关信号通道的功能。本发明的特别之处在于，在TFT背板中引入了多晶硅TFT技术，由于多晶硅TFT的沟道材料具有较大的电子迁移率，可有效提高TFT的开关速率，进而提高X射线平板探测器的数据读取速率，使平板探测器更加适合高速连续拍照的应用场合，有效提高了X射线平板探测器的性能，减少了 鬼影和拖尾的现象。权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 109920809 A 2019.06.21 C N 109920809 A 权 利 要 求 书1/1页CN 109920809 A 1.一种X射线平板探测器，其特征在于，包括TFT背板、传感光电二极管矩阵面板、栅驱动信号电路系统、传感信号读取电路系统、图像信号处理电路系统以及外围功能电路，其中所述TFT背板采用包含多晶硅薄膜材料的TFT背板。 2.如权利要求1所述的一种X射线平板探测器，其特征在于，所述多晶硅薄膜材料的多晶硅晶化率在30～95％之间。 3.如权利要求1所述的一种X射线平板探测器，其特征在于，所述多晶硅薄膜材料的迁移率范围为10～200cm2/(V·s)。 4.如权利要求1所述的一种X射线平板探测器，其特征在于，所述TFT背板的开关器件为多晶硅薄膜晶体管，所述TFT背板还包含有传感器信号数据导线、TFT栅极信号扫描导线和偏置电压导线。 5.如权利要求4所述的一种X射线平板探测器，其特征在于，所述多晶硅薄膜晶体管的沟道长度在1～100μm之间，所述多晶硅薄膜材料的厚度在10nm～5μm之间。 6.如权利要求4所述的一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，所述开关器件的沟道层薄膜材料是直接沉积的多晶硅薄膜材料。 7.如权利要求6所述的一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，所述多晶硅薄膜材料由低温工艺制得，所述低温工艺的温度范围是20～450℃。 8.如权利要求6所述的一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，所述多晶硅薄膜材料由高温工艺制得，所述高温工艺的温度范围是450～900℃。 9.如权利要求4所述的一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，所述开关器件的沟道层薄膜材料是在沉积的非晶硅薄膜材料的基础上，进行多晶化技术处理后得到的多晶硅薄膜材料。 10.如权利要求9所述的一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，所述多晶硅薄膜使用的多晶化技术包含快速热退火技术、金属诱导晶化技术以及激光晶化技术的一种或多种的组合使用。 2 进入电子片盒时代的DR平板探测器 影像技术学教授曹厚德（文本上传已征得曹教授同意） 探测器是DR摄影系统中的关键部件，其制造技术自然为核心技术。上世纪90年代起，我国的制造业已具备一定的基础，且知识产权意识也进一步加强，在引进技术的同时，开始注重自主研发。进入21世纪，一批海归精英相聚一起，开始着手进行平板探测器的自主研发与生产。 一历史回眸 上世纪八十年代中后期，在一次与国外专家的学术交流中，一位外国专家介绍了他以“电子片盒（Electronic Cassette）”命名的平板探测器研究成果。当时笔者对这位专家的成果非常钦佩，但对其名称持不同观点。分歧在于当时的平板探测器既有“辫子”（电源输入线）又有“尾巴”（信号输出线），因此其使用方便程度肯定与传统的片盒不同。经过热烈的讨论后形成的共识是：电子片盒是平板探测器的发展方向。时至今日，电子片盒的愿景已实现，回顾其发展历程，不无借鉴。 自从X线进入临床应用的近百年历史中，增感屏—胶片—片盒“三位一体”的模式一直是图像记录的主要技术方法。20世纪80年代，CR登堂入室使X线摄影从此进入数字化时代。但是，X线摄影的纪录介质（X线胶片、增感屏、CR成像板）的外形尺寸都依旧遵循ISO-4090标准。时至今日，X线机的片盒承载盘（cassette tray）尺寸符合ISO-4090标准的X线机仍在世界范围的发展中国家/地区大量生产和销售。平板探测器DR问世后，在其发展进程中，可兼容传统X线机片盒承载盘及无线传输的特点成为业界关注的热点，因为此时的DR已与传统的片盒、CR成像板的技术方式接近。但是尚若干主要技术瓶颈有待克服，导致这种平板探测器仍然无法像片盒一样可以随意在任何X线机和任何条件下操作。 二实施电子暗盒的技术瓶颈及克服 （一）.体积的小型化 由于集成电路技术水平的限制，平板探测器的信号读出和处理的电路系统，还需较大的体积和比较严苛的散热条件，导致当时所有的平板探测器都无法按照ISO-4090的标准设计尺寸。 进入21世纪之后，电子技术的发展带来模拟前端芯片的逐渐小型化和高度集成化，可编程逻辑阵列（FPGA）之类的技术也开始在消费电子，汽车电子等领域应用，促进将电子设备的尺寸逐渐缩小。相同的故事也发生在放射影像领域，首次将平板探测器的尺寸缩小到片盒尺寸。 （二）.曝射的自动同步控制 DR技术由于薄膜晶体管（TFT）结构在没有X线照射的情况下仍然会积累暗电流因而造成图像伪影，所以DR探测器需随时和高压发生器沟通曝射的顺序，以保证X线产生之前暗电流被清除干净。这种工作机制导致平板探测器一直需要一根通讯线和高压发生器之间在曝射时序上握手，限制了一块平板只能在一台特定x线机上使用，无法像片盒一样自由移动。 克服此瓶颈的第一个突破口出现在2012年，“一种数字摄影自动曝光控制装置及控制方法”的专利在中国提交并在2013年获得公示，首次在有线探测器上应用这种无需曝射同步的探测器技术开始在不少国际厂家逐步采用类似的技术并形成了一个等效的名词：AED(automatic exposure detection)。这是我国科技工作者在此领域作出的重大贡献。目前平板探测器主流的技术有两类，①中心区域受照射可触发采集；②全幅面受照射可触发采集,。这种全幅面触发的AED技术适合在儿科、四肢等专科领域应用，在照射野偏离平板中心的情况下特别适用。 （三）.内置wifi传输 平板探测器知识 （一）在数字化摄片中，X线能量转换成电信号是通过平板探测器来实现的，所以平板探测器的特性会对DR图像质量产生比较大的影响。选择DR必然要考虑到平板探测器的选择。平板探测器的性能指标会对图像产生很大的影响，医院也应当根据实际需要选择适合自己的平板探测器。 DR平板探测器可以分为两种：非晶硒平板探测器和非晶硅平板探测器，从能量转换的方式来看，前者属于直接转换平板探测器，后者属于间接转换平板探测器。 非晶硒平板探测器主要由非晶硒层TFT构成。入射的X射线使硒层产生电子空穴对，在外加偏压电场作用下，电子和空穴对向相反的方向移动形成电流，电流在薄膜晶体管中形成储存电荷。每一个晶体管的储存电荷量对应于入射X 射线的剂量，通过读出电路可以知道每一点的电荷量，进而知道每点的X线剂量。由于非晶硒不产生可见光，没有散射线的影响，因此可以获得比较高的空间分辨率。 非晶硅平板探测器由碘化铯等闪烁晶体涂层与薄膜晶体管或电荷耦合器件 或互补型金属氧化物半导体构成它的工作过程一般分为两步，首先闪烁晶体涂层将X线的能量转换成可见光；其次TFT或者CCD，或CMOS将可见光转换成电信号。由于在这过程中可见光会发生散射，对空间分辨率产生一定的影响。虽然新工艺中将闪烁体加工成柱状以提高对X线的利用及降低散射，但散射光对空间分辨率的影响不能完全消除。 ? 不同平板探测器的比较 评价平板探测器成像质量的性能指标主要有两个：量子探测效率和空间分辨率。DQE决定了平板探测器对不同组织密度差异的分辨能力；而空间分辨率决定了对组织细微结构的分辨能力。考察DQE和空间分辨率可以评估平板探测器的成像能力。 （1）影响平板探测器DQE的因素 在非晶硅平板探测器中，影响DQE的因素主要有两个方面：闪烁体的涂层和将可见光转换成电信号的晶体管。 首先闪烁体涂层的材料和工艺影响了X线转换成可见光的能力，因此对DQE 会产生影响。目前常见的闪烁体涂层材料有两种：碘化铯和硫氧化钆。碘化铯将X线转换成可见光的能力比硫氧化钆强但成本比较高；将碘化铯加工成柱状结构，可以进一步提高捕获X线的能力，并减少散射光。使用硫氧化钆做涂层的探测器成像速度快，性能稳定，成本较低，但是转换效率不如碘化铯涂层高。 其次将闪烁体产生的可见光转换成电信号的方式也会对DQE产生影响。在碘化铯(或者硫氧化钆)+薄膜晶体管(TFT)这种结构的平板探测器中，由于TFT的阵列可以做成与闪烁体涂层的面积一样大，因此可见光不需要经过透镜折射就可以投射到TFT上，中间没有可以光子损失，因此DQE也比较高；在碘化铯+CCD(或者CMOS)这种结构的平板探测器中，由于CCD(或者CMOS)的面积不能做到与闪烁体涂层一样大，所以需要经过光学系统折射、反射后才能将全 2要求 2.1图像质量及成像性能 2.1.1线对分辨率 在70 kV的条件下，标称有效成像区域下的线对分辨率： a)无衰减体模的情况下应不小于3.7 lp/mm。 b)有衰减体模（纯度大于99.5%的20 mm厚的铝）情况下应不小于3.7 lp/mm。 2.1.2低对比度分辨率 在85 kV、探测器表面的空气比释动能不低于2.1.10中最大线性剂量的50%的条件下，低对比度分辨率的最小值应不大于0.0035。 2.1.3影像均匀性 在70 kV、1.8 mSID、探测器中央区域表面空气比释动能为2.1.10中最大线性剂量的20% 的条件下，影像规定采样点灰度值的标准差R 与灰度值均值V m 之比不应大于2.2%。 R ≤2.2% ????????????????????????????????????????????????????????????????????（1） V m 式中： R ——灰度值标准差； V m ——灰度值均值。 2.1.4残影 在最短曝光间隔为16 s的条件下，无可见残影存在。 2.1.5伪影 无可见伪影存在。 2.1.6调制传递函数（MTF） 在RQA5条件下在空间频率为1.0 lp/mm、2.0 lp/mm上的MTF数值分别为0.58、0.3，偏差均不超过-0.04。 2.1.7量子探测效率（DQE） 在RQA5、10 μGy剂量条件下在空间频率为0、0.5 lp/mm、1.0 lp/mm、1.5 lp/mm、2.0 lp/mm、2.5 lp/mm、3.0 lp/mm、3.5 lp/mm上的DQE数值分别为0.7、0.53、0.43、0.36、0.32、0.27、0.21、0.14，偏差均不超过-0.06。 2020年数字化X射线平板探测器企业发展战略规划 2020年6月 目录 一、公司发展战略 (3) 二、已采取的措施及实施效果 (4) 1、以研发为动力，推动技术创新，驱动业务发展 (4) 2、以质量为标杆，严控生产过程，打造良好口碑 (5) 3、以市场为导向，响应市场需求，拓展应用领域 (5) 三、未来规划采取的措施 (6) 1、进一步完善公司治理和规范运作水平 (6) 2、强化生产管理，扩大生产能力 (6) 3、保持研发创新投入，强化产品质量管理 (6) 4、加强团队建设，拓展市场空间 (7) 5、充分发挥募集资金和资本平台的作用 (7) 一、公司发展战略 公司自成立以来便专注于自主创新和技术研发。未来，公司将继续以技术开发和产品创新为导向，追求卓越，致力于不断向全球客户提供高性能、低剂量的数字化X射线影像系统核心部件产品，通过运用公司掌握的技术和产品开发优势革新医疗影像诊断技术，力争成为具有国际竞争力的数字化X射线影像系统核心部件及解决方案供应商，为社会创造更多的价值。 短期而言，公司将紧跟市场动态，充分挖掘客户需求，加快对高技术含量、高附加值产品型号的市场布局，并进一步优化生产工艺，严控产品质量，依托高性能的产品和高质量的客户服务进一步扩大市场份额，培养客户粘性，实现效益增长。 长期来看，公司将围绕自身技术优势和研发积累，结合行业发展趋势，保持对产品和技术的研发创新，不断进行改进升级，继续对现有医疗和非医疗领域内的产品进行深度开发。在医疗领域，公司将继续丰富现有产品系列，助力常用放射影像设备的全面数字化和国内放射影像设备核心部件的全面国产化，使得基层医疗机构得以具备提供先进医疗影像诊断服务的能力；在非医疗领域，针对工业应用能量范围广、使用环境要求变化大、生产流水线运行速度快等特点，公司将进一步开发专用于工业领域的平板探测器，并开发高度符合安检用途特性的平板探测器产品，使得安检更加高效、轻便化、无线化。 此外，在扩充现有平板探测器产品系列覆盖领域的基础上，公司 1、非晶硅平板探测器 序号技术规格技术参数 1 非晶硅平板探测器（1个） 1.1 类型非晶硅平板探测器 14″×17″（34.6cm×42 cm）（卡1.2 有效探测区域 槽式） 1.3 闪烁体碘化铯Csl 1.4 像素矩阵≧2304*2800 1.5 像素尺寸≦150μm 1.6 模拟数字装换≧14bits 1.7 空间分辨率≧3.3lp /mm 384*460*15.8mm（升级过程中不对原1.8 结构尺寸 有X光机有任何改动） 1.9 探测器存储温度≧- 40°C 到 + 60°C 1.10 探测器存储湿度≧10-70% 1.11 X线自动触发控制Sync-Shot 1.12 自动曝光控制T-AEC 1.13 抗震性高震动承受性 1.14 数据通信Gigabit Ethernet 1.15 外壳材料碳纤维和铝 1.16 功耗80VA 1.17 重量≦3.3kg 2 DROC图像采集工作站硬件（1套） 2.1 中央处理器（CPU）Inter酷睿i3以上处理器2.2 硬盘容量≧1TB 2.3 内存容量≧4GB 2.4 采集工作站显示器尺寸≧21英寸显示器 2.5 独立显卡显存≧2GB 2.5 运行软件环境操作系统：兼容Windows XP Professional；Windows7；Windows8系统系列；控制及影像采集软件 3 软件功能特点 3.1 配备最新版本的专业DR处理软件、病人资料处理、图象显示及图像传输等功能 3.2 图象优化：检测优化曲线表，图像自动最优化 3.3 图像处理：自动/手动窗宽窗位调节，图像放大缩小、图像旋转和镜 像，图像正负像翻转，进行各种测量和标注，图像裁剪和恢复等 3.4 影像预览、显示及基本后处理 3.5 DICOM3.0接口，具备完全基于DICOM3.0标准的图像获取、传输、刻录、打印、存储等功能 3.6 多种的DICOM胶片打印，并支持分隔打印3.7 具有内置登记功能；Worklist 功能 3.8 能与科室现有PACS/RIS系统进行无缝连接,协助医院完成接入PACS/RIS 系统 4 数字X射线成像系统与X射线高压发生器互相独立，不能有物理连接 5 保修期二年 航天中兴平板探测器通过SFDA注册北京航天中兴医疗系统有限公司与韩国SEHYUN公司合作制造的17*17英寸平板探测器及其软件2010年11月通过了SFDA 认证。该平板探测器采用非晶硅碘化铯整板结构，像素尺寸为143微米，系统空间分辨率达到每毫米3.7线对。为了避免放大器电路受射线照射损坏，采用铅板进行整板保护，所以平板探测器重12公斤、厚4厘米。公司技术负责人介绍说，这样做的目的是保证平板探测器的长寿命。 航天中兴平板探测器特点如下： （1）性能稳定、长寿命技术：试验板经历了高低温、振动、国内及德国和美国的运输振动各种环境例行试验。试验板在历时3个月的寿命实验中，共计曝光照射3万次（试验条件100kv、20mAs），试验中没有对探测器进行校正，各项技术指标无明显 变化。 （2）快速的采集时间:采用1Gbps的网络传输速度，全部数据采集时间仅为0.97秒，图像成像时间不到3秒。 （3）软件兼容PACS和RIS，采用DICOM3.0标准。 （4）满足临床诊断要求的功能软件：在航天中兴worker3.0版本基础上增加平板探测器有关部分内容，该软件已经经历12年国内外医院大量使用验证。 （5）控制盒 A. LED 指示灯表示探测器状态 （A1: 电源(绿) / A2: 待发(绿) / A3: 探测器待发 (黄) / A4: 暴光 (红)） B. X-光触发 / 曝光 LED 按键 C. 电源接口 : 220V D. 手闸和网路接口(适用于多探测器) E. 电源和X-光激活接口 (D-sub 25 针) F. X-光激活信号接口 (8针) G. X-光准备和暴光手闸接口 (6针) H. DC 针接口: 24V (2针) (6)电缆和接口 A. AC 电源线和DC 插针: 24V (2针) B. 以太网线 C. X X-光准备和暴光手闸接口(6针) （一）在数字化摄片中，X线能量转换成电信号是通过平板探测器来实现的，所以平板探测器的特性会对DR图像质量产生比较大的影响。选择DR必然要考虑到平板探测器的选择。平板探测器的性能指标会对图像产生很大的影响，医院也应当根据实际需要选择适合自己的平板探测器。 DR平板探测器可以分为两种：非晶硒平板探测器和非晶硅平板探测器，从能量转换的方式来看，前者属于直接转换平板探测器，后者属于间接转换平板探测器。 非晶硒平板探测器主要由非晶硒层TFT构成。入射的X射线使硒层产生电子空穴对，在外加偏压电场作用下，电子和空穴对向相反的方向移动形成电流，电流在薄膜晶体管中形成储存电荷。每一个晶体管的储存电荷量对应于入射X射线的剂量，通过读出电路可以知道每一点的电荷量，进而知道每点的X线剂量。由于非晶硒不产生可见光，没有散射线的影响，因此可以获得比较高的空间分辨率。 非晶硅平板探测器由碘化铯等闪烁晶体涂层与薄膜晶体管或电荷耦合器件或互补型金属氧化物半导体构成它的工作过程一般分为两步，首先闪烁晶体涂层将X线的能量转换成可见光；其次TFT或者CCD，或CMOS将可见光转换成电信号。由于在这过程中可见光会发生散射，对空间分辨率产生一定的影响。虽然新工艺中将闪烁体加工成柱状以提高对X线的利用及降低散射，但散射光对空间分辨率的影响不能完全消除。 ? 不同平板探测器的比较 评价平板探测器成像质量的性能指标主要有两个：量子探测效率和空间分辨率。DQE决定了平板探测器对不同组织密度差异的分辨能力；而空间分辨率决定了对组织细微结构的分辨能力。考察DQE和空间分辨率可以评估平板探测器的成像能力。 （1）影响平板探测器DQE的因素 在非晶硅平板探测器中，影响DQE的因素主要有两个方面：闪烁体的涂层和将可见光转换成电信号的晶体管。 首先闪烁体涂层的材料和工艺影响了X线转换成可见光的能力，因此对DQE会产生影响。目前常见的闪烁体涂层材料有两种：碘化铯和硫氧化钆。碘化铯将X线转换成可见光的能力比硫氧化钆强但成本比较高；将碘化铯加工成柱状结构，可以进一步提高捕获X线的能力，并减少散射光。使用硫氧化钆做涂层的探测器成像速度快，性能稳定，成本较低，但是转换效率不如碘化铯涂层高。 其次将闪烁体产生的可见光转换成电信号的方式也会对DQE产生影响。在碘化铯(或者硫氧化钆)+薄膜晶体管(TFT)这种结构的平板探测器中，由于TFT的阵列可以做成与闪烁体涂层的面积一样大，因此可见光不需要经过透镜折射就可以投射到TFT上，中间没有可以光子损失，因此DQE也比较高；在碘化铯+CCD(或者CMOS)这种结构的平板探测器中，由于CCD(或者CMOS)的面积不能做到与闪烁体涂层一样 无线便携平板探测器技术要求 1、原装进口数字平板探测板 2、整板无拼接 3、有效区域：≥14×17inch 4、距阵：≥2448×2984 5、像素间距：143μm； 6、重量（含电缆）：≥3.0kg； 7、预览图像读取时间：X线曝光后约1-4秒； 8、A/D转换：16比特灰度tiff； 9、操作环境（传感器）：10-35℃，30-80%RH（不凝结） 10、感应器保护板：碳纤维板 11、平板材料：非晶硅 12、DQE：70% 13、平板校正周期：一年 14、空间分辨率≥3.5LP/MM 二、图像工作站： 机箱类型：微塔式； CPU:高性能CPU 核心/线程数：四核心/四线程 内存类型：≥2GB； 硬盘容量：≥400GB 光驱：DVD刻录； 显卡类型：高性能显卡 显存容量：共享内存容量 三、图像采集软件： 软件功能： 1：病人管理 -病人登记，可通过文本文件批量导入病人资料 -支持DICOM Worklist SCU，自动从PACS/RIS 获取病人资料 -病人及检查信息修改和删除 -图象导入导出，支持DCM/BMP/JPG/TIF/PGM/PNG/RAW 图像格式-缩略图画廊，支持鼠标双击打开图像或拖拽打开图像 -支持DICOM Q/R SCU，可从PACS 查询并提取各类DICOM 图像-支持特殊病例、图像、报告的教学收藏功能等 2：拍片检查 -提供人性化的拍片图形用户界面 -选择拍摄部位、体型、体位 -设置电压、电流、毫安秒等技术条件 -通过拍片协议快速设置技术条件 -支持原始图像后重建 3：观片测量 -基本观片操作 --图像旋转--图像镜像--正负片显示--图像缩放--图像平移--图像导航--放大镜等功能 平板探测器原理 从1995年RSNA上推出第一台平板探测器（Flat Panel Detector）设备以来，随着近年平板探测技术取得飞跃性的发展，在平板探测器的研发和生产过程中，平板探测技术可分为直接和间接两类。 （一）间接能量转换 间接FPD的结构主要是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非晶硅层(amorphous Silicon，a-Si)再加TFT阵列构成。其原理为闪烁体或荧光体层经X射线曝光后，将X射线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号，最后获得数字图像。在间接FPD的图像采集中，由于有转换为可见光的过程，因此会有光的散射问题，从而导致图像的空间分辨率极对比度解析能力的降低。换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+a-Si+TFT有Canon和瓦里安公司等。 1、碘化铯( CsI ) + a-Si + TFT ：当有X 射线入射到CsI 闪烁发光晶体层时，X 射线光子能量转化为可见光光子发射,可见光激发光电二极管产生电流, 这电流就在光电二极管自身的电容上积分形成储存电荷. 每个象素的储存电荷量和与之对应范围内的入射X 射线光子能量与数量成正比。发展此类技术的有法国Trixell 公司解像度143um2 探测器( SIEMENS、Philips、汤姆逊合资) 、美国GE 解像度200um2 探测器( 收购的EG & G 公司) 等。其原理见右图。Trixell公司（目前有西门 子、飞利浦、万东、上医厂、长青、泛太平洋等厂家使用，成本约9.5万美金）用的是Csl柱状晶体结构的闪烁体涂层，此种结构可以减少可见光的闪射，但由于工艺复杂难以生成大面积平板，所以采用四块小板拼接成17″×17″大块平板，拼接处图像由软件弥补。GE、佳能（佳能、东芝、岛津使用）的平板是使用Csl或Gd2O2S:Tb涂层，因不是柱状晶体结构，所以能量损失较Trixell 严重。 2、硫氧化钆( Gd2O2S ) + a-Si + TFT ：利用増感屏材料硫氧化钆( Gd2O2S ) 来完成X 射线光子至可见光的转换过程。发展此类技术的公司有美国瓦里安公司、*** Canon 公司解像度160um2 探测器等。此类材料制造的TFT 平板探测器成像快速、成本较低，但一般灰阶动态范围较低（12 bit 以下），与其它高阶14 bit产品图像诊断质量相比较为不足。 3、碘化铯( CsI ) / 硫氧化钆( Gd2O2S ) + 透镜/ 光导纤维+ CCD / CMOS ：X射线先通过闪烁体或荧光体构成的可见光转换屏，将X 射线光子变为可见光图像，而后通过透镜或光导纤维将可见光图像送至光学系统，由CCD采集转换为图像电信号。发展此技术的ssRay、Wuestec、新医科技等公司。其原理可见右图。新医科技的CCD DR为2K×2K，12Bit 图像输出，无论在图像上还是在价格上均是取代CR的最佳产品。 4、CsI ( Gd2O2S ) + CMOS ：此类技术受制于间接能量转换空间分辨率较差的缺点，虽利用大量低解像度CMOS 探头组成大面积矩阵，尚无法有效与TFT 平板优势竞争。发展此类技术的公司有CaresBuilt、Tradix公司等。 平板探测器的工作原理及优缺点 （一）碘化铯/非晶硅型： 概括原理：X线先经荧光介质材料转换成可见光，再由光敏元件将可见光信号转换成电信号，最后将模拟电信号经A/D转换成数字信号。 具体原理： 1、曝光前，先使硅表面存储阳离子而产生均一电荷，导致在硅表面产生电子场； 2、曝光期间，在硅内产生电子-空穴对，且自由电子游离到表面，导致在硅表面产生潜在的电荷影像，在每一点上电荷密度与局部X线强度相当。 3、曝光后，X线图像被储存在每一个像素中； 4、半导体转换器读出每一个素，完成模数转换。 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（原因是其原子序数高于非晶硒）； 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。 （二）非晶硒型 概括原理：光导半导体直接将接收的X线光子转换成电荷，再由薄膜晶体管阵列将电信号读出并数字化。 具体原理： 1、X 线入射光子在非晶硒层激发出电子-空穴对； 2、电子和空穴在外加电场的作用下做反向运动，产生电流，电流的大小与入射的X 线光子数量成正比； 3、这些电流信号被存储在TFT的极间电容上，每一个TFT和电容就形成一个像素单元。 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。 （三）CCD型 概括原理：由增感屏作为X线的交互介质，加CCD来数字化X 线图像。 具体原理：以MOS电容器型为例：是在P型Si的表面生成一层SiO2，再在上面蒸镀一层多晶硅作为电极，给电极P型Si 衬底加一电压，在电极下面就形成了一个低势能区，即势阱。势阱的深浅与电压有关。电压越高势阱越深。而光生成电子就储 基于平板探测器的DR升级方案中DQE检测的应用 [摘要]:目的:探讨在基于平板探测器DR升级方案中量子探测效率（DQE）检测的方法及其应用价值。方法：检测量子探测效率时，把入射X射线剂量与平板探测器产生的图像联系起来。根据国际电工委员会制定的IEC 62220-1标准的方法对刃钨模体成像，通过对刃钨模体图像的分析并结合平板探测器入射X射线的空气比释动能的线性关系，利用DQEPro 设备及软件计算得出三种不同类型平板探测器升级方案的DQE测试数据。结果：实验证明了通过量子探测效率的检测，可以明确了解DR升级方案中平板探测器的基本性能。DQE 检测能反映不同类型的平板探测器的成像性能的优劣。结论：基于平板探测器的DR系统的升级方案中DQE检测，更好的为数字化X线摄影系统计量性能检定提供技术依据，确保DR升级后在诊断方面的成像质量。 [关键词]: DR系统；平板探测器；升级；量子探测效率 The application of testing DQE in upgrading of DR based on flat panel detector [Abstract]Objective: To discuss the test methods and the application value of detective quantum efficiency(DQE) in upgrading of DR based on flat panel detector. Methods: Combining the dose of incident X-rays with the image brought by flat panel detector. According to the international electrotechnical commission IEC 62220-1 standard method, the tungsten imaging,and combined with the relationship between the FPD and incident X-ray air kerma, using DQEPro equipment and software to calculate the result of the three different types of FPD.Result: The experiment proves that the basic performance of flat panel detector is known definitely by testing the DQE. DQE can reflect the quality of imaging performance in different types of flat-panel detector.Conclusion: The upgrading of DR based on flat panel detector and the DQE testing can be a better technical basis for DR measurement performance, then it can be ensure the quality of DR upgraded in diagnostic imaging. [Key words] DR system; flat panel detector; upgrade; DQE. 基于平板探测器的DR升级方案，充分利用影像科已有的设备资源，实现资产的重复利用率，提高了影像质量，提高了工作效率，特别是降低了材料损耗和购机成本，不造成重复投资和资源浪费[1]。满足了临床应用要求，相信有一定的推广意义[2]。 目前直接数字摄影（digital radiography，DR）在成像性能方面、市场成熟程度方面及应用技术研究方面均取得了较大的进展。其中平板探测器作为核心部件，随着其使用年限的增加，也使得原有DR系统的成像性能下降，可能会造成影像诊断的误诊及漏诊。在数字化X 射线摄影系统的性能检测过程中，我们需要将管球产生的X射线与平板探测器中产生的图像联系起来考虑，才能解决基于平板探测器的DR升级检测过程中存在的一些问题。在国际上，通常使用量子探测效率（detective quantum efficiency，DQE ）作为评价X射线转换成有效图像信息能力的客观物理量。本文探讨了基于平板探测器DR升级方案中DQE检测的方法及其应用价值。 一、基于平板探测器的DR升级方案 1.DR升级系统配置 MECALL PLURIAMTD X射线摄影系统，其中高频发生器为加拿大CPI公司Indico100 RAD，最大功率80 kW，最大管电流630mA。X射线管Varian A-192，大小焦点分别为0.6DR平板探测器分类介绍
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平板探测器的工作原理及优缺点
基于平板探测器的DR升级方案中DQE检测的应用