平板探测器

非晶硒平板探测器

非晶硒（a-Se）为直接式平板探测器结构，主要由集电矩阵、硒层、电介层、顶层电极和保护层等构成。集电矩阵由按阵元方式排列的薄膜晶体管（TFT）组成。非晶硒半导体材料在薄膜晶体管阵列上方通过真空蒸镀生成约0.5 mm厚、38 mm×45 mm见方的薄膜，它对X线很敏感，并有很高的图像解析能力。

顶层电极接高压电源，当有X线入射时，由于高压电源在非晶硒表面形成的电场，它们只能沿电场方向垂直穿过绝缘层、X射线半导体、电子封闭层，到达非晶硒，不会出现横向偏离从而出现光的散射。非晶硒阵列直接将X射线转变成电信号，记忆在存储电容器里，脉冲控制门电路使薄膜晶体管导通，把记忆在存储电容器里的电荷送达电荷放大器输出，完成光电信号的转换，再经数字转换器转换，形成数字图像输入计算机，并由计算机将该影像还原在监视器上由医生观察监视器直接诊断。

非晶硅平板探测器

非晶硅平板探测器为间接数字化X线成像，其基本结构为表面是一层闪烁体材料（碘化铯或硫氧化），再下一层是以非晶体硅为材料的光电二极管电路，最底层为电荷读出电路。

位于探测器表面的闪烁体将透过人体后衰减的X线转换为可见光，闪烁体下的非晶硅光电二极管阵列又将可见光转换为电信号，在光电二极管自身的电容上形成存储电荷，每个像素的存储电荷量与入射X线强度成正比，在控制电路的作用下，扫描读出各个像素的存储电荷，经A/D转换后输出数字信号，传送给计算机进行图像处理从而形成X线数字影像。

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 ( Detective Q uantum E fficiency , DQE)和空间分辨率 。 DQ E 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 DQ E和空间分辨率可以评估平板探测器的成像能力。

在间接转换的平板探测器中 , 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 DQ E 会产生影响 。目前常见的闪烁体涂层材料有两种 : 碘化铯 (C sI ) 和硫氧化钆 (Gd2O 2S )。 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[2] 。

其次将闪烁体产生的可见光转换成电信号的方式也会对DQ E 产生影响 。在碘化铯 ( 或者硫氧化钆) +薄膜晶体管( T FT)这种结构的平板探测器中, 由于 TF T 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 TF T 上 , 中间没有可以光子损失 , 因此 DQE 也比较高 ; 在碘化铯 (CsI )+CCD( 或者 CM OS) 这种结构的平板探测器中 , 由于 C CD( 或者 C M OS)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 、反射后才能将全部影像投照到 C CD( 或者 C M OS)上 , 这过程使光子产生了损耗 , 因此 DQE 比较低。

直接转换平板探测器中 , X 线转换成电信号完全依赖于非晶硒层产生的电子空穴对, DQ E 的高低取决于非晶硒层产生电荷能力 。总的说来 ,C sI +T FT 这种结构的间接转换平板探测器的极限 DQE 高于 a -Se 直接转换平板探测器的极限DQ E。

在直接转换平板探测器中 , 由于没有可见光的产生 , 不发生散射 , 空间分辨率取决于单位面积内薄膜晶体管矩阵大小 。矩阵越大薄膜晶体管的个数越多 , 空间分辨率越高 , 随着工艺的提高可以做到很高的空间分辨率。

在间接转换的平板探测器中 , 由于可见光的产生 , 存在散射现象 , 空间分辨率不仅仅取决于单位面积内薄膜晶体管矩阵大小 , 而且还取决于对散射光的控制技术 。总的说来 ,间接转换平板探测器的空间分辨率不如直接转换平板探测器的空间分辨率高。

间接转换平板探测器

间接转换平板探测器由碘化铯等闪烁晶体涂层与薄膜晶体管( Thi n Film T ransistor , T FT)或电荷耦合器件( C hargeC oupling Device , C CD)或 互 补 型 金 属 氧 化 物 半 导 体( Com plem en tary M etal Oxide S em i -Conductor , CM OS)构成 。间接转换平板探测器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 TF T 或者C CD , 或 C MO S 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。

直接转换平板探测器

直接转换平板探测器主要由非晶硒层 (Am orph ou s S elenium , a -S e ) T FT 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。

由于 DQ E 影响了图像的对比度, 空间分辨率影响图像对细节的分辨能力 。在摄片中应根据不同的检查部位来选择不同类型平板探测器的 D R 。对于象胸部这样的检查 , 重点在于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 。在这种情况下 , 宜使用间接转换平板探测器的 DR , 这样 DQ E比较高 , 容易获得较高对比度的图像 , 更有利于诊断 ; 对于象四肢关节 、乳腺这些部位的检查 , 需要对细节要有较高的显像 , 对空间分辨率的要求很高 , 因此宜采用直接转换平板探测器的DR , 以获得高空间分辨率的图像 。目前绝大多数厂家的数字乳腺机都采用了直接转换平板探测器, 正是由于乳腺摄片对空间分辨率要求很高 , 而只有直接转换的平板探测器才可能达到相应的要求。

（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、瓦里安和GE公司等，而采用GdSO+a-Si+TFT有Canon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、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 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IDC、深圳蓝韵、北京万东、深圳安健等公司。深圳蓝韵的KeenRayCCD DR探测器的像素为4K×4K，16Bit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 Transistor array，TFT)构成的平板检测器。由于非晶硒是一种光电导材料，因此经X射线曝光后直接形成电子-空穴对，产生电信号，通过TFT检测阵列，再经A/D转换获得数字化图像。从根本上避免了间接转换方式中可见光的散射导致的图像分辨率下降的问题。虽然在技术上和生产工艺上要求很高，但却是获得高图像质量的理想方式，采用这一技术的有岛津，AnRad，Hologic公司等。

直接转换FPD具有理论界限值的卓越分辨率和量子探测率，不仅具备可高分辨率以清晰显示微小血管及病灶，而且具有高灵敏度可大幅降低曝光射线量。直接转换式FPD无论在低分辨率时还是在高分辨率时均具有极高的DQE值。对于大物体的检出能力与间接转换型FPD大致相同，但对于微小病变，直间转换型FPD的检出能力更强。（间接转换型的DQE低频时虽然显示高值，但在2lp/mm以上时，其值急剧减小。）直接转换式FPD研发厂家为了得到更高DQE值，获得良好的S/N特性，在降低噪音成分方面做出了更多的努力，尤其是在对图像质量影响最大的配线阻抗噪声和读取放大器的热噪声方面需进行了革新性的改良，将这两种噪声控制在最低程度，使实际测量值达到与理论值基本一致的水平。直接转换式FPD对于大物体的检出能力与间接转换型大致相同，但对于微小病变，直间转换型具有更强的检出能力。（间接转换型的DQE低频时虽然显示高值，但在2lp/mm以上时，其值急剧减小。）

1. 非晶硒探测器结构及其成像原理：(直接转换)

直接数字化X线成像的平板探测器，利用了非晶硒的光电导性，将X线直接转换成电信号，形成全数字化影像。

成像原理：X线粒子射入加有高电压的非晶硒感光层，其中原本定向移动的电荷发生电导率的改变，伴随着空穴电子对分布不均匀的形成，感光层内就有了不均匀聚集的电荷通过薄膜晶体管阵列转换为可测的电信号，再进行A/D转换，成为可直接由计算机进行处理的数字信号

特性：⑴直接光电转换 ⑵直接读出 ⑶量子检测率（DQE）较高

⑷曝光宽容度大 ⑸后处理功能强大

FPD对环境，温度，湿度要求较高，需要较高的偏直电压，刷新速度慢，仍不能满足动态摄影。所以不常用。

探测器有效探测面积：35X43cm

采集矩阵：25603072

像素大小：139×139μm

采集像素A/D转换位数：14bit

空间分辨率：3.6lp/mm

2. 非晶硅探测器结构及其成像原理:（间接转换）(天地智慧医疗) 分碘化铯（CsI）+非晶硅和硫氧化钆GOS+非晶硅(天地智慧医疗) 结构由碘化铯闪烁体层、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。与非晶硒平板探测器的主要区别在于荧光材料层和探测元阵列层的不同，其信号读出、放大、A/D转换和输出等部分基本相同。

非晶硅平板探测器，是一种以非晶硅光电二极管阵列为核心的X线影像探测器。它利用碘化铯（CsI）的特性， 将入射后的X线光子转换成可见光，再由具有光电二极管作用的非晶硅阵列变为电信号，通过外围电路检出及A/D变换，从而获得数字化图像。由于经历了X线、可见光、电荷图像、数字图像的成像过程，通常被称作间接转换型平板探测器。

1.材料与方法

对于飞利浦DR平板探测器的日常维护性保养必须要根据设备的具体性能来采取最为合适的保养方法。只有这样，才能够使保养的目的充分实现，达到延长设备寿命的最终效果。

1.1设备与材料 在对维护方法进行选择之前，首先应该对飞利浦DR平板探测器特性进行系统研究，结合设备运行过程中能够影响其性能的因素进行分析，从而制定出一套适合日常维护的方法，方法中涉及的设备和材料主要包换飞利浦DigitalDiagnost sysyem DR、21mmAL(铝梯）过滤板、空气调节机、吸尘器、除湿器、温度计、温度计、干净的软擦布以及中性肥皂等，以上材料都是对飞利浦DR平板探测器的日常维护保养方法中必不可少的材料，缺一不可。

1.2日常维护的方法 日常维护的方法主要包括清洁、防震、恒温以及校准等几项内容，管理人员必须要将确保每项内容都有效完成，才能够实现对设备的日常维护工作。

1.2.1清洁 在DR系统运行的过程中，如果平板探测器上积有灰尘，那么则会影响到图像的清晰度和洁净度，灰尘越多，清晰度和洁净度就会越差，严重破坏了成像效果，造成误诊的现象。因此，对平板探测器的日常清洁工作是非常重要的。在清洁的时候，设备管理人员应该用干净的软擦布和中性肥皂液来进行擦拭，不能使用任何带有腐蚀性的溶剂，对于磨损性的去污应该用干净的软剂或者抛光剂。

1.2.2防震 震动也会对平板探测器产生影响，振动幅度不同带来的影响程度也不尽相同。因此，在实际操作过程中，操作人员一定要防止探测器与探测器外壳发生碰撞而产生震动，影像DR平板探测器的正常运行。

据故障现象初步考虑为平板探测器故障，因未有平板探测器方面的维修经验及任何相应维修资料，紧急联系厂家工程师到院进行检修；厂家工程师到院检修后，最终确定为该平板探测器故障，需更换，并发来报价，约40万元。

因更换价格较高，并且该平板探测器在关机停机较长时间后，可正常检查约10个病人，初步考虑该平板探测器未完全损坏，可能为软故障，我科决定对该平板探测器进行大胆尝试性维修。经过查阅相关资料，根据故障现象，检查与非拼接大片CCD连接的温度控制部分，故障前后温度恒定，控温正常。进一步检查平板探测器的相关电路及电路板也未有特殊发现。大胆拆下温度控制部分及CCD，发现CCD上有数点水珠，考虑水珠就是造成探测器图像质量下降，伪影严重的原因，用吹风机将CCD吹干后，在超净工作台上清洁干净CCD表面的灰尘，小心地将CCD装回探测器，并紧固螺丝（怀疑CCD带水的原因为，密封不够严密，因CCD温度较低，空气中的水汽冷淋成水珠），恢复探测器试机，故障排除。使用数月，图像均正常。

故障二：无法正常曝光，报E33 Serial Communication Error，高压发生器无法与控制台或电脑主机进行通讯，造成该故障的原因可能为：（1）高压发生器上的ATP CPU板（ATP Console CPU Board）坏；（2）通讯连接线坏；（3）控制台电脑主机通讯故障。

拆开高压发生器柜，检查控制通讯的ATP CPU板及连接线，未发现连接线有损坏情况，ATP CPU板上的DS1、DS2指示灯亮，但DS2指示灯未闪烁，同是发现高压控制板（HT Controller Board)上的指示灯DS1亮，但也未有闪烁；说明ATP CPU 板正常，但未接受到控制讯号，初步考虑故障可能发生在控制台电脑主机处。检查电脑主机，发现高压发生器是通过电脑主要上的RS232口Coml连入电脑主机进行通讯的，同时温度控制器也是通过主机上RS232口Com2与电脑主机进行通讯的。因电脑主机运行基本正常，温度控制及显示也正常，考虑通过对换两串口上的连接线来检测Coml口是否正常。将两连接线进行对换并做相应设置修改后，进行试机，发现温度控制器与主机无法正常连接，高压发生器通讯连接正常，但不能曝光，说明Coml口损坏。应该电脑主机的Coml口未集成在电脑主板上，而是一个转接口，找来一个新的RS232串口转接板进行更换后，试机一切工作正常。