平板探測器

非晶硒平板探測器

非晶硒（a-Se）為直接式平板探測器結構，主要由集電矩陣、硒層、電介層、頂層電極和保護層等構成。集電矩陣由按陣元方式排列的薄膜晶體管（TFT）組成。非晶硒半導體材料在薄膜晶體管陣列上方通過真空蒸鍍生成約0.5 mm厚、38 mm×45 mm見方的薄膜，它對X線很敏感，并有很高的圖像解析能力。

頂層電極接高壓電源，當有X線入射時，由于高壓電源在非晶硒表面形成的電場，它們只能沿電場方向垂直穿過絕緣層、X射線半導體、電子封閉層，到達非晶硒，不會出現橫向偏離從而出現光的散射。非晶硒陣列直接將X射線轉變成電信號，記憶在存儲電容器里，脈沖控制門電路使薄膜晶體管導通，把記憶在存儲電容器里的電荷送達電荷放大器輸出，完成光電信號的轉換，再經數字轉換器轉換，形成數字圖像輸入計算機，并由計算機將該影像還原在監視器上由醫生觀察監視器直接診斷。

非晶硅平板探測器

非晶硅平板探測器為間接數字化X線成像，其基本結構為表面是一層閃爍體材料（碘化銫或硫氧化），再下一層是以非晶體硅為材料的光電二極管電路，最底層為電荷讀出電路。

位于探測器表面的閃爍體將透過人體后衰減的X線轉換為可見光，閃爍體下的非晶硅光電二極管陣列又將可見光轉換為電信號，在光電二極管自身的電容上形成存儲電荷，每個像素的存儲電荷量與入射X線強度成正比，在控制電路的作用下，掃描讀出各個像素的存儲電荷，經A/D轉換后輸出數字信號，傳送給計算機進行圖像處理從而形成X線數字影像。

評價平板探測器成像質量的性能指標主要有兩個 : 量子探測效率 ( Detective Q uantum E fficiency , DQE)和空間分辨率 。 DQ E 決定了平板探測器對不同組織密度差異的分辨能力 ;而空間分辨率決定了對組織細微結構的分辨能力 。考察 DQ E和空間分辨率可以評估平板探測器的成像能力。

在間接轉換的平板探測器中 , 影響 DQE 的因素主要有兩個方面 : 閃爍體的涂層和將可見光轉換成電信號的晶體管。

首先閃爍體涂層的材料和工藝影響了 X 線轉換成可見光的能力 , 因此對 DQ E 會產生影響 。目前常見的閃爍體涂層材料有兩種 : 碘化銫 (C sI ) 和硫氧化釓 (Gd2O 2S )。 碘化銫將 X線轉換成可見光的能力比硫氧化釓強但成本比較高 ; 將碘化銫加工成柱狀結構 , 可以進一步提高捕獲 X 線的能力 , 并減少散射光 。使用硫氧化釓做涂層的探測器成像速度快 , 性能穩定 , 成本較低 , 但是轉換效率不如碘化銫涂層高[2] 。

其次將閃爍體產生的可見光轉換成電信號的方式也會對DQ E 產生影響 。在碘化銫 ( 或者硫氧化釓) +薄膜晶體管( T FT)這種結構的平板探測器中, 由于 TF T 的陣列可以做成與閃爍體涂層的面積一樣大 , 因此可見光不需要經過透鏡折射就可以投射到 TF T 上 , 中間沒有可以光子損失 , 因此 DQE 也比較高 ; 在碘化銫 (CsI )+CCD( 或者 CM OS) 這種結構的平板探測器中 , 由于 C CD( 或者 C M OS)的面積不能做到與閃爍體涂層一樣大 , 所以需要經過光學系統折射 、反射后才能將全部影像投照到 C CD( 或者 C M OS)上 , 這過程使光子產生了損耗 , 因此 DQE 比較低。

直接轉換平板探測器中 , X 線轉換成電信號完全依賴于非晶硒層產生的電子空穴對, DQ E 的高低取決于非晶硒層產生電荷能力 。總的說來 ,C sI +T FT 這種結構的間接轉換平板探測器的極限 DQE 高于 a -Se 直接轉換平板探測器的極限DQ E。

在直接轉換平板探測器中 , 由于沒有可見光的產生 , 不發生散射 , 空間分辨率取決于單位面積內薄膜晶體管矩陣大小 。矩陣越大薄膜晶體管的個數越多 , 空間分辨率越高 , 隨著工藝的提高可以做到很高的空間分辨率。

在間接轉換的平板探測器中 , 由于可見光的產生 , 存在散射現象 , 空間分辨率不僅僅取決于單位面積內薄膜晶體管矩陣大小 , 而且還取決于對散射光的控制技術 。總的說來 ,間接轉換平板探測器的空間分辨率不如直接轉換平板探測器的空間分辨率高。

間接轉換平板探測器

間接轉換平板探測器由碘化銫等閃爍晶體涂層與薄膜晶體管( Thi n Film T ransistor , T FT)或電荷耦合器件( C hargeC oupling Device , C CD)或 互 補 型 金 屬 氧 化 物 半 導 體( Com plem en tary M etal Oxide S em i -Conductor , CM OS)構成 。間接轉換平板探測器的工作過程一般分為兩步 , 首先閃爍晶體涂層將 X 線的能量轉換成可見光 ;其次 TF T 或者C CD , 或 C MO S 將可見光轉換成電信號。由于在這過程中可見光會發生散射 , 對空間分辨率產生一定的影響 。雖然新工藝中將閃爍體加工成柱狀以提高對 X 線的利用及降低散射 ,但散射光對空間分辨率的影響不能完全消除。

直接轉換平板探測器

直接轉換平板探測器主要由非晶硒層 (Am orph ou s S elenium , a -S e ) T FT 構成 。入射的 X 射線使硒層產生電子空穴對, 在外加偏壓電場作用下 , 電子和空穴對向相反的方向移動形成電流 , 電流在薄膜晶體管中形成儲存電荷 。每一個晶體管的儲存電荷量對應于入射 X 射線的劑量 , 通過讀出電路可以知道每一點的電荷量 ,進而知道每點的 X 線劑量 。由于非晶硒不產生可見光 , 沒有散射線的影響 , 因此可以獲得比較高的空間分辨率。

由于 DQ E 影響了圖像的對比度, 空間分辨率影響圖像對細節的分辨能力 。在攝片中應根據不同的檢查部位來選擇不同類型平板探測器的 D R 。對于象胸部這樣的檢查 , 重點在于觀察和區分不同組織的密度 , 因此對密度分辨率的要求比較高 。在這種情況下 , 宜使用間接轉換平板探測器的 DR , 這樣 DQ E比較高 , 容易獲得較高對比度的圖像 , 更有利于診斷 ; 對于象四肢關節 、乳腺這些部位的檢查 , 需要對細節要有較高的顯像 , 對空間分辨率的要求很高 , 因此宜采用直接轉換平板探測器的DR , 以獲得高空間分辨率的圖像 。目前絕大多數廠家的數字乳腺機都采用了直接轉換平板探測器, 正是由于乳腺攝片對空間分辨率要求很高 , 而只有直接轉換的平板探測器才可能達到相應的要求。

（一）間接能量轉換

間接FPD的結構主要是由閃爍體或熒光體層加具有光電二極管作用的非晶硅層(amorphous Silicon，a-Si)再加TFT陣列構成。其原理為閃爍體或熒光體層經X射線曝光后，將X射線光子轉換為可見光，而后由具有光電二極管作用的非晶硅層變為圖像電信號，最后獲得數字圖像。在間接FPD的圖像采集中，由于有轉換為可見光的過程，因此會有光的散射問題，從而導致圖像的空間分辨率極對比度解析能力的降低。換閃爍體目前主要有碘化銫(CsI，也用于影像增強器)，熒光體則有硫氧化釓(GdSO，也用于增感屏)，采用CsI+a-Si+TFT結構的有Trixell、瓦里安和GE公司等，而采用GdSO+a-Si+TFT有Canon等。

1、碘化銫 ( CsI ) + a-Si + TFT ：當有 X 射線入射到 CsI 閃爍發光晶體層時，X 射線光子能量轉化為可見光光子發射,可見光激發光電二極管產生電流, 這電流就在光電二極管自身的電容上積分形成儲存電荷. 每個象素的儲存電荷量和與之對應范圍內的入射 X 射線光子能量與數量成正比。發展此類技術的有法國 Trixell 公司解像度 143um2 探測器 ( SIEMENS、Philips、湯姆遜合資 ) 、美國 GE 解像度 200um2 探測器 ( 收購的 EG & G 公司 ) 等。其原理見右圖。Trixell公司（目前有西門子、飛利浦、等廠家使用，成本約9.5萬美金）用的是Csl柱狀晶體結構的閃爍體涂層，此種結構可以減少可見光的閃射，但由于工藝復雜難以生成大面積平板，所以采用四塊小板拼接成17″×17″大塊平板，拼接處圖像由軟件彌補。 GE、佳能（佳能、東芝、島津使用）的平板是使用Csl或Gd2O2S:Tb涂層，因不是柱狀晶體結構，所以能量損失較Trixell 嚴重。

2、硫氧化釓 ( Gd2O2S ) + a-Si + TFT ：利用増感屏材料硫氧化釓 ( Gd2O2S ) 來完成 X 射線光子至可見光的轉換過程。發展此類技術的公司有 Canon 公司解像度 160um2 探測器等。此類材料制造的 TFT 平板探測器成像快速、成本較低，但一般灰階動態范圍較低（12 bit 以下），與其它高階14 bit產品圖像診斷質量相比較為不足。

3、碘化銫 ( CsI ) / 硫氧化釓 ( Gd2O2S ) + 透鏡 / 光導纖維 + CCD / CMOS ：X射線先通過閃爍體或熒光體構成的可見光轉換屏，將X射線光子變為可見光圖像，而后通過透鏡或光導纖維將可見光圖像送至光學系統，由CCD采集轉換為圖像電信號。發展此技術的IDC、深圳藍韻、北京萬東、深圳安健等公司。深圳藍韻的KeenRayCCD DR探測器的像素為4K×4K，16Bit圖像輸出，無論在圖像上還是在價格上均是取代CR的最佳產品。

4、CsI ( Gd2O2S ) + CMOS ：此類技術受制于間接能量轉換空間分辨率較差的缺點，雖利用大量低解像度 CMOS 探頭組成大面積矩陣，尚無法有效與 TFT 平板優勢競爭。發展此類技術的公司有CaresBuilt、Tradix公司等。

（二）直接能量轉換

直接FPD的結構主要是由非晶硒層(amorphous Selemium，a-Se)加薄膜半導體陣列(Thin Film Transistor array，TFT)構成的平板檢測器。由于非晶硒是一種光電導材料，因此經X射線曝光后直接形成電子-空穴對，產生電信號，通過TFT檢測陣列，再經A/D轉換獲得數字化圖像。從根本上避免了間接轉換方式中可見光的散射導致的圖像分辨率下降的問題。雖然在技術上和生產工藝上要求很高，但卻是獲得高圖像質量的理想方式，采用這一技術的有島津，AnRad，Hologic公司等。

直接轉換FPD具有理論界限值的卓越分辨率和量子探測率，不僅具備可高分辨率以清晰顯示微小血管及病灶，而且具有高靈敏度可大幅降低曝光射線量。直接轉換式FPD無論在低分辨率時還是在高分辨率時均具有極高的DQE值。對于大物體的檢出能力與間接轉換型FPD大致相同，但對于微小病變，直間轉換型FPD的檢出能力更強。（間接轉換型的DQE低頻時雖然顯示高值，但在2lp/mm以上時，其值急劇減小。）直接轉換式FPD研發廠家為了得到更高DQE值，獲得良好的S/N特性，在降低噪音成分方面做出了更多的努力，尤其是在對圖像質量影響最大的配線阻抗噪聲和讀取放大器的熱噪聲方面需進行了革新性的改良，將這兩種噪聲控制在最低程度，使實際測量值達到與理論值基本一致的水平。直接轉換式FPD對于大物體的檢出能力與間接轉換型大致相同，但對于微小病變，直間轉換型具有更強的檢出能力。（間接轉換型的DQE低頻時雖然顯示高值，但在2lp/mm以上時，其值急劇減小。）

1. 非晶硒探測器結構及其成像原理：(直接轉換)

直接數字化X線成像的平板探測器，利用了非晶硒的光電導性，將X線直接轉換成電信號，形成全數字化影像。

成像原理：X線粒子射入加有高電壓的非晶硒感光層，其中原本定向移動的電荷發生電導率的改變，伴隨著空穴電子對分布不均勻的形成，感光層內就有了不均勻聚集的電荷通過薄膜晶體管陣列轉換為可測的電信號，再進行A/D轉換，成為可直接由計算機進行處理的數字信號

特性：⑴直接光電轉換 ⑵直接讀出 ⑶量子檢測率（DQE）較高

⑷曝光寬容度大 ⑸后處理功能強大

FPD對環境，溫度，濕度要求較高，需要較高的偏直電壓，刷新速度慢，仍不能滿足動態攝影。所以不常用。

探測器有效探測面積：35X43cm

采集矩陣：25603072

像素大小：139×139μm

采集像素A/D轉換位數：14bit

空間分辨率：3.6lp/mm

2. 非晶硅探測器結構及其成像原理:（間接轉換）(天地智慧醫療) 分碘化銫（CsI）+非晶硅和硫氧化釓GOS+非晶硅(天地智慧醫療) 結構由碘化銫閃爍體層、非晶硅光電二極管陣列、行驅動電路以及圖像信號讀取電路四部分。與非晶硒平板探測器的主要區別在于熒光材料層和探測元陣列層的不同，其信號讀出、放大、A/D轉換和輸出等部分基本相同。

非晶硅平板探測器，是一種以非晶硅光電二極管陣列為核心的X線影像探測器。它利用碘化銫（CsI）的特性， 將入射后的X線光子轉換成可見光，再由具有光電二極管作用的非晶硅陣列變為電信號，通過外圍電路檢出及A/D變換，從而獲得數字化圖像。由于經歷了X線、可見光、電荷圖像、數字圖像的成像過程，通常被稱作間接轉換型平板探測器。

1.材料與方法

對于飛利浦DR平板探測器的日常維護性保養必須要根據設備的具體性能來采取最為合適的保養方法。只有這樣，才能夠使保養的目的充分實現，達到延長設備壽命的最終效果。

1.1設備與材料 在對維護方法進行選擇之前，首先應該對飛利浦DR平板探測器特性進行系統研究，結合設備運行過程中能夠影響其性能的因素進行分析，從而制定出一套適合日常維護的方法，方法中涉及的設備和材料主要包換飛利浦DigitalDiagnost sysyem DR、21mmAL(鋁梯）過濾板、空氣調節機、吸塵器、除濕器、溫度計、溫度計、干凈的軟擦布以及中性肥皂等，以上材料都是對飛利浦DR平板探測器的日常維護保養方法中必不可少的材料，缺一不可。

1.2日常維護的方法 日常維護的方法主要包括清潔、防震、恒溫以及校準等幾項內容，管理人員必須要將確保每項內容都有效完成，才能夠實現對設備的日常維護工作。

1.2.1清潔 在DR系統運行的過程中，如果平板探測器上積有灰塵，那么則會影響到圖像的清晰度和潔凈度，灰塵越多，清晰度和潔凈度就會越差，嚴重破壞了成像效果，造成誤診的現象。因此，對平板探測器的日常清潔工作是非常重要的。在清潔的時候，設備管理人員應該用干凈的軟擦布和中性肥皂液來進行擦拭，不能使用任何帶有腐蝕性的溶劑，對于磨損性的去污應該用干凈的軟劑或者拋光劑。

1.2.2防震 震動也會對平板探測器產生影響，振動幅度不同帶來的影響程度也不盡相同。因此，在實際操作過程中，操作人員一定要防止探測器與探測器外殼發生碰撞而產生震動，影像DR平板探測器的正常運行。

據故障現象初步考慮為平板探測器故障，因未有平板探測器方面的維修經驗及任何相應維修資料，緊急聯系廠家工程師到院進行檢修；廠家工程師到院檢修后，最終確定為該平板探測器故障，需更換，并發來報價，約40萬元。

因更換價格較高，并且該平板探測器在關機停機較長時間后，可正常檢查約10個病人，初步考慮該平板探測器未完全損壞，可能為軟故障，我科決定對該平板探測器進行大膽嘗試性維修。經過查閱相關資料，根據故障現象，檢查與非拼接大片CCD連接的溫度控制部分，故障前后溫度恒定，控溫正常。進一步檢查平板探測器的相關電路及電路板也未有特殊發現。大膽拆下溫度控制部分及CCD，發現CCD上有數點水珠，考慮水珠就是造成探測器圖像質量下降，偽影嚴重的原因，用吹風機將CCD吹干后，在超凈工作臺上清潔干凈CCD表面的灰塵，小心地將CCD裝回探測器，并緊固螺絲（懷疑CCD帶水的原因為，密封不夠嚴密，因CCD溫度較低，空氣中的水汽冷淋成水珠），恢復探測器試機，故障排除。使用數月，圖像均正常。

故障二：無法正常曝光，報E33 Serial Communication Error，高壓發生器無法與控制臺或電腦主機進行通訊，造成該故障的原因可能為：（1）高壓發生器上的ATP CPU板（ATP Console CPU Board）壞；（2）通訊連接線壞；（3）控制臺電腦主機通訊故障。

拆開高壓發生器柜，檢查控制通訊的ATP CPU板及連接線，未發現連接線有損壞情況，ATP CPU板上的DS1、DS2指示燈亮，但DS2指示燈未閃爍，同是發現高壓控制板（HT Controller Board)上的指示燈DS1亮，但也未有閃爍；說明ATP CPU 板正常，但未接受到控制訊號，初步考慮故障可能發生在控制臺電腦主機處。檢查電腦主機，發現高壓發生器是通過電腦主要上的RS232口Coml連入電腦主機進行通訊的，同時溫度控制器也是通過主機上RS232口Com2與電腦主機進行通訊的。因電腦主機運行基本正常，溫度控制及顯示也正常，考慮通過對換兩串口上的連接線來檢測Coml口是否正常。將兩連接線進行對換并做相應設置修改后，進行試機，發現溫度控制器與主機無法正常連接，高壓發生器通訊連接正常，但不能曝光，說明Coml口損壞。應該電腦主機的Coml口未集成在電腦主板上，而是一個轉接口，找來一個新的RS232串口轉接板進行更換后，試機一切工作正常。