以CsI:T1技術(shù)為基礎(chǔ)的X線探測(cè)器關(guān)鍵元件的分析

楊 葉

（伊士通（上海）醫(yī)療器械有限公司 上海 200438）

1 引言

以CsI∶T1為基礎(chǔ)的探測(cè)器應(yīng)用于熒光透視中用較低劑量獲取圖像質(zhì)量仍然可與用傳統(tǒng)的CCD熒光透視相比較。在實(shí)際運(yùn)用中取決于預(yù)處理，包括對(duì)a-Si不一致性的校正算法和系統(tǒng)信噪比整體優(yōu)化，這些系統(tǒng)問(wèn)題在探測(cè)器設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該考慮進(jìn)去。

機(jī)械、電子和散熱處理；控制和數(shù)據(jù)接口必須允許主系統(tǒng)的有效操作，包括安全和質(zhì)量保證；必須要有劑量控制和對(duì)散射線處理。探測(cè)器必須能容忍在存儲(chǔ)、運(yùn)輸和操作過(guò)程中出現(xiàn)的“不利”環(huán)境：溫度范圍、機(jī)械震動(dòng)也是關(guān)鍵性指標(biāo)。

2 探測(cè)器技術(shù)：基本組成部件

探測(cè)器關(guān)鍵部件將根據(jù)四個(gè)主要強(qiáng)制條件來(lái)設(shè)計(jì)：a.滿足醫(yī)學(xué)臨床使用基本性能要求；b.廣泛的兼容性；c.產(chǎn)品系列化；d.達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 不定形硅陣列a-Si

a-Si須以多參數(shù)問(wèn)題來(lái)解決：有效域、分辨率、光學(xué)特性（感應(yīng)度，頻譜）、負(fù)責(zé)存儲(chǔ)范圍、低噪聲、采集速度。

結(jié)合臨床基本要求，在X線攝影模式和熒光透視模式中的優(yōu)化信噪比（SNR）所要求的分辨率中選擇像素間距為139～143um（相當(dāng)于分辨率3.5～4.3lp/mm），尺寸不低于400×300mm，600～900萬(wàn)總像素。

像素本身（見(jiàn)圖1）由負(fù)極相連的一組光電二極管和一個(gè)開(kāi)關(guān)構(gòu)成，這個(gè)開(kāi)關(guān)就是一根細(xì)的片子晶體管，稱為TFT陣列。開(kāi)關(guān)由“柵極Gate line”控制，當(dāng)接通時(shí)，像素電荷會(huì)從流向“數(shù)據(jù)列Data Column”或“數(shù)據(jù)行Data line”，光電二極管被反向偏壓，并作為負(fù)荷探測(cè)器和承載器使用。

圖1 143um像素微型圖片

像素設(shè)計(jì)的詳細(xì)情況涉及到多項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)化：

a.光電二極管的厚度必須既要滿足低噪聲（像素每次被讀出，它將重置），但也要有足夠刷新速度，尤其在RAD攝影模式中。增加偏壓是增加儲(chǔ)存容量的方法之一，不過(guò)這也會(huì)增加反向電流的泄漏。

b.對(duì)光電二極管的量子效率優(yōu)化必須平衡，方法是盡可能的壓縮頂端p層。量子效率最大值的85%至90%將在550nm長(zhǎng)度周圍內(nèi)被測(cè)試。

c.深入光電二極管的表面（充滿系數(shù)）必須最大化，這是為了在極低劑量熒光透視模式中，使得SNR最優(yōu)化。一般充滿系數(shù)不會(huì)設(shè)為100%，原因是像素間反射光的吸收，必須要有一些空間，實(shí)際操作中，把充滿系數(shù)定為64%。但是可見(jiàn)光子撞擊金屬并被反射回CsI時(shí)，它們可能被光電二極管吸收。假定這個(gè)可能性為50%，實(shí)際有效充滿系數(shù)大約為70%。

d.與光電二極管相連接，信號(hào)讀取開(kāi)關(guān)面必須要盡可能小，但必須要快，阻抗要盡可能小。RC時(shí)間不變，阻抗大約是3Mohm。

e.為了能達(dá)到很高的幀速，矩陣被水平分離，這樣行列可同時(shí)讀出。

所有的優(yōu)化設(shè)置通過(guò)一個(gè)精密的電動(dòng)模型來(lái)實(shí)行，要考慮到運(yùn)行參數(shù)、幾何參數(shù)和讀出IC的情況和A/D轉(zhuǎn)換電路。最后的細(xì)微調(diào)節(jié)要考權(quán)衡所有可能的系統(tǒng)模式，從低劑量熒光透視到高劑量攝影RAD或斷層TOMO模式。

2.2 碘化銫CsI閃爍層

所述閃爍屏層是另一個(gè)關(guān)鍵元件。一個(gè)線性系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)通常是由系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）表示。在空間頻率范圍內(nèi)，MTF值和空間頻率特性是正相關(guān)性。為了獲得更好的圖像對(duì)比度，理論上為了提高M(jìn)TF需要挑選盡可能薄的吸收層。然而，減小轉(zhuǎn)換層的厚度又會(huì)導(dǎo)致X射線吸收效率的降低。這就需要在選擇轉(zhuǎn)化材料和厚度上進(jìn)行平衡這對(duì)矛盾。通常選擇使用CsI∶T1層，這是為了把X線光子轉(zhuǎn)化為綠色可見(jiàn)光，在另一方面，人們也改變了晶體結(jié)構(gòu)，以提高空間頻率響應(yīng)特性。具體方法如下：通過(guò)創(chuàng)建適合的條件，CsI：T1材料晶體生長(zhǎng)的方向垂直于基板，如圖示2。材料成柱狀晶體使得把可見(jiàn)光子導(dǎo)向不定形硅陣而不大幅降低分辨率成為可能。在層的頂端，放置了一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的反光鏡，它能在aSi像素上反射光子。這個(gè)反光鏡是密封的，這是為了保證探測(cè)器在潮濕的環(huán)境下性能良好、穩(wěn)定。

圖2 針狀碘化銫晶體層顯微照片

（1）CsI的光譜特性見(jiàn)圖3，CsI發(fā)射光譜與a-Si光電二極管量子效率譜在波長(zhǎng)550nm處的峰值有良好的匹配關(guān)系。

圖3.CsI發(fā)射光譜與a-Si光電二極管量子效率譜匹配特性

（2）結(jié)構(gòu)化碘化銫晶體（CsI：T1）的空間頻率響應(yīng)，見(jiàn)圖4。

圖4 500μm層厚結(jié)構(gòu)化碘化銫晶體CsI∶T1與粉末狀增感屏MTF對(duì)比

結(jié)構(gòu)化CsI：T1的這兩個(gè)特點(diǎn)使x射線轉(zhuǎn)換材料具有較好的電荷轉(zhuǎn)換特性。

2.3 探測(cè)器外圍電路

檢測(cè)器的外圍電路包括：信號(hào)控制器、行列驅(qū)動(dòng)電路、讀出電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D、通信和控制電路。電子板和接口設(shè)計(jì)必須要盡量減少電能的消耗（熱量），在數(shù)字環(huán)路全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的接地性能以及軟件對(duì)行列像元的校正算法。

為了真正地應(yīng)用于產(chǎn)品，讀出器IC必須結(jié)合超低噪聲、超低線性錯(cuò)誤、多路高速率和低功率等特性。在時(shí)序控制器的統(tǒng)一指揮下行驅(qū)動(dòng)將像元的電荷逐行檢出，讀出電路由專用低功耗CMOS模擬集成電路構(gòu)成，使用的讀出器芯片由120條路線組成，它們負(fù)責(zé)放大器和把多條線路連接到單個(gè)模擬輸出口上。每條線路都由自己的電荷放大器（CA）和點(diǎn)放大器（PA），所有的電荷放大器在一起工作被稱為“Line time”。CA輸出經(jīng)過(guò)采樣，接下去的“Line time”就開(kāi)始了。與此同時(shí)，行的采樣輸出被掃描并通過(guò)驅(qū)動(dòng)PA的移位到一條內(nèi)部總線上。最后，總線輸出放大器緩沖到輸出口，裝載容量多達(dá)50～60PF。和“Line Driver”一樣，移位既由“時(shí)鐘CLOCK”信號(hào)控制，也由“偏移SHIFT”信號(hào)控制，頻率可達(dá)到10MHz。

另一項(xiàng)難題是電源消耗問(wèn)題。由于每個(gè)產(chǎn)品都有超過(guò)40個(gè)的ASIC，它們對(duì)總的能耗會(huì)有影響。這將會(huì)導(dǎo)致溫度升高及相關(guān)問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到能耗問(wèn)題。高能耗的部件都位于探測(cè)器的后部，讓它們通過(guò)系統(tǒng)冷卻。

2.4 接口和安裝散熱

探測(cè)器與影像采集處理系統(tǒng)之間通訊一般用光纖，并與X射線發(fā)生器有光電隔離的時(shí)序信號(hào)控制器，高速連接并支持雙向傳輸，速度50～100M/秒。

探測(cè)器可以很容易被安裝在X線設(shè)備比如R&F系統(tǒng)和C臂系統(tǒng)上。此外，探測(cè)器還需提供適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)控制散熱和溫度報(bào)警。

3 影響探測(cè)器品質(zhì)的因素及分析

3.1 量子探測(cè)效率（DQE）

對(duì)于數(shù)字圖像系統(tǒng)，系統(tǒng)的噪聲是影響最終圖像的質(zhì)量的關(guān)鍵因素，所以分析和及其相關(guān)因素是必需的。系統(tǒng)噪聲主要來(lái)自兩個(gè)方面：（1）探測(cè)器的電子噪聲；（2）透視和攝影圖像量子噪聲。圖5所示各種噪聲的空間頻率響應(yīng)。

圖5.噪聲功率譜的空間頻率響應(yīng)

隨著數(shù)字圖像后處理技術(shù)包括是算法改進(jìn)，可以適當(dāng)改變后處理圖像的對(duì)比度和銳度，但它并沒(méi)有本質(zhì)上改變影響圖像的質(zhì)量的噪聲因素（在圖像信號(hào)的頻域內(nèi)）。DQE是可以較好反映圖像的質(zhì)量和成像劑量之間的內(nèi)在關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)DQE高時(shí)，可以用較低的劑量獲得相同的圖像質(zhì)量。

3.2 MTF與感應(yīng)度的優(yōu)化比較

噪聲、感應(yīng)度和MTF應(yīng)該分別進(jìn)行優(yōu)化。這3項(xiàng)參數(shù)都必須被控制、模擬、調(diào)整和優(yōu)化。當(dāng)把分辨率保持在最佳設(shè)置值時(shí)，感應(yīng)度應(yīng)該取最大值。分辨率最佳值不一定是最大值，當(dāng)分辨率不合適時(shí)，將失去優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@將過(guò)濾掉X線的量子噪聲，改進(jìn)信噪比SNR，至少近似于空間頻率（0-3lp/mm）。此外，性能過(guò)好的閃爍屏MTF超出尼奎斯特頻率反而不好，因?yàn)檫@將導(dǎo)致噪聲與極低空間頻率的混淆。實(shí)際操作中，把CsI的厚度調(diào)到最佳，就能得到感應(yīng)度與MTF之間的平衡。圖6給出了先前抽樣的CsI的厚度在400μm至1000μm時(shí)與MTF的關(guān)系。

圖6 MTF與CsI厚度的比較

4 小結(jié)

平板探測(cè)器產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜而龐大的項(xiàng)目，技術(shù)涉及光學(xué)、材料、電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等多領(lǐng)域交叉，本文僅是對(duì)靜動(dòng)態(tài)平板探測(cè)器的關(guān)鍵元件做了設(shè)計(jì)前的技術(shù)剖析，對(duì)詳細(xì)的技術(shù)難點(diǎn)及功能性指標(biāo)并未一一羅列。