DR系统原理

DR系统原理—泛太斯堪原理及应用

摘要：

21世纪医学影像的主流将是全面数字化，作为最常规的医用诊断设备－X线机也将全面走向数字化。本文主要介绍了PAXSCAN直接数字成像(DR)系统的原理、主要性能以及与传统产品的

比较。

随着计算机和电子技术的飞速发展，超声、CT、DSA、MRI、SPE-CT、PET等全新的影

像成像技术进入医学领域，丰富了医学影像学的诊断信息，提高了影像诊断水平，同时实现诊

断信息数字化，为逐步建立数字化医学影像家族的图象存储传输系统(PACS)和远程诊断学系统

奠定了基础。这些数字影像诊断成功经验促进了X线摄影数字化的发展。

全数字化放射学、图象引导及远程放射医学作为相互关联的技术将 成为21世纪的主流而

使医学影像学的面貌焕然一新。RSNA第84届年会， 1998年12月在美国芝加哥召开。在会

上,Varian公司推出了PAXSCAN 直接数字成像系统。据年会传出的信息：全世界50％的放射科

将在5年内全部数字化而成为无胶片科室；70％的放射科10年内实现。在设备引进时，数字化

X线机自然应列为首先。

PAXSCAN 4030 是40cm X 30cm 非晶硅直接数字化平板成像系统。该系统是由非晶硅影像

板、高清晰度监视器和装有高性能软件的工作站组成，可以省去任何摄影X线胶片。暴光后立

即成像，PAXSCAN 产生一个12-bit灰阶的图象, 具有胶片相同的图象质量。 PAXSCAN系统安装

简单直接, 专门为医院现有X光机升级为数字X光机而设计。

一、术语(Glossary )

1、非晶硅(Amorphous silicon)

硅是通过蒸化沉淀成型的一种非晶体薄片.常规集成电路是由晶体硅晶片组成。晶体硅晶

片是生长晶(grown crystals)的切片。非晶硅装置可以做的比晶体大的多，因为需要的是非单

晶。非晶硅对于X线接收器来说是最理想的材料，因为非晶硅对放射线的伤害是免疫的.供成象

器使用的非晶硅被搀入氢和扩散P/N掺杂物产生P/N结。

2、碘化铯(Cesium iodide)

大部份高效的闪烁体在诊断X线能量段内，碘化铯具有高X线接收和高可视光子产量。搀

入钠(sodium)产生兰光，在核粒子检测器中被用作 光电 阴极. 搀入铊(thallium), 被用为硅

检测器,因 为它产生绿光。CsI:Na 具有 极 强的吸湿性和易潮性, 普通使用需要环境控制。CsI:

TI适度吸湿 但易 保护, 适合在空气中使用。对于成像, 这两种类型逐渐开 发成为一种高密度

的细柱, 供给一个光导纤维, 提高分辨率。

3、带自动焊接

传感器上的每行和每列必须独立和外部电子设备连接。这些连接的 空间 往往比象素的尺

寸还小. 为了连接上千个节点,小的柔性印刷板 被使用, 每一个板含有一个集成电路, 在玻片

上汇集了许多信号(普通128或者更多) 到节点(20-30)。低密度端容易与带附加电子设备的印刷

电路板焊接。高 密度 端使用一个各向异性的导片与玻片连接控制温度和压力。因为柔性 电 路

普通为一卷像胶片, 至少在大容积上, 吸附过程(attachment process) 由 机器完成。该技术

称为带自动焊接, 该方法称为TAB吸附。为了方 便 现在称小的柔性板为TABs。 4、调制传递函数( Modulation transfer function) (MTF)

与对照度传递函数相似, 是由比条纹更准确的正弦波(sine)组成的 光学图表示。选择频

率信号的振幅(amplitude)被称为该频率的调制深 度 。 整个系统的MTF可 以用单个元件的

MTF相乘来定义。

二、原理

1、传感器平板(SENSOR PANEL)

传感器平板的目的是会萃通过X线接收产生的电荷,逐行扫描电荷放大器。电荷存储设备

是光电导体成象器内的电容器或者使用闪烁体的平板内的光电二极管.熟知允许电荷溢流的开关

可以是一个二极管,一个二极管对或者一个薄片三极管. 所有这些存储装置的组合都可以工作,

每一个都有其缺点和优点. Varian产品中使用了光电二极管TFT的组合, 因为该组合使用简单,

工业有效(市场上可以买到), 设计灵便.

2、非晶硅传感器平板的放大(Photomicrograph of an a-Si sensor panel)

图中, 开关使用的是一个薄片三极 管(TFT),非常像使用在液晶显示的活动矩

阵里的开关。平板设计中一个重要的目的是取使用光电二极管(高占空因子)的成象器的最大区

域, 这样使到达光的量浪费最小。信号通过细金属线传输, 该传感器平板的象素中心矩是127

微米，占空因子是 35%。当前, 瓦瓦里安产品中使用的是高占空因子的平板。

3、非晶硅平板电路图(Circuit diagram of an amorphous sillicon sensor panel)

在运行中,光电二极管通过加给它的一个外部电压反向偏置.当TFT开关低时, 通

过闪烁体的光产生的电荷会萃在二极管上. 读出时, 这一行被给与电压, 打开这一行的开关.

电荷从被选中行的所有二极管中沿数据线同时流出. 在大型电路中, 这样将产生几千个信号必

须同时被读出。瓦里安已经开辟了一个用户128通道低噪音装置, 具有大的电荷存储容量。该

目的是为了适应非晶硅传感器平板宽的动态范围。

三、X线转换(X-ray conversion)

三种方法转换X线为可读出的电荷可用非晶硅来完成.它们是本征导 电；光敏电阻和闪烁

体方法。每种方法都有它的缺点和优点，把它们应 用到X线成象器上都有一定的局限性。在所

有方法中，每桢被读出之前, 电荷被会萃,Gamma 摄像机记录它所接收到的X线光子数。此 技

术 基本 上没有被用于X线成像, 因为收到的X线光子太多而不能记录。

1、本征电导方法(The Intrinsic Method)

到达的X线被非晶硅二极管捕获,产生空穴－电子对.应用极把电荷分开。因为每5电子伏

X线能量, 产生一个电荷对, 信号高。由于非晶硅接收的X线非常低, 所有光电二极管需要

10-20mm厚。制 造这样厚的非晶硅设备是不可行的.本征电子装置是用晶体硅创造的，一排或者二

排可以使用, 但价格比较高。

2、光敏电阻原理(The Photoconductor Method)

光敏物质具有比硅更高的对X线的接收能力，在光敏物质上涂一层传导电荷的采

集板作为一个电容器。当X线被接收, 它同样产生空穴-电子对但产生的电荷必须被存储在外层，

防止外部串扰。应用场不仅可以隔 离电荷，而且还可引导电荷到正下面的采集板,修正图象锐

化。通常，光敏电阻 ，硒也有相对低的X线吸收能力,要求大约20电子伏才干电子-空穴对。这限制了需要的最小剂量和产生信号的大小。具有低能量要求和高X线吸收的其它物质正在开

发。

3、闪烁体原理(The Scintillator Method)

闪烁体是一种吸收X线并把能量转换为可见光的化合物。好的闪烁体每一个X线

光子可以产生许多个可见光光子, 每1kV X线输出20－50 个可见光光子。闪烁体通常是由高原

子序数的物质组成，高原子序数的物质有高的X线接收能力, 和一个低浓度的催化剂，它直接

把光谱转换为可见光光子散射。闪烁体是粒状的像磷或者晶体像瑟二极管。

4、磷闪烁体结构

磷是一种受到X线发光的物质。用于X线成像的磷是由稀土硫氧化物搀入其它稀

土元素组成.通常是硫氧化钆(gadolinium)和硫氧化镧(lanthanum)搀入铽(terbium).它们发射

兰到绿光极易和胶片灵敏度相匹配。使用不同的颗粒和化合物可以产生不同的分辨率和亮度.

在使用时, 它们与蓝色 黏合剂混合,涂上塑料薄膜。这种设计可以紧贴X光胶片提高灵敏度。

但它们也紧贴非晶硅光电管使电子X线检测器灵敏度至少和胶片一样好磷屏产生一个可见光光

子需要几十电子伏, X线接收是好的。涂层必须厚来 阻挠高能射线，否则光散射是一个问题。

5、碘化铯闪烁体结构

为了分辨率和亮度更好的结合，铯二极管被使用。CsiI有实用的特性，在适当的蒸发条件

下, 它随着细针的罗列密度而变化(10-20mm in diameter)。这样产生的晶体作为光导管, 可见

光光子产生在输入层附近, 输入层要求比较厚(up to 1mm),保持高的分辨率.因为铯有大的原子

数, 它是一个优秀的X线接收器, 所以, 这种金属对于输入的X线非常合用。产生每一个光子需

要20-25电子伏。当搀入铊(thallium)CsI激发 出550nm的光 ，正是非晶硅光谱灵敏度的峰值.

在当前的产品的中,碘化铯与非晶硅的结合具有最高的DQE值材料。

四、传感器平板

传感器平板的目的是会萃通过X线接收产生的电荷，逐行扫描电荷放大器。电

荷存储设备是光电导体成象器内的电容器或者使用闪烁体的平板内的光电二极管。熟知允许电荷

溢流的开关可以是一个二极管,一个二极管对或者一个薄片三极管。所有这些存储装置的组合都可

以工作，每一个都有其缺点和优点。Varian产品中使用了光电二极管TFT的组合, 因为该组合

使用简单, 工业有效(市场上可以买到), 设计灵便。

1、非晶硅传感器平板的放大(Photomicrograph of an a-Si sensor panel)

图中，开关使用的是一个薄片晶体管(TFT)，非常像使用在液晶显示的活动矩

阵里的开关。平板设计中一个重要的目的是取使用光电二极管(高占空 因子) 的成象器的最大

区域, 这样使到达光的量浪费最小。信号通过细金属线传输, 该传感器平板的象素中心矩是127

微米，占空因子是35%。当前，瓦里安产品中使用的是高占空因子的平板。

2、非晶硅平板电路图(Circuit diagram of an amorphous sillicon sensor panel)｝

在运行中，光电二极管通过加给它的一个外部电压反向偏置.当TFT 开关低时, 通过闪

烁体的光产生的电荷会萃在二极管上。读出时，这一行被给与电压，打开这一行的开关。电荷

从被选中行的所有二极管中沿数 据线同时流出。在大型电路中，这样将产生几千个信号必须同

时被读出 。瓦里安已经开辟了一个用户128通道低噪音装置，具有大的电荷存储容量。该目的

是为了适应非晶硅传感器平板宽的动态范围。