CN106547010A - 基于自动曝光的x射线平板探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于自动曝光的X射线平板探测器，包括：X射线平板探测器面板，用于将X射线先转换为可见光再进行光电转换，形成电信号，并伴随着可见光的散射；可见光信号感应模块，用于感应散射光并判定曝光开始，通过扫描激励信号来实时监测响应信号的变化，判断是否产生散射光；信号读出电路，在接收到曝光开始信号时，对X射线平板探测器面板进行的曝光动作自动开辟曝光窗口，并完成对X射线平板探测器面板的电信号的采集。本发明具备瞬时的X射线自动曝光感应功能，自动曝光感应并采集信号，实现平板探测器和移动工作站及X机任意组合，且产品轻巧、便携，并保证病人在无需增加曝光剂量和曝光次数的前提下保障设备和图像质量的稳定。

Description

基于自动曝光的X射线平板探测器

技术领域

本发明涉及一种X射线平板探测器，特别是涉及一种基于自动曝光的X射线平板探测器。

背景技术

X射线平板探测器是一种将X射线先转换为可见光，再经过光电转换作用，变成可供记录的电信号的装置，是X射线成像系统中最重要的组成部分之一。在X射线成像系统中，另一重要组成部分则是X射线高压发生器及其附属X射线球管。当前，并没有相关的统一标准来定义X射线高压发生器与X射线平板探测器的硬件接口和软件通讯协议，而是各发生器厂商与探测器厂商自订标准，这为X射线成像系统的集成带来了巨大困难。

在X射线曝光控制功能模块中，外同步方式是当前主流，是指X射线平板探测器与X射线高压发生器之间通过真实的物理媒介，如线缆或无线信号进行连接，实现曝光控制。但是，这种方式存在软硬件接口不匹配问题，无法做到X射线平板探测器和移动工作站及X机的任意组合，更无法实现平板探测器一机多用的目标。

因此，自动同步方式是X射线曝光控制功能的发展方向，其特点是不需要将X射线平板探测器和高压发生器做物理连接即可同步控制，具有瞬时的X射线曝光感应功能，自动曝光感应采集信号。在当前，为了实现自动检测X射线曝光的开始，一部分会在采集图像的影像传感器背后安装X射线传感器来感知曝光；一部分则会在其背后安装可见光传感器，利用影像传感器自带的闪烁层把X射线变为可见光信号后来感知曝光。但是，这两种方法，因传感器的价格不菲，会增加额外的制造成本，同时，由于X射线或可见光一定会发生反射，形成背散射，这又会造成图像的不均匀。

同时，一部分会采用算法的方式，在不增加硬件成本的基础上，只是改变工作时序，根据X射线曝光后图像与未曝光前的背景图像的存在灰度值差异，设置相应阈值，以是否超过阈值来自动判定X射线曝光开始的时间点。但是，这种方式，也存在干扰问题，即按压伪影、microphony(振颤噪声)、电磁干扰等，都会导致误检测，引起频繁上图。这方面问题，典型的如专利CN201410115690、CN201410023972所示。另外，这两方面的问题也出现在其他相类似的成像设备的自动曝光控制系统中。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于自动曝光的X射线平板探测器，以实现在高压发生器和平板探测器之间不进行任何物理连接，一旦曝光，就获取X射线图像，到达在任何发生器型号下，都可以组成X射线诊断系统的目的。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于自动曝光的X射线平板探测器，所述X射线平板探测器包括：

X射线平板探测器面板，用于将X射线转换为可见光并进行光电转换，同时产生散射光；

可见光信号感应模块，用于感应所述散射光并判定曝光开始，通过扫描激励信号来实时监测输出响应信号的变化，判定是否接收到散射光；

信号读出电路，用于在接收到所述曝光开始信号时，对所述X射线平板探测器面板进行的曝光动作自动开辟曝光窗口，并完成对所述X射线平板探测器面板的电信号的采集。

作为本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器的一种优选方案，所述X射线平板探测器面板包括：

玻璃基板；

非晶硅光电二极管、薄膜晶体管TFT阵列，形成于所述玻璃基板上，一个薄膜晶体管TFT和一个非晶硅光电二极管组成一个像素，薄膜晶体管TFT包括源极、漏极、以及栅极，所有非晶硅光电二极管的P端短路到一起连到Vcom上，每个非晶硅光电二极管的N端连至各自的薄膜晶体管TFT的漏极，处于同一行的像素的薄膜晶体管TFT的栅极连至同一条驱动线Gate Line，处于同一列的像素的薄膜晶体管TFT的漏极连至同一条数据线Data line；所述驱动线Gate line及数据线Data line的交接处形成可变电容；

闪烁层，覆盖于所述非晶硅光电二极管、TFT阵列之上，用于将X射线转换为可见光。

作为本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器的一种优选方案，所述可见光信号感应模块设置于所述闪烁层之上，用于基于可见光感应元件接收、感应所述散射光，并在光电转换后产生电子的定向移动，以改变所述Gate line及Data line的交接处的可变电容的电容值，当该电容值超过预设电容阈值时，向所述信号读出电路输出曝光开始信号，其中，所述可变电容的第一极板及第二极板为交接处的Gate line及Date line。

进一步地，通过所述电子定向移动改变所述可变电容的第一极板及第二极板之间的距离，以改变所述可变电容的电容值。

作为本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器的一种优选方案，所述可见光信号感应模块包括：可见光感应元件、可变电容、第二固有电容、第三固有电容、第四固有电容、第五固有电容、第一固有电阻及第二固有电阻，其中，所述可见光感应元件的输出端连接于所述可变电容的第一极板、第一固有电阻的第一端，所述可变电容的第二极板连接于所述第二固有电阻的第一端、第二固有电容的第一极板，并作为所述可见光信号感应模块的信号输出端，所述第一固有电阻的第二端连接于所述第四固有电容的第一极板以及第三固有电容的第一极板，所述第四固有电容的第二极板接地，所述第三固有电通的第二极板接地，并连接于所述第二固有电容的第二极板，所述第二固有电阻的第二端连接于所述第五固有电容的第一极板，所述第五固有电容的第二极板接地。

作为本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器的一种优选方案，所述信号读出电路包括清空单元，用于在未有入射X射线前，定时自动清空所述数据线Data line中的漏电流。

作为本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器的一种优选方案，所述信号读出电路包括采集单元，用于对X射线平板探测器面板所采集的电荷进行电荷积分、信号放大、滤波以及模数转换，并输出数字信号。

作为本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器的一种优选方案，还包括图像显示模块，用于对信号读出电路的读出信号进行图像呈现。

如上所述，本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器，具有以下有益效果：

1)本发明硬件增加成本低，改造容易；

2)本发明可以有效屏蔽各类干扰(只对可见光敏感)；

3)本发明不对X射线形成衰减，且无背散射作用；

4)本发明实时性强，具有曝光探测瞬态性，减少X射线剂量浪费，设备稳定；

5)本发明对探测器的厚度基本不增加(增加厚度在mm级别)，依然能让平板探测器具有便携、轻便的特点，且自动曝光探测模块具备高度时效性；

6)AED模式是平板探测器和球管X射线同步的一种方式，不需要系统集成商开放接口，即不需要将DR部分和X线机做任何物理连接，从而绕开系统集成商，具有高度的融合性；

7)AED模式让平板探测器成为一台真正独立于X线机，无需高压发生器接口电缆，以最方便的方式组成X射线诊断系统，更可与不能提供曝光触发信号的高压发生器一起使用，即容易构成DR系统，做到一机多用，实现快速移动工作的目的。

附图说明

图1显示为本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器的X射线平板探测器面板的封装结构示意图。

图2显示为本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器的X射线平板探测器面板的电路结构示意图。

图3显示为本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器的可见光信号感应模块的封装结构示意图。

图4显示为本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器的可见光信号感应模块的电路结构示意图。

图5显示为本发明的基于自动曝光的X射线平板探测器的结构框图。

元件标号说明

11 闪烁层

12 可见光

13 散射光

14 薄膜晶体管TFT

15 非晶硅光电二极管

16 导电层

17 玻璃基板

18 信号读出电路

19 数据线Data line

20 驱动线Gate line

21 ITO透明导电层

22 可见光感应元件

23 绝缘材料

24 导电电极

25 扫描电路

26 读出电路

C0 可变电容

C2 第二固有电容

C3 第三固有电容

C4 第四固有电容

C5 第五固有电容

R1 第一固有电阻

R2 第二固有电阻

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图5所示，本实施例提供一种基于自动曝光的X射线平板探测器，所述X射线平板探测器包括：

X射线平板探测器面板，用于将X射线转换为可见光12并进行采集，同时产生散射光13；其中，所述X射线由X射线源产生；

可见光信号感应模块，用于采集所述散射光13，并在采集到的散射光13超过预设阈值时，输出曝光信号；

信号读出电路，用于在接收到所述曝光开始信号时，对所述X射线平板探测器面板进行的曝光动作自动开辟一定大小的曝光窗口，并对所述X射线平板探测器面板的电信号进行采集。

如图5所示，具体地，所述信号读出电路包括：

曝光窗口，用于在接收到所述曝光开始信号时，对所述X射线平板探测器面板进行的曝光动作自动开辟曝光窗口，其大小可配置，即X射线的入射需都在该窗口内完成；

清空单元，用于在未有入射X射线前，定时自动清空所述数据线Data line19中的漏电流。

采集单元，用于对X射线平板探测器面板所采集的电荷进行电荷积分、信号放大、滤波以及模数转换，并输出数字信号。

图像显示模块，用于对信号读出电路的读出信号进行图像呈现。

如图1～图2所示，所述X射线平板探测器面板包括：

玻璃基板17；

非晶硅光电二极管15、薄膜晶体管TFT14阵列，形成于所述玻璃基板上，一个薄膜晶体管TFT14和一个非晶硅光电二极管15组成一个像素，薄膜晶体管TFT14包括源极、漏极、以及栅极，所有非晶硅光电二极管15的P端短路到一起连到Vcom上，每个非晶硅光电二极管15的N端连至各自的薄膜晶体管TFT14的漏极，处于同一行的像素的薄膜晶体管TFT14的栅极连至同一条驱动线Gate Line，处于同一列的像素的薄膜晶体管TFT14的漏极连至同一条数据线Data line；所述驱动线Gate line及数据线Data line的交接处形成可变电容；

闪烁层11，覆盖于所述薄膜晶体管TFT14及光电二极管15阵列之上，用于将X射线转换为可见光。

如图3所示，所述可见光信号感应模块设置于所述闪烁层11之上，用于基于可见光感应元件22接收、感应所述散射光，并在光电转换后产生电子定向移动，以改变所述驱动线Gateline20及数据线Data line19的交接处的可变电容C0的电容值，当该电容值超过预设电容阈值时，向所述信号读出电路输出曝光开始信号，其中，所述可变电容C0的第一极板及第二极板为交接处的驱动线Gate line20及数据线Data line19，通过所述电子定向移动改变所述可变电容C0的第一极板及第二极板之间的距离，以改变所述可变电容C0的电容值。

具体地，如图3所示，所述可见光信号感应模块包括：结合于所述闪烁层11之上的ITO透明导电层21，形成于所述ITO透明导电层21上的可见光感应元件22阵列，分别连接于所述可见光感应元件22阵列的输入及输出的扫描电路25以及读出电路26，覆盖于所述可见光感应元件22阵列之上的绝缘材料23以及位于所述绝缘材料23之上用于扫描电路25以及读出电路26等电路引出的导电电极24，其中，所述扫描电路25以及读出电路26设置于所述可见光信号感应模块的侧面，所述绝缘材料23以及导电电极24采用透明的材料形成。

如图4所示，所述可见光信号感应模块包括：可见光感应元件V1、可变电容C0、第二固有电容C2、第三固有电容C3、第四固有电容C4、第五固有电容C5、第一固有电阻R1及第二固有电阻R2，其中，所述可见光感应元件的输出端连接于所述可变电容C0的第一极板、第一固有电阻R1的第一端，所述可变电容C0的第二极板连接于所述第二固有电阻R2的第一端、第二固有电容C2的第一极板，并作为所述可见光信号感应模块的信号输出端，所述第一固有电阻R1的第二端连接于所述第四固有电容C4的第一极板以及第三固有电容C3的第一极板，所述第四固有电容C4的第二极板接地，所述第三固有电通的第二极板接地，并连接于所述第二固有电容C2的第二极板，所述第二固有电阻R2的第二端连接于所述第五固有电容C5的第一极板，所述第五固有电容C5的第二极板接地。

如图1～图5所示，本实施例的基于自动曝光的X射线平板探测器的探测方法主要是在控制模块FPGA的控制、调配下，实现入射X光的瞬时、高效判断以及准确地实现自动清空、等待曝光、自动采集时序的逻辑动作，最终完成图像采集工作。现结合附图1～图5，对本发明的技术方案的具体实施进行详细地阐述，主要分以下几个步骤：

步骤1)，图1显示为X射线平板探测器面板，其包括X光转换层(闪烁层11)、薄膜晶体管TFT14及非晶硅光电二极管15阵列、玻璃基底以及信号读出电路18。由于薄膜晶体管TFT14及非晶硅光电二极管15阵列本身的材质物理特性以及RC电路特点，X射线平板探测器面板上时刻存在漏电流，如图2中所示，漏电流会通过驱动线20(Gate line)和数据线19(Data line)流出，数据线19(date line)的等待曝光时间越长，漏电流越大，因此，在未有入射X射线时，需要进行自动清空动作，即驱动线20(Gate line)依次打开，数据线19(date line)上进行逐行清空动作。

步骤2)，当曝光的X射线入射到X射线平板探测器面板时，闪烁层11(如CsI/GOS)将入射的X射线转换为可见光。此时，由于闪烁体晶体结构，与薄膜晶体管TFT14及非晶硅光电二极管阵列(array)耦合，必定伴随着部分可见光的散射。

步骤3)，如图5所示，自动清空窗口关闭，等待曝光窗开启的前提条件是准确判定曝光X射线开始时刻。因此，本发明需要将散射部分的可见光进行有效利用，通过可见光感应模块，确认是否有入射X射线的产生。

步骤4)，图3所示显示为可见光信号感应模块的封装结构，主要利用对可见光敏感的光电二极管15，产生电子的定向移动，从而改变整个玻璃面板中Gate line和Data line相交接处的电容大小，即图4中等效可变电容C0电路中的C0电容，电容定义公式：

其中，ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。通过电子定向移动，改变极板之间的距离d，从而形成多电容并联状态，最终改变C0，使其变大，具体电容变化公式：

C0′＝C0+C1

其中，C1即是光电转换后，极板距离d变化引起的并联电容。这样，就改变了Gate line和Data line相交接处的电容大小，使其变大，如瞬时从1nf增大到3nf，最终在输出信号上，使得交流电压的峰峰值显著增大，到达原始状态下，输出信号的整数倍。

步骤5)，当经过步骤4)的感应、探测可见光信号动作后并获得相应地超过触发阈值的信号时，FPGA即时停止自动清空，并瞬时进入等待曝光状态，即图5中的曝光窗口开启，使入射X射线准确、完全地落在其中。

步骤6)，最后，在曝光窗口结束时进行信号采集，利用读出电路模块，将扫描控制电路TFT打开后流出的电子信号经过电荷积分、信号放大、滤波、模数转换等处理后，传送到图像显示模块，进行图像呈现，如图5所示。

如上所述，本发明提供一种基于自动曝光的X射线平板探测器，所述X射线平板探测器包括：

X射线平板探测器面板，用于将X射线转换为可见光并进行光电转换，同时产生散射光；

可见光信号感应模块，用于感应所述散射光并判定曝光开始，通过扫描激励信号来实时监测输出响应信号的变化，判定是否接收到散射光；

信号读出电路，用于在接收到所述曝光开始信号时，对所述X射线平板探测器面板进行的曝光动作自动开辟曝光窗口，并完成对所述X射线平板探测器面板的电信号的采集。本发明具有以下有益效果：

1)本发明硬件增加成本低，改造容易；

2)本发明可以有效屏蔽各类干扰(只对可见光敏感)；

3)本发明不对X射线形成衰减，且无背散射作用；

4)本发明实时性强，具有曝光探测瞬态性，减少X射线剂量浪费，设备稳定；

5)本发明对探测器的厚度基本不增加(增加厚度在mm级别)，依然能让平板探测器具有便携、轻便的特点，且自动曝光探测模块具备高度时效性；

6)AED模式是平板探测器和球管X射线同步的一种方式，不需要系统集成商开放接口，即不需要将DR部分和X线机做任何物理连接，从而绕开系统集成商，具有高度的融合性；

7)AED模式让平板探测器成为一台真正独立于X线机，无需高压发生器接口电缆，以最方便的方式组成X射线诊断系统，更可与不能提供曝光触发信号的高压发生器一起使用，即容易构成DR系统，做到一机多用，实现快速移动工作的目的。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于自动曝光的X射线平板探测器，其特征在于，所述X射线平板探测器包括：

X射线平板探测器面板，用于将X射线转换为可见光并进行光电转换，同时产生散射光；

可见光信号感应模块，用于感应所述散射光并判定曝光开始，通过扫描激励信号来实时监测输出响应信号的变化，判定是否接收到散射光；

信号读出电路，用于在接收到所述曝光开始信号时，对所述X射线平板探测器面板进行的曝光动作自动开辟曝光窗口，并完成对所述X射线平板探测器面板的电信号的采集。

2.根据权利要求1所述的基于自动曝光的X射线平板探测器，其特征在于：所述X射线平板探测器面板包括：

玻璃基板；

非晶硅光电二极管、薄膜晶体管TFT阵列，形成于所述玻璃基板上，一个薄膜晶体管TFT和一个非晶硅光电二极管组成一个像素，薄膜晶体管TFT包括源极、漏极、以及栅极，所有非晶硅光电二极管的P端短路到一起连到Vcom上，每个非晶硅光电二极管的N端连至各自的薄膜晶体管TFT的漏极，处于同一行的像素的薄膜晶体管TFT的栅极连至同一条驱动线Gate Line，处于同一列的像素的薄膜晶体管TFT的漏极连至同一条数据线Data line；

闪烁层，覆盖于所述非晶硅光电二极管、TFT阵列之上，用于将X射线转换为可见光。

3.根据权利要求2所述的基于自动曝光的X射线平板探测器，其特征在于：所述可见光信号感应模块设置于所述闪烁层之上，用于基于可见光感应元件接收、感应所述散射光，并在光电转换后产生电子的定向移动，以改变所述驱动线Gate line及数据线Data line的交接处的可变电容的电容值，当该电容值超过预设电容阈值时，向所述信号读出电路输出曝光开始信号，其中，所述可变电容的第一极板及第二极板为交接处的驱动线Gate line及数据线Data line。

4.根据权利要求3所述的基于自动曝光的X射线平板探测器，其特征在于：通过所述电子定向移动改变所述可变电容的第一极板及第二极板之间的距离，以改变所述可变电容的电容值。

5.根据权利要求3所述的基于自动曝光的X射线平板探测器，其特征在于：所述可见光信号感应模块包括：可见光感应元件、可变电容、第二固有电容、第三固有电容、第四固有电容、第五固有电容、第一固有电阻及第二固有电阻，其中，所述可见光感应元件的输出端连接于所述可变电容的第一极板、第一固有电阻的第一端，所述可变电容的第二极板连接于所述第二固有电阻的第一端、第二固有电容的第一极板，并作为所述可见光信号感应模块的信号输出端，所述第一固有电阻的第二端连接于所述第四固有电容的第一极板以及第三固有电容的第一极板，所述第四固有电容的第二极板接地，所述第三固有电通的第二极板接地，并连接于所述第二固有电容的第二极板，所述第二固有电阻的第二端连接于所述第五固有电容的第一极板，所述第五固有电容的第二极板接地。

6.根据权利要求2所述的基于自动曝光的X射线平板探测器，其特征在于：所述信号读出电路包括清空单元，用于在未有入射X射线前，定时自动清空所述数据线Data line中的漏电流。

7.根据权利要求1所述的基于自动曝光的X射线平板探测器，其特征在于：所述信号读出电路包括采集单元，用于对X射线平板探测器面板所采集的电荷进行电荷积分、信号放大、滤波以及模数转换，并输出数字信号。

8.根据权利要求1所述的基于自动曝光的X射线平板探测器，其特征在于：还包括图像显示模块，用于对信号读出电路的读出信号进行图像呈现。