CN111180472A - 一种多层复式x射线探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及X射线应用技术领域，尤其涉及一种多层复式X射线探测器。它包括层叠设置的至少两层信号捕获层，且远离X射线源的信号捕获层对X射线的感光性能应不低于靠近X射线源的信号捕获层。采用这种探测器可以解决在X射线成像时的一次信号捕获所造成的信息丢失、成像质量不佳和捕获失败的问题。
Description
技术领域
本发明涉及X射线应用技术领域，尤其涉及一种多层复式X射线探测器。
背景技术
X射线自从被发现后被广泛应用于不同的领域，主要包括利用物质对连续谱的吸收特性进行医学诊断，探伤，安检等领域，另一种是利用其特征谱进行物质分析，宇宙探测。在医用诊断X射线成像领域，经历了传统的胶片或增感屏技术、计算机辅助X射线成像技术(CR: Computed Radiography)技术和数字化成像技术（DR：Digital Radiography)技术。胶片和增感屏技术是传统的胶片感光技术；CR技术是使用可反复读取成像板（也称IP板）对X射线感光，再使用激光扫描仪经模数转换形成数字信息；随着技术的发展，目前DR技术已是当今主流。DR——数字X线摄影抛弃了传统的X线信息载体，转而使用电子载体，X线照射人体后不直接作用于胶片，被探测器（Detector）接收并转换为数字化信号，获得X线信号强度的数字矩阵，再通过计算机重建灰阶图像。数字图像数据可利用计算机进行进一步处理、显示、传输和存储，分辨率比普通X线照片高，诊断信息丰富，并且能够更有效地使用诊断信息，提高信息利用率及X线摄影检查的诊断价值。
目前的DR技术中又有两类基于不同方式的X光-电信号转变方式，一类是直接式转换，一类是间接式转换。直接式转换方式时，X射线经由光电半导体材料直接转变为电荷信号，再经外电路读出。其中X射线吸收材料主要是光电半导体材料，常用的X射线光电半导体材料包括非晶硒、非晶硅、碲化镉、碲化锌镉、碘化铅、碘化汞、氧化铅、钙钛矿类材料等等；外电路一般是由带存储电容的TFT电路和外接PCB及计算机等信号处理系统。间接转换方式时，X射线经首先由感光闪烁体层转变为可见光，然后经由光电二极管转变为电信号读出。其中X射线吸收材料为感光闪烁体层，是一类光致发光材料，常用的X射线感光闪烁体包括碘化铯、硫氧化钆、钨酸盐、碱金属卤化物等；光电二极管通常和TFT阵列、CCD或CMOS等耦合在一起，再外接PCB及计算机等信号处理系统。
无论是直接转换技术还是间接转换技术，当前用X射线装置的成像系统广泛采用的是单层吸收材料和单一外读出电路，即单层光电半导体材料或单层感光闪烁体，可以统称为单层DR探测器。使用单层信号捕获系统具有一定的缺陷。其最主要缺点在于是一次成像，即用户通过一次X射线照射后，系统捕获一次信号，然后经处理获得所需图像或其他信息。由于不同吸收材料对X射线的吸收、散射等影响，单层探测器采集的图像会损失一些X射线，同时具有不同的缺陷，造成了大量的信号损失。如典型的基于非晶硒的探测器，其具有极高对低能量X射线的吸收和极高的空间分辨率，但对高能量X射线的吸收较弱；而基于感光闪烁体的探测器，由于可见光散射的原因，空间分辨率较低。一次捕获和成像系统难以形成兼顾宽X射线能量应用的多种领域。特殊的，如果一次成像捕获信号失败，则需要对用户进行二次X光照射，再进行成像，增加了用户辐照量和其他处理成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种多层复式X射线探测器，采用这种探测器可以解决在X射线成像时的一次信号捕获所造成的信息丢失、成像质量不佳和捕获失败的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种多层复式X射线探测器，它包括层叠设置的至少两层信号捕获层，且远离X射线源的信号捕获层对X射线的感光性能应不低于靠近X射线源的信号捕获层。
作为优选，最靠近X射线源的信号捕获层设为第一信号捕获层，且所述第一信号捕获层靠近X射线源一端上设有阻光层。
作为优选，若信号捕获层为直接转换式单层时，则该信号捕获层靠近X射线源一端上设置有电极保护层；若信号捕获层为间接转换式单层时，则该信号捕获层靠近X射线源一端上设有阻光层。
作为优选，信号捕获层之间均设有中部TFT层，且中部TFT层均为透明材料制成。
作为优选，靠近X射线源的TFT层的像素尺寸小于等于远离X射线源的TFT层的像素尺寸。
作为优选，若信号捕获层包括直接转换式单层与间接式转换单层时，所述直接转换式单层与X射线源的距离小于间接转换式单层与X射线源的距离。
采用以上结构与现有技术相比，本发明具有以下优点：一次X射线照射可以获得多重图像信号，这些信号可以经计算机进行处理，可以各层图像单层使用，也可复合使用，因此除用于与单层探测器相同场合外，还适用于双能减影，对比识别等多场合。不同类的信号捕获系统可以扩大信号捕获范围，获得更多有用信息；不同类的信号捕获系统分辨率不同，因此获得的图像质量可以多元化；不同信号捕获系统在某一层失效时其他层仍可工作，可适合的工作环境更广。
在最靠近X射线的信号捕获层上设置阻光层，这样可以避免自然光的影响。
采用直接转换单层时，由于光电半导体材料特性，需在吸收材料层顶部增加电极及电极保护层，该层应该应均匀，对X射线吸收小。
采用间接转换单层时，由于吸收X射线的闪烁体产生的可见光会扩散并散射到相邻层影响图像分辨率，因此需要在各层界面处增加可见光阻挡层。该阻光层应均匀，对X射线吸收小。
由于吸收材料需要附着在TFT阵列、CCD或CMOS上才能被外部PCB电路读出，因此这些电路会处在各感光层之间，这些电路不能在图像中形成伪影，因此中间层电路只能使用透明的TFT电路。
在上层采用小像素尺寸的TFT,在下层采用大像素尺寸的TFT，至少保证下层TFT尺寸不低于上层TFT尺寸，这样设计可以使得采集的图像分辨率高。
由于直接转换式感光层具有比间接转换式感光层更优异的分辨率，所以将直接转换式单层设置在间接转换式单层上方可以得到更好的效果。
附图说明
图1为本发明一种多层复式X射线探测器具体实施例一的示意图。
图2为本发明一种多层复式X射线探测器具体实施例二的示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明做进一步描述，但是本发明不仅限于以下具体实施方式。
具体实施例一：一种多层复式X射线探测器，包括至少两层信号捕获层，两层或多层信号捕获层通过串联的方式组合形成成像系统，每层信号捕获层设置有一个TFT层，而且每个TFT层与读出芯片连接，因为各层读出芯片采用同一类型时，可以设计一套PCB控制多层的芯片依次分层读出，即将所有的读出芯片均采用同一个PCB控制电路控制，最后统一由计算机进行信号处理。
具体实施例二：一种多层复式X射线探测器，包括至少两层信号捕获层，两层或多层信号捕获层通过串联的方式组合形成成像系统，每层信号捕获层设置有一个TFT层，而且每个TFT层与读出芯片连接，各层读出芯片应采用不同类型时，则每层需要单独的驱动电路，故需要设计多套PCB控制各层分别读出，即每个读出芯片单独连接一个PCB控制电路，最后统一由计算机进行信号处理。
具体实施例三：直接转换式同类双层系统
该形式2层均为直接转换式单层，X射线吸收材料均为光电半导体材料，自上而下的结构为顶部绝缘保护层/第一层电极（兼具阻光功能）/第一层光电半导体吸收材料/第一层TFT/第二层绝缘保护层/第二电极层/第二层光电半导体吸收材料/第二层TFT。第一层光电半导体吸收材料应采用较低吸收率光电半导体材料，如采用10~500um厚的非晶硒，其上含有传统电极以及绝缘层，其下为50~140um像素尺寸的TFT，并且第一层TFT为透明材料制成；第二层光电半导体吸收材料应采用较高吸收率光电半导体材料，如10~1000um厚的碲化镉、碲化锌镉、碘化铅、碘化汞、氧化铅、钙钛矿类X射线吸收材料，其上含有电极以及绝缘层，其下为与第一层相当的或更大像素尺寸（50~200um）的TFT。当然，不同层也可采用相同材料，进而解决单层材料过厚引起的工艺问题。一次X射线曝光时，X射线穿过第一层非晶硒材料，形成可移动电荷存储到第一层底部的TFT电容中；未被全部吸收的X射线穿过第一层材料和TFT后，到达第二层吸收材料，在第二层形成信号电荷存储在第二层底部的TFT电容中。如果两块TFT均采用相同的外部芯片，则仅需1块PCB即可控制分步读取两块TFT电容中的信号。如果两块TFT采用不同的外部芯片，由于芯片驱动方式不同，则需2块不同的PCB分别读取两块TFT电容中的信号。由PCB读出的信号传输给计算机，形成2幅不同性能的图像。由于第一层采用了较低吸收率、较薄的材料和较小像素尺寸的TFT，形成的高分辨率的软组织图像；第二层采用较高吸收率、较厚的材料以及较大像素尺寸的TFT，可以将穿过第一层之后剩余的X射线信号大量吸收，充分提高X射线利用率，形成高对比度图像。
所述的直接转换式是指采用光电半导体直接将X射线或可见光转变为电信号的方式，由绝缘保护层/电极层/半导体材料层/带有存储电容功能的TFT层组成，其光电半导体材料包括但不限于非晶硒、非晶硅、碲化镉、碲化锌镉、碘化铅、碘化汞、氧化铅、钙钛矿类材料。其绝缘保护层包括但不限于有机绝缘膜如派瑞林、聚酰亚胺、PET薄膜等，其电极材料包含但不限于铝薄膜、铬薄膜等。
具体实施例四：间接转换式同类双层系统
该形式2层均为间接转换式单层，X射线吸收材料均为感光闪烁体材料，自上而下的结构为顶部阻光层/第一层感光闪烁体材料/第一层TFT/第二层阻光层/第二层感光闪烁体材料/第二层TFT(或CCD,CMOS等类感光读出电路)。第一层感光闪烁体材料采用较低吸收率分辨率好的感光闪烁体材料，如采用10~500um厚的针状碘化铯、碱金属卤化物等，其上为顶部阻光层，其下为50~140um像素尺寸的TFT，并且为透明材料制成；第二层感光闪烁体材料采用较高吸收率分辨率低的感光闪烁体材料，如采用10~500um厚的硫氧化钆、钨酸盐等，其上为阻光层，其下为50~200um像素尺寸的TFT或者其它感光读出电路如CCD或CMOS等。亦可两层均采用相同材料。一次X射线曝光时，X射线穿过第一层闪烁体材料，形成可见光，可见光传输到第一层底部的TFT阵列上的光电二极管中，形成存储电荷；未被全部吸收的X射线穿过第一层材料和TFT后，到达第二层吸收材料，在第二层材料中形成可见光，第二层可见光传输到第二层底部的TFT阵列上的光电二极管中，形成存储电荷。特别的，如果第二层是最底层，无需考虑X射线穿透性，也可以采用CCD或CMOS探测底层闪烁体转换的可见光。对于小面积的探测器，可以采用直接耦合CCD或CMOS传感器；对于大面积探测器，可以采用透镜或光纤聚焦等方式耦合CCD或CMOS传感器。如果上下两层的TFT均采用相同的外部芯片，则仅需1块PCB即可控制分步读取两块TFT电容中的信号。如果两块TFT采用不同的外部芯片，由于芯片驱动方式不同，则需2块不同的PCB分别读取两块TFT电容中的信号。由PCB读出的信号传输给计算机，形成2幅不同性能的图像。
所述的间接转换式是指采用感光闪烁体层将X射线转变为可见光，然后经由光电二极管转变为电信号读出，由阻光层/闪烁体材料层/带有光电二极管功能的TFT或CCD、CMOS等器件。其感光闪烁体层，是一类光致发光材料，包括但不限于碘化铯、硫氧化钆、钨酸盐、碱金属卤化物等，其阻光层可以是轻金属薄膜如铝薄膜，铬薄膜或有机不透光薄膜等。
具体实施例五：异类双层系统
该形式2层分别为直接转换式单层和间接转换式单层。由于直接转换式单层比间接转换式单层具有更优异的图像分辨率，在设计时，可考虑将直接转换式单层置于上层，间接转换式单层置于下层。自上而下的结构为顶部绝缘保护层/第一层电极（兼具阻光功能）/第一层光电半导体吸收材料/第一层TFT/第二层阻光层/第二层感光闪烁体材料/第二层TFT(或CCD,CMOS等类感光读出电路)。第一层光电半导体吸收材料应采用较低吸收率光电半导体材料，如采用10~500um厚的非晶硒、碲化镉、碲化锌镉等，其上含有传统电极以及绝缘层，其下为50~140um像素尺寸的TFT，且TFT采用透明材料制成；第二层感光闪烁体材料采用较高吸收率分辨率低的感光闪烁体材料，如采用10~500um厚的碘化铯、硫氧化钆、钨酸盐等，其上为阻光层，其下为50~200um像素尺寸的TFT或者其它感光读出电路如CCD或CMOS等。更为具体的一个示例上层采用晶硒层,下层采用碘化铯层。一次X射线曝光时，X射线穿过第一层非晶硒材料，形成可移动电荷存储到第一层底部的TFT电容中；未被全部吸收的X射线穿过第一层材料和TFT后，到达第二层碘化铯中转换为可见光，可见光扩散到第二层底部的TFT阵列上光电二极管中，形成存储电荷。由于2种TFT驱动方式不同，则需2块不同的PCB分别读取两块TFT电容中的信号。由PCB读出的信号传输给计算机，形成2幅不同性能的图像。由于第一层采用了较低吸收率、较薄的非晶硒材料和较小像素尺寸的TFT，可以形成的极高分辨率的软组织图像；第二层采用较高吸收率、较厚的碘化铯材料以及较大像素尺寸的TFT，可以将穿过第一层之后剩余的X射线信号大量吸收，充分提高X射线利用率，形成高对比度图像。
三层或者三层以上的也一样按照具体实施例三到五来设置，即直接转换式单层设置在上，间接转换式单层设置在下，自上而下对X射线的吸收逐渐增强。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。
Claims (6)
1.一种多层复式X射线探测器，其特征在于：它包括层叠设置的至少两层信号捕获层，且远离X射线源的信号捕获层对X射线的感光性能应不低于靠近X射线源的信号捕获层。
2.根据权利要求1所述的一种多层复式X射线探测器，其特征在于：最靠近X射线源的信号捕获层设为第一信号捕获层，且所述第一信号捕获层靠近X射线源一端上设有阻光层。
3.根据权利要求1所述的一种多层复式X射线探测器，其特征在于：若信号捕获层为直接转换式单层时，则该信号捕获层靠近X射线源一端上设置有电极保护层；若信号捕获层为间接转换式单层时，则该信号捕获层靠近X射线源一端上设有阻光层。
4.根据权利要求1所述的一种多层复式X射线探测器，其特征在于：信号捕获层之间均设有中部TFT层，且中部TFT层均为透明材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种多层复式X射线探测器，其特征在于：靠近X射线源的TFT层的像素尺寸小于等于远离X射线源的TFT层的像素尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种多层复式X射线探测器，其特征在于：若信号捕获层包括直接转换式单层与间接式转换单层时，所述直接转换式单层与X射线源的距离小于间接转换式单层与X射线源的距离。
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