CN112713163A - 双能辐射平板探测器、制备方法及探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双能辐射平板探测器、制备方法及探测系统。探测器沿X射线入射方向上依次包括第一闪烁体层、光电传感器阵列、透明衬底、射线滤过层及第二闪烁体层；其中，光电传感器阵列层包括交替分布的第一感光像素及第二感光像素，第一感光像素和第二感光像素具有相反的感光方向以分别用于实现低能X射线成像和高能X射线成像，射线滤过层用于过滤低能X射线和防止第二闪烁体层发光散射。本发明使用单层光电传感器阵列以同时获取低能和高能的双能谱物体图像，并通过射线滤过层过滤低能射线和防止第二闪烁体发光散射，有助于提高探测器的物质分辨能力，改善图像质量，提高诊断准确率。且结构极大简化，体积可以大大减小，有助于降低系统成本。
Description
技术领域
本发明涉及X射线探测技术领域，特别是涉及一种双能辐射平板探测器、制备方法及一种探测系统。
背景技术
平板数字X射线探测器通常应用于医疗辐射成像、工业检测及安检等领域。一条完整的辐射影像链主要包括以下部件：射线源、待测物体、辐射探测器、机架以及后端显示系统。其中，射线源与辐射探测器是影像链中的两大核心部件，对成像品质起着至关重要的作用，同时也决定了成像系统能否满足某些特定场景使用的需求。比如，在晶体结构分析领域，需要使用单色的射线源，如同步辐射光源产生的射线或者金属靶材的特征射线，利用探测器来探测衍射后的射线，而后利用布拉格衍射原理来分析待测材料的晶体结构。而在医学成像及工业检测等领域，所用射线源发出的射线并非是单色的，而是像太阳光谱一样的连续广谱射线。
由于不同的物质对射线的衰减能力不一，该射线穿过某一物体之后，其能谱信息会产生相应的变化。通过分析这一变化即可以分析出待测物体的物质成分。受光子计数速率及其计数准确性的限制，测量高光子流密度的射线能谱十分困难。此外，能谱仪的成本很高，甚至会高于常用的辐射或平板探测器。目前，业内广泛使用双能辐射探测器来分析待测物体中物质的密度与组分差异。比如，双能线阵安检机将X射线透视技术与双能量技术结合，可以分析出行李内物质的密度和原子序数，进而可以提高危险品的检出率。双能量减影技术可以选择性地去除骨骼或者身体内软组织的衰减信息，获得“骨肉分离”的诊断图像，提高对疾病的检出率和诊断准确度。这一技术在Digital Radiography(数字化X射线摄影)以及Dual Energy CT(双能CT)中均有应用。
传统的双能辐射探测器由两套探测系统组成，射线首先穿过第一薄层的闪烁体，其中低能段的X光子被第一薄层闪烁体吸收转化成可见光光子，生成的可见光光子随后被第一层光电传感阵列探测到，并给出一幅低能图像；高能段射线穿过第一薄层闪烁体和第一层光电传感阵列之后，入射到第二层闪烁体，被转化成可见光光子后被第二层光电传感阵列探测到，形成一幅高能图像，具体可以参考公开号为CN101937095B及CN111198397A的专利申请中记载的方案内容。
这种采用两套探测系统的双能辐射探测器无疑大大增加了探测器系统的成本，且导致探测器系统结构复杂、体积庞大。此外，上下两套探测器的对位精度也会给数据分析造成很大的影响，对位不准往往会导致测量偏差，进而导致成像质量下降。
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双能辐射平板探测器及其制备方法，以及一种探测系统，用于解决现有技术中的双能辐射探测器由两套探测系统组成，增加了探测器系统的成本，且存在结构复杂、体积庞大等问题而导致其应用场景受限，且上下两套探测器的对位精度也会给数据分析造成很大的影响，对位不准往往会导致测量偏差，进而导致成像质量下降等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双能辐射平板探测器，所述双能辐射平板探测器沿X射线入射方向上依次包括第一闪烁体层、光电传感器阵列、透明衬底、射线滤过层及第二闪烁体层；其中，所述光电传感器阵列层包括交替分布的第一感光像素及第二感光像素，第一感光像素和第二感光像素具有相反的感光方向以分别用于实现低能X射线成像和高能X射线成像，所述射线滤过层用于过滤低能X射线和防止第二闪烁体层发光散射。
可选地，所述第二闪烁体层的厚度大于所述第一闪烁体层的厚度。
可选地，所述射线滤过层包括光纤面板。
可选地，所述透明衬底包括PI材料层、超薄玻璃和PET材料层中的一种或多种的结合。
可选地，所述第一感光像素及第二感光像素呈多行多列交替阵列排布。
可选地，所述第一感光像素包括顶电极透明而底电极不透明的光电二极管而第二感光像素包括底电极透明而顶电极不透明的光电二极管，或所述第二感光像素包括顶电极透明而底电极不透明的光电二极管而第一感光像素包括底电极透明而顶电极不透明的光电二极管。
本发明还提供一种双能辐射平板探测器的制备方法，包括步骤：
在透明衬底的上表面依次形成光电传感器阵列层和第一闪烁体层，所述光电传感器阵列层包括交替分布的第一感光像素及第二感光像素，第一感光像素和第二感光像素具有相反的感光方向以分别用于实现低能X射线成像和高能X射线成像；
在射线滤过层下表面集成第二闪烁体层；
将射线滤过层的上表面与透明衬底的下表面耦合到一起。
本发明还提供一种探测系统，所述探测系统包括如上述任一方案中所述的双能辐射平板探测器。
如上所述，本发明的双能辐射平板探测器、制备方法及探测系统，具有以下有益效果：本发明经改善的结构设计，使用单层光电传感器阵列以同时获取低能和高能的双能谱物体图像，并通过射线滤过层过滤低能射线和防止第二闪烁体层发光散射，从而有助于提高探测器的物质分辨能力，改善图像质量，提高诊断准确率。基于本发明的双能辐射平板探测器的探测系统，结构极大简化，体积可以大大减小，不仅有助于降低系统成本，同时增加系统的移动便利性和灵活性，使得本发明的探测系统适用范围更加广泛。
附图说明
图1显示为本发明提供的双能辐射平板探测器的结构示意图。
图2显示为图1的截面结构示意图。
图3显示为本发明提供的双能辐射平板探测器中的光电传感器阵列层的感光像素的配置示意图。
元件标号说明
11 第一闪烁体层
12 光电传感器阵列层
121 第一感光像素
122 第二感光像素
123 栅极
124 有源层
125 源极电极
126 漏极电极
127 遮光层
128 光电二极管
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。
请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容的变更下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1至图3所示，本发明提供一种双能辐射平板探测器，所述双能辐射平板探测器沿X射线入射方向上依次包括第一闪烁体层11、光电传感器阵列、透明衬底13、射线滤过层14及第二闪烁体层15；其中，所述光电传感器阵列层12包括交替分布的第一感光像素121及第二感光像素122，第一感光像素121和第二感光像素122具有相反的感光方向以分别用于实现低能X射线成像和高能X射线成像，所述射线滤过层14用于过滤低能X射线和防止第二闪烁体层15发光散射。更具体地，第一闪烁体层11用于吸收低能量的X射线，并将吸收的低能X射线转化为可见光，第二闪烁体层15用于吸收高能量的X射线，并将吸收的高能X射线转化为可见光，第一感光像素121和第二感光像素122用于将对应的闪烁体层转化的可见光转换为电荷并存储，比如第一感光像素121包括顶电极透明而底电极不透明的光电二极管，以将第一闪烁体层11转化的可见光转换为电荷并存储，而另一者包括底电极透明而顶电极不透明的光电二极管，以将第二闪烁体层15转化的可见光转换为电荷并存储(第一感光像素121和第二感光像素122的定义也可以相互交换)，经图像处理装置处理后以同时输出低能X射线图像和高能X射线图像。本发明经改善的结构设计，使用单层光电传感器阵列以同时获取低能和高能的双能谱物体图像，并通过射线滤过层过滤低能射线和防止第二闪烁体层发光散射，从而有助于提高探测器的物质分辨能力，改善图像质量，提高诊断准确率。基于本发明的双能辐射平板探测器的探测系统，结构极大简化，体积可以大大减小，不仅有助于降低系统成本，同时增加系统的移动便利性和灵活性，使得本发明的探测系统适用范围更加广泛。
所述光电传感器阵列层12的具体结构可以参考图2所示，第一感光像素121和第二感光像素122均包括TFT薄膜晶体管和光电二极管128，TFT晶体管具体包括栅极123、有源层124、源极电极125和漏极电极126，每一感光像素的光电二极管128可与对应的TFT薄膜晶体管的漏极相连接，TFT薄膜晶体管上方设置有遮光层127，用于遮挡闪烁体发出的光对TFT活性层的影响,TFT薄膜晶体管和遮光层127之间通过绝缘材料层相间隔。由于TFT薄膜晶体管和光电二极管的结构和原理为本领域技术人员所熟知，对此不做详细展开，重要的是相邻的感光像素具有不同的感光方向。
为进一步提高成像质量，如图3所示，所述第一感光像素121及第二感光像素122呈多行多列交替阵列排布而呈棋盘结构分布，低能和高能像素中缺失的像素灰度值可以用与其共边的周围4个像素(由虚线框标记的部分)的均值来代替，由单次曝光所得的一张图可以转化成一张低能图和一张高能图。
所述第一闪烁体层11和第二闪烁体层15的材料可以相同或不同，具体均可以选自包括但不限于GOS(Gd2O2S)、NaI(Tl)、LaCl3(Ce)、CsI(Tl、Na)、LaBr3(Ce)、YAlO3(Ce)、CSI、GOS(Tb、Pr、Ce、F)、CaWO4、Gd3Ga5O12(Cr、Ce)、Lu2Si2O7(Ce)、CdWO4、BGO、Lu2SiO5(Ce)、LuAlO3(Ce)、YTaO4(Nb)中的一种或多种，但优选所述第二闪烁体层15的厚度大于所述第一闪烁体层11的厚度，即第一闪烁体层11具有相对较低的厚度，以在吸收低能X射线的同时减少对高能X射线的吸收，而第二闪烁体层15具有相对较大的厚度以充分吸收高能X射线。
所述射线滤过层14不仅可以滤除掉部分低能射线，同时可以减小第二闪烁体层15出射可见光的发散角，提高高能图像的分辨率，故而所述射线滤过层14的材料选择很重要。较佳地，所述射线滤过层14的材料可以为光纤面板(Fiber Optic Plates，简称FOP)，具有传光效率高、级间耦合损失小、传像清晰、真实、在光学上具有零厚度等优点。
作为示例，所述透明衬底13包括PI(Polyimide，聚酰亚胺)材料层、超薄玻璃和PET(Polyethylene terephthalate，聚酯)材料层中的一种或多种的结合，其厚度可以为10μm～20μm。
本发明提供的双能辐射平板探测器仅使用单层光电传感器阵列便可以以同时获取低能和高能的双能谱物体图像，相较于传统的双能辐射平板探测器，其结构极大简化，体积可以极大减小，这使得其不仅可以应用于常规的作业环境，还可以适用于各类需移动作业的工作场合，比如战地医院，移动安检站等。故而本发明还提供一种探测系统，所述探测系统包括如上述任一方案中所述的双能辐射平板探测器，对所述双能辐射平板探测器的介绍还请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。当然，所述探测系统还包括图像处理装置等结构，由于探测系统的结构及原理为本领域技术人员所熟知，对此不做详细展开。基于本发明的双能辐射平板探测器的探测系统，系统结构可以极大简化、体积可以极大缩小，可以有效降低系统成本，提高系统的适用性。
本发明还提供一种双能辐射平板探测器的制备方法，本发明的制备方法可以用于制备如上述任一方案中所述的双能辐射平板探测器，或者说前述任一方案中所述的双能辐射平板探测器可以基于该制备方法制备而成(当然也可以基于其他方法制备)，故前述对所述双能辐射平板探测器的介绍可以全文引用至此，出于简洁的目的不赘述。所述制备方法包括步骤：
在透明衬底的上表面依次形成光电传感器阵列层和第一闪烁体层，所述光电传感器阵列层包括交替分布的第一感光像素及第二感光像素，第一感光像素和第二感光像素具有相反的感光方向以分别用于实现低能X射线成像和高能X射线成像；比如可以基于常规的半导体制造工艺在透明衬底上一步步形成相应的薄膜结构以形成包括相应的TFT薄膜晶体管和光电二极管的第一感光像素和第二感光像素以形成所述光电传感器阵列层，之后经真空蒸镀或直接贴合工艺形成所述第一闪烁体层，比如如果所述第一闪烁体层为CSI等材质，则可以在真空蒸镀炉内直接蒸镀而成，如果是GOS等材质，则可以先把第一闪烁体层做成一定厚度的膜层，之后用胶水或者胶膜贴合到所述光电传感器阵列层上；
在射线滤过层下表面集成第二闪烁体层，比如采用贴合工艺于射线滤过层的下表面形成所述第二闪烁体层，比如利用胶水或者胶膜将所述第二闪烁体层贴合到射线滤过层的下表面；
将射线滤过层的上表面与透明衬底的下表面耦合到一起，比如通过光学透明胶耦合，具体不做限制。由于高能像素和低能像素位于同一层，而无需考虑上下对位问题，因而制备工艺可以极大简化。
综上所述，本发明提供一种双能辐射平板探测器及其制备方法，以及一种探测系统。所述双能辐射平板探测器沿X射线入射方向上依次包括第一闪烁体层、光电传感器阵列、透明衬底、射线滤过层及第二闪烁体层；其中，所述光电传感器阵列层包括交替分布的第一感光像素及第二感光像素，第一感光像素和第二感光像素具有相反的感光方向以分别用于实现低能X射线成像和高能X射线成像，所述射线滤过层用于过滤低能X射线和防止第二闪烁体层发光散射本发明经改善的结构设计，使用单层光电传感器阵列以同时获取低能和高能的双能谱物体图像，并通过射线滤过层过滤低能射线和防止第二闪烁体发光散射，从而有助于提高探测器的物质分辨能力，改善图像质量，提高诊断准确率。基于本发明的双能辐射平板探测器的探测系统，结构极大简化，体积可以大大减小，不仅有助于降低系统成本，同时增加系统的移动便利性和灵活性，使得本发明的探测系统适用范围更加广泛。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)
1.一种双能辐射平板探测器，其特征在于，所述双能辐射平板探测器沿X射线入射方向上依次包括第一闪烁体层、光电传感器阵列层、透明衬底、射线滤过层及第二闪烁体层；
其中，所述光电传感器阵列层包括交替分布的第一感光像素及第二感光像素，第一感光像素和第二感光像素具有相反的感光方向以分别用于实现低能X射线成像和高能X射线成像，所述射线滤过层用于过滤低能X射线和防止第二闪烁体层发光散射。
2.根据权利要求1所述的双能辐射平板探测器，其特征在于，所述第二闪烁体层的厚度大于所述第一闪烁体层的厚度。
3.根据权利要求1所述的双能辐射平板探测器，其特征在于，所述射线滤过层包括光纤面板。
4.根据权利要求1所述的双能辐射平板探测器，其特征在于，所述透明衬底包括PI材料层、超薄玻璃和PET材料层中的一种或多种的结合。
5.根据权利要求1所述的双能辐射平板探测器，其特征在于，所述第一感光像素及第二感光像素呈多行多列交替阵列排布。
6.根据权利要求1-5任一项所述的双能辐射平板探测器，其特征在于，所述第一感光像素包括顶电极透明而底电极不透明的光电二极管而第二感光像素包括底电极透明而顶电极不透明的光电二极管。
7.一种双能辐射平板探测器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在透明衬底的上表面依次形成光电传感器阵列层和第一闪烁体层，所述光电传感器阵列层包括交替分布的第一感光像素及第二感光像素，第一感光像素和第二感光像素具有相反的感光方向以分别用于实现低能X射线成像和高能X射线成像；
在射线滤过层下表面集成第二闪烁体层；
将射线滤过层的上表面与透明衬底的下表面耦合到一起。
8.一种探测系统，其特征在于，所述探测系统包括如权利要求1-6任一项所述的双能辐射平板探测器。
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