CN115267875B - 一种平板探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板探测器，光电模块包括多个光电单元，读出阵列包括多个读出电路，其中，每个光电单元的输出端均与一个读出电路的第一输入端连接，每个读出电路的输出端均与控制调节模块的输入端连接，控制调节模块的输出端与每个读出电路的第二输入端连接；光电单元用于感应X射线，并将X射线转换为电信号，电信号用于为读出电路充电；控制调节模块基于读出电路输出端电压，利用阈值比较方法，自动实时调整读出电路增益，从而让平板探测器在使用中总是处在最合适的增益档位下，拥有最佳的动态响应范围，不会造成图像的过早饱和以及低对比度分辨率的下降。

Description

一种平板探测器

技术领域

本发明涉及X射线成像技术领域，具体涉及一种平板探测器。

背景技术

在平板探测器的采集系统中通常会设定不同的物理增益档位供选择，不同的物理增益档位会设置探测器采集系统中不同的A/D转换器满量程信号。在平板探测器的探测过程中，X射线通过与闪烁体作用转换为可见光信号，通过光电二极管再转化为电子信号，这些电子给电容充电，电容接到指令再进行放电，后续电流通过A/D转换为数字信号。当平板探测器设定某一固定的物理增益档位之后，意味着各探测单元(探测器像素)会采用特定的电容档位来接收电子信号并放电，随着X射线剂量的增加、可见光转换的电子量持续增加，对于电容容量更大的增益档位，能够接收更多的电子并放电，也就是拥有更大的动态响应范围，不会早早出现图像饱和。

目前的平板探测器通常会给出几个增益档位，通过用户的需求和应用场景来选择，但选择之后所有的探测单元(探测器像素)都对应同一增益档位。但在实际应用中，比如医用CT成像系统中，射线通过患者的不同区域到达各个探测器单元的剂量已发生变化，对于某一平板探测器，在扫描或照射患者的过程中不可能达到所有探测器单元(探测器像素)接收相同的电子数，在有患者的衰减、散射等考虑下，实际各探测单元接受电子数的差异还很大。若统一设置为电容较小的增益档位，在相同的A/D转换位数下，虽然有较好的图像低对比度分辨率，但动态响应范围较小，图像很容易达到饱和；若统一设置为电容较大的增益档位，又会损失低对比度分辨率。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的平板探测器增益不能自适应调节的缺陷，从而提供一种平板探测器。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供一种平板探测器，包括：光电模块、读出阵列、控制调节模块，光电模块包括多个光电单元，读出阵列包括多个读出电路，其中，每个光电单元的输出端均与一个读出电路的第一输入端连接，每个读出电路的输出端均与控制调节模块的输入端连接，控制调节模块的输出端与每个读出电路的第二输入端连接；光电单元用于感应X射线，并将X射线转换为电信号，电信号用于为读出电路充电；控制调节模块基于读出电路输出端电压，利用阈值比较方法，自动实时调整读出电路增益。

在一实施例中，光电单元包括：薄膜晶体管、光电二极管、电阻、第一电容及第二电容，其中，薄膜晶体管的第一端与光电二极管的阴极连接，薄膜晶体管的第二端与电阻的第一端连接，薄膜晶体管的控制端输入驱动电压；光电二极管的阳极输入偏置电压；第一电容的第一端输入驱动电压，第一电容的第二端与电阻的第二端、读出电路的第一输入端连接；第二电容的第一端与电阻的第二端连接，第二电容的第二端与光电二极管的阳极连接。

在一实施例中，光电模块还包括：栅极驱动电路；栅极驱动电路与薄膜晶体管的控制端；栅极驱动电路用于为薄膜晶体管提供驱动电压。

在一实施例中，读出电路包括：可变电容电路及第一运算放大器，其中，第一运算放大器的正相输入端输入第一参考电压，第一运算放大器的反相输入端与可变电容电路的第一端、光电单元的输出端连接，第一运算放大器的输出端与可变电容电路的第二端、控制调节模块的输入端连接。

在一实施例中，读出电路还包括：复位开关；复位开关与可变电容电路并联连接。

在一实施例中，读出电路包括：多个第三电容及多个控制开关，每个第三电容具有相应的预设电容容值；每个第三电容与一个控制开关串联连接。

在一实施例中，控制调节模块包括：多个输入信号调理电路、控制单元，其中，每个输入信号调理电路的第一输入端与读出电路的输出端连接，每个输入信号调理电路的第二输入端输入第二参考电压，每个输入信号调理电路用于实时将读出电路的输出端电压与第二参考电压进行比较，得到偏差电压信号；控制单元的输入端与每个输入信号调理电路的输出端连接，控制单元的输出端与每个读出电路的第二输入端连接，控制单元用于基于偏差电压信号，自动生成控制信号或者修正电压；修正电压施加至可变电容电路的第一端，以改变可变电容电路的增益；控制信号用于控制控制开关的闭合或关断，以控制第三电容的投入或切出。

在一实施例中，输入信号调理电路包括：第二运算放大器、可变电阻、第四电容，其中，第二运算放大器的正相输入端输入第二参考电压，第二运算放大器的反相输入端通过第四电容与读出电路的输出端连接，第二运算放大器的输出端与控制单元的输入端连接；可变电阻的第一端与第二运算放大器的反相输入端连接，可变电阻的第二端与第二运算放大器的输出端连接。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的平板探测器，光电模块包括多个光电单元，读出阵列包括多个读出电路，其中，每个光电单元的输出端均与一个读出电路的第一输入端连接，每个读出电路的输出端均与控制调节模块的输入端连接，控制调节模块的输出端与每个读出电路的第二输入端连接；光电单元用于感应X射线，并将X射线转换为电信号，电信号用于为读出电路充电；控制调节模块基于读出电路输出端电压，利用阈值比较方法，自动实时调整读出电路增益，从而让平板探测器在使用中总是处在最合适的增益档位下，拥有最佳的动态响应范围，不会造成图像的过早饱和以及低对比度分辨率的下降。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的平板探测器的一个具体示例的组成图；

图2为本发明实施例提供的光电单元的电路拓扑图；

图3为本发明实施例提供的平板探测器的另一个具体示例的组成图；

图4为本发明实施例提供的读出电路的一个具体示例的电路拓扑图；

图5为本发明实施例提供的读出电路的具体电路图；

图6为本发明实施例提供的读出电路的另一个具体示例的电路拓扑图；

图7为本发明实施例提供的控制调节模块的一个具体示例的组成图；

图8为本发明实施例提供的输入信号调理电路的具体电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例

本发明实施例提供一种平板探测器，如图1所示，包括：光电模块1、读出阵列2、控制调节模块3，光电模块1包括多个光电单元11，读出阵列2包括多个读出电路21。

进一步地，本发明实施例中每个光电单元11的输出端均与一个读出电路21的第一输入端连接，每个读出电路21的输出端均与控制调节模块3的输入端连接，控制调节模块3的输出端与每个读出电路21的第二输入端连接。

具体地，本发明实施例的每个光电单元11均配备一个读出电路21，该读出电路21可以包括电容，当光电单元11感应X射线，并将X射线转换为可见光信号，可见光信号经过光电单元11内部元件的转换后，光电单元11输出电信号，该电信号为读出电路21充电，当读出电路21接收到指令后，读出电路21进行放电，放电电流经过A/D转换为数字信号，输出为最终的图像结果。

进一步地，本发明实施例设置控制调节模块3，该控制调节模块3基于每个读出电路21输出端电压，利用阈值比较方法，判断读出电路21的状态，并基于判断结果，通过调整读出电路21内部电路的通断状态或者输入电压，自动实时调整读出电路21增益。

在一具体实施例中，如图2所示，光电单元11包括：薄膜晶体管TFT、光电二极管D、电阻R1、第一电容C1及第二电容C2。

如图2所示，薄膜晶体管TFT的第一端与光电二极管D的阴极连接，薄膜晶体管TFT的第二端与电阻R1的第一端连接，薄膜晶体管TFT的控制端输入驱动电压；光电二极管D的阳极输入偏置电压；第一电容C1的第一端输入驱动电压，第一电容C1的第二端与电阻R1的第二端、读出电路21的第一输入端连接；第二电容C2的第一端与电阻R1的第二端连接，第二电容C2的第二端与光电二极管D的阳极连接。

具体地，当平板探测器打开时，驱动电压驱动薄膜晶体管TFT闭合，光电单元11感应X射线，并将X射线转换为可见光信号，可见光信号经过光电二极管D转换为电信号，该电信号输入至读出电路21中，为读出电路21充电。

需要说明的是，图2所示拓扑仅用于举例，但并不以此为限制。

在一具体实施例中，如图3所示，光电模块1还包括：栅极驱动电路12；栅极驱动电路12与薄膜晶体管TFT的控制端连接；栅极驱动电路12用于为薄膜晶体管TFT提供驱动电压。

具体地，栅极驱动电路12接收到导通信号后，驱动电压施加至薄膜晶体管TFT的控制端，薄膜晶体管TFT导通，从而光电二极管D→薄膜晶体管TFT→电阻R1构成电信号的导通回路，电信号输入至读出电路21中。

示例性地，栅极驱动电路12可以为DC-DC电路，用于将控制信号转换为能够驱动薄膜晶体管TFT的驱动电压，该DC-DC电路不限于Boost电路。

在一具体实施例中，如图4所示，读出电路21包括：可变电容电路212及第一运算放大器U1，其中，第一运算放大器U1的正相输入端输入第一参考电压，第一运算放大器U1的反相输入端与可变电容电路212的第一端、光电单元11的输出端连接，第一运算放大器U1的输出端与可变电容电路212的第二端、控制调节模块3的输入端连接。

具体地，光电单元11输出的电信号为可变电容电路212充电，而控制调节模块3基于第一运算放大器U1输出端电压，实时动态调整可变电容电路212的增益，其中，增益调节方法可以包括：调整可变电容电路212第一端施加的修正电压，以使得第一运算放大器U1的反相输入端电压与第一参考电压达到平衡。

如图4所示，读出电路21还包括：复位开关S1；复位开关S1与可变电容电路212并联连接。当复位开关S1闭合时，可变电容电路212增益恢复至初始状态。

示例性地，如图5所示，可变电容电路212由变容二极管Dvc及反馈回路电阻Rf构成，其中，Verr为控制调节模块3输出的修正电压，Rerr为修正回路电阻，Vin为光电单元11输出的电信号，则控制调节模块3动态调整增益过程如下所述：

(1)Verr经Rerr分压后与Vin信号相加，Vin不变时达到平衡状态，此时Vo、增益均不变化；

(2)当Vin下降时，Vin与Vref1的差值增大，则导致Vo增加、加载到Dvc两端压差变大，Dvc的结电容变小、容抗增加；此时控制调节模块3基于Vo，计算出相应的Verr，Verr经Rerr分压后与Vin信号相加，以使得Dvc的结电容改变，从而改变反馈回路中总电容值变小，因而改变了反馈量Vo，最终，重新回到平衡状态，此时，Vo、Vin、Verr均匹配到新的增益状态。

结合上述分析，可知动态调整过程实则是：当Vin下降时，Vo上升，导致Vin与Vref1的差值增大、Vin与Vin的差值增大，从而施加至加载到Dvc两端压差变大，Dvc两端压差变大导致反馈回路总电容减小、容抗增大，此时控制调节模块3将调整Verr，使得Verr经Rerr分压后与Vin信号相加，以使得Dvc的结电容增大、反馈回路的容抗减小，如此循环，直至Dvc的结电容足以与Vin相匹配，Vo匹配增益，达到平衡。

进一步地，当图5中的复位开关S1闭合后，Vo等于Vref，完成复位。

在一具体实施例中，如图6所示，读出电路21包括：多个第三电容C3及多个控制开关S2，每个第三电容C3具有相应的预设电容容值；每个第三电容C3与一个控制开关S2串联连接。

具体地，控制调节模块3基于Vo，反向计算出反馈回路中总电容量，当总电容量到达一定阈值后，控制调节模块3通过闭合或断开控制开关S2，实现更改反馈回路中的总电容量，最终实现增益档位的自动调节。

在一具体实施例中，如图7所示，控制调节模块3包括：多个输入信号调理电路31、控制单元32。

如图7所示，每个输入信号调理电路31的第一输入端与一个读出电路21的输出端连接，每个输入信号调理电路31的第二输入端输入第二参考电压，每个输入信号调理电路31用于实时将读出电路21的输出端电压与第二参考电压进行比较，得到偏差电压信号；控制单元32的输入端与每个输入信号调理电路31的输出端连接，控制单元32的输出端与每个读出电路21的第二输入端连接，控制单元32用于基于偏差电压信号，自动生成控制信号或者修正电压，该控制信号可以控制控制开关S2的开闭状态。

可以理解的是，控制单元32以MCU为主，其还可以包括模数转换电路、数模转换电路以及输出信号调理电路，最终输出信号调理电路输出控制信号或修正电压，在此不再赘述。

进一步地，控制单元32还可以包括RAM数据存储模块，基于偏差电压信号计算得到的数字量存储于RAM数据存储模块中。

在一具体实施例中，如图8所示，输入信号调理电路31包括：第二运算放大器U2、可变电阻Rw、第四电容C4，其中，第二运算放大器U2的正相输入端输入第二参考电压Vref2，第二运算放大器U2的反相输入端通过第四电容C4与读出电路21的输出端连接，第二运算放大器U2的输出端与控制单元32的输入端连接；可变电阻Rw的第一端与第二运算放大器U2的反相输入端连接，可变电阻Rw的第二端与第二运算放大器U2的输出端连接。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种平板探测器，其特征在于，包括：光电模块、读出阵列、控制调节模块，所述光电模块包括多个光电单元，所述读出阵列包括多个读出电路，其中，

每个光电单元的输出端均与一个所述读出电路的第一输入端连接，每个读出电路的输出端均与所述控制调节模块的输入端连接，所述控制调节模块的输出端与每个读出电路的第二输入端连接；

所述光电单元用于感应X射线，并将X射线转换为电信号，所述电信号用于为所述读出电路充电；

所述控制调节模块基于所述读出电路输出端电压，利用阈值比较方法，通过调整所述读出电路内部电路的通断状态或者修正电压，自动实时调整所述读出电路增益；

当所述控制调节模块基于所述读出电路输出端电压，利用阈值比较方法，通过调整所述读出电路的修正电压，自动实时调整所述读出电路增益时，所述读出电路包括：可变电容电路及第一运算放大器，其中，所述第一运算放大器的正相输入端输入第一参考电压，所述第一运算放大器的反相输入端与所述可变电容电路的第一端、所述光电单元的输出端连接，所述第一运算放大器的输出端与所述可变电容电路的第二端、控制调节模块的输入端连接；所述读出电路还包括：复位开关；所述复位开关与所述可变电容电路并联连接；

所述可变电容电路由变容二极管及反馈回路电阻串联连接构成；

当所述读出电路的输出电压下降时，所述控制调节模块通过调整修正电压，使得变容二极管的结电容增大、反馈回路的容抗减小，如此循环，直至变容二极管的结电容与读出电路的输入电压相匹配为止。

2.根据权利要求1所述的平板探测器，其特征在于，所述光电单元包括：薄膜晶体管、光电二极管、电阻、第一电容及第二电容，其中，

所述薄膜晶体管的第一端与所述光电二极管的阴极连接，所述薄膜晶体管的第二端与所述电阻的第一端连接，所述薄膜晶体管的控制端输入驱动电压；

所述光电二极管的阳极输入偏置电压；

所述第一电容的第一端输入驱动电压，所述第一电容的第二端与所述电阻的第二端、所述读出电路的第一输入端连接；

所述第二电容的第一端与所述电阻的第二端连接，所述第二电容的第二端与所述光电二极管的阳极连接。

3.根据权利要求2所述的平板探测器，其特征在于，所述光电模块还包括：

栅极驱动电路；

所述栅极驱动电路与所述薄膜晶体管的控制端；

所述栅极驱动电路用于为所述薄膜晶体管提供驱动电压。

4.根据权利要求1所述的平板探测器，其特征在于，所述控制调节模块基于所述读出电路输出端电压，利用阈值比较方法，通过调整所述读出电路内部电路的通断状态，自动实时调整所述读出电路增益时，所述读出电路包括：

多个第三电容及多个控制开关，每个所述第三电容具有相应的预设电容容值；

每个第三电容与一个控制开关串联连接。

5.根据权利要求1或4任一项所述的平板探测器，其特征在于，所述控制调节模块包括：多个输入信号调理电路、控制单元，其中，

每个所述输入信号调理电路的第一输入端与所述读出电路的输出端连接，每个所述输入信号调理电路的第二输入端输入第二参考电压，每个所述输入信号调理电路用于实时将所述读出电路的输出端电压与所述第二参考电压进行比较，得到偏差电压信号；

所述控制单元的输入端与每个所述输入信号调理电路的输出端连接，所述控制单元的输出端与每个所述读出电路的第二输入端连接，所述控制单元用于基于所述偏差电压信号，自动生成控制信号或者修正电压；

所述修正电压施加至所述可变电容电路的第一端，以改变所述可变电容电路的增益；

所述控制信号用于控制所述控制开关的闭合或关断，以控制第三电容的投入或切出；

所述输入信号调理电路包括：第二运算放大器、可变电阻、第四电容，其中，所述第二运算放大器的正相输入端输入第二参考电压，所述第二运算放大器的反相输入端通过所述第四电容与所述读出电路的输出端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述控制单元的输入端连接；所述可变电阻的第一端与所述第二运算放大器的反相输入端连接，所述可变电阻的第二端与所述第二运算放大器的输出端连接。