CN208537452U - 平板探测器及其辐射成像系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种平板探测器，同时也公开了包括该平板探测器的辐射成像系统。该平板探测器包括闪烁体、CMOS图像传感器、信号处理模块；其中，闪烁体接收辐射源产生的X射线，转换为可见光；可见光由CMOS图像传感器转换为电信号，信号处理模块采集电信号并进行图像信号处理。本实用新型所提供的平板探测器及其辐射成像系统采用CMOS工艺实现，具有所需X射线剂量低、数据动态范围大、帧速率快及空间分辨率高等诸多优点，可以应用在医疗影像、工业无损检测等领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种平板探测器，同时也涉及包括该平板探测器的辐射成像系统，属于辐射成像技术领域。
背景技术
在医疗影像、工业无损检测等领域，广泛使用X射线平板探测器获取被测物体的内部影像。目前，主流的X射线平板探测器按其探测材料不同，可以分为非晶硒、非晶硅和CMOS三大类。
1.非晶硒平板探测器
非晶硒和非晶硅的主要区别在于没有使用闪烁体，而是通过非晶硒材料直接将X射线转变为电信号，减少了中间环节，因此图像没有几何失真，大大提高了图像质量。
2.非晶硅平板探测器
主要由闪烁体、以非晶硅为材料的光电二极管和薄膜晶体管等组成。工作时，X射线激发闪烁体产生荧光，荧光通过针状晶体传输至光电二极管阵列，后者接收荧光信号并将其转换为电信号，送到对应的薄膜晶体管并在其电容上形成存储电荷，由信号读出电路重建图像。
3.CMOS平板探测器
CMOS平板探测器将闪烁体与CMOS图像传感器直接结合，采用CMOS工艺取代传统的硅工艺，能够有效提高系统集成度。CMOS平板探测器的空间分辨率、占空比、采集速度等都有很大的提高。然而，CMOS平板探测器不容易在较低的成本下得到较大的感应面积。
发明内容
本实用新型所要解决的首要技术问题在于提供一种平板探测器。
本实用新型所要解决的另一技术问题在于提供一种包括上述平板探测器的辐射成像系统。
为实现上述目的，本实用新型采用下述的技术方案：
根据本实用新型实施例的第一方面，提供一种平板探测器，包括闪烁体、CMOS图像传感器、信号处理模块；所述闪烁体接收辐射源产生的X射线，转换为可见光；所述可见光由所述CMOS图像传感器转换为电信号，所述信号处理模块采集所述电信号并进行图像信号处理；其中，
所述CMOS图像传感器采用无源像素结构，每个像素包含一个光电二极管和一个MOS管，所述MOS管起开关作用；每一行像素中的所有MOS管的栅极相连，组成栅极总线；每一列像素的所有MOS管的漏极相连，组成数据总线。
其中较优地，所述CMOS图像传感器包括至少一个感光像素区域、行扫描驱动电路、模拟前端信号处理电路；其中，每个感光像素区域对应一个模拟前端信号处理电路，所述行扫描驱动电路位于感光像素区域的一侧，对像素进行开启驱动。
其中较优地，当信号开始读出时，触发脉冲进入行扫描驱动电路，每隔一个行扫描时钟周期，该触发脉冲向下移动一行，使得该行处于被驱动打开状态；数据总线连接至该像素所对应的积分器，通过行扫描控制信号，从上往下逐个将光电二极管与积分器相连，实现光电二极管的信号读出及复位操作。
其中较优地，所述模拟前端信号处理电路包括积分器、相关双采样电路、模拟多路选通及放大电路；所述积分器与所述光电二极管相连，实现光电二极管的信号读出及复位操作。
其中较优地，所述相关双采样电路由两组相同的开关电容采样电路组成，其中一组负责复位信号采样，另外一组负责积分信号采样，两次采样结果相减，得到输出的积分信号。
其中较优地，所述闪烁体采用铝基板或碳基板或光线玻璃基板独立封装，采用压合方式使闪烁体的光输出面与CMOS图像传感器的感光面耦合在一起。
其中较优地，在CMOS图像传感器表面，通过真空热蒸发蒸镀方式生长所述闪烁体。
其中较优地，所述栅极总线由对应的行扫描驱动电路驱动，所述行扫描驱动电路由移位寄存器组成，每个移位寄存器对应一行像素。
根据本实用新型实施例的第二方面，提供一种辐射成像系统，包括：X射线源，用于产生X射线；前述的平板探测器，用于检测穿过被测物体后的辐射剂量；图像获取系统，用于将平板探测器输出的模拟信号转换成数字信号，并将数字信号处理成图像。
与现有技术相比较，本实用新型具有如下的技术特点：
(1)采用CMOS工艺实现，具有所需X射线剂量低、数据动态范围大、帧速率快及空间分辨率高等诸多优点。
(2)可以采用基于FPGA为核心的控制技术，将部分图像处理的功能交由FPGA实时实现，如探测器校正，方便用户使用，使用户更容易实现设备集成。
(3)可以将控制光电二极管的各类电路集成到CMOS图像传感器上，提高了信号的完整性、降低了材料成本、降低了工程实现难度，同时也提升了平板探测器的保密性能。
附图说明
图1为本实用新型实施例所提供的平板探测器的内部结构示意图；
图2为CMOS图像传感器、检出板和处理板之间的电气连接框图；
图3为CMOS图像传感器的内部结构图；
图4为包括上述平板探测器的辐射成像系统的示例图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术内容进行详细具体的说明。
图1为本实用新型实施例所提供的平板探测器的内部结构示意图。在该实施例中，平板探测器从上到下，依次包括：碳纤维板、闪烁体、CMOS图像传感器、检出板、安装板、处理板、核心板、接口板及外壳。在组装状态下，利用碳纤维板覆盖闪烁体，组成闪烁体屏。闪烁体屏与CMOS图像传感器紧密贴合，检出板是承载CMOS图像传感器的基板。安装板用于在平板探测器内部起到结构支撑作用。处理板、核心板、接口板等用于布置信号采集、信号处理及数据传输等各类功能芯片，共同组成信号处理模块。CMOS图像传感器的输出信号送入信号处理模块进行后续处理。上述闪烁体屏、CMOS图像传感器、检出板、安装板、处理板、核心板、接口板等均封装在外壳内。在图1所示的实施例中，闪烁体优选采用碘化铯，当然也可以采用其它材料，例如硫氧化钆(GOS)、钨酸镉、碘化汞或者荧光薄膜材料等。
从功能上区分，本实用新型所提供的平板探测器主要包括闪烁体、CMOS图像传感器、信号处理模块等三大部分。下面对此展开详细具体的说明。
(1)闪烁体
在本实用新型的一个实施例中，该平板探测器所使用的闪烁体是碘化铯(CsI：TI)晶体，呈薄膜针柱状结构。外部的X射线辐射源产生的X射线入射后，被碘化铯晶体吸收，通过光电效应把X射线的光子能量转换为可见光光子的能量。由于碘化铯晶体本身的发光效率不高，可以掺入少量铊元素以改善晶体的发光特性，提高光输出和发光效率。
在本实用新型中，闪烁体与CMOS图像传感器之间可以通过两种方式进行耦合：其中一种是闪烁体采用铝基板或碳基板或光线玻璃基板独立封装，采用压合方式使闪烁体的光输出面与CMOS图像传感器的感光面耦合在一起；另外一种是直接在CMOS图像传感器表面通过真空热蒸发蒸镀方式生长碘化铯晶体，即直接生长耦合。
(2)CMOS图像传感器
CMOS图像传感器的核心是光电二极管(PD)阵列，优选为采用单晶硅的光电二极管阵列。单晶硅的光电二极管的光电转换性能优于非晶硅光电二极管阵列。因此，相应的平板探测器在获得相同图像质量的条件下，需要的X射线剂量更低。而且，单晶硅的光电二极管具有更低的暗电流，使得在使用相同位数模拟数字转换器时，具备更宽的有效数据范围。CMOS图像传感器中的每个像素包含一个光电二极管和相应的处理电路。该像素可以采用单个MOS开关管的无源像素结构(PPS)，也可以是多个晶体管组成的3T APS阵列结构或4T APS阵列结构。
CMOS图像传感器的工作模式主要分为曝光和读出两种阶段。在曝光阶段中，光电二极管将闪烁体发出的可见光转换为电信号，以电荷的形式存储在光电二极管的寄生电容上，电荷量的大小直接反映输入光信号的大小，也间接反映入射X射线剂量的大小。在读出阶段中，CMOS图像传感器采用扫描寻址的方式逐行读出，被选中的像素相应的控制开关会开启，允许光电二极管上存储的电荷被读出，同时复位清空，等待下一次曝光。同时，该CMOS图像传感器还可以集成模拟前端信号处理(AFE)电路，实现信号的放大滤波，输出差分模拟信号；还可直接集成模拟数字转换器(AD)，实现模拟信号数字化，直接输出数字图像。这种方式可以提升输出信号的抗干扰能力和图像质量，简化系统设计。
(3)信号处理模块
信号处理模块主要包括检出板、处理板和接口板。其中，检出板是承载CMOS图像传感器的基板。处理板包括模拟数字转换器(AD)和FPGA(现场可编程门阵列)，主要实现信号采集、图像信号处理等功能。接口板主要实现与外部电源、网络接口、触发信号的接口功能。在本实用新型的一个实施例中，该接口板至少有三个信号接口，具体说明如下：
1)exi.USync，该接口用于接收外部的触发信号，当平板探测器工作在外触发模式时使用。
2)exo.Ready，该接口用于对外输出平板探测器的状态信号，当平板探测器处于空闲状态时，对外表现为有效。
3)GigE，该接口为标准的以太网接口，具备至少1G的带宽。
图2是CMOS图像传感器、检出板和处理板之间的电气连接框图。其中，CMOS图像传感器固定在检出板上，通过绑定设备将CMOS图像传感器的信号PAD(焊盘，下同)与检出板的信号PAD连接，检出板和处理板之间通过模数转换/数模转换等芯片实现信号交互。
下面结合图3，对本实用新型中的CMOS图像传感器的具体结构及工作原理进行进一步的详细说明。
图3是CMOS图像传感器的内部结构图。该CMOS图像传感器主要包括感光像素区域、行扫描驱动电路、模拟前端信号处理电路(AFE)和时序控制逻辑电路。作为本实用新型的一个实施例，该CMOS图像传感器的像素阵列(即感光像素区域)为1280×1280，进一步可以分为16个1280×80的子像素阵列，每个子像素阵列对应一个独立设置的模拟前端信号处理电路。该模拟前端信号处理电路主要包括积分器、相关双采样电路、模拟多路选通及放大电路。行扫描驱动电路位于像素阵列的一侧，在本实施例中位于左侧，主要实现对像素进行开启驱动。IO区域位于CMOS图像传感器的最下方，包括电源地IO、数字控制输入IO、模拟差分输出IO等。
在本实用新型的一个实施例中，所使用的像素结构为无源像素结构(PPS)，每个像素包含一个光电二极管和一个MOS管，该MOS管主要起开关作用。每一行像素中的所有MOS管的栅极相连，组成栅极总线(Gate line)；每一列像素中的所有MOS管的漏极相连，组成数据总线(Data line)。栅极总线由对应的行扫描驱动电路驱动。行扫描驱动电路由移位寄存器组成，每个移位寄存器对应一行像素。当信号开始读出时，首先会产生一个触发脉冲从上方进入行扫描驱动电路，每隔一个行扫描时钟(HCLK)周期，该触发脉冲向下移动一行，使得该行处于被驱动打开状态。数据总线连接至该像素列所对应的积分器，通过行扫描控制信号，从上往下逐个将光电二极管与积分器相连，实现光电二极管的信号读出及复位操作。由于光电二极管输出的是非常微弱的电荷信号，因此该积分器具有低噪声的特征，在实现信号放大的同时控制输出噪声，从而保持较高的信噪比。积分器之后为相关双采样电路，由两组相同的开关电容采样电路组成，其中一组负责复位信号采样，另外一组负责积分信号采样，两次采样结果相减，即可得到输出的积分信号，同时相减操作还可以将积分器自身的失配误差及低频1/f噪声消除，进一步抑制了低频噪声，提高了信号的信噪比。
为了减少输出信号的数量，每个模拟前端信号处理电路可以进一步包括一个模拟多路选通及放大电路。具体到本实施例中，该电路为80选1结构，可以通过列译码电路完成80选1操作，所对应的时钟为PCLK。同时，该电路还具备开关电容放大电路的功能，可以实现N倍的信号放大，N由反馈电容与采样电容的比值决定。在实际设计时，该电路还要保证一定的驱动能力，可以直接驱动后级片上AD或者片外AD。此外，每个模拟前端信号处理电路还包括各自独立的基准电压及参考电流产生电路、时序控制逻辑电路等，从而保证每个模拟前端信号处理电路可独立工作，相互之间不受影响。
在本实用新型的一个实施例中，CMOS图像传感器可以分为16个以上的并行通道，各个通道都具备独立的信号处理模块，分别对应一个子像素阵列，独立实现相应的信号处理功能。该实施例中，用常规的运算放大器来设计对应的放大电路和滤波电路。作为一个更优的设计，将此部分功能设计到CMOS图像传感器内，通过FPGA设计实现该模块，其优势在于工程复杂度降低、信号完整性提高，从而提高平板探测器的图像处理性能。
在上述平板探测器的基础上，本实用新型进一步提供了一种辐射成像系统，包括：X射线源，用于产生X射线；上述的平板探测器，用于检测穿过被测物体后的辐射剂量；图像获取系统，用于将平板探测器输出的模拟信号转换成数字信号，并将数字信号处理成图像。
如图4所示，该辐射成像系统包括X射线源、用于承载被检测样品的扫描平台、平板探测器以及图像获取系统等组件。其中，X射线源优选为一种微焦点近单色光源，用于向扫描平台上的样品发射X射线。该X射线在经过滤片进行过滤之后，获得近单色的X射线，照射到被检测的样品上。X射线在穿透样品时，会产生吸收、反射、折射、透射和相移等物理现象，在成像平面产生大量携带特定空间位置中材料信息的光子。平板探测器用于检测穿过被测物体后的辐射剂量，过光电效应把X射线的光子能量转换为可见光光子的能量，并传输至图像获取系统。在X射线照射过程中，被检测的样品随扫描平台不断旋转、翻转，从而使图像获取系统获取不同角度的样本相衬图像序列。图像获取系统根据投影数据重建样品内部的相位分布；通过三维重建获取具有能量鉴别级别的像素单元数据块，根据能量分布图对样品的数字蜡块进行数字染色，对样品内部的物质成分进行区分。利用该辐射成像系统，可以在病理学、组织学、生物学以及工业领域实现高分辨率的动态图像。
本实用新型所提供的平板探测器及其辐射成像系统采用基于CMOS工艺的图像传感器芯片，可以应用在医疗影像、工业无损检测等领域。与现有技术相比较，本实用新型具有如下的技术特点：
(1)采用CMOS工艺实现，具有所需X射线剂量低、数据动态范围大、帧速率快及空间分辨率高等诸多优点。
(2)可以采用基于FPGA为核心的控制技术，将部分图像处理的功能交由FPGA实时实现，如探测器校正(Offset校正、Gain校正、坏点校正等)，方便用户使用，使用户更容易实现设备集成。
(3)可以将控制光电二极管的各类电路，例如行扫描驱动电路、模拟前端信号处理电路和时序控制逻辑电路集成到CMOS图像传感器上，提高了信号的完整性、降低了材料成本、降低了工程实现难度，同时也提升了平板探测器的保密性能。
上面对本实用新型所提供的平板探测器及其辐射成像系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本实用新型专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
Claims (10)
1.一种平板探测器，其特征在于包括闪烁体、CMOS图像传感器、信号处理模块；所述闪烁体接收辐射源产生的X射线，转换为可见光；所述可见光由所述CMOS图像传感器转换为电信号，所述信号处理模块采集所述电信号并进行图像信号处理；其中，
所述CMOS图像传感器采用无源像素结构，每个像素包含一个光电二极管和一个MOS管，所述MOS管起开关作用；每一行像素中的所有MOS管的栅极相连，组成栅极总线；每一列像素的所有MOS管的漏极相连，组成数据总线。
2.如权利要求1所述的平板探测器，其特征在于：
所述CMOS图像传感器包括至少一个感光像素区域、行扫描驱动电路、模拟前端信号处理电路；其中，每个感光像素区域对应一个模拟前端信号处理电路，所述行扫描驱动电路位于感光像素区域的一侧，对像素进行开启驱动。
3.如权利要求2所述的平板探测器，其特征在于：
当信号开始读出时，触发脉冲进入行扫描驱动电路，每隔一个行扫描时钟周期，该触发脉冲向下移动一行，使得该行处于被驱动打开状态；数据总线连接至该像素所对应的积分器，通过行扫描控制信号，从上往下逐个将光电二极管与积分器相连，实现光电二极管的信号读出及复位操作。
4.如权利要求2所述的平板探测器，其特征在于：
所述模拟前端信号处理电路包括积分器、相关双采样电路、模拟多路选通及放大电路；所述积分器与所述光电二极管相连，实现光电二极管的信号读出及复位操作。
5.如权利要求4所述的平板探测器，其特征在于：
所述相关双采样电路由两组相同的开关电容采样电路组成，其中一组负责复位信号采样，另外一组负责积分信号采样，两次采样结果相减，得到输出的积分信号。
6.如权利要求1所述的平板探测器，其特征在于：
所述栅极总线由对应的行扫描驱动电路驱动，所述行扫描驱动电路由移位寄存器组成，每个移位寄存器对应一行像素。
7.如权利要求1所述的平板探测器，其特征在于：
所述闪烁体采用铝基板或碳基板或光线玻璃基板独立封装，采用压合方式使闪烁体的光输出面与CMOS图像传感器的感光面耦合在一起。
8.如权利要求1所述的平板探测器，其特征在于：
在CMOS图像传感器表面，通过真空热蒸发蒸镀方式生长所述闪烁体。
9.如权利要求1所述的平板探测器，其特征在于：
利用碳纤维板覆盖所述闪烁体，组成闪烁体屏。
10.一种辐射成像系统，其特征在于包括：
X射线源，用于产生X射线；
权利要求1～9中任意一项所述的平板探测器，用于检测穿过被测物体后的辐射剂量；
图像获取系统，用于将所述平板探测器输出的模拟信号转换成数字信号，并将数字信号处理成图像。
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2018
- 2018-07-28 CN CN201821209119.XU patent/CN208537452U/zh active Active
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