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数字平板探测器的原理及应用_计量标准器具_中国百科网

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(烟台华科检测设备有限公司，烟台264117) 最新问题 摘要:数字射线检测是当前射线检测的热点研究方向，其中探测器的发展进程直接决定了数字射线检测的发

苯甲酸红外吸收谱图分析

展方向。介绍了目前应用较广的平板探刚器的发展历史、平板结构、成像过程、成像质量以及应用优势等。通

一个标准PC板汽车车棚尺寸是多少？

过实测试验，证实了平板探测器有望取代传统的胶片成像以及图像增强器方式成像，应用前景非常广阔。

米字型阳光板的特性及用途有哪些？

关键词:数字平板;数字阵列探测器;图像处理 数字阵列成像(平板成像)在国外发达国家已经被广泛应用于医疗和无损检测中。在无损检测中，无论是取代 胶片成像，还是取代影像增强器实时成像都已被广泛接受，成为新一代的射线成像产品。 1数字平板成像历史 20世纪70年代美国对x射线数字成像进行了广泛和深入的研究，但那时尚无法有效地设计和生产出可靠而且

生产排产管理系统概念？ 想搭建阳光板雨棚，又不知道怎么设 计？这些方案全给你 阳光板的UV涂层重要吗？能起到什么 作用？ 如何减小下雨时阳光板雨棚的声音？ 如何防止PC耐力板、阳光板顶棚变黄 老化？ frp采光板都有哪些优势和特点？ PC板发生脆裂的现象的原因是什么？

经济的数字x射线成像系统。20世纪80年代中期，射线工作者和医学工作者终于等到了计算机射线成像(cr)中的 成像板(ip板)技术。这种体积小、轻便、便于携带的成像装置，开始淘汰了x射线照相所用的胶片、化学试剂和 射线透视成像中笨重的影像增强器。20世纪90年代后期，在硅谷varian的技术中心，第一个商业可用的非晶硅 平板数字x射线探测器fpd诞生。

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2数字平板成像 2. 1成像原理 平板x射线成像器是以固态集成电路技术为基础，在很多方面和可见光数字照相和摄像芯片相似。x射线成像 和可见光成像的主要差别是探测器的尺寸。用于照相和摄像的ccd和cm()s成像器的尺寸通常是1～2 cm。由于x 射线不容易聚焦，成像器需要与成像物体的尺寸相当，这就需要尺寸很大的集成电路。大面积的集成电路以非 晶硅薄膜晶体管(tft)阵列的形式出现，其中应用最广泛和最成功的探测器被称为“间接”探测器。这些探测器 以连接到x射线闪烁体的非晶硅阵列光电二极管为基础。图2显示了基本的x射线转化链。平板成像最常用的闪烁

比简单重复更好的记忆方法 临终是一个怎样的过程?有生 电控发动机燃油供给系统的组 水环式真空泵、旋片式真空泵 手动挡汽车离合器油门刹车 国内反击式破碎机与锤式破碎 冬季挖掘机的七大错误操作 几个小技巧让您的平地机更加 高空作业平台发动机的保养知 徐工XE55D履带式液压挖掘机

体是硫氧化扎和碘化艳。

间接数字x射线成像过程是:x射线管发射的x射线光子穿过目标物体，没有被物体吸收的x射线光子撞击一层 闪烁体材料，闪烁体材料将它们转化成可见光光子。接着，这些光子撞击光电二极管阵列，光电二极管阵列将 它们转化成电子，这些电子可以激活非晶硅层的像素。激活的像素产生电子数据，它可以被计算机转化成高质 量的目标物体图像并在显示器上显示。

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平板探测器由一片附有薄层非晶硅的玻璃组成。非晶硅以极小的尺寸刻印成数百万晶体管，排列成高度有序 的阵列。每个薄膜晶体管附着在高吸收性的光电二极管上，从而形成各个像素。光子撞击光电二极管，转化成 电荷的两个载体，叫做电子空穴对，一个电子空穴对包括一个带负电的电子和一个带正电的空穴(空白的能量空 间就像一个带正电的电子)。由于产生的电荷载体会随着进人的光子的强度变化而变化，电子图像也就产生了， 它可以通过计算机迅速读取和解释产生数字图像。 尽管非晶硅有很好的电子性能，但它不是一种特别好的x射线光子吸收体。因此，x射线首先撞击由硫氧化扎 或碘化艳组成的闪烁体。这个闪烁物可以吸收x射线并将它转化成可见光光子，然后进人光电二极管阵列。由于 碘化艳是一种很好的x射线吸收体，并能把它们转化成可见光光子，非晶硅能把这种能量最好地转化成电荷载 体。碘化艳和非晶硅这两种材料的结合产生了当今使用最高的量子检测效率(dqe)。量子检测效率是衡量成像器 性能的尺度。高量子检测效率意味着同样剂量时可以获得更好的图像质量，或者使用较低剂量仍能获得相同质 量的图像。 2. 2平板结构 fpd的构造在很多方面类似于平板显示器，并使用很多相同的技术。图3为典型的fpd构造，中间是一个非晶 硅tft/光电二极管排列。与这个阵列紧密结合在一起的是x射线闪烁体。

通常x射线转换屏非植人屏，比如硫氧化针，是一个独立可拆卸的薄片，通过机械压力与阵列紧密结合在一 起。然而，如果使用碘化艳屏，为了获得最好的光学祸合功效，附着在阵列上。碘化艳可以应用于光子通量很 低的低剂量x射线透视法。图4对碘化艳和硫氧化扎吸收性能作了对比，在一定剂量下，碘化艳的光输出大致是 扎屏的两倍，在光电二极管中产生的信号大约是扎屏4倍。

因为碘化艳附着在阵列上形成柱形结构(图5),碘化艳比非植人屏厚很多。圆柱可以做光管，减少在闪烁物上 的光散射，比如，600 }m碘化艳层具有相当于300 }m厚度的非植人屏。硫氧化礼屏具有价格低廉、使用灵活的 优势，因为这样的闪烁屏可以很容易地更换以符合应用的要求。

闪烁体产生的光被阵列中光电二极管吸收，产生电子，电子储存在光电二极管自身的电容中。光电二极管对 550 nm波长的绿光谱光吸收性能最大。硫氧化扎和铭都掺杂着碘化艳，在这个频率可产生最高的光输出。非晶 硅光电二极管是典型的"ni-p"型半导体。即光电二极管层由多层构成，底部是电子层(负极)，中部是固有的或 者不掺杂层，顶部是空穴层(正极)。这种非晶硅光电二极管有很多优势，如低暗电流和能独立积累信号的电 容。光电二极管固有的热产生的暗电流不断为二极管充电。如果光电二极管有大量的暗电流，大部分二极管信 号电容会在没有信号情况下被填充。 与用于cmos成像器的晶体硅光电二极管相比，非晶硅光电二极管的暗流大大减少，因此在室温下，非晶硅平 板阵列性能会非常出众，交替积分次数可以高出十倍。二极管电容独立于信号有助于检测系统的线性特征。

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2. 3检测系统的线性特征 检测系统的线性特征对有效纠正阵列和电子器件中的所有非一致性来源至关重要。 tft/光电二极管矩阵一般是逐行扫描，从上到下每次一行。tft本质上是开关，当一个大正极电压作用在一 个闸门线上时，选择行的(tfts)开关关闭，使其导电，由于tfts上的偏压，选择行的像素向数据线输出储存的 信号电子。每个数据线末端是一个电荷积分放大器，将电荷信号转化成电压(图6)。在这点上，各厂商电子线路 各不相同，但大体上由一个可编程的增益阶段和一个将电压转换成数字信号的模数转换器组成。扫描的一个重 要方面是，即使在输出像素的过程中，fpd不断收集整个关联信号，没有一个会丢失。fpd是一个积分探测器， 每个像素的积分时间等于帧时间。

电子仪器可以被安装于阵列的侧面、x光束以外以防辐射损坏，就像在高能(mev)应用中那样。但是在诊断程 序方面，为了能最全面地观测，电子仪器也可以装在阵列后面，用一个薄层的铅保护起来。 当非晶硅产生满足要求的信号，它还不能做随后的信号处理工作。所以，在玻璃边缘阵列的每个行和列，可 以通过tab信号线和标准晶体硅芯片连接。 tab桥接玻璃上的连接密度和典型电流板可处理的密度是这样，玻璃面的tab包每100 um有128个通道，而电 流板端tab排线每400μm有40或者更少的通道。 需要直接连到阵列的芯片，读取芯片和驱动芯片，都装在tab包里。图7为varian医学系统paxscan 4030a, 4 0 cmx 30 cm (12" x 16")血管照相平板的行驱动芯片和读取芯片。

3平板应用优势 相较于图像增强器管的大而笨，平板成像器最明显的优势是尺寸和重量。一个12" x 16"有效区域的fpd，不 到12"图像增强器(( iit)体积的2500，不到16"图像增强器(( iit)体积的1500，可被方便地装配在系统的移动 探臂上。另外，fpd不仅代替了图像增强器，而且还包括附带的影像记录装置，包括ccd摄像机、35 mm摄像机和 现场电影记录设备。 除了尺寸减小以外，平板成像器的重量是iit成像系列的6000。传统情况下，iit一边的机械结构是重的。使 用平板，重的一面转到了x射线管，从而减少了所用机械结构的体积和成本。 和动态随机存取内存相同，信号被储存为一个电荷包，累加多一个像素的数据是将电荷包简单地结合起来。 将2x2像素邻域读做一个超像素可以轻易做到，通过将邻近像素前置电荷积分放大器的信号结合实现。

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像素绑定提供两个有利条件，第一个换位是灵敏度，因为超像素可以看到更多的x射线光子，就具有更高的 信噪比(snr)。通常平板最大的数字数据转换率被限定为一个固定值。绑定也可以减少总矩阵大小，因此可以获 得更高的帧率。例如，一个30fps 1024 x 1024成像器也可以读取60fps或更高的512 x 512超像素。 平板成像器通常有三个模式:全场，7. 5fps全分辨率，用于dsa(数字减影血管造影)和射线照相;全场，30fp s一半分辨率用于x射线透视和摄影;1/4场，30fps全分辨率用于x射线透视检测缩放模式。因为这些模式被定为 阵列的寻址，平板可以在is内在两种模式间转换。平板和相对大小的iit相比更加经济，因为日常对x射线的使 用会降低iit图像质量，因此iit的使用寿命相对较少(图8)。

varian平板寿命检测显示，在相同的使用条件下，平板服役寿命要大大高于iit。在大多数有利条件下，平 板完全可以达到设备使用寿命的要求。 4平板成像质量 在iit为基础的成像中，在信号转化链中有很多步，每一步都会有损失和失真。例如，iit中的电子光学器件 会受到磁场的影响，例如螺旋焊管的检测，影像增强器在检测管端时会受到很大的磁场影响;输出磷光体的光学 器件容易遭受强光的遮盖，这是一种大范围的色亮度干扰，结果是图像在直径方向的几何失真和亮度不一致。 由于扭曲和亮度不一致，iit/ccd成像链容易遭受从边缘到边缘的对比度损失，这就是为什么iit应用时要确定 中心(图9)。作为对比，平板具有直接、简短的信号转换路经，没有光学本质的变化，所以平板的图像从边缘到 边缘是平整、一致的，类似于胶片的图像。

平板探测器具有很大的成像动态范围。一个fpd可以覆盖从低剂量荧光透视法到造影。通常，模数转换器(ad cs)在fpd里面有一个固定的输人范围。为了使信号适应这个范围，在数字化之前有一个模拟增益过程。高的增 益适用于弱信号，可是会损失每帧的最大剂量。 平板成像具有很大的曝光范围，消除由于曝光过量和不足的重新拍摄。大的动态范围也能使计算机层析照相 (ct)应用于从低剂量的透视到射线照相。尤其是非晶硅tft/光电二极管技术，对进入fpd的剂量响应是极端的线 性的。成像响应线性偏离<0.0100。为了使对每个像素实时执行的偏离和增益校正容易进行，这样的线性程度是 必须的。由于阵列中的每个像素有自身的增益值和零信号电平，没有校准的图像是很大的非线性。如果成像响 应是非线性的，实时校准像素响应的算法就是难处理的。 信噪比(snr)是个重要指标。如图10所示，fpd的snr依赖于剂量的平方根，也就是说，x射线光子限制很大的 范围。这表明在这个剂量范围，探测器可以有效控制图像的噪声。

一个考虑成像系统灵敏度更准确的方法是计算量子检测效率(dqe).dqe是空间频率的函数，特别是对于数字 化x射线技术，dqe的测量考虑了噪声、信号损失机制、灵敏度和分辨率。dqe本质上等于输出信噪比snr的平方 与输人信噪比snr的平方的比值，即:

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对一个给定的输人剂量，a是产生输出信号的平均值，mtf是调制传递函数(一种分辨率的尺度)，q是产生x射 线光子的数量，nps是成像器产生的噪声能量光谱。因为x射线束统计规律是泊松分布，输人信噪比的平方事实 上等于x射线光子的总数9"剩下的等式定义是输出信噪比snr的平方，它是信号、分辨率和噪声的函数。 这是典型的具有碘化艳闪烁体的间接薄膜晶体管(tft > /光电二极管技术。由于低损失、高吸收的探测途 径，以碘化艳为基础间接平板的dqe是高效可用的，是计算机射线照相(cr>、胶片屏和ccd为基础技术的两倍 多。对于一个给定的剂量，更高的dqe直接导致更好的成像质量。因此，具有更高量子检测效率(dqe)的检测系 统，可以用比低dqe检测系统更小的剂量获得同样的图像质量。 5工业平板在国内的应用简介 21世纪初varian将工业用2520型16o kv平板介绍到中国来。由于当时的价格昂贵，只有极少的专业人员作了 深人的探索和研究，初期并没有将这项技术推广开来。2005年初，varian平板项目负责人来中国讨论了平板的 技术应用和中国的市场现状，确定生产一种小型、经济的可以取代6""影像增强器的产品，以开拓中国市场。20 06年初，varian生产的第一块1313硫氧化扎225 kv工业平板来到中国，国内相关技术人员做了一系列的测试， 成像效果很理想，技术人员立即着手研发了相关的应用软件，并在某螺旋焊管厂做了实际检测试验。其后varia n又推出了碘化艳225 kv工业平板。图11和12为使用碘化艳225 kv1313工业平板对17. 5和18. 4 mm厚螺旋焊管 的检测结果(所用射线机为赛福特225 kv高频机)。

图12在实际检测时，此管端拍胶片判定合格。图12(c)图像与胶片成像相当，较难判断出缺陷，但灵敏度可 以满足标准要求，图12(b>和(d)中的图像缺陷很容易被发现。 以上图像格式实际上为raw格式，与单反数码相机相同，即所谓的原始图像格式，非常适合于专业人士进行 后期图像处理。 6平板成像测试结论 (1)成像质量质量效果非常良好。 (2)成像的剂量测试17.5 mm壁厚钢管采用120 kv,2 ma的x射线能量即可清晰成像，可见剂量很低。帧速率和 成像剂量值的关系为:帧速率越高，所需的剂量值越大;帧速率低，图像质量通常会更好。 (3)成像的时间通常平板成像帧速率在1 }-2帧/s，抓图时间在l0s左右。 (4)成像的评判时间平板成像通过计算机图像评判，既方便又快捷，随着软件的不断更新会体现出更大的优 势。 (5)成像检测结果的保存与管理平板成像数字化的检测结果可通过计算机管理，更安全更方便，成本更低。 (6)寿命根据实际应用情况来看，早期的平板成像设备在螺旋焊管生产线连续三班使用已有4年的时间，至今 使用效果良好。 (7)动态成像现在比较成熟的工业平板帧速率为0. 1-v30帧//s。用作实时检测，对检测速度有较严格的要 求。30帧/s的帧速率所需的成像剂量大约与影像增强器相当，但平板图像质量会更好。但高速下30帧/s的图像 会有一定的拖尾现象，垂直于运行方向的像质计会变得模糊。但是，平行于运行方向的像质计则会显示很高的 灵敏度。这种情况对于气孔、夹渣等缺陷的影响会小些，这类缺陷有人认为适度的拖尾会更利于发现缺陷。对

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于平行于运行方向裂纹影响很小，但是，速度对垂直于运行方向的小裂纹的影响是非常大的，这点在检测时要 引起足够的重视。 7平板成像存在的问题 平板成像是一个新兴的检测技术，应用好这项技术也会遇到很多的问题，主要有以下几个方面: (1)检测人员总是习惯于用胶片的方法来评判数字化图像，不利于平板优势的体现。 (2)需要有各个行业的平板数字化检测的执行标准。 (3)需要有相关的平板数字化检测规程和评判方法。 参考文献: [1] sensor panel imaging copyright[m]. varian medicalsystems, inc,1999. [2] flat panel x-ray imaging ginzton technology center. [3] astm e 2597-2007 standard practice for manufacturfing characterization of digital detector arraysl. [4] 103-2009成品油输送管道用钢管通用技术条件 [5]蒋太秋，张圣光，王坤显，等.dr平板检测技术在螺旋埋弧焊管检测中的应用[j].焊管，2010,33(2):57 -59.

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收录时间:2014年11月01日 22:07:31 来源:中国计量测控网 作者:点击率 上一篇：三维图像重建p_fdk算法的一种改进方法   (电脑版

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