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像素阵列

平板式探测仪(FPD)中的灵敏部分是像素阵列。这是一个矩形或正方形区域,尺寸从几厘米到几十厘米不等,前者适用于口腔放射学等应用,后者可满足胸部成像等应用的需要。

阵列中包含数千个像素:每个像素是一个正方形,边长为数十微米或数百微米,具体由所需的空间分辨率决定。

每次拍摄X射线图像时,像素阵列会接收极短的辐射。像素收集和存储这种辐射,直到它被读出。每个像素由一个光电二极管和一个开关组成。光电二极管是基本元器件,用于从碰撞X射线中生成电荷。其实施方式可以是直接转换,也可以是间接转换,如此处所述。 

每个像素的另一个组成元素为开关,通常由薄膜晶体管(TFT)组成,这项技术源自显示器行业。或者,可以使用铟镓氧化锌(IGZO)来实施开关,这是一项最新的开发成果,性能比TFT更出色,预计未来几年内将在FPD中变得更常用。

 


 

 

如何读取平板式探测仪(FPD) 

FPD包含一个控制和信号走线网格。每条控制走线成行连接至所有像素开关的栅极,而每条信号走线则成列连接至所有开关的输出节点。在每个像素中,开关的输入节点连接至光电二极管。所以,光电二极管可以通过开关连接至其信号走线。

对栅极控制线通电时,所有开关开启,如此会将该像素行沿线的光电二极管连接至其信号走线。之后,从碰撞X射线生成的电荷可流入读出节点。一次开启一行,系统逐个读取所有行。在该流程结束时,FPD已读取整个像素阵列。然后,该像素阵列准备获取另一幅X射线图。

为了实施这种读出方案,FPD采用了两个重要的集成电路(IC):读出IC (ROIC)栅极驱动器IC。 

读出IC沿像素阵列的一侧分布;对于大型FPD,可以彼此相对分布在两侧,以加速读出序列的速度。它们的输入是信号走线。通常情况下,ROIC是一个多通道器件,支持256条线路。每个通道都有一个模拟前端,用来收集和放大来自读出线路的电荷;然后,集成模数转换器(ADC)生成一个与像素中的碰撞X射线释放的能量对应的数字输出字,并等待计算机做进一步处理。

栅极驱动器IC位于垂直于ROIC的像素阵列的一侧。它们驱动控制线,因此可以启用或禁用沿每行像素分布的所有开关。由于开启TFT开关需要较大的电压,所以栅极驱动器必须能够处理这种高压;此外,它们必须在不同电压电平之间快速切换,并产生低噪声输出,避免干扰ROIC运行。
 

性能参数

最终图像的质量以及医学诊断结果的质量取决于几个FPD参数。ROIC和栅极驱动器的性能会对大部分参数产生影响。因此,选择专为实现高性能而设计制造的IC至关重要。最重要的性能参数包括:

  • 探测仪对给定的X射线能量的灵敏度。这包括光电二极管的量子效率,在间接转换情况下还包括闪烁体的效率
  • 空间分辨率,这也取决于像素大小。这对于开发ROIC和栅极驱动器也是一项挑战,因为要保证设计的通道足够小,以匹配所需的节距。
  • 读出时间,尤其是对于每秒需要读取大量帧(读出整个像素阵列)的动态应用。IC的速度需要快到足以应对这些速度。在读出阶段转换一行所花费的时间称为线扫描时间。
  • 图像噪声。噪音越大,辨别细节的能力就越差,为了生成清晰的图像,患者接触的X射线也越多。IC引入的噪声必须只占探测仪固有噪声的一小部分。
  • 功耗。这不仅会影响电力成本和环境,也会影响电池供电的便携式FPD的有效运行时间,更不用说电池的尺寸和成本了。


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