专利名称：放射线平板影像探测器及其直接数字化成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字化成像系统，特别是一种放射线直接数字化成像系统。
背景技术：
薄膜晶体管阵列具有反应快的优点，目前以薄膜晶体管阵列为主的平板式影像探测器可分为直接和间接两类。间接数字化平板式影像探测器的结构主要是由闪烁体或荧光体层具有光电二极管作用的非晶硅层再加薄膜晶体管阵列构成的平板检测器。此类平板的闪烁体或荧光体层经X射线曝光后，可以将X射线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号，经过薄膜晶体管阵列其后的过程则与直接平板影像探测器相似，最后获得数字图像。间接式影像探测器由于有可见光的转换过程，因为光有散射问题，而影响图像的品质与分辨率。目前闪烁体材料主要采用碘化铯(CsI)晶体。
目前的直接数字化成像方式有两种，一种以平板式影像探测器将X射线直接转化为电子数字信号的直接数字化X射线摄影，另一种是前苏联科学院西伯利亚核物理研究所开发研制的多丝正比室扫描投影X射线机；即通过各金属丝输出的信号正比于该处的X线辐射强度，使信号经前置放大及模拟/数字转换(下文称ADC)、缓存入中央处理器而形成数字影像，数字化深度达到16位，图像清晰度较高。但由于该机型造价贵、成像时间长，是目前开发中存在的最大障碍。目前大面积的直接数字化平板式影像探测器，主要结构是由非晶硒层与薄膜晶体管阵列构成的平板检测器。由于非晶硒是一种光电导材料，因此经X射线曝光后由于电导率的改变就形成图像电信号，通过薄膜晶体管检测阵列及ADC处理获得数字化图像在显示器上显示。直接数字化平板式影像探测器的具有非常高的量子转换效率和极为宽广的动态范围等优点。此外，由于是直接产生数字信号，没有中间转换可见光的过程，可以避免光线反射所产生的散射效应，对于所产生影像的分辨力、鉴别率或辨认被摄物体纤微细节的能力等的指标均较其它非直接数字成像为佳。一般也公认图像质量好于目前的屏胶系统。
碘化汞是II-VII族化合物半导体，其特色包括禁带宽度大，体暗电阻大，组成元素原子序高(汞原子序为80，碘为53)，密度大，可在室温下操作，具有高量子效率且能量分辨率亦较佳，并且于导电状态在电场作用下电子迁移速度快，灵敏度高等优点。是适于制作室温放射线直接数字化成像与高速连续摄影影像探测器的极佳材料。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是，提供一种能直接数字化的放射线平板影像探测器。本发明的所要解决的另一技术问题是，提供一种放射线平板影像直接数字化成像系统。
为解决上述技术问题是，本发明的放射线平板影像探测器由四层顺序构成，第一层是顶部电极，顶部电极为能让入射放射线透过的透明导电膜，用于施加工作电压；第二层为碘化汞晶体光导体层，包括保护碘化汞晶体光导体的半导体绝缘层及电介质层，电介质层作为光控调阻器用于调制光阀并改变激光波束的反射率；第三层为由大量的单个薄膜晶体管构成的薄膜晶体管阵列及其地址记录器、多路开关数据传输器、放大电路、行扫描控制线和列为数据线；第四层为玻璃基板；所述地址记录器和多路开关数据传输器用于逐点逐行地将每个薄膜晶体管内储存的电荷由放大电路放大后经模数转换成为数字量并输出。
所述薄膜晶体管阵列中的每个薄膜晶体管单元为n沟道金属氧化物半导体场效晶体管器件，器件中的栅极介质由两层二氧化硅材料及夹在两层二氧化硅材料之间的一层氮化物构成。
所述薄膜晶体管阵列中，每行的行扫描控制线与该行全部薄膜晶体管的控制端G相连；每列的列数据线与该列全部薄膜晶体管的数据端S相连；每个薄膜晶体管有一个电荷汇集电极，一端与薄膜晶体管的D端相连，另一端连接着一个电荷存储电容，其中的电荷在计算机控制下，通过数据线由地址记录器和多路复用信号传输器，按扫描的顺序读出。
所述薄膜晶体管阵列的放大电路组件为高输入阻抗的电荷放大器，电荷放大电路的输入端与薄膜晶体管数据线相连，放大电路的输出端与多路复用信号传输器的开关输入端相连。
所述碘化汞晶体光导体层的厚度在150至500微米之间。
所述膜晶体管的基板是塑胶材料。
所述薄膜晶体管阵列面积为43×43或20×20平方厘米；每个薄膜晶体管所对应的像素尺寸大小为127微米。
为解决上述技术问题是，本发明的放射线平板影像直接数字化成像系统，由放射线平板影像探测器、通信接、有计算机和存储在有计算机内的影像处理软件组成。
所述通信接口是IEEE 1394标准接口。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果(一)利用碘化汞晶体对于放射线的光电特性，并将其沉积于薄膜晶体管阵列构成的平板式放射线影像探测器。通过计算机对影像探测器控制与处理电荷信号的传递，形成了直接数字化的放射线影像；(二)除了单次曝光产生的单幅静止影像之外，可以透过连续高速摄影实现实时动态数字透视影像。
图1是现有技术中的平板检测器；图2是本发明放射线平板影像直接数字化成像系统；图3是本发明的探测单元的剖面结构示意图；图4是图3所示探测单元的等效电路；图5是二维排列的MOSFET构成的光传感器阵列布置示意图；图6是本发明中多路开关数据传输器控制线切换第M行高电平的示意图。
具体实施例方式
以下结合了附图对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明的放射线平板影像探测器，它由四层顺序构成一层为塑胶或玻璃基板32；一层为大量完全相同的单个薄膜晶体管构成的薄膜晶体管阵列22及其相关的地址记录器、多路开关数据传输器和放大电路；一层为碘化汞晶体光导体12；一层为金属氧化物偏置电极13。其基本原理是利用碘化汞晶体半导体作为光导体，碘化汞晶体光导体吸收x光光子能量后产生电子一空穴对，在碘化汞晶体光导体中通过金属偏置电极外加一个偏置电场，电子、空穴在外加偏置电场中运动，电子流向金属偏置电极，空穴汇集在每个薄膜晶体管的储存电容内，通过地址记录器和多路开关数据传输器逐点逐行地将每个薄膜晶体管内储存的电荷由放大电路放大后经模数转换成为数字量，输入计算机后形成数字图像。薄膜晶体管组成的薄膜晶体管阵列采用氢化的非晶硅(a-Si:H)或镉的硒化物(CdSe)材料进行制备，由像素PIX(N，M)的二维排列的薄膜晶体管组成，每个薄膜晶体管对应为一个象素，其中对应于在第M行、第N列的薄膜晶体管构成的探测单元20用符号以PIX(N，M)表示。行为扫描控制线35，它与该行全部薄膜晶体管的控制端(G端)相连；列为数据线36(或称读出线)，它与该列全部薄膜晶体管的数据端(S端)相连；每个薄膜晶体管有一个电荷汇集电极，一端与薄膜晶体管的D端相连，另一端连接着一个电荷存储电容C(N，M)，其中的电荷存储电容37能够在计算机软件、地址记录器和多路开关数据传输器的控制下顺序地读出当第M行控制线处于高电平时，该行全部的薄膜晶体管处于开启状态的开态，如图6为多路开关数据传输器控制线切换第M行高电平的情形。此时其它行的控制线均处于低电平，这些行的全部薄膜晶体管均处于关闭状态，通过多路开关数据传输器，按照数据线N＝1，N的顺序，第M行全部薄膜晶体管的存储电荷经放大电路放大后，电荷信号被依次读出，通过ADC转换成为数字量存入计算机。在计算机软件、多路开关数据传输器和地址记录器的控制下，按照行扫描的顺序进行控制，逐点逐行读出每个象素的电荷量，获得一幅完整的二维数字图像。薄膜晶体管阵列的工作方式由地址记录器和多路开关数据传输器来控制。
薄膜晶体管阵列的放大电路的核心组件如图4所示为超低偏置电流、超高输入阻抗61的电荷放大器62。放大电路63的输入端与薄膜晶体管阵列的数据线36相连，放大电路的输出端与多路开关数据传输器50输入端的开关相连。
本发明放射线直接数字化影像探测器中薄膜晶体管阵列的制作顺序是1.在玻璃或塑胶基板上制备由薄膜晶体管构成的薄膜晶体管阵列及其相关的地址记录器51、多路开关数据传输器和放大电路；2.碘化汞晶体光导体层是采用真空镀膜方法将高纯度的用碘化汞物理气相沉积在薄膜晶体管阵列上，形成碘化汞晶体，膜厚度根据具体应用的要求控制在150-500微米范围内；3.采用物理气相沉积中的溅镀法在碘化汞光导体层表面制备金属偏置电极。如图5利用上述碘化汞为光导体的直接数字成像影像探测器组成的X射线全数字图像设备，如图3，为探测单元20的剖面结构的示意图。面对X射线第一层为顶部电极21，理想的顶部电极为透明导电膜，在本发明采用的材料为目前广泛应用于液晶屏幕产业的氧化铟锡(indium-tin-oxide，下文称ITO)。因为ITO本身有低的电阻率且在可见光的范围有很高的穿透率。此外，在紫外光波段有更低的能量耗损，一般亦应用于二氧化硅为基底的三极管以及萧特基二极体的电极制作上。厚约150纳米，它能使写入光或读出光透过，并且起施加工作电压作用。在顶部电极21与碘化汞光导体层12的第2层为电介质层22，作为光控调阻器以调制光阀，可以改变激光波束反射率的层面。由于使用了稳定的半导体材料，这个层面可以保护光导体膜层免受潮湿及氧化的侵害。
影像探测器薄膜晶体管阵列11包括、n型硅层41-42、源电极43、漏电极44、栅电极45、保护绝缘膜46以。n型硅层41-42分别在基板32表面形成。源电极43和漏电极44分别在n型硅层21和22上形成，该结构在玻璃或塑胶基板32上形成。影像探测器11同样可以通过由源电极43、漏电极44和栅电极45组成的上金属氧化物场效晶体管(下文称MOSFET)构成。如图4所示的等效电路，影像探测器11可以被认为是MOSFET阵列的结合，并具有栅电极G、源终端S及漏终端D。
图5显示出由二维排列的MOSFET构成的光传感器阵列布置情况。如图3所示，光传感器阵列由多个MOSFET、栅线103、以及数据线36构成。MOSFET被排列成PIX(N，M)的矩阵。栅线125和沿着行的方向连接栅电极45和数据线36沿着列的方向连接漏电极44。在读取时段T中，累积在信道区域的电荷用来削弱施加给具有相反极性的栅终端G的低电平电压。数据线36的电压Vd倾向于根据漏电流从预充电电压Vpg而随着时间的流逝逐渐减少。也就是说，数据线36的电压Vd的变化倾向取决于电荷累积时段和所接收的光能量。当入射光量小时，电压Vd逐渐减少，给定像素灰度值是偏亮的。当入射光量大的时候，电压急剧减少，给定像素灰度值是偏暗的。因此，通过在读取时段T的预定时间的流逝期间检测数据线36的电压Vd或通过检测电压达到预定阀值的时间来转换入射光量。这种驱动控制对薄膜晶体管阵列的每一行顺次进行。在驱动脉冲彼此不重迭的时间彼此平行的驱动和控制各行。从而读出二维影像。
影像探测器中薄膜晶体管阵列的总面积最大可设计为43×43平方厘米，每个薄膜晶体管组成的探测单元(即像素)尺寸最小可为127微米；通过数据传输接口和计算机软件的控制还能够获取30帧每秒的实时动态图像，所以又能够用于放射线动态透视检查，如医学常规的数字血管摄影及肠胃透视检查。由于碘化汞晶体为光导体材料，在X射线波长范围内，具有很好的线性特性和很高的量子转换效率，并且成像需要的放射剂量较其它放射线成像设备低。
本发明涉及一种放射线直接数字化成像系统，碘化汞晶体的薄膜晶体管阵列、计算机控制与计算机影像处理软件三个大项目组成。如图3典型薄膜晶体管20阵列所构成的影像探测器是通过将薄膜晶体管在硅基片上排列成矩阵而构成。通过水平和竖直扫描电路来检测入射在薄膜晶体管接收部分上光子能量产生的正电子(空穴)的数量，以计算入射光的强度。在采用薄膜晶体管阵列为光传感器的系统中，光传感器组件设置在薄膜晶体管阵列中。随着象素数量的增加，光传感器系统变得更大。当能够使光传感器探测单元(即像素)面积减小、并且能够在塑胶基板上廉价地形成、同时优选用于影像读取的光传感器，研制了以碘化汞为光导体的薄膜晶体管的光传感器(以下称为影像探测器)，它具有光传感和影像输出功能。以下详细描述影像探测器和采用碘化汞为光导体的薄膜晶体管的作为影像探测器的光传感器系统。
放射线在面对放射线的照射下，光子能量被碘化汞吸收在薄膜晶体管电极产生的电荷积聚，由薄膜晶体管读取阵列内所有检测单元的电信号，经多路复用信号传输器将电信号传递至计算机，通过计算机对影像探测器的控制与影像处理的步骤，形成直接数字化放射线影像。除了单次曝光产生的单幅静止影像之外，可以透过连续高速摄影实现实时动态数字透视影像。
在本发明中影像读取部分包括(1).计算像素的灰阶值；(2).入射光强度的计算与(3)灵敏度调节；影像探测器的动态范围GL由影像的灰阶深度BIT决定，计算方式是GL＝2BIT。如本发明中静止影像灰阶深度为14(GL＝16384)，动态影像灰阶深度为10(GL＝1024)。当影像探测器设定为读取单一静止影像，薄膜晶体管的数据线与电荷放大器62和放大电路63连接，每个薄膜晶体管产生的电荷积聚，经多路开关数据传输器与ADC，如图2中编码1程序产生的一个14个字符组成，可以代表灰度值[GREY]的二进制数号号。当影像探测器设定为动态影像，薄膜晶体管的数据线与超高阻抗61和放大电路63连接，如图2中编码2程序产生由10个字符组成的数字信号，测量薄膜晶体管内电容不断改变的电荷量。计算入射光强度对所有像素PIX(M，N)电荷改变量Vc可以由Vc-[GREY]×Vd/2BIT得到。灵敏度调节读取部分用来以多个影像读取灵敏度读取影像；最佳影像读取灵敏度导出部分，它根据在各个影像读取灵敏度下，由灵敏度调节读取部分所读取的影像来导出适用于影像读取操作的最佳影像读取灵敏度；以及影像读取灵敏度设定部分，将最佳影像读取灵敏度设定为影像读取灵敏度。最佳影像读取灵敏度导出部分根据读取的影像，从像素数据中抽取每个影像读取灵敏度的最大值和最小值，计算数据范围，并且根据每个影像读取灵敏度的数据范围中的变化导出最佳影像读取灵敏度。
在本发明中薄膜晶体管阵列通过IEEE 1394标准接口与计算机连接。随着个人电脑(PC)和其它设备间的通信逐步深入，由于IEEE 1394允许每台设备的最大传输速度可以达到400Mbps(每秒400百万比特)，采取IEEE 1394标准接口可以满足本发明中影像探测器与外部电脑间的影像传输与通信的需要，而且成本低，易于实现。
权利要求
1.一种放射线平板影像探测器，其特征是，所述的平板影像探测器由四层顺序构成，第一层是顶部电极，顶部电极为低电阻并且能让放射线穿透的透明导电膜，用于施加工作电压；第二层为碘化汞晶体光导体层，包括保护碘化汞晶体光导体的半导体绝缘层及电介质层，电介质层作为光控调阻器用于调制光阀并改变激光波束的反射率；第三层为由大量的单个薄膜晶体管构成的薄膜晶体管阵列及其地址记录器、多路开关数据传输器、放大电路、行扫描控制线和列为数据线；第四层为塑胶基板；所述地址记录器和多路开关数据传输器用于逐点逐行地将每个薄膜晶体管内储存的电荷由放大电路放大后经模数转换成为数字量并输出。
2.如权利要求1所述的一种放射线平板影像探测器，其特征在于，所述薄膜晶体管阵列中的每个薄膜晶体管单元为n沟道金属氧化物半导体场效晶体管器件，器件中的栅极介质由两层二氧化硅材料及夹在两层二氧化硅材料之间的一层氮化物构成。
3.如权利要求1所述的一种放射线平板影像探测器，其特征在于，所述薄膜晶体管阵列中，每行的行扫描控制线与该行全部薄膜晶体管的控制端G相连；每列的列数据线与该列全部薄膜晶体管的数据端S相连；每个薄膜晶体管有一个电荷汇集电极，一端与薄膜晶体管的D端相连，另一端连接着一个电荷存储电容，其中的电荷在计算机控制下，通过数据线由地址记录器和多路复用信号传输器，按扫描的顺序读出。
4.如权利要求1所述的一种放射线平板影像探测器，其特征在于，所述薄膜晶体管阵列的放大电路组件为高输入阻抗的电荷放大器，电荷放大电路的输入端与薄膜晶体管数据线相连，放大电路的输出端与多路复用信号传输器的开关输入端相连。
5.如权利要求1所述的一种放射线平板影像探测器，其特征在于，所述碘化汞晶体光导体层的厚度在150至500微米之间。
6.如权利要求1所述的一种放射线平板影像探测器，其特征在于，所述膜晶体管的基板是塑胶材料。
7.如权利要求1所述的一种放射线平板影像探测器，其特征在于，所述薄膜晶体管阵列面积为43×43或20×20平方厘米；每个薄膜晶体管所对应的像素尺寸大小为127微米。
8.一种采用权利要求1所述放射线平板影像探测器的直接数字化成像系统，其特征在于，所述放射线平板影像探测器通过通信接口连接有计算机，计算机内存储有影像处理软件。
9.如权利要求8所述的一种放射线平板影像直接数字化成像系统，其特征在于，所述通信接口是IEEE 1394标准接口。
全文摘要
本发明公开了的一种放射线平板影像探测器及其直接数字化成像系统。本发明的探测器由四层顺序构成，第一层是顶部电极；第二层为碘化汞晶体光导体层；第三层为由大量的单个薄膜晶体管构成的薄膜晶体管阵列及其地址记录器、多路开关数据传输器、放大电路、行扫描控制线和列为数据线；第四层为玻璃或塑胶基板。本发明的成像系统，由放射线平板影像探测器、通信接口、计算机和存储在有计算机内的影像处理软件组成。本发明利用碘化汞晶体对于放射线的光电特性，通过计算机对影像探测器的控制与影像处理，形成了直接数字化的放射线影像；除了单次曝光产生的单幅静止影像之外，能够透过连续高速摄影实现实时动态数字透视影像。
文档编号H04N5/321GK1825912SQ20061001337
公开日2006年8月30日 申请日期2006年3月24日 优先权日2006年3月24日
发明者张凤英, 冯强, 施广益 申请人:天津精英机电设备有限公司