【作 者】劉洪斌

廣東省人民醫(yī)院 南海醫(yī)院 設(shè)備科，佛山市，528251

0 引言

現(xiàn)有CT機(jī)上使用的是結(jié)構(gòu)龐大的CT專用探測(cè)器，大多為稀土陶瓷材質(zhì)，呈弧形，其探測(cè)器結(jié)構(gòu)為一排排的探測(cè)器并排分布（下有與之相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路），排數(shù)由最初的單排，發(fā)展到現(xiàn)在主流的128排（個(gè)別256排或320排），每排的有效探測(cè)陣元數(shù)小于900個(gè)。

現(xiàn)有的CT探測(cè)器及其CT機(jī)存在以下客觀缺點(diǎn)：

（1）對(duì)一個(gè)部位需要多圈螺旋掃描才能完成，掃描時(shí)床在運(yùn)動(dòng)，容易形成運(yùn)動(dòng)偽影。

（2）圖像不是一個(gè)真正的橫斷切面，而是有一定層厚的不在同一切面上的斷面圖像。

（3）掃描時(shí)間長(zhǎng)，病人受輻照的劑量大。

（4）空間分辨率較低，重建圖像像素不高。最高分辨率小于24 lp/cm，重建圖像像素一般為512×512或1024×1024。

鑒于以上現(xiàn)有CT探測(cè)器的缺陷，很多廠家試圖將平板探測(cè)器應(yīng)用于CT機(jī)。但將平板探測(cè)器應(yīng)用于CT機(jī)上存在以下問題：目前的平板探測(cè)器每行陣元數(shù)過多，應(yīng)用到CT機(jī)上時(shí)要求的掃描頻率過高，也就是對(duì)平板探測(cè)器的讀取速度要求過高，從而使CT機(jī)對(duì)平板探測(cè)器薄膜晶體管遷移率的要求過高（一般大于200 cm2/(V·s)），而現(xiàn)實(shí)中薄膜晶體管遷移率普遍還很低（≤100 cm2/(V·s)），致使讀取速度太慢，滿足不了平板CT機(jī)高速掃描的要求。比如口腔用CBCT（錐形束CT）機(jī)掃描一圈的時(shí)間通常在20 s以上；放射治療用CBCT掃描一圈的時(shí)間通常在2～3 min。為此，目前業(yè)界的解決辦法都集中在尋找遷移率更高的材料，但收效甚微；電路方面的改進(jìn)也只能滿足動(dòng)態(tài)平板的使用要求，還無法應(yīng)用于CT機(jī)。

1 材料與方法

以薄膜晶體管（thin film transistor,TFT）為基礎(chǔ)的X線平板探測(cè)器具有造價(jià)低、工藝簡(jiǎn)單及易于大面積成像等優(yōu)點(diǎn)[1-5]，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷。不能將其應(yīng)用于CT機(jī)是一個(gè)很大的遺憾。

1.1 重新設(shè)計(jì)探測(cè)器采集單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為徹底擺脫平板探測(cè)器薄膜晶體管遷移率對(duì)CT機(jī)的限制，本設(shè)計(jì)提出了一種全新的探測(cè)器結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示。陣元中只有光電二極管，沒有復(fù)位、放大及讀數(shù)用TFT，光電二極管采集的信號(hào)被直接輸出陣元之外，每個(gè)采集單元的讀數(shù)信號(hào)與重置信號(hào)均被輸入陣元外部，利用外圍電路中的讀數(shù)用場(chǎng)效應(yīng)管控制數(shù)據(jù)的輸出，并利用外圍電路中的復(fù)位用場(chǎng)效應(yīng)管給光電二極管復(fù)位；在讀數(shù)用場(chǎng)效應(yīng)管前設(shè)置一個(gè)放大用場(chǎng)效應(yīng)管，后級(jí)運(yùn)算放大器采用反向放大器或同向放大器?，F(xiàn)有平板探測(cè)器單個(gè)采集單元電路，如圖3所示。實(shí)施例中的CT機(jī)掃描時(shí)序，如圖4所示。

圖1 陣元內(nèi)部只有光電二極管的平板探測(cè)器采集單元電路Fig.1 Circuit of flat panel detector acquisition unit with photodiode inside the array

圖2中的倒置空心三角形代表陣元的數(shù)據(jù)輸出接口；圖1和圖3中虛線左側(cè)為單個(gè)采集單元中的陣元內(nèi)部電路，虛線右側(cè)為陣元的外部電路（即后級(jí)放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路）；圖4中的虛線代表時(shí)間對(duì)準(zhǔn)線；圖1和圖3中的VPD表示偏壓電源，VDD表示偏置電源，VREAD表示讀數(shù)信號(hào)，VGRST表示重置信號(hào)，VRST表示重置電源，VCNVST表示轉(zhuǎn)換啟動(dòng)請(qǐng)求信號(hào)，ADC（analog-to-digital converter）表示模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

圖2 陣元內(nèi)部只有光電二極管的平板探測(cè)器像素矩陣 Fig.2 Pixel matrix of flat panel detector with photodiode inside the array element

圖3 現(xiàn)有平板探測(cè)器單個(gè)采集單元電路Fig.3 Circuit of single acquisition unit of existing flat panel detector

圖4 實(shí)施例中的CT機(jī)掃描時(shí)序Fig.4 CT scanning sequence diagram in the embodiment

后級(jí)運(yùn)算放大器采用同向或反向放大器?，F(xiàn)有平板探測(cè)器是一個(gè)積分探測(cè)器（見圖3），每個(gè)像素的積分時(shí)間等于幀時(shí)間[4]。而在本設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確以及方便CT掃描時(shí)序的安排，建議采用反向放大器或同向放大器。這是因?yàn)镃T平板探測(cè)器利用光電二極管自身的結(jié)電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，外圍電路采用放大用場(chǎng)效應(yīng)管，由于場(chǎng)效應(yīng)管屬性，輸入回路電阻非常大，近似開路，幾乎不從信號(hào)源索取電流，在整個(gè)讀數(shù)的過程中，光電二極管結(jié)電容上的電壓幾乎不會(huì)減少，只會(huì)隨時(shí)間增加，在讀數(shù)開始時(shí)的電壓基礎(chǔ)上隨實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的增加而增加，所以讀數(shù)時(shí)輸出給后級(jí)運(yùn)算放大器的每個(gè)瞬間的數(shù)據(jù)都是此前光電二極管采集數(shù)據(jù)的累積值，當(dāng)其到達(dá)后級(jí)運(yùn)算放大器時(shí)無需再進(jìn)行積分。

本設(shè)計(jì)中CT平板探測(cè)器的基板采用雙面技術(shù)。一面用于裝載光電二極管，另一面用于裝載外圍電路中的各種場(chǎng)效應(yīng)管、后級(jí)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等（在現(xiàn)有CT機(jī)中習(xí)慣上被稱為“通道”），且每個(gè)陣元與對(duì)應(yīng)的通道背靠背、一對(duì)一直接相連。而其他的外圍電路，如緩沖器、各種控制信號(hào)、電源等，需要在通道之上再另外設(shè)計(jì)一層。基板上，每個(gè)陣元對(duì)應(yīng)的位置鑲嵌有導(dǎo)電引腳，以將每個(gè)陣元的數(shù)據(jù)傳輸給各自的后級(jí)放大器等外圍電路進(jìn)行處理。每個(gè)陣元對(duì)應(yīng)一個(gè)通道，目前可能沒有可用的通道IC，需要根據(jù)整個(gè)探測(cè)器的尺寸與形狀專門定制。

1.2 以上平板探測(cè)器在現(xiàn)有射線工作方式下CT機(jī)中的應(yīng)用

為解決背景技術(shù)中所述的現(xiàn)有CT機(jī)的缺陷，本設(shè)計(jì)將經(jīng)以上改進(jìn)的CT平板探測(cè)器應(yīng)用于現(xiàn)有射線工作方式下的CT機(jī)。當(dāng)現(xiàn)有CT機(jī)在掃描時(shí)，射線裝置在整個(gè)掃描過程中不停地發(fā)射射線，在探測(cè)器讀數(shù)時(shí)還有射線在射向探測(cè)器，探測(cè)器中的光電二極管在不停地進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。

2 實(shí)施例

在本實(shí)施例中，采用圖1所示的電路結(jié)構(gòu)的CT平板探測(cè)器，對(duì)應(yīng)的像素矩陣電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。應(yīng)用條件為現(xiàn)有射線發(fā)射器工作方式的CT機(jī)。

2.1 本實(shí)施例的時(shí)序控制

讀數(shù)時(shí)間需要大于等于外圍電路中放大用場(chǎng)效應(yīng)管的渡越時(shí)間與讀數(shù)用場(chǎng)效應(yīng)管的渡越時(shí)間之和，重置時(shí)間需要大于等于外圍電路中復(fù)位用場(chǎng)效應(yīng)管的渡越時(shí)間，因外圍電路中場(chǎng)效應(yīng)管的遷移率非常高（通常在1 000 cm2/(V·s)以上），其渡越時(shí)間非常?。偃缫? 000 cm2/(V·s)計(jì)），約為0.5 μs。此時(shí)間為以遷移率0.5～1 cm2/(V·s)的非晶硅在只有讀數(shù)用TFT的探測(cè)器（電路結(jié)構(gòu)見圖3）中讀出時(shí)間為1 ms[1]對(duì)比計(jì)算的大約值，且以遷移率0.5 cm2/(V·s)讀出時(shí)間1 ms為參照，下同），本實(shí)施例的讀數(shù)時(shí)間（約為1 μs）與重置時(shí)間（約為0.5 μs）均可以足夠小，重置時(shí)間安排在讀數(shù)時(shí)間之內(nèi)（在讀數(shù)時(shí)間的末尾，但由于重置時(shí)間相當(dāng)短，被安排在讀數(shù)時(shí)間之后也沒有太大影響，所以在本實(shí)施例中，重置時(shí)間安排在讀數(shù)時(shí)間之內(nèi)或之后均可以）。時(shí)序控制如圖4所示。為保證圖像質(zhì)量，按讀數(shù)時(shí)間不大于一個(gè)讀數(shù)周期5%來計(jì)算，本實(shí)施例一個(gè)讀數(shù)周期的最短時(shí)間大約可以達(dá)到20 μs。為獲得理想的圖像效果，掃描頻率的計(jì)算公式為X=πZ/(2T)，其中X為CT平板探測(cè)器掃描頻率，Z為平板探測(cè)器每行的陣元數(shù)，T為掃描360o的時(shí)間。假如由每行4 000個(gè)探測(cè)單元組成的探測(cè)器，其CT機(jī)以0.2 s掃描360o，其掃描頻率約為31 416 Hz，此時(shí)一個(gè)讀數(shù)周期的時(shí)間大約為31.8 μs，其要求遠(yuǎn)低于本實(shí)施例中探測(cè)器最短讀數(shù)周期20 μs的掃描速度能力。由此可見，此種設(shè)計(jì)的平板探測(cè)器讀數(shù)速度可以非?？?，完全能滿足高清探測(cè)器的快速掃描要求，只要滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度夠快就行。

2.2 本實(shí)施例的缺點(diǎn)

會(huì)損失放大用場(chǎng)效應(yīng)管的渡越時(shí)間與讀數(shù)用場(chǎng)效應(yīng)管的渡越時(shí)間內(nèi)新采集的數(shù)據(jù)，但因其時(shí)間非常短，損失非常小。

3 結(jié)果

通過本理論研究，能獲得將平板探測(cè)器應(yīng)用于CT機(jī)的理想結(jié)果。因CT機(jī)的設(shè)計(jì)與制造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要大量的人力與財(cái)力，無法獨(dú)自完成全過程的實(shí)踐驗(yàn)證工作。所以，僅為理論研究，尚未得到實(shí)踐檢驗(yàn)，其“結(jié)果”以“效果”來表達(dá)更為準(zhǔn)確。

基板采用雙面技術(shù)，方便將陣元矩陣中的數(shù)據(jù)傳輸給后級(jí)運(yùn)算放大器等外圍電路進(jìn)行處理，因盡可能地縮短了傳輸距離，將大幅降低信號(hào)的傳輸損耗，減少干擾，大幅提高信噪比，并大幅降低對(duì)射線的劑量要求，為薄膜晶體管中各種TFT功能外移提供了前提條件。本設(shè)計(jì)的平板探測(cè)器因薄膜晶體管內(nèi)已經(jīng)沒有除光電二極管外的各種TFT，且外圍電路中場(chǎng)效應(yīng)管的遷移率非常高，從而極大地提高了讀取速度，完全摒除了平板探測(cè)器薄膜晶體管遷移率對(duì)CT機(jī)的限制，這就是將TFT功能外移這一設(shè)計(jì)理念的重大意義之所在；CT機(jī)的速度不再受制于平板探測(cè)器的材質(zhì)，而只受限于掃描架中滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度；同時(shí)，不再受制于材質(zhì)，使得平板探測(cè)器可以做成弧形，可減少散射偽影；陣元內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)化，降低了探測(cè)器制造成本。同時(shí)，由于讀取速度大大提升，如果不考慮探測(cè)器通道數(shù)增加而引起平板探測(cè)器制造成本過高的因素，完全可以將高像素探測(cè)器應(yīng)用于CT機(jī)，將大大提升圖像質(zhì)量，CT機(jī)將進(jìn)入超高清時(shí)代。根據(jù)投影矩陣值的計(jì)算公式Y(jié)=XZT，其中X為CT平板探測(cè)器掃描頻率，Y為要求達(dá)到的投影矩陣值，Z為平板探測(cè)器每行的陣元數(shù)，T為掃描360o的時(shí)間。假如由每行4 000個(gè)探測(cè)單元組成的探測(cè)器，其CT機(jī)以0.2 s掃描360o，其掃描頻率約為31 416 Hz，理論上能得到約25 K（5 013×5 013）的投影矩陣值。

4 結(jié)論

之前人們都努力提升平板探測(cè)器的材質(zhì)，或在電路設(shè)計(jì)方面進(jìn)行不斷地優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)探測(cè)[1,6-10]，均沒有找到合適的材質(zhì)，也沒有提出可以滿足CT速度要求的電路結(jié)構(gòu)。本研究從徹底拋棄限制的根源入手，將原本在薄膜晶體管中的復(fù)位用TFT等移出至外圍電路，極大地提升了探測(cè)器讀數(shù)速度，從理論上成功解決了薄膜晶體管遷移率過低這一長(zhǎng)期困擾平板CT機(jī)應(yīng)用的難題。其成像原理與現(xiàn)有CT機(jī)相同，對(duì)于探測(cè)器做成弧形的CT機(jī)，其射線散射引起的偽影與現(xiàn)有CT機(jī)完全相同，其解決辦法也完全相同；總的算法也可以繼承應(yīng)用，只是數(shù)據(jù)量比現(xiàn)有的CT機(jī)大了許多。所有技術(shù)方法均是利用現(xiàn)有較成熟的技術(shù)，組合應(yīng)用于CT平板探測(cè)器及其CT機(jī)，都是使用現(xiàn)有的理論預(yù)計(jì)將來可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。