一种CT平板探测器及其CT机设计构想

【作 者】刘洪斌

广东省人民医院 南海医院 设备科，佛山市，528251

0 引言

现有CT机上使用的是结构庞大的CT专用探测器，大多为稀土陶瓷材质，呈弧形，其探测器结构为一排排的探测器并排分布（下有与之相应的光电转换电路、模数转换电路），排数由最初的单排，发展到现在主流的128排（个别256排或320排），每排的有效探测阵元数小于900个。

现有的CT探测器及其CT机存在以下客观缺点：

（1）对一个部位需要多圈螺旋扫描才能完成，扫描时床在运动，容易形成运动伪影。

（2）图像不是一个真正的横断切面，而是有一定层厚的不在同一切面上的断面图像。

（3）扫描时间长，病人受辐照的剂量大。

（4）空间分辨率较低，重建图像像素不高。最高分辨率小于24 lp/cm，重建图像像素一般为512×512或1024×1024。

鉴于以上现有CT探测器的缺陷，很多厂家试图将平板探测器应用于CT机。但将平板探测器应用于CT机上存在以下问题：目前的平板探测器每行阵元数过多，应用到CT机上时要求的扫描频率过高，也就是对平板探测器的读取速度要求过高，从而使CT机对平板探测器薄膜晶体管迁移率的要求过高（一般大于200 cm2/(V·s)），而现实中薄膜晶体管迁移率普遍还很低（≤100 cm2/(V·s)），致使读取速度太慢，满足不了平板CT机高速扫描的要求。比如口腔用CBCT（锥形束CT）机扫描一圈的时间通常在20 s以上；放射治疗用CBCT扫描一圈的时间通常在2～3 min。为此，目前业界的解决办法都集中在寻找迁移率更高的材料，但收效甚微；电路方面的改进也只能满足动态平板的使用要求，还无法应用于CT机。

1 材料与方法

以薄膜晶体管（thin film transistor,TFT）为基础的X线平板探测器具有造价低、工艺简单及易于大面积成像等优点[1-5]，被广泛应用于医学诊断。不能将其应用于CT机是一个很大的遗憾。

1.1 重新设计探测器采集单元的内部结构

为彻底摆脱平板探测器薄膜晶体管迁移率对CT机的限制，本设计提出了一种全新的探测器结构，如图1和图2所示。阵元中只有光电二极管，没有复位、放大及读数用TFT，光电二极管采集的信号被直接输出阵元之外，每个采集单元的读数信号与重置信号均被输入阵元外部，利用外围电路中的读数用场效应管控制数据的输出，并利用外围电路中的复位用场效应管给光电二极管复位；在读数用场效应管前设置一个放大用场效应管，后级运算放大器采用反向放大器或同向放大器。现有平板探测器单个采集单元电路，如图3所示。实施例中的CT机扫描时序，如图4所示。

图1 阵元内部只有光电二极管的平板探测器采集单元电路Fig.1 Circuit of flat panel detector acquisition unit with photodiode inside the array

图2中的倒置空心三角形代表阵元的数据输出接口；图1和图3中虚线左侧为单个采集单元中的阵元内部电路，虚线右侧为阵元的外部电路（即后级放大与模数转换电路）；图4中的虚线代表时间对准线；图1和图3中的VPD表示偏压电源，VDD表示偏置电源，VREAD表示读数信号，VGRST表示重置信号，VRST表示重置电源，VCNVST表示转换启动请求信号，ADC（analog-to-digital converter）表示模数转换电路。

图2 阵元内部只有光电二极管的平板探测器像素矩阵 Fig.2 Pixel matrix of flat panel detector with photodiode inside the array element

图3 现有平板探测器单个采集单元电路Fig.3 Circuit of single acquisition unit of existing flat panel detector

图4 实施例中的CT机扫描时序Fig.4 CT scanning sequence diagram in the embodiment

后级运算放大器采用同向或反向放大器。现有平板探测器是一个积分探测器（见图3），每个像素的积分时间等于帧时间[4]。而在本设计中，为了简化电路结构、保证数据的准确以及方便CT扫描时序的安排，建议采用反向放大器或同向放大器。这是因为CT平板探测器利用光电二极管自身的结电容存储数据，外围电路采用放大用场效应管，由于场效应管属性，输入回路电阻非常大，近似开路，几乎不从信号源索取电流，在整个读数的过程中，光电二极管结电容上的电压几乎不会减少，只会随时间增加，在读数开始时的电压基础上随实时数据的增加而增加，所以读数时输出给后级运算放大器的每个瞬间的数据都是此前光电二极管采集数据的累积值，当其到达后级运算放大器时无需再进行积分。

本设计中CT平板探测器的基板采用双面技术。一面用于装载光电二极管，另一面用于装载外围电路中的各种场效应管、后级放大器、模数转换器等（在现有CT机中习惯上被称为“通道”），且每个阵元与对应的通道背靠背、一对一直接相连。而其他的外围电路，如缓冲器、各种控制信号、电源等，需要在通道之上再另外设计一层。基板上，每个阵元对应的位置镶嵌有导电引脚，以将每个阵元的数据传输给各自的后级放大器等外围电路进行处理。每个阵元对应一个通道，目前可能没有可用的通道IC，需要根据整个探测器的尺寸与形状专门定制。

1.2 以上平板探测器在现有射线工作方式下CT机中的应用

为解决背景技术中所述的现有CT机的缺陷，本设计将经以上改进的CT平板探测器应用于现有射线工作方式下的CT机。当现有CT机在扫描时，射线装置在整个扫描过程中不停地发射射线，在探测器读数时还有射线在射向探测器，探测器中的光电二极管在不停地进行光电转换。

2 实施例

在本实施例中，采用图1所示的电路结构的CT平板探测器，对应的像素矩阵电路结构如图2所示。应用条件为现有射线发射器工作方式的CT机。

2.1 本实施例的时序控制

读数时间需要大于等于外围电路中放大用场效应管的渡越时间与读数用场效应管的渡越时间之和，重置时间需要大于等于外围电路中复位用场效应管的渡越时间，因外围电路中场效应管的迁移率非常高（通常在1 000 cm2/(V·s)以上），其渡越时间非常小（假如以1 000 cm2/(V·s)计），约为0.5 μs。此时间为以迁移率0.5～1 cm2/(V·s)的非晶硅在只有读数用TFT的探测器（电路结构见图3）中读出时间为1 ms[1]对比计算的大约值，且以迁移率0.5 cm2/(V·s)读出时间1 ms为参照，下同），本实施例的读数时间（约为1 μs）与重置时间（约为0.5 μs）均可以足够小，重置时间安排在读数时间之内（在读数时间的末尾，但由于重置时间相当短，被安排在读数时间之后也没有太大影响，所以在本实施例中，重置时间安排在读数时间之内或之后均可以）。时序控制如图4所示。为保证图像质量，按读数时间不大于一个读数周期5%来计算，本实施例一个读数周期的最短时间大约可以达到20 μs。为获得理想的图像效果，扫描频率的计算公式为X=πZ/(2T)，其中X为CT平板探测器扫描频率，Z为平板探测器每行的阵元数，T为扫描360o的时间。假如由每行4 000个探测单元组成的探测器，其CT机以0.2 s扫描360o，其扫描频率约为31 416 Hz，此时一个读数周期的时间大约为31.8 μs，其要求远低于本实施例中探测器最短读数周期20 μs的扫描速度能力。由此可见，此种设计的平板探测器读数速度可以非常快，完全能满足高清探测器的快速扫描要求，只要滑环的旋转速度够快就行。

2.2 本实施例的缺点

会损失放大用场效应管的渡越时间与读数用场效应管的渡越时间内新采集的数据，但因其时间非常短，损失非常小。

3 结果

通过本理论研究，能获得将平板探测器应用于CT机的理想结果。因CT机的设计与制造是一个复杂的系统工程，需要大量的人力与财力，无法独自完成全过程的实践验证工作。所以，仅为理论研究，尚未得到实践检验，其“结果”以“效果”来表达更为准确。

基板采用双面技术，方便将阵元矩阵中的数据传输给后级运算放大器等外围电路进行处理，因尽可能地缩短了传输距离，将大幅降低信号的传输损耗，减少干扰，大幅提高信噪比，并大幅降低对射线的剂量要求，为薄膜晶体管中各种TFT功能外移提供了前提条件。本设计的平板探测器因薄膜晶体管内已经没有除光电二极管外的各种TFT，且外围电路中场效应管的迁移率非常高，从而极大地提高了读取速度，完全摒除了平板探测器薄膜晶体管迁移率对CT机的限制，这就是将TFT功能外移这一设计理念的重大意义之所在；CT机的速度不再受制于平板探测器的材质，而只受限于扫描架中滑环的旋转速度；同时，不再受制于材质，使得平板探测器可以做成弧形，可减少散射伪影；阵元内部结构的最简化，降低了探测器制造成本。同时，由于读取速度大大提升，如果不考虑探测器通道数增加而引起平板探测器制造成本过高的因素，完全可以将高像素探测器应用于CT机，将大大提升图像质量，CT机将进入超高清时代。根据投影矩阵值的计算公式Y=XZT，其中X为CT平板探测器扫描频率，Y为要求达到的投影矩阵值，Z为平板探测器每行的阵元数，T为扫描360o的时间。假如由每行4 000个探测单元组成的探测器，其CT机以0.2 s扫描360o，其扫描频率约为31 416 Hz，理论上能得到约25 K（5 013×5 013）的投影矩阵值。

4 结论

之前人们都努力提升平板探测器的材质，或在电路设计方面进行不断地优化，以实现高速动态的实时探测[1,6-10]，均没有找到合适的材质，也没有提出可以满足CT速度要求的电路结构。本研究从彻底抛弃限制的根源入手，将原本在薄膜晶体管中的复位用TFT等移出至外围电路，极大地提升了探测器读数速度，从理论上成功解决了薄膜晶体管迁移率过低这一长期困扰平板CT机应用的难题。其成像原理与现有CT机相同，对于探测器做成弧形的CT机，其射线散射引起的伪影与现有CT机完全相同，其解决办法也完全相同；总的算法也可以继承应用，只是数据量比现有的CT机大了许多。所有技术方法均是利用现有较成熟的技术，组合应用于CT平板探测器及其CT机，都是使用现有的理论预计将来可实现的技术。