Một máy dò kỹ thuật số màn hình phẳng, về nguyên tắc, có thể thực hiện tất cả các dòng phóng xạ dạng chụp X quang, chiếu soi và chiếu chụp. Nó có thể cung cấp chất lượng hình ảnh cao và một tín hiệu đọc ra ngay lập tức. Hiện có thiết bị X-quang có thể dễ dàng thích nghi để sử dụng máy dò như vậy. Các công nghệ của mảng ma trận khu vực lớn đó sẽ hình thành cấu trúc tín hiệu đọc ra cho một hệ thống màn hình phẳng đã được phát triển cho màn hình tinh thể lỏng (LCD) trong hơn một thập kỷ.
Hoạt động ma trận màn hình LCD (AMLCDs) đã được thực hiện sử dụng vô định hình: Silicon hidro hoát vô định hình (a-Si: H) (Piper et al 1986, Powell năm 1989), đa tinh thể (poly-Si) hoặc catmi selenua (CdSe) bán dẫn (Brody et al 1984 ). Trong những năm gần đây, một số nhà sản xuất tại Nhật Bản, châu Âu và Bắc Mỹ đã đầu tư rất nhiều vào sự phát triển này và nó đang trở thành công nghệ ưa thích cho lap-top màn hình máy tính. Mỗi bảng điều khiển hiển thị
bao gồm hai tấm kính với một lớp đồng nhất của tinh thể lỏng ở giữa. Một tấm là ma trận hoạt động chính nó (tức là một mạch tích hợp có diện tích lớn bao gồm một số lượng lớn các transistor màng mỏng hiệu ứng trường (TFTs) kết nối với điện cực điểm ảnh riêng biệt trong một ma trận). Tấm khác có một lớp điện cực đồng nhất. Hai phương pháp chung cho các máy dò x-quang kỹ thuật số màn hình phẳng hiện đang được xem xét. Đầu tiên một lớp phosphor được sử dụng để hấp thụ tia X và các photon ánh sáng kết quả được phát hiện bởi một mảng khu vực lớn diode quang đọc ra với thiết bị hoạt động (ví dụ, bóng bán dẫn màng mỏng hoặc chuyển mạch diode) được tích hợp vào đĩa tại mỗi điểm ảnh (Antonuk et al 1991, Fujieda et al 1993). Trong cách phương pháp thử hai (đôi khi được gọi là phương pháp trực tiếp), x-quang được phát hiện trong một lớp selen vô định hình và kết quả điện tích giải phóng được thu thập trên các điện cực điểm ảnh riêng biệt. Cuối cùng, các tín hiệu đọc ra xảy ra bằng cách sử dụng ma trận tích cực như trong phương pháp gián tiếp.
Hình 21. Trực tiếp chuyển đổi hình selen ống chân không (X-icon) có khả năng hoạt động cả trên X quang và soi chiếu. Các Pyrex khuếch
tán bao quanh mục tiêu của selen vô định hình lắng đọng trên một chất nền nhôm.
Những lợi thế tiềm năng của tự quét như vậy, hệ thống đọc số liệu bao gồm kích thước nhỏ gọn cho phép tiếp cận tốt hơn với bệnh nhân so với các thiết bị cồng kềnh như XRII thông thường. Vì chúng là bằng phẳng, chúng có thể được mong đợi phần lớn sẽ không bị sự che chói, đồng nhất nhất hình học. Không giống như XRII chúng được miễn nhiễm với điện từ trường. Các tính chất này tạo điều kiện phân tích định lượng hình ảnh, sự ghi vào và so sánh lâm sàng các hình ảnh từ các phương thức khác, ứng dụng tái tạo 3D như khối lượng chùm tia hình nón CT (Ning et al 1991), và sử dụng trong các môi trường từ tính như phòng MRI.
10.1 Bộ dò phốt pho màn hình phẳng
Một số nhóm đang phát triển mảng dò quang có diện tích lớn gồm các diode quang riêng biệt thực hiện với silic vô định hình, trong đó một x-ray thường quy hấp thụ phốt pho, như Gd2O2S, được đặt hoặc tạp chất tali cesium iodide (CSI: Tl) được phát triển (Perez- Mendez et al 1989, Fujieda et al 1991).
Nguyên tắc hoạt động của một máy dò silicon vô định hình được thể hiện bằng sơ đồ trong hình 22. Các điểm ảnh bộ dò được cấu hình như diode quang (hình 22 (a)) mà chuyển đổi tín hiệu quang từ phốt - pho thành điện tích và lưu trữ điện tích đó trên điểm ảnh điện dung. Là thiết bị nhiễu thấp, các diode quang cung cấp một phạm vi hoạt động rất lớn, khoảng của 40 000. Một mảng mỏng phim tranziztor tín hiệu đọc ra điển hình được thể hiện trong hình 22 (b). Các tín hiệu được đọc ra bằng cách kích hoạt các chức năng điều khiển quét dòng cho mỗi hàng của thiết bị, kết nối với các cổng của TFT nằm trên mỗi bộ dò điểm ảnh. Toàn bộ hàng của mảng dò được kích hoạt đồng thời và tín hiệu được đọc trên dòng cho mỗi cột
trong mảng, kết nối tất cả các nguồn TFT trong cột đó đến một bộ khuếch đại điện tích nhiễu thấp. Các tín hiệu được khuếch đại từ các cột sau đó được ghép và số hóa. Điều này cho phép bộ dò đọc ra nhanh chóng và đòi hỏi một số lượng các kênh điện tử bằng với số cột của mảng. Cả hệ thống chụp ảnh X quang (Antonuk et al 1992) và soi chiếu (Schiebel et al 1994) đã được mô tả.
Ngoài ra, thay vì TFT đọc tín hiệu ra khác nhau, diode chuyển mạch có thể được sử dụng(Chabbal et al 1996, Graeve et al 1996). Ưu điểm của phương pháp diode là kể từ khi diode quang phải phải làm việc rất nhiều thứ, các diode chuyển mạch có thể được thực hiện cùng một lúc mà không cần tăng số lượng các bước xử lý. Các nhược điểm của diode đọc tín hiệu ra là sự thụt điện tích lớn và không tuyến tính.
Các khu vực được phân bổ cho mỗi điểm ảnh của mảng phải có các diode quang, thiết bị chuyển mạch, dây điều khiển và dây tín hiệu do đó phải đầy đủ các yếu tố 100%. Điều này làm khả năng mất hiệu quả sử dụng tia X trở nên tỷ lệ cân xứng lớn hơn cũng như kích thước điểm ảnh bị giảm và cung cấp một thách thức đối với việc áp dụng công nghệ này để có độ phân giải cao các ứng dụng.
Ưu điểm của việc sử dụng CSI như các chất hấp thụ tia X là nó có thể được phát triển trong các tinh thể dạng cột mà như sợi quang (Hình số 7 (b)). Khi kết hợp với các điểm ảnh diode quang, có rất ít tán xạ bên của ánh sáng và do đó, độ phân giải không gian cao có thể được duy trì. Ngoài ra, không giống như các chất lân quang thông thường, trong đó khuếch tán của ánh sáng và mất độ phân giải trở nên tồi tệ hơn khi độ dày tăng lên, CSI Phốt - pho có thể được thực hiện đủ dày để đảm bảo một giá trị cao ŋ trong khi duy trì độ phân giải không gian cao.
10.2 Hệ thống tĩnh điện trạng thái rắn
Hình 22. (a) Nguyên lý của bộ dò silicon vô định hình được trình bày film transistor mỏng (TFT), (b). Mảng ma trận silicon vô định hình đọc tín hiệu ra của thành phần điểm ảnh (diode quang)
Có rất nhiều lợi thế trong việc sử dụng hệ thống tĩnh điện trạng thái rắn như quang dẫn, selen vô định hình (a-Se), hoặc các chất bán dẫn, silicon, ở độ tinh khiết cao, mẫu đơn tinh thể chứ không phải là phốt - pho. Các cơ sở của hầu hết các hệ thống hình ảnh y tế X quang là một lớp phốt - pho hoặc 'màn hình' trong hình 7 (a). Như đã thảo luận trước đó, Các tia X được hấp, giải phóng ánh sáng màn hình mà phải thoát lên bề mặt để tạo ra một hình ảnh và lan truyền của ánh sáng bên được xác định bằng cách khuếch tán. Như vậy đường kính mờ có thể so sánh với độ dày màn hình. Mờ này gây ra một mất thông tin hình ảnh tần số cao là cơ bản (Sandrik và Wagner 1982) và phần lớn là không thể đảo ngược. Sự tổn hao có thể được giảm nhẹ bằng cách sử dụng phốt - pho như CSI có thể
được phát triển trong các hình thức đã nói về một sợi quang (Hình số 7 (b)). Tuy nhiên, khoảng cách giữa các sợi được tạo ra bởi nứt và kết quả là các kênh của ánh sáng là không hoàn hảo (Spekowius et al 1995). Một phương pháp khác và có thể thích hợp hơn là sử dụng một lớp tĩnh điện ít cấu trúc (Brodie và Gutcheck 1982) như thể hiện trong hình 7 (c). X-quang tương tác trong bề mặt quang dẫn, giải phóng các điện tử và lỗ, bởi vì chúng là điện tích, có thể được hướng thẳng vào bề mặt của quang dẫn bởi tác dụng của điện trường. Do đó, Những hình ảnh điện tích tiềm năng trên quang dẫn bề mặt không bị mờ đáng kể ngay cả khi các tấm được làm đủ dày để hấp thụ hầu hết các tia X đến (Que và Rowlands 1995).
Selen vô định hình (a-Se) là chất quang phát triển nhất cho các ứng dụng tia X. trạng thái vô định của nó làm cho có thể duy trì các đặc tính hình ảnh đồng nhất với hầu hết quy mô nguyên tử (không có ranh giới hạt) trên diện rộng. Chức năng chính của lớp một-Se là để suy hao các tia X, tạo ra các cặp electron-lỗ trống tự do (theo tỷ lệ với cường độ của tia X đến) và thu thập chúng ở các điện cực. Để đạt được một giá trị cao ?, các máy dò phải có độ dày vừa đủ (hình 4). Để có hiệu quả cao trong việc chuyển đổi năng lượng hấp thụ tia X thành cặp electron-lỗ trống tự do yêu cầu điện trường cao. Cuối cùng, số lượng giữ lại trong lớp phải nhỏ, vì vậy mà hầu như tất cả các thứ mang chúng giải phong với điện cực thích hợp của họ. Mỗi bề mặt phải có một điện cực gắn liền để cho phép thu điện tích từ một Se trong khi ngăn chặn nhập điện tích từ các điện cực vào một Se. Điều này được gọi là chặn va chạm,phải được duy trì ngay cả dưới điện trường rất cao (Schaffert 1980). Cuối cùng bề mặt của một-Se tại nơi hình ảnh được hình thành phải có độ dẫn ngang rất nhỏ, nếu không thì điện tích hình ảnh có thể di chuyển sang hai bên
và phá hủy các độ phân giải. Độ dẫn ngang nhỏ được thực hiện bằng cách giới thiệu một mật độ cao của sự giữ lại trong một-Se rất gần với giao diện hình ảnh. (Pai và Springett 1993).
Các ứng dụng y tế đầu tiên của một-Se, xeroradiography (Boag 1973) - trong đó một hình ảnh điện tích tiềm ẩn trên bề mặt của một tấm Se được đọc với mực là một kỹ thuật và thương mại thành công trong ngày của nó. Mặc dù xeroradiography (xem Jeromin 1988) không còn cạnh tranh, điều này có lẽ là vì các phương pháp mực đcọ tín hiệu ra sử dụng tại thời điểm đó, chứ không phải là tính chất cơ bản của Se (Brodie và Gutcheck 1985). Như vậy, bằng cách sử dụng đọc tín hiệu ra điện tử, một-Se lần nữa trở nên khả thi như là cơ sở của một hệ thống hình ảnh lâm sàng.
Neitzel et al (1994) đã mô tả một-Se quét trống cho chụp X quang cho ngực có bán trên thị trường. Điều này cũng tương tự như việc trước đây của Xerox (Jeromin và Klynn 1979) và Philips tại phòng thí nghiệm của họ nghiên cứu ở Aachen (Hillen et al 1988), trong đó tín hiệu đọc ra được thực hiện bằng cách quét một mảng tuyến tính của điện kế nhỏ qua hình ảnh tĩnh điện trên bề mặt selen. May và Lubinski (1993) mô tả một phương pháp để đọc ra một tấm Se với phốt - pho tráng mực và laser quét. Chúng đã cho thấy hình ảnh rất chi tiết mà được cho là phù hợp với chụp nhũ ảnh. Cook et al (1994) đã công bố giới thiệu sơ bộ về công việc gần đây của họ trên việc dùng laser phóng điện đọc tín hiệu ra của một-Se. Công việc này có liên quan đến công bố sớm hơn nhiều bởi Korn et al (1978), Zermeno et al (1979), và DeMonts và Beaumont (1989) cũng như các phương pháp khoảng cách không khí đọc tín hiệu ra (Rowlands et al 1991) và đọc ra với điện môi trạng thái ngưng tụ (Rowlands và Hunter 1995).
Lee et al (1996) đã mô tả một phương pháp màn hình phẳng cho chụp X quang, dựa trên việc sử dụng một phương pháp ma trận đọc tín hiệu ra hoạt động cho một-Se và một cách tiếp cận tương tự cũng được ủng hộ bởi Zhao và Rowlands (1992, 1995) cho chụp X quang và soi chiếu. Các đặc trưng tiềm năng của phương pháp này là: Chất lượng hình ảnh cao, tỷ lệ đọc tín hiệu ra thời gian thực và kích thước nhỏ gọn. Khái niệm cơ bản được thể hiện trong hình 23. Trong thời gian chiếu xạ với x-quang, năng lượng được hấp thụ bởi một lợp Se và điện tích tạo được vẽ bởi ESE điện trường bên trong đến các bề mặt. Các điện tích hình ảnh được thu thập bởi các điện cực điểm ảnh và tích lũy vào dung lượng điểm ảnh (Nghĩa là tự dung và một tụ điện lưu trữ tích hợp). Các điện cực điểm ảnh và tụ lưu trữ được kết nối đến TFT chuyển mạch của mỗi điểm ảnh. Các thiết bị đọc ra có thể tương tự để được sử dụng với silicon vô định hình (hình 22 (b)). Các mạch điều khiển quét bên ngoài tạo xung để bật tất cả các switch TFT trên một hàng của mảng và chuyển điện tích từ các tụ điểm ảnh cho các đường ray đọc tín hiệu ra (cột). Sau đó điện tích được thu thập và khuếch đại bởi bộ khuếch đại trên mỗi đường ray và các dữ liệu cho toàn bộ hàng được ghép ra. (Các bộ khuếch đại và bộ đa luồng là trong một mạch tích hợp silic đơn tinh thể được gắn vào mảng.) Trình tự này được lặp lại cho mỗi hàng của mảng. Đọc tín hiệu ra có thể trong thời gian thực như vậy, phương pháp này có tiềm năng được sử dụng cả trong chụp X quang và soi chiếu. Fahrig et al (1995) đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng DQE trong một bộ dò tia X Se.