Một đầu dò kỹ thuật số màn hình phẳng, về nguyên tắc, có thể thực hiện tất cả các phương thức phóng xạ hiện nay – chụp X quang,X quang chiếu và chụp ảnh huỳnh quang. Nó có thể cung cấp chất lượng hình ảnh cao và một sự hiển thị ngay lập tức. Hiện tại thiết bị tia X có thể dễ dàng thích nghi để sử dụng đầu dò. Công nghệ khu vực lớn mảng ma trận động cái mà sẽ hình thành cấu trúc bộ 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.
Màn hình LCD ma trận động (AMLCDs) đã được thực hiện sử dụng silicon vô định hình bị hydro hóa (a-Si:H) (Piper và những người khác 1986, Powell 1989), đa tinh thể (poly-Si) hoặc catmi selenua (CdSe) bán dẫn (Brody và những người khác 1984). Trong những năm gần đây, một số nhà sản xuất tại Nhật Bản, Châu Âu và Bắc Mỹ đã đầu tư rất nhiều và sự phát triển này và nó đang trở thành công nghệ yêu thích cho màn hình máy tính xách tay. Mỗi bảng hiển thị bao gồm hai tấm kính với một lớp đồng nhất của tinh thể trong suốt trong khoảng giữa. Một dải là ma trận động của chính nó (tức là một mạch diện tích lớn được tích hợp bao gồm một số lượng lớn transistor trường màng mỏng (TFTs) kết nối tới các điện cực ảnh riêng biệt trong một ma trận). Các dải khác có một lớp điện cực đồng nhất.
Hình 21. Chuyển đổi trực tiếp bộ tạo ảnh ống chân không selen (X-icon) có khả năng hoạt động cả trên X quang và X quang chiếu. Các nhà Pyrex được giải tán bao quanh mục tiêu của selen vô định hình lắng đọng trên một chất nền nhôm. Các electron phát ra bởi khẩu súng bị lệch bởi cái đai quét và va chạm đến mục tiêu. Tiêu điểm được hình thành với sự trợ giúp của hai phần điện cực G3. Các lưới chống nhiễu là cần thiết để ngăn ngừa sự mất độ bền hình ảnh dưới sự chiếu sáng cao. Tính bất ổn này là do các mục tiêu điện áp lớn là cần thiết bởi các lớp selen vô định hình dày. Các tín hiệu được lấy trực tiếp từ các mục tiêu hiện tại và cấp cho bộ tiền khuếch đại.
Hai cách tiếp cận chung cho các đầu dò X quang số màn hình phẳng hiện đang được nghiên cứu. Trong cách đầu tiên, một lớp phosphor được sử dụng để hấp thụ tia X và các photon ánh sáng tổng hợp được phát hiện bởi một mảng đi-ốt quang diện tích lớn đọc ra với các thiết bị hoạt động (ví dụ, bóng bán dẫn màng mỏng hoặc chuyển mạch đi-ốt) được tích hợp vào đĩa tại mỗi điểm ảnh (Antonuk và những người khác 1991, Fujieda và những người khác 1993). Trong cách tiếp cận thứ hai (đôi khi được gọi là phương pháp trực tiếp), các tia X được phát hiện trong một lớp selen vô định hình và kết quả điện tích thoát ra được thu trên các điện cực điểm ảnh riêng biệt. Cuối cùng, sự đọc ra xảy ra bằng cách sử dụng ma trận động như trong phương pháp gián tiếp.
Những lợi thế tiềm năng của sự tự quét, hệ thống đọc số liệu bao gồm kích thước nhỏ gọn của chúng cho phép tiếp cận tốt hơn với bệnh nhân so với các thiết bị cồng kềnh như những XRII thường quy. Từ khi chúng bằng phẳng, chúng có thể được dự kiến sẽ được phần lớn không bị sự che chói, đồng nhất hình học. Không giống như những XRII, chúng được miễn với từ trường rải rác. Các tính chất này tạo điều kiện định lượng hình ảnh phân tích, sự trình diện và so sánh lâm sàng các hình ảnh từ những phương thức khác, ứng dụng tái tạo 3D như chùm khối CT hình nón (Ning và những người khác 1991), và sử dụng trong các môi trường từ tính như các phòng MRI.
10.1 Đầu dò lân quang màn hình phẳng
Một vài nhóm đang phát triển mảng tách sóng quang diện tích lớn gồm những diot quang riêng biệt tạo ra với silicon vô định hình, trên đó một tia X thông thường hấp thụ lân quang, như Gd2O2S, được đặt hoặc tali pha tạp xezi iotdua (CsI:Tl) đã được phát triển (Perez-Mendez và những người khác 1989, Fujieda và những người khác 1991).
Nguyên tắc hoạt động của một đầu dò silicon vô định hình được thể hiện bằng sơ đồ trong hình 22. Các điểm ảnh phát hiện được cấu hình như diode tách sóng quang
(hình 22 (a)) mà chuyển đổi tín hiệu quang từ màn lân quang để tích điện và lưu trữ mà sạc đầy trên các điện dung điểm ảnh. Là thiết bị nhiễu thấp, các diot quang cung cấp một phạm vi hoạt động rất lớn, thứ 40 000. Một mảng đọc ra transistor màng mỏng điển hình được biễu diễn trong hình 22(b). Các tín hiệu được đọc ra bằng cách kích hoạt các đường điều khiển quét cho mỗi hàng của thiết bị cái mà kết nối với các cổng của TFTs nằm trên mỗi điểm ảnh phát hiện. Toàn bộ hàng của mảng dò được kích hoạt đồng thời và tín hiệu được đọc trên dòng cho mỗi cột trong mảng cái mà kết nối tất cả nguồn TFT trong cột đó tới 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 đầu 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 X quang (Antonuk và những người khác 1992) và X quang chiếu
Hình 22. (a) Nguyên tắc của đầu dò silicon vô định hình (xem mặt cắt ) cho thấy transistor màng mỏng (TFT) và n-i-p a-Si: H điot quang với một điện cực indi tin oxít (ITO) dẫn điện trong suốt được nối với một điện áp lệch chung xấp xỉ 5V. Các điện cực khác của điốt quang được kết nối với cực máng (D) của TFT cái mà đóng vai trò như một công tắc, điều khiển bởi điện thế cổng (G), để kết nối các điốt quang tới nguồn (S). (b) Mảng hiển thị ma trận silicon vô định hình của các thành phần điểm ảnh (điốt quang ) và các bộ ngắt mạch transistor màng mỏng cái mà có thể được sử dụng để tại ra một đầu dò bề mặt lớn. Việc kiểm soát quét địa chỉ dòng mảng bởi đường và các tín hiệu điện tích được đọc ra cùng cột của thiết bị kết nối với bộ khuếch đại điện tích
Ngoài ra, thay vì phối hợp chuyển mạch diot TFT khác nhau có thể được sử dụng (Chabbal và những người khác 1996, Graeve và những người khác 1996). Ưu điểm của phương pháp diot là từ khi diot quang phải được thực hiện, các diot chuyển mạch có thể được thực hiện cùng một lúc mà không cần tăng bước xử lí. Các nhược điểm của diot đọc ra là một phi tuyến bền và phun điện tích rộng.
Khu vực được chỉ định cho mỗi điểm ảnh của mảng phải bao gồm điot quang, chuyển mạch và điều khiển và đường tín hiệu chuyển đổi do đó các yếu tố bổ sung là ít hơn 100%. Sự hao hụt điện thế này của hiệu suất sử dụng tia X trở nên cân xứng lớn hơn như kích thước điểm ảnh bị giảm và cung cấp một thách thức đối với việc áp dụng công nghệ này để có những ứng dụng với độ phân giải cao.
Ưu điểm của việc sử dụng CsI như các chất hấp thụ tia X là có thể được phát triền trong các tinh thể dạng cột mà hành động như sợi quang (hình 7(b)). Khi kết hợp với các điểm ảnh diot quang, có ít sự lan rộng sang bên của ánh sáng và do đó độ phân giải không gian cao có thể được duy trì. Ngoài ra, không giống như chất lân quang thông thường, trông đó sự khuếch tán của ánh sáng và mất độ phân giải trở nên tồi tệ hơn khi độ dày tăng lên, chất lân quang CsI có thể được chế tạo đủ dày đủ để đảm bảo một giá trị ƞ cao trong khi duy trì độ phân giải không gian cao.
10.2 Hệ thống chất bán dẫn tĩnh điện
Có rất nhiều ưu điểm trong việc sử dụng hệ thống chất bán dẫn tĩnh điện như chất quang dẫn, selen vô định hình (a-Se), hoặc các chất bán dẫn, silicon, ở độ tinh khiết cao, mẫu đơn tinh thể hơn là chất lân quang. Các cơ sở của hầu hết các hệ thống hình ảnh tia X y tế là một lớp chất lân quang hoặc ‘màn ảnh’ thể hiện trong hình 7(a). Như đã thảo luận trước, tia X được hấp thụ trong màn ảnh phát ánh sáng cái mà phải thoát lên bề mặt để tạo một hình ảnh và sự trải ra phía bên của ánh sáng là được xác định bởi sự khuếch tán. Như vậy đường kính bóng mờ có thể so sánh với độ dày màn hình. Những bóng mờ này gây ra một sự mất mát thông tin hình ảnh tần số cao cái mà là cơ sở (Sandrik và Wagner 1982) và phần lớn không thuận nghịch. Sự mất mát có thể được làm giảm bằng cách sử dụng một chất huỳnh quang như CsI cái mà có thể được phát triển trong các hình thức gợi nhớ của một sợi quang (hình 7(b)). Tuy nhiên, sự phân tách giữa các sợi được tạo ra bởi sự nứt và như một kết quả là sự soi rãnh của ánh sáng là không hoàn chỉnh (Spekowius và những người khác 1995). Một sự chọn và phương pháp khác thích hợp hơn là sử dụng một lớp tĩnh điện vô định hình (Brodie và
Gutcheck 1982) như biễu diễn hình 7(c). Tia X tương tác trong các đĩa quang dẫn phát electron và lỗ trống, bởi vì chúng được tích điện, có thể được dẫn trực tiếp tới bề mặt của chất quang dẫn bằng cách áp dụng trường điện. Những hình ảnh tích điện ngầm
trên bề mặt chất quang dẫn là, do đó, không bị làm mờ đáng kể ngay cả khi đĩa được làm đủ dày để hấp trụ hầu hết tia X tới (Que and Rowlands 1995).
Selen vô định hình (a-Se) là chất quang dẫn phát triển nhất cho các ứng dụng tia X. Trạng thái vô định hình của nó làm cho có thể duy trì đặc tích hình ảnh thống nhất với hầu hết bề rộng nguyên tử (không có biên hạt ) trên diện rộng. Các chức năng chính của lớp a-Se là để làm suy giảm tia X, tạo ra các cặp electron – lỗ trống tự do
(theo tỷ lệ với cường độ của tia X tới) và thu nhận chúng ở các điện cực. Để đạt được giá trị ƞ cao, các đầu dò phải có độ dày cân xứng (hình 4). Hiệu suất cao trong việc chuyển đổi năng lượng tia X hấp thụ thành cặp electron – lỗ trống yêu cầu trường điện tích cao. Cuối cùng, số lượng phần lớn bẫy trong lớp phải nhỏ do đó mà hầu như tất cả chất mang tự do tiếp cận điện cực riêng của họ. Mỗi bề mặt phải có một điện cực gắn liền cho phép thu nhận điện tích từ a-Se trong khi ngăn chặn cổng vào của các điện tích từ các điện cực vào a-Se. Điều này được gọi là một khối tiếp xúc, cái mà phải được duy trì ngay cả dưới điện trường cao (Schaffert 1980). Cuối cùng bề mặt của a-Se ở hình ảnh đó được hình thành phải có một độ dẫn ngang nhỏ, mặt khác điện tích hình ảnh có thể dịch chuyển sang bên và phá hủy độ phân giải. Độ dẫn điện ngang nhỏ được thực hiện bằng cách đưa vào một mật độ cao của bẫy trong a-Se rất gần với mặt phân cách hình ảnh. (Pai and Springett 1993).
Các ứng dụng y tế đầu tiên của a-Se. chụp X quang tĩnh điện (Boag 1973) – trong đó một ảnh tích điện ngầm trên bề mặt của một tấm a-Se được đọc với mực – là một thành công về kỹ thuật và thường mãi trong ngày của nó. Mặc dù chụp X quang tĩnh điện (xem Jeromin 1988) không còn cạnh tranh nữa, điều này có lẽ hơn bởi vì phương pháp mực đọc ra được sử dụng tại thời điểm đó, chứ không phải là tính chất cơ bản của a-Se (Brodie và Gutcheck 1985). Như vậy, bằng cách sử dụng một sự hiển thị điện tử, a-Se lại trở nên khả thi như cơ sở của một hệ thống hình ảnh lâm sàng.
Neitzel và những người khác (1994) đã mô tả một thương mại có sẵn máy quét trống a-Se cho chụp X quang ngực. Điều này cũng tương tự như việc trước đây Xerox
(Jeromin và Klynn 1979) và Philips tại phòng thí nghiện nghiên cứu của họ ở Aachen
(Hillen et al 1988), trong đó đọc kết quả ra thực hiện bằng cách quét một mảng tuyến tính của các điện kế nhỏ trên hình ảnh tĩnh điện trên một tấm a-Se vơi một bột màu phủ huỳnh quang và quét laser. Họ đã cho thấy hình ảnh rất chi tiết mà được cho là phù hợp với X quang vú. Cook và những người khác (1994) đã công bố giới thiệu sơ
bộ về công việc gần đây của họ trên đọc kết quả phóng laser của a-Se. Công việc này có liên quan đến sự công bố sớm bởi Korn và những người khác (1978), Zermeno và những người khác (1979), và DeMonts và Beaumont (1989) cũng như đọc kết quả khoảng không (Rowlands và những người khác 1991) và đọc kết quả ra với một điện môi trạng thái ngưng tụ (Rowlands và Hunter 1995).
Lee và những người khác (1996) đã mô tả một phương pháp màn hình phẳng cho chụp X quang, dựa trên việc sử dụng một phương pháp đọc ra ma trận động cho a-Se và một cách tiếp cận tương tự cũng được biện hộ bởi Zhao và Rowlands (1992, 1995) cho chụp X quang và X quang chiếu. Các tính năng tiềm ẩn của phương pháp này là: chất lượng hình ảnh cao, tỉ lệ đọc ra thời gian thực và kích cỡ nhỏ gọn. Các khái niệm cơ bản được thể hiện trong hình 23. Trong thời gian tiếp xúc tia X, năng lượng được hấp thụ bởi lớp a-Se và điện tích tạo ra được thu hút bởi điện trường bên trong đến các bề mặt. Điện tích hình ảnh được thu nhận bởi điện cực điểm ảnh và tích lũy lên trên điện dung điểm ảnh (nghĩa là điện dung riêng và tụ điện lưu trữ tích hợp). Các điện cực điểm ảnh và tụ điện lưu trữ được kết nối đến công tắc TFT của mỗi điểm ảnh. Các thiết bị đọc ra có thể tương tự 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 công tắc TFT trên một hàng của mảng và chuyển điện tích từ các tụ điểm ảnh tới các hàng rào đọc ra
(cột). Các điện tích sau đó được thu nhận và khuếch đại bởi một bộ khuếch đại trên mỗi thành và các dữ liệu cho toàn bộ hàng được ghép ra. (Các bộ khuếch đại và bộ ghép kênh ở trong một mạch tích hợp silic đơn tinh thể khác cái mà được nối ghép dây tới mảng ). Trình tự này được lặp lại cho mỗi hàng của mảng. Đầu đọc ra có thể trong thời gian thực do đó phương pháp này có điện thế được sử dụng cả trong chụp X quang và X quang chiếu. Fahrig và những người khác (1995) đã được phân tích các yếu tố ảnh hưởng DQE trong đầu dò tia X a-Se.
Hình 23. Nguyên tắc của đầu dò bề mạt selen vô định hình (xem hình 22 (b) cho cấu hình đọc ra ). Lớp a-Se được bay hơi trực tiếp vào một mảng ma trận động trong đó các thành phần điểm ảnh là những điện cực đơn giản. Một điện trường được thành lập trên selen bằng cách áp dụng một điện áp cao thích hợp tới các điện cực đầu phổ biến trên lớp a-Se. Điện tích phát ra bởi bức xạ được thu nhận bởi điện trường trên một tụ điện được thực hiện, cho ví dụ, bang cách lồng ghép điện cực điểm ảnh và một hàng cổng lân cận.