CdTe FPD 入门：检测方式与测量方式 | Blog

CdTeFPD

检测方式：间接转换型与直接转换型

下图左侧为间接转换型：利用一种受X射线照射会发光、称为闪烁体的物质将X射线转换为光，再由CMOS相机接收。转换为光时，光的方向无法控制，会向四周扩散，这正是图像模糊的成因。解决方法包括减薄闪烁体以减少扩散，或在每个像素之间设置隔壁使光反射等。但无论哪种方法，检测效率都会下降。

下图右侧为直接转换型，将X射线与物质相互作用产生的电子作为信号进行处理。即使元件较厚，由于施加了偏置电压，扩散也能被抑制到最低限度。因此可在不牺牲检测效率的前提下获得高对比度图像。

测量方式：积分方式与光子计数方式

处理检测器（相机）所获信号的方法大致分为两种。一种是积分方式，即对一定时间内获得的信号进行累积。此时相机的噪声也会一并累积，因此在剂量较低时噪声往往较为明显。

另一种是光子计数方式，逐个计数光的最小单位——光子。因此即使在剂量较低的情况下，也能获得无噪声的图像。

测量方式：能量分辨型光子计数

光子计数方式只是简单地获取光子数，实际上舍弃了光子本身所携带的能量信息（波长）。能量分辨型光子计数方式则同时利用这一能量信息。通常使用以光子数为纵轴、能量（keV）为横轴的直方图来表示。获取全能谱的电路较为复杂，在大面积平板探测器中尚未普及。

下图为使用MCA（多道分析器）测量X射线管的结果。理想情况是每个像素都具备这些信息，但由于电路规模、功耗、发热、数据传输量等问题，在X射线相机的大面积FPD中尚未实现。

测量方式：全局快门与卷帘快门

全局快门是所有像素同时曝光、同时获取图像的方式。由于一次性捕获整幅图像，即使拍摄运动物体也不易产生抖动模糊，可实现高速拍摄。

而卷帘快门则是按像素依次曝光、依次获取图像的方式。由于图像是逐像素获取的，被摄体或相机的运动可能导致图像畸变或运动模糊，因此适合拍摄低速物体或静止图像。

可见光CMOS传感器通常采用卷帘快门，沿用该技术的闪烁体型探测器也多采用卷帘快门。近来，可见光相机中也开始出现采用全局快门的产品。ANSeeN FPD采用全局快门，因此即使在高帧率下也能获得模糊较少的图像。

大面积半导体平板探测器难以实现的原因

与闪烁体相比，半导体元件的制造成本较高，且晶体尺寸存在上限，无法制造出比晶体尺寸更大的探测器。

半导体元件下方需要读出集成电路（ROIC），而从ROIC引出信号通常采用引线键合结构。因此需要预留读出空间，无法进行二维排列，只能制作横向排列的线阵传感器。下图为从四边读出图像传感器的示例，属于完全无法拼接的结构。

通过3DLSI实现大面积化

传统ROIC仅能单面接合，需要预留读出空间，因此无法进行二维（纵向和横向）排列。为解决这一问题，我们自主设计、开发并制造了可正反两面接合的LSI。信号可从ROIC正下方引出，实现了无需读出空间的结构，从而使大面积化成为可能。

菊花链与帧率

从模块正下方引出的信号会传递给相邻的LSI。相邻LSI再将接收到的数据与自身数据一并传递给下一个LSI。横向排列数量越多，传输速度越慢，但由此实现了可自由布置的LSI。由于可按任意行数和列数排列，FPD和线阵传感器均可使用同一款LSI实现。

单个模块的最大帧率为800fps，但横向排列的模块数量增加时帧率会降低。例如横向排列12个模块时，800/12=66.666，最大约为66fps。

ANSeeN CdTeFPD的测量模式

(1)光子计数模式

用于输出光子数的最简单模式。为去除噪声，通过LLD设置阈值。由于不区分能量信息，无论是40keV还是100keV，均同样计为一次计数输出。

(2)单阈值模式

除用于去除噪声的LLD外，还可去除超过一定能量的光子。能量处于LLD～ULD范围内时，计入光子计数。

(3)双阈值模式

该模式将LLD至ULD之间计为低能计数，将超过ULD的计为高能计数并分别输出。由于数据传输量加倍，帧率为其他模式的一半。

(4)MDEI模式

其他模式输出光子数，而该模式输出的是经过能量加权的像素值。由此可获得接近传统积分型的图像，同时还能获得不累积噪声（积分型的弱点）的清晰图像。

以金属等为测量对象时，易遮蔽X射线的物质会透过较多高能光子。但如果仅考虑光子数，与传统成像方法相比，图像的明暗对比会较难体现。因此，通过对高能光子加权，可获得观感更为自然的图像。

CMOS与CdTe的比较

比较CdTe半导体FPD（直接转换型）与CMOS闪烁体FPD（间接转换型）的性能。CMOS的像素尺寸约为CdTe的1/4。

PARAMETER	CMOS	CdTe
SCINTILLATOR TYPE	CsI:Tl
TOTAL PIXEL MATRIX(Pixels)	2400 x 3000	288 x 288 (3x3FPD)
1152 x 1152 (12x12FPD)
PIXEL PITCH(μm)	49.5	100
A/D CONVERSION(bits)	14(A/D Conversion)	16(photon count)
FRAME RATE(fps)	10	266 (3x3FPD)
66 (12x12FPD)
ENERGY RANGE(kV)	40 –225	40-450

动态范围比较

下图为CMOS的Normal (Full resolution) mode、Binning 2x2 mode以及ANSeeN CdTe FPD的剂量率依赖性（Typical Pixel）。使用110kV管电压，以各FPD的最高帧率拍摄10秒，并将累积图像换算为单位时间内的像素值和计数值。

MTF（边缘法）

采用边缘法求得的CdTe FPD调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)如下图所示。成像时使用G-311VH-D作为X射线源，分别在RQA5、RQA6、RQA7、RQA8条件下，以FID 880mm将钨板置于检测面正前方，以1 fps拍摄60帧图像并累积，由所得数据求出MTF。