[科普中国]-数字化探测器

简介

数字化，就是将信息转换成计算机系统能处理的由基本信息单位“0”“1”组成的信号形式。人类正在进入数字化时代，数字化浪潮一浪高过一浪。历史悠久、应用广泛的常规(X射线成像技术，近年来也加快了向数字化进军的步伐。例如应运而生的FPD就是全数字化X射线成像技术革命中又一关键性成就和进展。1

X线数字化探测器定义随着计算机、数字图像处理和网络化等新技术、新理论的迅速发展以及在影像中的不断应用，增感屏/胶片成像的局限性越来越明显地暴露出来，如较小的宽容度、较大的照射量、影响成像的因素多、不能进行图像后处理以及图像不能进行网上传输等。上述增感屏/胶片技术的局限性促进了低成本、功能强大的数字探测器技术的飞速发展，它在空间分辨力、图像对比度等方面优于增感屏/胶片技术：它允许有较大范围变化的曝光条件，调节图像对比度能力强，其宽容度大，它的量子检出效率(D(江)高，能更有效地捕获有用信息，极大地降低X线照射量，减少病人受照剂量，这些使数字X线摄影逐步在众多医院中得到广泛应用。

数字化探测器是决定数字X线摄影信息捕获方式以及影响图像质量的关键环节，其相关的理论研究和临床应用是当前研究的热点。

优点数字化探测器成像在成像性能、图像后处理、图像存储以及图像传输等方向的优越性，使其将最终取代增感屏/胶片成像，实现影像科摄影的数字化。不同数字化探测器技术决定了不同的数字X线摄影方式，以IP板为探测器的CR成像系统，能充分利用现有的X线摄影设备，可便携用于床边摄影，成本低，由于是非直接数字X线摄影，工作效率相对较低；以FPD为探测器的DR成像系统，成像时间短、图像质量优良，是直接数字X线摄影，但成本较高。数字化探测器技术的不断发展与完善，将推动各种数字X线成像系统在临床中的进一步应用，为我们放射科带来革命性的变化。2

X线数字化探侧器分类影像增强器/电视系统早期的X线数字化探侧器就是基于一个影像增强器/电视系统(ITS)，它采用输出视频信号到一个模数转换器上，具有高采集、低噪声及适度的空间分辨率等优点。开始它仅用于X线透视。X线间接摄影等方面，后来逐渐用于X线直接摄影。但其本身也有一定的局限性，即影像增强器的几何失真、球管和外壳的体积较大、受电视照相机饱和特性影响易造成活动范围较小等。

成像板它采用双面读取磷板技术将X线摄影记录在成像板上，增加扫描器对X线的吸收效率，提高DQE，由激光读出信息转换为电信号，再经模数转换器形成数字化图像的影像处理系统。它将传统摄影方法与电子技术紧密结合起来，大大降低了X线投照剂量，减少了X线对人体的伤害，同时获得了更丰富的图像信息；将图像清晰记录下来，具有适应现代诊断要求的图像后处理能力，以IP板代替了X线胶片，并可与常规投照设备良好匹配，不必对操作者作特殊培训；还可完成血管造影与非造影系统的减影功能，它的空间分辨力比影像增强器电视扫描系统高，与DSA相比IP板范围更大，克服了DSA影像增强器视野小的限制。另外，CR的低X线剂量对一些特殊病人的投照也有一定的优点，如对乳腺普查之类的疾病预防查体，对孕妇或儿童的检查等，CR可减少X线对他们的剂量累积，减少对他们的伤害。CR还可兼容PACS系统，方便疾病的诊断交流，节省了胶片的成本，储存方便节省了空间，可携性好。其缺点就是时间分辨力稍差，不能满足动态器官和结构的显示，在细微结构显示上与常规方式相比空间分辨力稍差。2

电荷耦合器以电荷耦合器(CCD)为探测器的数字X线成像系统，其幅射效率通常较低，适合大批量投照任务，相对于CR或DR来说是种经济的选择，利用CCD传感器作为探测器的成像系统有用于胸部肿瘤检查的光纤镜和带有狭缝扫描应用于全视野数字化肿瘤透视的线性CCD阵列。2

平板探测器它包含两种类型，一种是装配大面积金属氧化物半导体阵列的磷光闪烁的CMOS型。CMOS本质是一个大小2．5—50mm的计算机存储单元，它随机存取附在每个像素的光电二极管存储器上，可满足大视野面，另一种是基于薄膜晶体管(TFT)的探测器。TFr最初常用于手提电脑的液晶显示屏中，它是由半导体硅片切割制成的，分成许多个分离的探测器元素，每个探测器由一个电荷收集存储器和一个开关晶体管构成，X线转换信息被分压在检测器矩阵上。根据吸收X线能量转换为相应电荷的方式不同，分直接探测器和间接探测器两种。在影像学领域中利用TFT晶体把X线曝光在影像增强器一电视上形成视频影像，然后将视频影像数字化形成数字式影像即DR，它是近几年才发展应用起来的，与常规摄影方法不兼容，造价高，不可适用于各种部位尤其是一些较复杂的摄影要求，其设备配置与运行成本不适应于高流通量病人的摄影部门，应用面相对较窄。2

数字化火灾探测器随着计算机技术的发展, 近年来, 诸如火灾报警、温度检测等电子测量系统普遍采用了总线制形式, 在这种系统中, 许多探测器并接在同一组总线上, 每个探测器被赋予一个地址码, 主控机巡回查询每个探测器, 达到对烟雾、温度等物理量检测的目的。

就火灾报警而言, 人们希望探测器传送给主控机的不是简单的报警信号, 而是烟雾浓度, 这样主控机可事先将火灾发生过程的烟雾变化曲线存入知识库, 再根据探测器传来的烟雾浓度, 通过曲线模拟的办法决定是否应该发出火警信号, 从而大大提高火灾报警的可靠性和抗干扰能力。

探测器电路设计如图是数字化总线式火灾探测器的电路组成。

主要包含以下三个功能模块:

(1)微控制器模块:微控制器选用PIC16C54/56单片机。它采用全静态CMOS 工艺, 功耗低、速度快、抗干扰能力强。结构简单, 内部含有512 ×12或1024 ×12 位程序存储器ROM , 32 ×8 位数据存储器RAM , 外部只有18 个引脚, 其中12 位准双向输入输出端口线, 用作6 位编址输入以及总线收发与模数转换控制。考虑到烟雾变化过程较慢, 采样速率无须很高,为了降低功耗, 单片机的时钟频率选择100kHz。

(2)模/数转换模块:模/数转换选用LTC1297 。它是12 位串行输出的A/D 转换器芯片, 片内带有采样保持器, 单电源5 V , 转换时间最短为12 μs, 转换电流为6mA , 每次转换结束自动断电, 备援电流仅为5μA , 外部只有8 个引脚。其工作时序如图所示。

(3)烟雾传感器模块:烟雾传感器以离子源为敏感元件, 将火灾发生时产生的烟雾浓度转换为电压信号。3

主要特征数字化探测器将被测物理量的变化过程传送给主控机, 主控机根据采集到的数据, 采用数字滤波或曲线模拟等先进的数字信号处理技术, 排除干扰, 提高报警的可靠性, 这就是以数字化探测器为基础的火灾报警系统的主要特征。3

传感器工作原理为了减少温度、湿度等环境条件变化对电离电流带来的影响, 以提高传感器工作的稳定性, 将两个电离室串接起来与电源相接, 上面的一个为补偿电离室, 下面的一个为检测电离室, 在结构上检测电离室做成烟雾容易进入的型式, 而补偿电离室做成烟雾很难进入、而空气又能慢慢进入的型式。当有火灾发生时, 烟雾进入检测电离室, 由于烟离子的阻挡作用, 一方面使电离后的正负离子在电场中的运动速度降低, 另一方面使α射线的电离能力降低, 从而使检测电离室的电离电流减小, 这一现象, 相当于补偿电离室的等效电阻未变, 而检测电离室的等效电阻变大, 从而使A 点的电位升高。显然烟雾浓度越大,烟离子的阻挡作用越强, A 点电位越高。这一电压信号经由T1 、T2 组成的跟随电路, 传送给模/ 数转换电路, 实现对烟雾浓度的采样。采用离子源作为烟敏元件的突出特点是电流消耗极低, 只有数百nA , 适合在总线系统中使用。