碘化铯是如何将X射线转换成可见光的?

碘化铯是如何将X射线转换成可见光的?

碘化铯(CsI）是目前探测器的主要的闪烁材料.闪烁体或荧光体层经X射线曝光后,将X射线光子转换为可见光,而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号,最后获得数字图像.除了碘化铯外,还有数十种荧光闪烁材料可以用于线阵列X射线探测器的开发.其中,常用的有碘化铯、钨酸镉、硫氧化轧等.
从1995年推出第一台平板探测器（Flat Panel Detector）设备以来,随着近年平板探测技术取得飞跃性的发展,在平板探测器的研发和生产过程中,平板探测技术可分为直接和间接两类.
（一）间接能量转换
间接平板探测器（FPD）的结构主要是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非晶硅层(amorphous Silicon,a-Si)再加TFT阵列构成.其原理为闪烁体或荧光体层经X射线曝光后,将X射线光子转换为可见光,而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号,最后获得数字图像.在间接FPD的图像采集中,由于有转换为可见光的过程,因此会有光的散射问题,从而导致图像的空间分辨率及对比度解析能力的降低.闪烁体目前主要有碘化铯(CsI,也用于影像增强器),荧光体则有硫氧化钆(GdSO,也用于增感屏）.
1、碘化铯 ( CsI ) + a-Si + TFT ：当有 X 射线入射到 CsI 闪烁发光晶体层时,X 射线光子能量转化为可见光光子发射,可见光激发光电二极管产生电流, 这电流就在光电二极管自身的电容上积分形成储存电荷. 每个象素的储存电荷量和与之对应范围内的入射 X 射线光子能量与数量成正比.
2、硫氧化钆 ( Gd2O2S ) + a-Si + TFT ：利用増感屏材料硫氧化钆 ( Gd2O2S ) 来完成 X 射线光子至可见光的转换过程.此类材料制造的 TFT 平板探测器成像快速、成本较低,但一般灰阶动态范围较低（12 bit 以下）,与其它高阶14 bit产品图像诊断质量相比较为不足.
3、碘化铯 ( CsI ) / 硫氧化钆 ( Gd2O2S ) + 透镜 / 光导纤维 + CCD / CMOS ：X射线先通过闪烁体或荧光体构成的可见光转换屏,将X射线光子变为可见光图像,而后通过透镜或光导纤维将可见光图像送至光学系统,由CCD采集转换为图像电信号.新医科技的CCD DR为2K×2K,12Bit图像输出,无论在图像上还是在价格上均是取代CR的最佳产品.
4、CsI ( Gd2O2S ) + CMOS ：此类技术受制于间接能量转换空间分辨率较差的缺点,虽利用大量低解像度 CMOS 探头组成大面积矩阵,尚无法有效与 TFT 平板优势竞争.
（二）直接能量转换
直接FPD的结构主要是由非晶硒层(amorphous Selemium,a-Se)加薄膜半导体阵列(Thin Film Transistor array,TFT)构成的平板检测器.由于非晶硒是一种光电导材料,因此经X射线曝光后直接形成电子-空穴对,产生电信号,通过TFT检测阵列,再经A/D转换获得数字化图像.从根本上避免了间接转换方式中可见光的散射导致的图像分辨率下降的问题.虽然在技术上和生产工艺上要求很高,但却是获得高图像质量的理想方式,业内普遍认为直接转换方式是FPD的最终发展方向.
直接转换FPD具有理论界限值的卓越分辨率和量子探测率,不仅具备可高分辨率以清晰显示微小血管及病灶,而且具有高灵敏度可大幅降低曝光射线量.直接转换式FPD无论在低分辨率时还是在高分辨率时均具有极高的DQE值.对于大物体的检出能力与间接转换型FPD大致相同,但对于微小病变,直间转换型FPD的检出能力更强.（间接转换型的DQE低频时虽然显示高值,但在2lp/mm以上时,其值急剧减小.）直接转换式FPD研发厂家为了得到更高DQE值,获得良好的S/N特性,在降低噪音成分方面做出了更多的努力,尤其是在对图像质量影响最大的配线阻抗噪声和读取放大器的热噪声方面需进行了革新性的改良,将这两种噪声控制在最低程度,使实际测量值达到与理论值基本一致的水平.直接转换式FPD对于大物体的检出能力与间接转换型大致相同,但对于微小病变,直间转换型具有更强的检出能力.（间接转换型的DQE低频时虽然显示高值,但在2lp/mm以上时,其值急剧减小.）

（三）图象增强器采用的新技术
图像增强器是在荧光板成像基础上发展起来的一种将X射线转换为高亮度可见光的装置,由于荧光板在射线照射后发出的荧光强度低,所以利用光电增强的方法可以得到输出屏上明亮的可见光图像.早期的图像增强器分辨率较低、对比度不高、信噪比低、使用寿命较短.当前图像增强器在输入窗、输出窗的荧光材料和结构等方面做了较大改进,正在向高对比度、高灵敏度和高分辨率方向发展.
采用超细针状结构碘化铯荧光屏的输入窗
输入荧光屏一般采用碘化铯晶体,对图像增强器的分辨率影响最大.早期的图像增强器采用的碘化铯晶体密度疏松、组织不规则,分辨率最高只能达到4~5Lp/mm,且图像噪声大.近年来,碘化铯晶体的制造在密度和组织结构方面取得了重要进步,高密度、超细针状结构的碘化铯晶体的应用大幅度提升了图像增强器的分辨率和信噪比.
由于晶体密度低,大多数X射线直接穿过而不能被晶体吸收产生光电效应,使得荧光屏吸收系数降低.吸收系数是影响图像增强器信噪比的主要因素,吸收系数越低,信噪比越低,所以高密度碘化铯晶体可有效提高图像增强器的信噪比,减小图像噪声.
（四）X光磷屏
X光磷屏的工作原理与同位素磷屏不同,一般是通过磷屏上涂布的闪烁体将X光信号转变为可见光信号或电荷信号后由检测器直接检测,不须通过二次激发过程.
闪烁体是一种可以吸收X射线并能把能量转换为可见光的化合物.闪烁体吸收能量后能在大约一微秒或更短的时间内把所吸收的一部分能量以光的形式再发射出来,可以分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类.
好的闪烁体可以使每个X光子产生许多个可见光光子,每1kV X线输出20-50个可见光光子.闪烁体通常是由高原子序数的物质组成,直接把X射线转换为可见光,并通过直射式的光学系统 将X线所致可见光传送到采集电路层,读出各个像素产生的信号送至计算机.其工作模式如图所示.
常见的X光平板检测器中,采用半导体材料-非晶硒amorphous Selenium（a-Se）,将X射线直接转变为电荷,无任何中间步骤,直接产生数字图像.一般的X射线数字化平板探测器分两步完成工作,X射线经过闪烁体（碘化铯或磷）产生可见光,可见光经光电转换由TFT或CCD转变为电荷.由于工艺的改进,新一代闪烁体材料可以制作成“松针”状种植在非晶硅上,比传统整块闪烁体材料产生的光线散射要少一些,但根本工作原理没有改变,工作过程中仍需产生可见光后,所以必然会伴随有光线的散射,造成图像质量的下降.
X射线通过磷屏后转变为可见光信号, 磷屏的具体参数和闪烁体材料不详,但从光路图的情况分析,其工作原理应当类似于普通数字化平板探测器的两步模式,X射线源发射的X射线穿过检测样本后在磷屏上产生可见光,由CCD进行可见光信号的检测.
总之,碘化铯在X射线接收转换装置中发挥转换作用：
X射线接收转换装置的作用是将不可见的X光转换为可见光,它可以是图像增强器或成像面板或者线性扫描器等射线敏感器件.X射线接收转换装置的分辨率应不小于3.0LP/mm.
X射线接收转换装置子系统又称为图像成像系统,按目前成像的技术水平可分为两种.一种是以图像增强器为主的传统成像器系统.图像增强器为一种真空管,射线输入屏由较薄的铝或钛材料制成,屏的基层涂有钠（Na）-碘化铯（CsI）作为输入闪烁体（CsI∶Na）,它能够将不可光的X光图像转换为可见光图像,再经过光电阴极板的作用将可见光图像转换为相应的电子束,电子束在高电压作用下加速并聚焦于荧光输出屏（ZnCdS：Ag闪烁体材料）,从而形成可视的检测图像.在输出屏后端配有聚焦光学镜头和CCD（charge-coupled device电荷耦合器件）摄像机,将可视图像的模拟信号采集输入图像采集卡进行A/D转换,再输入计算机进行图像处理.当前可供选用的图像增强器按输入屏直径有Φ225mm(9〃)、Φ150mm(6〃)、Φ100mm(4〃) 三种；Φ225mm(9〃)图像增强器直径较大,视野宽阔,一次检测长度较大,但清晰度较低,价格较高；Φ100mm(4〃)图像增强器直径较小,重量较轻,便于携带式作业,且清晰度较高,但视野较狭小,一次检测长度较小,工效较低；通常以选择Φ150mm(6〃)图像增强器为宜.常用的CCD摄像机有晶片为1/2〃、分辨率为 752×582线和晶片为1/3〃、分辨率可达到1000×752线的CCD摄像机,目前更高清晰度的CCD摄像也已新近上市.
另一种是基于线阵扫描探测器（LDA-linear diode arrays 线阵探测器）的成像系统,LDA含有大量的电子元件和成像点,主要由发光晶体、光电二极管陈列,前端数据采集系统等组成,X射线闪烁体材料（常用晶体有基于磷屏的钇、GdWO4和CsI）能够将X射线转换为可见光,晶体安装在众多的光电二极管表面并按一定规则排列成为光电二极管阵列（大规型集成电路）,按扫描方式分为线扫描（线阵列）和面扫描（面阵列）.面阵探测器价格昂贵,目前多采用线陈列探测器.线阵扫描探测器LDA成像系统按照结合方式又分为两种,一种是LDA成像系统直接与图像采集要卡相结合,LDA成像系统采集的模拟图像送到采集卡进行A/D 转换,再经计算机图像处理,其工作原理基本与图像增强器相同,但LDA成像系统的分辨率比起图像增强器成像系统的分辨率有较大的提高.另一种是LDA成像系统与CMOD(complementary metal -oxide-semiconductor (transistor),互补金属氧化物半导体（晶体管）)传感器相结合,一步完成射线光电转换、数字采集的全过程, 这种成像系统称为LDA-CMOS射线数字直接成像系统.LDA-CMOS射线数字直接成像系统目前在各种成像系统中处于先进水平.LDA-CMOS射线-数字直接成像系统的转换方式大大减少了信号长距离传输和转换过程的信号干扰,且光电阵列像素尺寸很小,因此,空间分辨率得到很大的提高.