开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器及其设备 本发明涉及一种开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器以及由此开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器构成的一种X射线全数字图像设备，属于医疗仪器技术领域，也属于摄影仪器技术领域，还属于光电仪器技术领域。
获取医学数字图像的常用方法有几种：1．X射线断层扫描(CT)术。2．核磁共振(MR)术。3．超声(Ultrasound)诊断术。4．传统的X射线荧光屏/胶片模拟图像，通过一步或多步过程(如应用X射线图像增强器，CCD,TV等设备)转化为数字图像。
以上几种方法都不同程度地保留了模拟技术的成分。从80年代初，人们开始研究一种新的X射线全数字图像技术，希望它不包含任何的模拟成分，并且即能完全取代荧光屏/胶片模拟设备，又能替换现有的荧光屏-图像增强器-CCD摄像系统，获取实时动态图像(fluoroscopy)。经过十几年广泛深入的研究，人们现在较一致地认为用非晶态半导体材料制成的平板固态探测器能够较理想地解决这一问题。基于非晶态半导体的X射线数字图像技术，其研究和应用过程大致经历了三个阶段：
1．扫描静电计(scanning electrometer)法(中国专利：ZL97209452.0)：基本过程是用静电计探头二维逐点扫描非晶硒表面，将探头感应到的非晶硒表面电荷分布(静电潜像)的电荷量线性放大后，经A/D转化为数字图像。该方法存在的主要问题是静电计探头在扫描过程中与非晶硒表面的距离必须精确控制，为了获得高分辨率的图像，探头在扫描过程中必须非常接近非晶硒表面(≤100μm)，且探头的直径必须非常小。这些都增加了设备的成本和复杂性。
2．光诱导放电读出(photo-induced discharge(PID)readout)法：基本过程是用激光脉冲透过透明导电探头，产生激光诱导放电，诱导电荷量作为电信号被探头探测，再经A/D转换成为数字量，探头二维逐点逐行扫描非晶硒表面形成二维数字图像，该方法的主要问题是由于探头与非晶硒表面的耦合电容会产生高的输出信号噪声。
3．开关矩阵直读(switch matrix readout)法平板固态探测器(flat-panel solid statedetector)：该固态探测器主要部分为两层：一层为碘化铯(CsI)闪烁体；一层为用非晶硅材料制成的、由大量(直至数百万个)完全相同的单个薄膜三极管(thinfilm transistors,TFTs)组成的二维开关矩阵阵列(switch matrix arrays,SMA)，其中每个薄膜三极管对应一个象素点，二维开关矩阵阵列上分布有数据线和扫描控制线。碘化铯(CsI)闪烁体覆盖在二维开关矩阵阵列上。碘化铯(CsI)闪烁体作为象转换层，它能够吸收X光光子能量并发射可见光光子，而由非晶硅材料制成的薄膜三极管对X射线不敏感，但能够敏感的吸收可见光光子能量并转换成电荷量，然后通过控制电路逐点逐行扫描将每个薄膜三极管内储存的电荷由放大电路放大后经模数转换成为数字量，输入计算机后形成数字图像。碘化铯(CsI)闪烁体作为象转换层与常用的磷荧光材料相比，由于碘化铯(CsI)闪烁体为针状晶体结构，对光具有导向性，因此避免了磷荧光材料作为象转换层而产生的散射效应。但该方法仍然存在将X光转换为可见光再转换为电信号地中间转换过程。
本发明的目的是：提供一种新的平板固态探测器以及由此探测器构成的X射线数字图像设备，希望它获取X射线数字图像不包含任何的模拟过程或中间转换过程，并且既能够完全取代荧光屏/胶片模拟设备，又能够替换现有的荧光屏-图像增强器-CCD摄像系统，获取实时动态图像作X射线荧光检查。
本发明的目的是这样实现的：
一种开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器，它由四层顺序构成：一层为玻璃基板；一层为大量完全相同的单个薄膜三极管构成的二维开关矩阵阵列及其相关的地址译码器、多路开关转换器和放大电路；一层为非晶硒光导体；一层为金属偏置电极。其基本原理是利用非晶硒半导体作为光导体，非晶硒光导体吸收X光光子能量后产生电子一空穴对，在非晶硒光导体中通过金属偏置电极外加一个偏置电场，电子、空穴在外加偏置电场中运动，电子流向金属偏置电极，空穴汇集在每个薄膜三极管的储存电容内，通过地址译码器和多路开关转换器逐点逐行地将每个薄膜三极管内储存的电荷由放大电路放大后经模数转换成为数字量，输入计算机后形成数字图像。
薄膜三极管组成的二维开关矩阵阵列采用氢化的非晶硅(a-Si:H)或镉的硒化物(CdSe)材料进行制备，它应该设计为由M×N(例如：1024×1024)个二维排列的薄膜三极管组成，每个薄膜三极管对应为一个象素，其中对应于第i行、第j列的薄膜三极管用符号：TFTij表示。行为扫描控制线(或称门线)，它与该行全部薄膜三极管的控制端(G端)相连；列为数据线(或称读出线)，它与该列全部薄膜三极管的数据端(S端)相连；每个薄膜三极管有一个电荷汇集电极，一端与薄膜三极管的D端相连，另一端连接着一个电荷存储电容Cij，其中的电荷能够在计算机软件、接口电路、地址译码器和多路开关转换器的控制下，通过数据线顺序地读出：当第i行控制线处于高电平时，该行全部的薄膜三极管处于开/关状态的开态，此时其它行的控制线均处于低电平，这些行的全部薄膜三极管均处于关态，通过多路开关转换器，按照数据线j=1,N的顺序，第i行全部薄膜三极管的存储电荷量经放大电路放大后，电荷信号被依次读出，通过A/D转换成为数字量存入计算机。在计算机软件、接口电路和地址译码器的控制下，按照i=1,M的顺序进行行扫描控制，即可逐点逐行读出每个象素的电荷量，获得一幅完整的二维数字图像。
薄膜三极管二维开关矩阵阵列的工作方式由地址译码器和多路开关转换器来控制。地址译码器采用双译码编址方式，地址译码器的输入端与数据缓冲器的(XA0-XA11)12条外部地址线相连，输出端与薄膜三极管二维开关矩阵阵列的扫描控制线相连。多路开关转换器的开关输入端与薄膜三极管二维开关矩阵阵列放大电路的输出端相连，开关输出端与接口电路板的8位A/D转换器的输入端相连，控制端接数据缓冲器的(XA12-XA23)12条外部地址线。
薄膜三极管二维开关矩阵阵列的放大电路的核心元件为超低偏置电流、超高输入阻抗的电荷放大器。放大电路的输入端与薄膜三极管二维开关矩阵阵列的数据线相连，放大电路的输出端与多路开关转换器的开关输入端相连。
开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器的制作顺序是：(1)在玻璃基板上制备由薄膜三极管构成的二维开关矩阵阵列及其相关的地址译码器、多路开关转换器和放大电路；(2)非晶硒光导体层是采用真空镀膜方法将高纯度的静电复印机硒鼓用硒蒸发沉积在薄膜三极管二维开关矩阵阵列上，形成非晶硒膜，膜厚度根据具体应用的要求控制在200～500μm范围内；(3)采用真空镀膜方法在非晶硒膜表面制备金属偏置电极。
一种利用上述开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器组成的X射线全数字图像设备，它由开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器、接口电路板和计算机系统三个部分组成。其中开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器与接口电路板相连，接口电路板插在计算机主板的扩展槽内。
接口电路板由8位A/D转换器、数据缓冲器、(D0-D7)8条数据线和(XA0-XA23)24条外部地址线组成。其中8位A/D转换器的输入端与多路开关转换器的开关输出端相连，输出端与计算机的CPU相连，数据缓冲器的输入端接(D0-D7)8条数据线，输出端接(XA0-XA23)24条外部地址线。
本发明所提供的开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器以及由此探测器组成的X射线全数字图像设备由于利用非晶硒光导体直接将X光光子转换成电荷载流子，并形成数字图像，避免了其它数字图像设备需要一步或多步中间间接转换过程(都不同程度地保留了模拟成分，或衰减了信号强度，或降低了图像分辨率)，因此是一种“真正的X射线全数字图像设备”。该固态探测器中二维开关矩阵阵列的总面积最大可设计为50×50cm2，单个象素(即单个薄膜三极管)的尺寸最小可为0.15mm，这样在医学临床应用上即具有极高的分辨率，又能适应各种身高和体形的病人拍片；通过控制电路、放大电路、接口电路和计算机软件的控制还能够获取30帧/秒的实时动态图像，所以又能够用于X射线荧光检查。由于非晶硒半导体材料在很宽的X射线波长范围内具有很好的线性响应特性和很高的能量吸收系数，所以对人体各部位和不同组织提供的信息量优于其它设备，并且需要的放射剂量较低。因此本发明所提供的开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器以及由此组成的X射线全数字图像设备即具有巨大的市场和经济效益，又具有重要的社会效益。
附图说明：
图1是开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器示意图；图1中，1—玻璃基板；2—薄膜三极管构成的二维开关矩阵阵列；3—地址译码器；4—多路开关转换器；5—放大电路；6—非晶硒光导体；7—金属偏置电极。
图2是薄膜三极管构成的二维开关矩阵阵列示意图；图2中，8—薄膜三极管；9—扫描控制线(或称门线)；10—数据线(或称读出线)；11—电荷汇集电极；12—电荷存储电容Cij。
图3是单个象素的剖面结构示意图。
图4是地址译码器的双译码编址方式示意图。
图5是多路开关转换器示意图。
图6是薄膜三极管二维开关矩阵阵列的放大电路原理图；图6中，13—电荷放大器。
图7是开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器及其设备整体结构示意图；图7中，14—开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器；15—接口电路板；16—计算机系统。
图8是接口电路板示意图；图8中，17-8位A/D转换器；18—数据缓冲器；19—(D0-D7)8条数据线；20—(XA0-XA23)24条外部地址线。
以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明；
实施例1
一种开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器，如图1～6所示，它由四层顺序构成：一层为玻璃基板1；一层为大量完全相同的单个薄膜三极管构成的二维开关矩阵阵列2及其相关的地址译码器3、多路开关转换器4和放大电路5；一层为非晶硒光导体6；一层为金属偏置电极7。
薄膜三极管组成的二维开关矩阵阵列采用氢化的非晶硅或镉的硒化物材料进行制备，例如设计为：由4096×4096个二维排列的薄膜三极管8组成，每个薄膜三极管对应为一个象素，其中对应于第i行、第j列的薄膜三极管用符号：TFTij表示。行为扫描控制线9，它与该行全部薄膜三极管的G端相连；列为数据线10，它与该列全部薄膜三极管的S端相连；每个薄膜三极管有一个电荷汇集电极11，一端与薄膜三极管的D端相连，另一端连接着一个电荷存储电容Cij12，其中的电荷能够在计算机软件、接口电路、地址译码器和多路开关转换器的控制下，通过数据线顺序地读出：当第i行控制线处于高电平时，该行全部的薄膜三极管处于开态，此时其它行的控制线均处于低电平，这些行的全部薄膜三极管均处于关态，通过多路开关转换器，按照数据线j=1,N的顺序，第i行全部薄膜三极管的存储电荷量经放大电路放大后，电荷信号被依次读出，通过A/D转换成为数字量存入计算机。在计算机软件、接口电路和地址译码器的控制下，按照i=1,M的顺序进行行扫描控制，即可逐点逐行读出每个象素的电荷量，获得一幅完整的二维数字图像。
薄膜三极管二维开关矩阵阵列的工作方式由地址译码器和多路开关转换器来控制。地址译码器采用双译码编址方式，地址译码器的输入端与数据缓冲器的(XA0-XA11)12条外部地址线相连，输出端与薄膜三极管二维开关矩阵阵列的扫描控制线相连。多路开关转换器的开关输入端与薄膜三极管二维开关矩阵阵列放大电路的输出端相连，开关输出端与接口电路板的8位A/D转换器的输入端相连，控制端接数据缓冲器的(XA12-XA23)12条外部地址线。
薄膜三极管二维开关矩阵阵列的放大电路的核心元件为超低偏置电流、超高输入阻抗的电荷放大器13。放大电路的输入端与薄膜三极管二维开关矩阵阵列的数据线相连，放大电路的输出端与多路开关转换器的开关输入端相连。
开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器的制作顺序是：(1)在玻璃基板上制备由薄膜三极管构成的二维开关矩阵阵列及其相关的地址译码器、多路开关转换器和放大电路；(2)非晶硒光导体层是采用真空镀膜方法将高纯度的静电复印机硒鼓用硒蒸发沉积在薄膜三极管二维开关矩阵阵列上，形成非晶硒膜，膜厚度根据具体应用的要求控制在200～500μm范围内；(3)采用真空镀膜方法在非晶硒膜表面制备金属偏置电极。
实施例2
一种由上述开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器组成的X射线全数字图像设备，如图7、8所示，它由开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器14、接口电路板15和计算机系统16三个部分组成。其中开关矩阵直读式非晶硒平板固态探测器与接口电路板相连，接口电路板插在计算机主板的扩展槽内。
接口电路板由8位A/D转换器17、数据缓冲器18、(D0-D7)8条数据线19和(XA0-XA23)24条外部地址线20组成。其中8位A/D转换器的输入端与多路开关转换器的开关输出端相连，输出端与计算机的CPU相连，数据缓冲器的输入端接(D0-D7)8条数据线，输出端接(XA0-XA23)24条外部地址线。