薄膜晶体管与先进显示重点实验室
Thin Film Transistor and Advanced Display Lab

综述:面向医疗X光成像的TFT面板技术

时间:2019-10-03

随着显示面板技术的成熟发展,人们利用TFT(Thin Film Transistor)技术的低成本、大面积成像显示的特点在多个领域进行了探索,除了常见的AM-LCD、AM-OLED等平板显示领域,研究者在医疗X光成像、图像传感器等平板探测领域也进行了一定的研究。
X射线的平板探测器的原理示意图如图1所示:


图 1

X射线源发出的锥形束经过人体被检测部位不同组织结构的阻挡,造成不同程度的衰减,这些包含组织结构影像信息的X光照射到平板探测器上,经过像素电路和外围读出电路检测和读出,数据传送给计算机进而成像显示出影像。
在平板探测器技术中,从X光图像信号转换为电信号主要有两种方式,一种是直接检测法,如图2所示,即X光直接打在光电导体(photoconductor)上,产生的光生载流子聚集在存储电容上,在经过TFT阵列转移,读出电路再将电信号读出,常用的光电导体是非晶硒(a-Se),它厚度达到了500μm,正常工作时需要施加上千伏的电压,对于探测器面板下面的TFT阵列不是很友好。

图 2

另一种方式是间接检测法,如图3所示,即X光先通过一层闪烁体(scintillator)转化为可见光,之后可见光再经过光电二极管(photodiode)转换为电信号,经过TFT阵列进行转移,读出电路再将电信号读出。常用的光电二极管是基于非晶硅(a-Si)的p-i-n光电二极管,它与TFT工艺并不兼容。


图 3

2018年10月25日,来自新加坡国立大学的化学研究团队研发了一种新型无机钙钛矿纳米晶体材料,如图4所示,该材料作为X-ray平板探测器的闪烁体, 新开发的纳米晶体甚至能够将小剂量的X射线光子转换为可见光,可以使诊断X射线的辐射剂量低得多,同时还能以较低的成本获得高分辨率的图像。


图 4

TFT技术在平板探测器中起至关重要的作用。上述两种探测技术都用到了TFT像素电路对含图像信息的电信号进行转移,转移过程中的无损线性低噪声是图像信息高保真的基础要求。目前业内基于TFT的转移像素电路结构主要有两种,一种是无源的passive pixel sensor(PPS),如图5所示,主要有一个TFT做开关(switch)将探测器读取存储在电容上的电荷转移出来。另一种是有源的active pixel sensor(APS),如图6所示,电路包含开关(switch)TFT、复位(reset)TFT之外,还有放大(amplifier)TFT,主要作用便是将采集到的电荷信号进行预放大,具有放大小信号、提高信噪比的功能。


图 5

图 6

据报道,2007年11月23日,韩国三星公司与韩国医疗机械制造公司Vatech联合开发了新型平板数字X射线检测器,该探测器面板由非晶硅a-Si、光电二极管组成,面积达到17.7inch×18.8inch,分辨率高达9.4兆,该设备检测光子发出的X射线,将其转换为可见光,然后转换为电信号,这些信号可以在平板屏幕上显示为3072 x 3072诊断图像。三星还增加了图像增强功能,以消除大多数数字图像噪声干扰。


图 7

早些年的X-ray平板探测技术都是基于a-Si TFT和a-Si p-i-n光电二极管技术,已有研究也表明a-IGZO TFT在反偏条件下对光照会做出响应,暗电流增大,如图8所示,目前研究趋势也开始围绕利用a-IGZO TFT制作光传感器(photo sensor)和转移像素电路(pixel circuit)展开。


图 8

 

撰稿:彭志超

资料来源:
https://newatlas.com/samsung-digital-x-ray-detector/8396/
http://news.nus.edu.sg/press-releases/nanocrystals-reduce-radiation-dose
18 nature “All-inorganic perovskite nanocrystal scintillators”
12 EDL “Blue-Light-Sensitive Phototransistor for Indirect X-Ray Image Sensors”
09 Nader Safavian ,thesis of the university of Waterloo“Current programmed active pixel sensors for large area diagnostic x-ray imaging”
17 Chumin zhao ,thesis of the university of Michigan“Active matrix flat panel bio-medical x -ray imagers”