醫(yī)學(xué)影像診斷的未來：數(shù)字平板探測器技術(shù)

技術(shù)前沿：醫(yī)學(xué)平板顯示技術(shù)——數(shù)字平板探測器

1990年，美國施樂公司RobertStreet等人，首次提出PIN結(jié)構(gòu)的非晶硅(a-Si)光電二極管陣列結(jié)合二維非晶硅TFT(薄膜晶體管)陣列尋址的探測器實(shí)現(xiàn)方式，這是最早的平板探測器文獻(xiàn)記載。隨后，各大影像設(shè)備企業(yè)對該技術(shù)進(jìn)行了前期研究。

20世紀(jì)90年代末期，GE和鉑金埃爾默(PerkinElmer)合作、泰雷茲(Thales)、西門子、飛利浦和合作投資Trixell、萬睿視(Varex)、及佳能(Canon)醫(yī)療等企業(yè)開發(fā)出非晶硅平板探測器。

2010年前后，非晶硅平板技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)散，傳統(tǒng)膠片巨頭銳珂(Carestream)、富士(Fujifilm)、柯尼卡(Konica)和愛克發(fā)(Agfa)也開發(fā)出平板探測器。

同時，韓國Viewworks、Rayence，我國的上海奕瑞、江蘇康眾也先后推出自己的非晶硅平板探測器。非晶硅因技術(shù)成熟、適應(yīng)性好、低成本等原因，成為目前最主流平板探測器。

不過，非晶硅平板在乳腺、牙科、外科等動態(tài)成像應(yīng)用領(lǐng)域，并不是最好的選擇。于是，在乳腺領(lǐng)域，豪洛捷(Hologic)發(fā)明了非晶硒平板探測器；在牙科(CBCT)、外科(C型臂)等領(lǐng)域，Dalsa首先研制出CMOS平板探測器，我國成都善思微也已研發(fā)成功并量產(chǎn)中小尺寸的CMOS探測器。

近幾年，又出現(xiàn)了非晶硅改進(jìn)型IGZO探測器及直接轉(zhuǎn)換型光子計(jì)數(shù)探測器。至此，X射線探測器領(lǐng)域出現(xiàn)了“百花齊放”的局面。不過，與CT核心部件的“剛剛開始”不同，國產(chǎn)X射線平板探測器已經(jīng)成功“上了牌桌”。

兩大技術(shù)方向

非晶硅/IGZO/CMOS平板探測器屬于間接成像，其原理：將X射線轉(zhuǎn)換為可見光，通過感應(yīng)穿過物體X射線的強(qiáng)度，賦予圖像不同灰度的等級，使人可以觀察到圖像。

因此，間接轉(zhuǎn)換探測器的基本結(jié)構(gòu)包括：閃爍體、傳感器及讀出電路、外圍控制電路，閃爍體、傳感器是核心部分，決定了平板探測器的主要性能指標(biāo)。 ? ?

與之相對的是直接轉(zhuǎn)換，不需要閃爍體，光導(dǎo)半導(dǎo)體材料采集到X射線后，直接將X射線轉(zhuǎn)換為電信號。因此，直接轉(zhuǎn)換探測器的基本結(jié)構(gòu)包括：傳感器及讀出電路、外圍控制電路，傳感器(光導(dǎo)半導(dǎo)體)是核心部分。目前，以主流非晶硅、CMOS及新型IGZO為代表的間接轉(zhuǎn)換探測器是絕對的市場主流，占據(jù)平板探測器90%以上的市場份額。

間接轉(zhuǎn)換探測器

01差異較大的閃爍體

根據(jù)探測器的閃爍體材料，可分為碘化銫(CsI)平板和硫氧化釓(GdOS)平板兩種。二者成像原理基本一致，不過因探測材料不同，成本及性能有明顯差異：

1）與碘化銫不同，GdOS不需要長時間蒸鍍沉積過程，生產(chǎn)工藝簡單，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，成本較CsI低20%—30%；

2）相較于GdOS，針狀碘化銫晶體的X射線轉(zhuǎn)換效率高30%—40%，橫向光擴(kuò)散也更小，具有更高的空間分辨率。因此，碘化銫平板的DQE更高，成像更清晰。根據(jù)IHSMarkit預(yù)測，在閃爍體領(lǐng)域，憑優(yōu)異的性能，碘化銫將進(jìn)一步擠占GdOS的市場份額。

GdOS和CSI閃爍體差異(來自互聯(lián)網(wǎng))

閃爍體原材料性能和制備工藝對光轉(zhuǎn)化率、余輝、空間分辨率等性能有著至關(guān)重要的影響，其生產(chǎn)工藝門檻較高，且量產(chǎn)良率控制難度較大，大部分探測器制造商通過外購方式獲取閃爍體，自建閃爍體生產(chǎn)線的廠家較少。 ? ?

1）在閃爍體材料方面，我國沒有硫氧化釓閃爍體材料，主要來自日本；不過，江西東鵬新材料已經(jīng)生產(chǎn)出純度高達(dá)99.999%的碘化銫晶體粉末，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立自主。

2）在閃爍體制備方面，江蘇康眾是我國最早研制出碘化銫探測器的企業(yè)，上海奕瑞是我國最早開發(fā)出硫氧化釓探測器的廠家，二者均掌握碘化銫直接生長技術(shù)，目前幾乎接近國際先進(jìn)水平。

02傳感器是核心

目前，非晶硅平板因性價(jià)比優(yōu)勢，短時間內(nèi)仍是靜態(tài)平板探測器和大尺寸動態(tài)平板探測器的主流選擇。不過從技術(shù)發(fā)展趨勢看，探測器朝著更靈敏、更低噪聲、更高幀速的方向發(fā)展，于是CMOS、IGZO等技術(shù)成為各大廠家研發(fā)的重點(diǎn)。

四大平板技術(shù)(來自互聯(lián)網(wǎng))

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，四種技術(shù)并無替代關(guān)系，但布局非晶硅技術(shù)的企業(yè)較多，未來市場潛力巨大的在于性能更優(yōu)的IGZO和CMOS技術(shù)。因?yàn)椋琁GZO技術(shù)可以大大提高像素的響應(yīng)速度和掃描速率，主要應(yīng)用于高速、大尺寸動態(tài)平板探測器，如DSA、動態(tài)DR等；CMOS平板分辨率更高，主要應(yīng)用于高幀速率、中小尺寸的動態(tài)平板探測器，如乳腺、牙科、外科、工業(yè)無損檢測等。 ? ?

基于TFT技術(shù)探測器

無論目前廣泛的非晶硅，還是未來可期的IGZO及柔性探測器，均基于TFT面板技術(shù)。根據(jù)半導(dǎo)體介質(zhì)，TFT平板探測器又分為非晶硅/IGZO兩種：

TFT平板技術(shù)邏輯(來自互聯(lián)網(wǎng))

非晶硅/柔性探測器

所謂非晶硅平板，是指TFT器件的溝道由非晶硅材料制成，并且非晶硅可以淀積在大面積玻璃基板襯底上，具有大面積、工藝成熟穩(wěn)定、普通放射的能譜范圍響應(yīng)好、材料穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，可同時滿足靜態(tài)和動態(tài)探測器的需求，是最主流的X射線平板探測器傳感器技術(shù)。目前，非晶硅技術(shù)已進(jìn)入紅海，幾乎所有的探測器企業(yè)都生產(chǎn)非晶硅平板，使其更像一個“日用品”，參數(shù)只是一方面，質(zhì)量和可靠性是更重要，甚至是最重要的。

非晶硅探測器(來自互聯(lián)網(wǎng)) ? ?

柔性探測器，是目前比較前沿的X射線探測器技術(shù)。所謂柔性探測器，是指其TFT襯底是柔性基板，即采用薄而柔軟材料（如光學(xué)透明的聚亞酰胺）代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃基板，制成可形變、可彎折、不易碎裂的柔性平板，具有超窄邊框、輕便、抗沖撞、不易破損等特點(diǎn)。由于柔性基板與玻璃基板存在性能差異，柔性基板探測器技術(shù)工藝較為復(fù)雜，成本較為高昂，目前僅用于特定的場景，如移動醫(yī)療。隨著柔性技術(shù)工藝不斷改善、成本持續(xù)降低，未來可拓展至更多主流應(yīng)用場景。目前我國的奕瑞和康眾已推出相關(guān)產(chǎn)品。

IGZO探測器

非晶硅探測器，之所以沒有“一統(tǒng)天下”，反而成為“低端平板”的代名詞，是因?yàn)槠渲旅秉c(diǎn)：電子遷移率只有0.5-1.0cm^2/VS，使其低劑量DQE差，圖像噪聲較大，分辨率較低。于是，另一種IGZO探測器誕生了，帶來了更高分辨率和更高刷新率。其實(shí)，更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法是OxideTFT，即氧化物TFT。之所以被稱為IGZO，即氧化銦鎵鋅，是因?yàn)镮GZO其中最成功的代表。

IGZO平板，同樣屬于TFT技術(shù)平板，只不過其控制顯示像素驅(qū)動由TFT升級為速度更快的IGZO，這是因?yàn)镮GZO電子遷移率是非晶硅的20到50倍，因此：1）可獲得更高的像素讀出速度和幀率；2）可大大縮小縮小晶體管尺寸，增加像素密度，使圖像分辨率更高，改善低劑量DQE。 ? ?

IGZO平板，不僅繼承了非晶硅平板的所有優(yōu)勢，如易于大面積制造，低成本；還具有更高的性能，如更低噪聲、更高采集速度及更高分辨率，是理想的大尺寸高速動態(tài)平板探測器，可廣泛應(yīng)用在DSA、DRF等X線透視設(shè)備中。在IGZO平板領(lǐng)域，萬睿視率先將該IGZO技術(shù)引入并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，我國的奕瑞也已初步實(shí)現(xiàn)IGZO平板探測器的量產(chǎn)。

基于CMOS技術(shù)探測器

CMOS，即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是組成芯片的基本單元。CMOS技術(shù)聽著很高級，其實(shí)離我們很近，幾乎所有手機(jī)的攝像頭都是基于CMOS圖像傳感器芯片，與CMOS平板異曲同工。如果說制作TFT探測器像造電視，那么制作CMOS探測器更像造芯片。因?yàn)?，與非晶硅/IGZO探測器的玻璃襯底不同，CMOS探測器的襯底是單晶硅，其電子遷移率是1400cm^2/VS，這是制作晶圓的重要材料。

怎么非晶硅、IGZO和CMOS都提及電子遷移率，這么重要嗎？

無論何種技術(shù)，都希望電子遷移率越快越好。因此，電子遷移率高，單個晶體管就可以做得更小，使顯示像素更小，圖像空間分辨率更高。

舉個形象的栗子，如果希望在規(guī)定時間內(nèi)運(yùn)輸足夠多的煤炭到另一個城市，如果火車速度慢，就得多軌道多火車同時運(yùn)輸，顯然這樣非常占地方(空間分辨率低)；如果車速足夠快，單節(jié)小火車也能搞定(空間分辨率高)。所以，“幸好”CMOS探測器比較貴，否則就沒其他技術(shù)啥事兒了。

那為什么CMOS探測器比較貴？

非晶硅/IGZO探測器的襯底是便宜的玻璃或者塑料，而CMOS探測器的襯底是昂貴的單晶硅晶圓；基于TFT的探測器可以實(shí)現(xiàn)低溫制備，而基于CMOS探測器的制備工藝溫度更高更復(fù)雜。

舉個例子，一臺65寸的液晶電視才3000多元，而一片Interi9CPU（尺寸：37.5mmx37.5mm）同樣高達(dá)3000多元，一個20*20cm的CMOS平板的面積是一片i9CPU的1000多倍。所以，CMOS平板探測器比較貴，不過大家都知道貴有貴的好。 ? ?

所謂CMOS平板探測器，是指在一塊晶圓上集成光電二極管、尋址電路，以及更重要的放大器(這是與非晶硅/IGZO探測器的最大區(qū)別)，將信號放大后再傳輸?shù)酵饷?。因此，具有明顯優(yōu)于非晶硅探測器的低劑量DQE和更高的采集速度。

由于單晶硅的電子遷移速率更快，可以在光電二極管旁邊增加放大器電路，將信號放大后再傳輸?shù)酵饷妫@是CMOS平板與非晶硅或IGZO平板的最大區(qū)別。因此，CMOS探測器具有明顯優(yōu)于非晶硅/IGZO探測器的高分辨率、高采集速度、高低劑量DQE。

三種探測器參數(shù)對比(原創(chuàng))

不過，半導(dǎo)體晶圓尺寸限制，CMOS平板廣泛應(yīng)用的是8寸晶圓，平板尺寸普遍為13*13cm和15*12cm，也可進(jìn)行拼接，不過工藝較為復(fù)雜。CMOS平板在中小尺寸動態(tài)X線設(shè)備應(yīng)用上具有明顯的優(yōu)勢，如牙科CBCT、外科C型臂、乳腺機(jī)。

在CMOS平板領(lǐng)域，Dalsa和萬睿視是目前全球最大的兩家CMOS探測器制造商，我國的成都善思微和上海奕瑞掌握該技術(shù)并具備量產(chǎn)能力，江蘇康眾也在研發(fā)中。其中，成都善思微研制了第一款國產(chǎn)CMOS平板探測器并已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。成都善思微，北京納米維景分拆成立的探測器企業(yè)，曾參與靜態(tài)CT專用探測器芯片及部件的研發(fā)，是一家專注于固態(tài)成像芯片及探測器模組的高科技企業(yè)，主營業(yè)務(wù)包括CMOS平板探測器、CT探測器、光子計(jì)數(shù)探測器等。目前，其CMOS平板探測器是我國最領(lǐng)先的，幾乎所有的國產(chǎn)牙科CBCT廠家都注冊了其產(chǎn)品。 ? ?

直接轉(zhuǎn)換探測器

相較于間接轉(zhuǎn)換型X射線探測器，直接轉(zhuǎn)換型X射線探測器不需要通過閃爍體將X線轉(zhuǎn)換成可見光，而是在X射線輻照到傳感器材料時產(chǎn)生電子—空穴對，因不產(chǎn)生可見光，沒有光橫向擴(kuò)散影響，具有更高的空間分辨率。其傳感器材料具有較高的原子序數(shù)、較大的X射線吸收系數(shù)和較高的載流子遷移率；且只需要毫米級厚度就能基本完全吸收百千伏級的X射線，沒有任何的延遲或殘影。

直接和間接轉(zhuǎn)換對比(來自互聯(lián)網(wǎng))

目前，直接轉(zhuǎn)換型X射線探測器主要包括兩種：以非晶硒材料為代表的能量積分型探測器，以碲化鎘(CdTe)、碲鋅鎘(CZT)、單晶硅(Si)為代表的光子計(jì)數(shù)探測器。

非晶硒探測器

非晶硒技術(shù)為Hologic獨(dú)有技術(shù)，還在專利保護(hù)期。與非晶硅平板類似，非晶硒平板同樣是基于TFT技術(shù)制成。歷史上，曾有著名的非晶硅和非晶硒之戰(zhàn)。其結(jié)果是，非晶硅探測器成為了市場主流。之所以非晶硒平板成為“冷門”，是因?yàn)椋?? ?

1）硒元素對X射線的吸收性能差，受熱結(jié)晶會導(dǎo)致性能衰減，需要進(jìn)一步提高工藝穩(wěn)定性；

2）非晶硒探測器啟動偏壓電場高達(dá)數(shù)千伏，會對TFT開關(guān)造成不可逆的損傷，使得非晶硒探測器的使用壽命不長；

3）非晶硒平板對于溫度非常敏感，使用條件也受到了一定限制；

4）非晶硒薄膜做不厚，不太適合高能X射線的探測。

乳腺檢查非晶硒技術(shù)優(yōu)勢明顯(來自互聯(lián)網(wǎng))目前，在乳腺X射線成像領(lǐng)域，非晶硒幾乎是“王者”，高端乳腺機(jī)基本均采用非晶硒平板；不過因?yàn)閮r(jià)格原因，也有大量主打早期篩查的高性價(jià)比乳腺機(jī)采用非晶硅平板。此外，在乳腺斷層成像領(lǐng)域，憑借高幀速、高分辨率、高低劑量DQE等性能，CMOS平板成為乳腺TOMO/DBT的更好選擇。

光子計(jì)數(shù)探測器

光子計(jì)數(shù)探測器(PhotoCountingDetector)，源于高能物理的直接X光轉(zhuǎn)換技術(shù)，公認(rèn)的下一代X射線成像技術(shù)。與其他基于閃爍體的探測器不同，光子計(jì)數(shù)探測器基于半導(dǎo)體材料，其原理是通過設(shè)置閾值把信號幅度超過閾值的光子從低于閾值的暗噪聲中提取出來，可以消除暗電流導(dǎo)致的假計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的零噪聲；因直接成像避免閃爍體造成的光散射，能實(shí)現(xiàn)更高的高空間分辨率和密度分辨率。此外，相比于積分型探測器的單色成像，光子計(jì)數(shù)探測器能實(shí)現(xiàn)射線多能譜采樣點(diǎn)的多色成像，從而具備物質(zhì)分辨能力，未來X射線成像將逐步從2D、3D發(fā)展到4D，從黑白發(fā)展到彩色。 ? ?

光子技術(shù)探測器物質(zhì)識別能力(來自互聯(lián)網(wǎng))

CdTe/CZT一直被公認(rèn)為是很有前途的用于硬X射線吸收的半導(dǎo)體材料，能夠有效地吸收10—140keV范圍內(nèi)的X射線，即使在室溫下也能提供良好的能量分辨率。

目前，GPS、萬睿視及佳能企業(yè)正致力于光子計(jì)數(shù)探測器的研發(fā)及布局，研制線陣探測器或小尺寸面陣探測器，并應(yīng)用在CT、核醫(yī)學(xué)、乳腺成像、血管成像等領(lǐng)域。如萬睿視旗下DirectConversion（DC）是目前全球最大的CdTe探測器制造商，其XC-Hydra系列是世界上第一個使用直接轉(zhuǎn)換技術(shù)的商業(yè)化光子計(jì)數(shù)探測器。

2017年5月，科技部發(fā)布《“十三五”醫(yī)療器械科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》，指出：積極發(fā)展探測器新型閃爍晶體制備技術(shù)，開發(fā)基于光子計(jì)數(shù)探測器的血管減影造影X射線機(jī)，爭取在光子計(jì)數(shù)低劑量成像方面達(dá)到國際先進(jìn)水平。 ? ?

目前，西北工業(yè)大學(xué)介萬奇教授團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出高性能探測器級CZT晶體及高效率、低成本單晶制備技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，一舉打破國外封鎖，并將綜合成本降低50%以上。所生長的CZT晶體性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平，并被應(yīng)用在核醫(yī)學(xué)成像、安檢和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。

此外，深圳幀觀德芯基于單晶硅實(shí)現(xiàn)面陣光子計(jì)數(shù)探測器量產(chǎn)，極大降低光子計(jì)數(shù)探測器成本，并應(yīng)用在自家乳腺機(jī)；成都善思微也致力于光子計(jì)數(shù)探測器的研發(fā)，其創(chuàng)始人及團(tuán)隊(duì)也曾參與多個早期光子計(jì)數(shù)芯片及探測器科研項(xiàng)目。

行業(yè)對比

CCD傳感器+影像增強(qiáng)器，作為曾經(jīng)非常成功的探測器技術(shù)，目前仍活躍于外科C型臂中，但本文并沒有涉及，是因?yàn)樘├灼澮淹．a(chǎn)影像增強(qiáng)器，僅剩佳能還在堅(jiān)持，影增C形臂退出市場，平板C形臂成為主流是大勢所趨。綜合來看，非晶硅、IGZO、CMOS、柔性基板、非晶硒等五種技術(shù)適合于不同的應(yīng)用場景：

1）非晶硅探測器，因具有出色的成本優(yōu)勢，短時間內(nèi)仍會是平板探測器的主流技術(shù)平臺。

2）IGZO探測器，因采集時間短，信噪比高等特點(diǎn)，在動態(tài)平板上有很大優(yōu)勢。未來隨著技術(shù)更趨成熟，IGZO全面替代非晶硅(至少在動態(tài)平板領(lǐng)域)，應(yīng)該是大勢所趨。

3）CMOS探測器，雖然主要應(yīng)用在中小尺寸動態(tài)成像領(lǐng)域，但因其高分辨率、高幀速率和低劑量性能，在牙科、乳腺、外科及介入等場合，CMOS平板也是主流技術(shù)平臺。

4）柔性基板探測器，具有超窄邊框、輕便、抗沖撞、不易破損等特點(diǎn)。不過目前成本較高，隨著工藝不斷改善，未來在部分特殊應(yīng)用場景將取代傳統(tǒng)的非晶硅探測器。

5）非晶硒探測器，因?yàn)楦叩男阅芎统杀荆蔷诤荛L時間內(nèi)仍會繼續(xù)“統(tǒng)治”中高端乳腺機(jī)，直到光子計(jì)數(shù)探測器普及。 ? ?

不同類型探測器對比

盡管已有若干基于光子計(jì)數(shù)探測器的設(shè)備，如GPS的光子計(jì)數(shù)CT原型機(jī)，AB-CT的乳腺CT。不過因CdTe/CZT晶體價(jià)格過于昂貴，極大限制了其在醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域的應(yīng)用及推廣；此外，受限于這種特殊材料晶圓尺寸及制造工藝的良品率限制，單個光子計(jì)數(shù)探測器模組一般小于20mm，難以滿足醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域?qū)θ梭w組織的成像需求，目前只能通過陣列拼接方式構(gòu)成大面積探測器。

目前，存在一些亟待解決的科學(xué)和技術(shù)問題：

1）高質(zhì)量、低成本的CdTe/CZT晶體生長技術(shù)；

2）大尺寸CZT探測器的設(shè)計(jì)與制備；

3）基于光子計(jì)數(shù)探測器的整機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用算法的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

毫無疑問，光子計(jì)數(shù)探測器是綜合性能最優(yōu)的一種X射線探測器，具有非常大的應(yīng)用潛力，國內(nèi)外都在積極探索，讓我們拭目以待。

國產(chǎn)還“卡”在哪里？

2015年，國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》，提出：到2025年，影像設(shè)備等高性能診療設(shè)備70%的核心基礎(chǔ)零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料實(shí)現(xiàn)自主保障。其中，數(shù)字化X射線平板探測器正屬于“中國制造2025”重點(diǎn)發(fā)展的高科技、高性能醫(yī)療和工業(yè)的核心部件。如今，我國出現(xiàn)了上海奕瑞、江蘇康眾、成都善思微、上海品臻、上海煜影等一批專注于平板探測器的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)；此外，萬東、深圖、安健、幀觀德芯等整機(jī)企業(yè)也基本實(shí)現(xiàn)平板探測器的自產(chǎn)自用。那么，從平板探測器角度，國產(chǎn)與國際大廠還有哪些差距？帶著這個問題，筆者有幸采訪了CMOS和光子計(jì)數(shù)探測器領(lǐng)域的專家： ? ?

1）從關(guān)鍵零部件角度，在非晶硅領(lǐng)域，目前還有些芯片沒法國產(chǎn)；在CMOS領(lǐng)域，晶圓目前仍靠國外流片，一些通用的ADC、FPGA芯片也沒有實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)；

2）從平板性能角度，目前，國產(chǎn)靜態(tài)平板探測器與進(jìn)口相差無幾，但動態(tài)非晶硅和CMOS平板還會有些差距。其實(shí)，我們有信心在性能上做到同等水平，但可能國內(nèi)客戶還抱懷疑態(tài)度；

3）從綜合實(shí)力角度，國際大廠在平板探測器領(lǐng)域的深耕已久，目前來說還是非常有優(yōu)勢的，更多的差距是體現(xiàn)在產(chǎn)品品質(zhì)、可靠性、及供應(yīng)鏈等多維度的綜合實(shí)力上，國產(chǎn)還在努力縮小差距。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，國產(chǎn)DR憑借高性價(jià)比占據(jù)國內(nèi)近70%的市場份額，已呈燎原之勢。這離不開國產(chǎn)整機(jī)廠商的努力，更離不開國產(chǎn)探測器的崛起。

數(shù)字平板探測器的原理與應(yīng)用

1．電荷耦合器

從概念上講，基于電荷耦合器（charge-coupleddevice，CCD）技術(shù)的數(shù)字?jǐn)z影（DR）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單。CCD傳感器對覆蓋熒光體層所產(chǎn)生的可見光輸出進(jìn)行成像。當(dāng)前所有應(yīng)用CCD技術(shù)的DR系統(tǒng)都是間接轉(zhuǎn)換形式。

由于臨床熒光體成像區(qū)域與當(dāng)前可用的CCD有效區(qū)域之間存在物理尺寸的差異，必須使用包括反射鏡、透鏡或光纖組件的不同技術(shù)，使得熒光體輸出影像的尺寸縮小到CCD的成像區(qū)域。這種縮小效應(yīng)的一個主要問題是對熒光體可見光采集效率偏低（可能<0.1%），從而引起所謂的成像鏈中二次量子降低，尤其是對于透鏡耦合式的CCD探測器。這種不可避免的局限性導(dǎo)致了影像質(zhì)量的下降。在臨床相關(guān)條件下的量化測試顯示，這些系統(tǒng)的性能低于傳統(tǒng)的屏/片系統(tǒng)和CR系統(tǒng)。此外，影像縮小光學(xué)系統(tǒng)需要一定的物理空間，從而增加探測器外殼的厚度。當(dāng)使用這些探測器對現(xiàn)存系統(tǒng)進(jìn)行改型時會存在問題。 ? ?

CCD對X線敏感，故產(chǎn)品要避免輻射損傷。CCD的另一個技術(shù)問題是需要冷卻以減少噪聲。故有可能發(fā)生水污染和停機(jī)故障。

CCD已經(jīng)開發(fā)了幾種數(shù)字探測器類型。一般尺寸較小，CCD廣泛用于視頻圖像的采集。由于尺寸小，使得它難以顯示較大面積的臨床圖像。

為了改善CCD小成像區(qū)域引起的性能局限，開發(fā)了使用多個CCD的系統(tǒng)。一種商品化的產(chǎn)品類型采用四個高性能的CCD與四個高質(zhì)量的透鏡排列相組合，對輸入熒光體的四個重疊象限進(jìn)行信號采集。

2．非晶硅平板探測器

最早的數(shù)字乳腺攝影系統(tǒng)使用的是間接轉(zhuǎn)換探測器。非晶硅平板探測器屬于間接轉(zhuǎn)換型平板探測器，它主要分為兩類：碘化銫+非晶硅、熒光體（硫氧化釓/鋱）+非晶硅。由于熒光的散射效應(yīng)在Gd2O2S熒光體上更為明顯，而碘化銫晶體具有的柱狀結(jié)構(gòu)可有效降低散射，因此，目前常見的非晶硅平板探測器多為碘化銫+非晶硅型。

（1）非晶硅探測器的工作原理

碘化銫([CsI(Tl)])閃爍晶體受到X線照射后，將入射的X線光子轉(zhuǎn)換為可見光?？梢姽饧ぐl(fā)碘化銫層下方的非晶硅光電二極管陣列，使光電二極管產(chǎn)生電流，從而將可見光轉(zhuǎn)換為電信號，在光電二極管自身的電容上形成儲存電荷。 ? ?

每一像素電荷量的變化與入射X線的強(qiáng)弱成正比，同時，讀出陣列還將空間上連續(xù)的X線圖像轉(zhuǎn)換為一定數(shù)量的行和列構(gòu)成的總陣列圖像。點(diǎn)陣的密度決定了圖像的空間分辨率。在中央時序控制器的統(tǒng)一控制下，居于行方向的行驅(qū)動電路與居于列方向的讀取電路將電荷信號逐行取出，量化為數(shù)字信號。獲取的數(shù)字信號經(jīng)通信接口電路傳至圖像處理器，從而形成X線數(shù)字圖像。

（2）碘化銫的特點(diǎn)

使用碘化銫層和光電二極管的非晶硅平板探測器中，碘化銫層不同于其它閃爍體，它的晶體直接生長在基板上。這種生長方式使得閃爍體與平板能達(dá)到比較理想的結(jié)合（圖4-20）。碘化銫針狀結(jié)構(gòu)的通道，使吸收的X線直接到達(dá)探測器表面，比傳統(tǒng)的閃爍體明顯減少了X線的偽影。因此，在碘化銫探測器上，X線吸收和偽影之間的折衷相比于傳統(tǒng)的閃爍體已幾乎不是問題。

另外，碘化銫能很好地吸收X線，并且在數(shù)字圖像產(chǎn)生之前瞬間產(chǎn)生光學(xué)圖像，這種方式被稱為間接轉(zhuǎn)換。

碘化銫/非晶硅平板探測器的X線探測、圖像采集和讀出都是相互獨(dú)立的過程。因此，探測器元素可以獨(dú)立地優(yōu)化而不影響整個探測器的性能。例如，碘化銫層可以做得很厚，用來保證最大的X線吸收；光電二極管轉(zhuǎn)換可以設(shè)計(jì)得很薄，使暗電流和圖像持留時間減少。 ? ?

（3）碘化銫/非晶硅平板探測器的分辨率

各種數(shù)字平板探測器的圖像質(zhì)量可以通過DQE來衡量。因?yàn)椋珼QE綜合了圖像MTF、噪聲和對比度的諸多因素。人們對數(shù)字成像系統(tǒng)中哪一種是最適宜的像素大小，目前的意見還不一致。

如果像素太小，電子噪聲會降低圖像質(zhì)量；如果像素太大，分辨率的降低同樣造成圖像質(zhì)量下降。這表明乳腺成像必須需要選擇一個恰當(dāng)?shù)南袼卮笮?。像素的大小同時還會影響到圖像的存儲、傳輸時間、圖像顯示和存檔。

與屏/片系統(tǒng)相似，熒光散射會影響圖像質(zhì)量，而且在空間分辨率和輻射敏感度之間有性能折衷。當(dāng)閃爍體制作得較厚時，光傳播增加，可導(dǎo)致分辨率降低。由于其針狀（或稱柱狀）結(jié)構(gòu)，CsI（Tl）碘化銫不會像其它屏那樣產(chǎn)生太多光散射。然而，分辨率和敏感度之間的折衷依然存在。

間接轉(zhuǎn)換數(shù)字探測器的閃爍體放置比屏/片系統(tǒng)的問題更多。對于屏/片系統(tǒng)而言，更多的X線是在靠近增感屏熒光體層的入射面被吸收，而不是在射出面被吸收。光電二極管/晶體管陣列不能透射X線。所以，該陣列需放置在閃爍體的射出表面上。與屏/片系統(tǒng)相比，這可會導(dǎo)致空間分辨率的下降。

非晶硒平板探測器

直接轉(zhuǎn)換探測器使用了光電導(dǎo)材料，能將所吸收的光子轉(zhuǎn)換成電荷，典型材料為非晶硒（a-Se）。非晶體硒本身具有很好的固有空間分辨力，透過被照體的X線照射到平板探測器的非晶硒層時，由于非晶硒的導(dǎo)電特性被激發(fā)出電子-空穴對，即一對正負(fù)電子。該電子-空穴對在外加偏置電壓形成的電場作用下被分離并反向運(yùn)動，負(fù)電子跑向偏壓的正極，正電子跑向偏壓的負(fù)極，于是形成電流。電流的大小與入射X線光子的數(shù)量成正比，這些電流信號被存儲在薄膜晶體管（thinfilmtransistor，TFT）的極間電容上。由于電子和空穴是沿著電場線運(yùn)動的。所以，它們在運(yùn)動過程中沒有橫向電荷散布。這產(chǎn)生了一種異常狹窄的點(diǎn)擴(kuò)散響應(yīng)約1μm。 ? ?

每個薄膜晶體管（TFT）形成一個采集圖像的最小單元，即像素。每個像素區(qū)內(nèi)有一個場效應(yīng)管，在讀出該像素單元電信號時起開關(guān)作用。在讀出控制信號的控制下，開關(guān)導(dǎo)通，把存儲于電容內(nèi)的像素信號逐一按順序讀出、放大，送到A／D轉(zhuǎn)換器，從而將對應(yīng)的像素電荷轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號。信號讀出后，掃描電路自動清除硒層中的潛影和電容存儲的電荷，為下一次的曝光和轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。

當(dāng)非晶硒被X線撞擊以后，產(chǎn)生的光子和電子空穴對在外加電場的作用下直接到達(dá)光電導(dǎo)體的表面，由于強(qiáng)大的電場以及采用了減少電荷運(yùn)動的措施，幾乎沒有信號丟失。數(shù)字讀出設(shè)備和碘化銫/非晶硅系統(tǒng)的相似，只是用電極取代了光電二極管。其填充因子的效果遠(yuǎn)高于幾何學(xué)填充因子（像素的電極部分），甚至接近100％。像素尺寸可達(dá)100μm×100μm以下，卻沒有減少有效填充因子的麻煩。

非晶硒平板探測器的非晶硒層直接將X線轉(zhuǎn)換成電信號，平板探測器收集電子信號并讀出得到圖像。這種探測器也被稱作“直接”探測器，因?yàn)榉蔷鴮又苯訉線轉(zhuǎn)變成數(shù)字圖像信號而不是可見光圖像。探測器兩側(cè)添加的2500伏特的電壓可減少X線散射帶來的模糊。因?yàn)樵陔姾沙溆^程中很少有偽影，非晶硒層可變得很厚。但是，太厚的非晶硒會導(dǎo)致其他的偽影產(chǎn)生。

非晶硒層存在的局限性包括：吸收X線后非晶硒層產(chǎn)生的K-edgeX線，會偏離原來被吸收的位置而造成偽影。偽影的程度取決于X線被吸收前在非晶硒內(nèi)前行的距離。圖像持留時間，限制了圖像的采集速度，這對全自動曝光技術(shù)帶來了負(fù)面效應(yīng)。 ? ?

探測器的設(shè)計(jì)必須在X線捕獲和電子信號產(chǎn)生之間折衷。例如，為了增加X線吸收而增加非晶硒的厚度，這樣就需要提高探測器兩側(cè)的電壓來維持信號水平。同樣的道理，帶來更好X線吸收的厚非晶硒層設(shè)計(jì)與低持留時間和低暗電流要求的薄層設(shè)計(jì)相沖突。

探測器的主要性能指標(biāo)

（1）調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）和探測量子效率（detective quantum efficiency，DQE）為成像性能提供了定量測量方法。MTF可測量空間分辨率，而DQE則是信噪比、對比分辨率和劑量效率的測量單位。通過查看相應(yīng)的MTF和DQE曲線可以最好地反映成像系統(tǒng)的特點(diǎn)。然而，這不能用一個數(shù)字以單次空間頻率適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行描述?？梢杂眠@些測量法去確定系統(tǒng)在一個空間頻率范圍內(nèi)獲取信息的好壞程度。

調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）是在一個空間頻率范圍內(nèi)信號傳遞的度量標(biāo)準(zhǔn)，并且可對空間分辨率進(jìn)行量化。任何系統(tǒng)的分辨率極限都是通過其像素尺寸加以確定的。例如，一個100μm像素的系統(tǒng)不能充分解析5lp/mm以上的空間頻率。間接轉(zhuǎn)換法可以使光散射數(shù)個像素，這進(jìn)一步限制了系統(tǒng)的有效分辨率。

直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不受這一限制。直接轉(zhuǎn)換硒探測器的MTF優(yōu)于屏/片和間接轉(zhuǎn)換探測器的MTF。直接轉(zhuǎn)換硒探測器的內(nèi)在空間分辨率比那些使用間接轉(zhuǎn)換閃爍體的探測器的內(nèi)在空間分辨率要高。當(dāng)間接轉(zhuǎn)換探測器的MTF在較高空間頻率上顯著降低時，直接轉(zhuǎn)換硒探測器的MTF可在一個更大的空間頻率范圍內(nèi)保持高水平。利用硒材料，通過光導(dǎo)元件的電荷不會有橫向運(yùn)動，而且其MTF與硒的厚度無關(guān)。因此，硒探測器在采集X線并轉(zhuǎn)換為電信號方面效率頗高。

（2）量子檢出效率（DQE）

在高空間頻率條件下，即使有較高的MTF，小物體也會消失在系統(tǒng)的噪聲中（。解決這一問題的方法是通過信號增強(qiáng)和噪聲減弱來增強(qiáng)細(xì)微結(jié)構(gòu)的可見度。 ? ?

量子檢出效率（DQE）度量的與空間頻率成函數(shù)關(guān)系系統(tǒng)信噪傳輸，而且可以很好的衡量劑量效率。DQE受幾個因素的影響，包括X線吸收量、信號曲線（由MTF測量）的幅度或強(qiáng)度以及噪聲。

量子檢出效率（DQE）是綜合評價(jià)數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。圖4-23顯示數(shù)字平板探測器的DQE明顯高于屏/片、CR系統(tǒng)。宏觀來講，DQE與影像質(zhì)量成正比，與輻射劑量成反比。也就是說，當(dāng)劑量相同時，影像質(zhì)量優(yōu)化；在相同的影像質(zhì)量下，輻射劑量可以減半。

（3）動態(tài)范圍

屏/片系統(tǒng)的動態(tài)范圍是有限的，數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)提高了被照體成像對動態(tài)范圍改善的需要。數(shù)字探測器可提供大為改善的動態(tài)性能。對于沒有固有探測器噪聲的理想探測器而言，在典型的乳腺攝影圖像上，3100灰度水平是可以辨別的。這樣，可以提供至少14位動態(tài)范圍的系統(tǒng)不會使下層的信息降質(zhì)。數(shù)字X線影像在不同的曝光條件和被照體厚度的條件下具有一致的品質(zhì)。動態(tài)范圍的擴(kuò)大就意味著可以檢測和記錄下更多的影像信息。

DQE量子檢出效率

量子檢出效率（detectivequantumefficiency）描述了與空間頻率相關(guān)的信息探測效率，它依賴于熒光屏的量子檢出效率和形成最終影像中每一步的噪聲。包括電子數(shù)、潛影激勵和發(fā)射過程噪聲、電子信號的轉(zhuǎn)換噪聲、與數(shù)字化相關(guān)的噪聲、最終輸出影像顯示時的噪聲。

DQE是平板探測器眾多參數(shù)中最重要的一個，也是最難理解的一個。這個參數(shù)涉及了空間分辨率、圖像信噪比和射線信噪比，而噪聲又涉及了前面說到的電子噪聲，還有量子噪聲。比較復(fù)雜，以后再詳細(xì)展開吧。

簡單地說，在給定劑量下，給定分辨率下，DQE越高，說明了探測器對X射線的檢測效率越高。這里所說的劑量是探測器接受到的劑量，分辨率常用0線對。 ? ?

DQE高，那么圖像的噪聲就少，信號更強(qiáng)，圖像層次就更多，細(xì)節(jié)更豐富。

由于DQE和劑量大小的關(guān)系非常大，因此評價(jià)平板探測器性能時一般不單純比較DQE數(shù)值，而是比較“劑量-DQE”曲線。圖7是不同探測器，0線對下不同劑量的DQE比較。

在劑量比較低時，CMOS平板探測器的DQE更高；而劑量特別高時，非晶硅平板探測器的DQE更高。圖中兩條DQE曲線交點(diǎn)差不多位于YYT0744標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的C形臂探測器最大允許劑量處。也就是說，CMOS在移動C形臂透視劑量范圍下，其DQE比非晶硅探測器DQE高。

很多非晶硅平板Ｃ形臂廠家在競標(biāo)時，經(jīng)常寫探測器DQE高，殊不知，在移動Ｃ形臂的劑量范圍內(nèi)卻是不成立的。在移動C形臂中，由于劑量低，碘化銫后的可見光非常弱，平板探測器的成像就像用相機(jī)在夜晚拍照一樣。CMOS探測器像微光相機(jī)，而非晶硅探測器像普通相機(jī)。普通相機(jī)在陽光下拍照效果非常好，在微弱的星光下拍照效果就比較差了；而微光相機(jī)在夜晚微弱星光下拍攝效果非常好，在強(qiáng)烈的陽光下拍照就會沒有普通相機(jī)好了。 ? ?

穿過患者的典型x線能譜在80KVp時，標(biāo)準(zhǔn)分辨率熒光板的DQE約等于0.25，高分辨率的熒光板的DQE約為0.13。

什么是DQE？

DQE（DetectiveQuantumEfficiency）：中文是量子檢測效率，是指成像系統(tǒng)中輸出信號與輸入信號之比，可以解釋為成像系統(tǒng)中有效量子的利用率，在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備領(lǐng)域里，DQE是衡量平板探測器效率性能的重要參數(shù)之一。

影響DQE的因素有哪些？

DQE認(rèn)知誤區(qū)

DQE高=平板探測器性能越好X

理論上：DQE的值越高，探測器的轉(zhuǎn)化效率越好，在同樣劑量的X射線條件下，理論上所獲得的圖像質(zhì)量會越好，或者可以理解成如要獲得同等圖像質(zhì)量，理論上所需要的X-ray劑量就越少。

實(shí)際上：DQE值不是衡量平板探測器的唯一標(biāo)準(zhǔn)！

如果把“平板探測器”比喻成汽車的“發(fā)動機(jī)”，那么”DQE”相當(dāng)于“燃油的轉(zhuǎn)換效率”，如一臺汽車的發(fā)動機(jī)，消耗一升汽油，能有80%的能量轉(zhuǎn)化成為動力，即便它是世界上數(shù)值最高，我們也只能說這臺發(fā)動機(jī)的燃油效率高，而無法證明這汽車耗油量就一定少，一定跑得快，一定拉得多，一定坐的舒服。也就是說“燃油轉(zhuǎn)換效率”不是評價(jià)“發(fā)動機(jī)”性能好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)，即：DQE值不是衡量平板探測器性能優(yōu)劣的唯一標(biāo)準(zhǔn)。 ? ?

DQE高=圖像質(zhì)量好X

實(shí)際上：DQE值和圖像質(zhì)量沒有直接關(guān)系！

圖像質(zhì)量是由高壓發(fā)生器、球管、濾線柵、電離室、影像接收系統(tǒng)（平板探測器）、圖像后處理系統(tǒng)、操作者操作規(guī)范性、房間屏蔽及設(shè)備環(huán)境控制等綜合因素決定，影像鏈各部件間達(dá)到最優(yōu)化的組合、投照操作規(guī)范、屏蔽及環(huán)境保證最佳方可得到高質(zhì)量的圖像質(zhì)量，而非由高DQE值平板探測器唯一決定，如果人為的提高DQE的值并超出合理的范圍，必定是以犧牲圖像分辨率和圖像質(zhì)量為代價(jià)。

舉例：如果把業(yè)界公認(rèn)的最好的奔馳發(fā)動機(jī)、寶馬的變速箱、奧迪的底盤機(jī)械性組合在一起，由于彼此間未達(dá)到最佳的性能匹配，此拼裝車的綜合性能一定不如一臺經(jīng)濟(jì)型轎車；同理，DQE只是影像鏈中平板探測器中的一個參數(shù)指標(biāo)，單純用DQE值來做為圖像質(zhì)量保證的衡量標(biāo)準(zhǔn)完全不切合實(shí)際。

非晶硒和非晶硅平板探測器的區(qū)別

無論是CMOS平板探測器還是非晶硅平板探測器，在基本原理上都類似。

最重要的一個部件就是光電二極管陣列。

CMOS探測器的光電二極管陣列是以晶體硅為原料，采用CMOS工藝制作； ? ?

而非晶硅探測器是以非晶硅為原料，采用薄膜工藝(TFT)制作。

二者的最大區(qū)別是：

CMOS探測器在每個像素旁邊都有一個放大器(又叫“主動像素”)，信號是放大后再傳輸；

非晶硅探測器的像素旁邊沒有放大器，信號是傳輸?shù)教綔y器外面后再放大。

兩種探測器的像素信號在傳輸過程中都會受到各種電子噪聲的影響，噪聲水平都差不多。

CMOS探測器的信號放大后再傳輸，因此信號電平相對于噪聲來說高很多，也就是信噪比高；

非晶硅探測器的信號傳輸后再放大，導(dǎo)致信號和噪聲一起放大，在劑量比較低時，信號會被噪聲淹沒。

這就是非晶硅平板探測器低劑量DQE差的重要原因。

數(shù)定平板探測器的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用與評估 ? ?

在數(shù)字化攝片中，X線能量轉(zhuǎn)換成電信號是通過平板探測器來實(shí)現(xiàn)的，所以平板探測器的特性會對DR圖像質(zhì)量產(chǎn)生比較大的影響。選擇DR必然要考慮到平板探測器的選擇。平板探測器的性能指標(biāo)會對圖像產(chǎn)生很大的影響，醫(yī)院也應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需要選擇適合自己的平板探測器。DR平板探測器可以分為兩種∶非晶硒平板探測器和非晶硅平板探測器，從能量轉(zhuǎn)換的方式來看，前者屬于直接轉(zhuǎn)換平板探測器，后者屬于間接轉(zhuǎn)換平板探測器。

非晶硒平板探測器主要由非晶硒層TFT構(gòu)成。入射的X射線使硒層產(chǎn)生電子空穴對，在外加偏壓電場作用下，電子和空穴對向相反的方向移動形成電流，電流在薄膜晶體管中形成儲存電荷。每一個晶體管的儲存電荷量對應(yīng)于入射X射線的劑量，通過讀出電路可以知道每一點(diǎn)的電荷量，進(jìn)而知道每點(diǎn)的X線劑量。由于非晶硒不產(chǎn)生可見光，沒有散射線的影響，因此可以獲得比較高的空間分辨率。

非晶硅平板探測器由碘化銫等閃爍晶體涂層與薄膜晶體管或電荷耦合器件或互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成它的工作過程一般分為兩步，首先閃爍晶體涂層將X線的能量轉(zhuǎn)換成可見光;其次TFT或者CCD，或CMOS將可見光轉(zhuǎn)換成電信號。由于在這過程中可見光會發(fā)生散射，對空間分辨率產(chǎn)生一定的影響。雖然新工藝中將閃爍體加工成柱狀以提高對X線的利用及降低散射，但散射光對空間分辨率的影響不能完全消除。 ? ?

?不同平板探測器的比較

評價(jià)平板探測器成像質(zhì)量的性能指標(biāo)主要有兩個∶量子探測效率和空間分辨率。DQE決定了平板探測器對不同組織密度差異的分辨能力;而空間分辨率決定了對組織細(xì)微結(jié)構(gòu)的分辨能力?？疾霥QE和空間分辨率可以評估平板探測器的成像能力。

（1）影響平板探測器DQE的因素

在非晶硅平板探測器中，影響DQE的因素主要有兩個方面∶閃爍體的涂層和將可見光轉(zhuǎn)換成電信號的晶體管。

首先閃爍體涂層的材料和工藝影響了X線轉(zhuǎn)換成可見光的能力，因此對DQE會產(chǎn)生影響。目前常見的閃爍體涂層材料有兩種∶碘化銫和硫氧化釗。碘化銫將X線轉(zhuǎn)換成可見光的能力比硫氧化釓強(qiáng)但成本比較高;將碘化銫加工成柱狀結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高捕獲X線的能力，并減少散射光。使用硫氧化釓做涂層的探測器成像速度快，性能穩(wěn)定，成本較低，但是轉(zhuǎn)換效率不如碘化銫涂層高。 ? ?

其次將閃爍體產(chǎn)生的可見光轉(zhuǎn)換成電信號的方式也會對DQE產(chǎn)生影響。在碘化銫（（或者硫氧化釓）+薄膜晶體管（TFT）這種結(jié)構(gòu)的平板探測器中，由于TFT的陣列可以做成與閃爍體涂層的面積一樣大，因此可見光不需要經(jīng)過透鏡折射就可以投射到TFT上，中間沒有可以光子損失，因此DQE也比較高;在碘化銫+CCD（或者CMOS）這種結(jié)構(gòu)的平板探測器中，由于CCD（或者CMOS）的面積不能做到與閃爍體涂層一樣大，所以需要經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)折射、反射后才能將全部影像投照到CCD（或者CMOS）上，這過程使光子產(chǎn)生了損耗，因此DQE比較低。

在非晶硒平板探測器中，X線轉(zhuǎn)換成電信號完全依賴于非晶硒層產(chǎn)生的電子空穴對，DOE的高低取決于非晶硒層產(chǎn)生電荷能力?？偟恼f來，CsI+TFT這種結(jié)構(gòu)的間接轉(zhuǎn)換平板探測器的極限D(zhuǎn)QE高于a-Se直接轉(zhuǎn)換平板探測器的極限D(zhuǎn)QE。

（2）影響平板探測器空間分辨率的因素

在非晶硅平板探測器中，由于可見光的產(chǎn)生，存在散射現(xiàn)象，空間分辨率不僅僅取決于單位面積內(nèi)薄膜晶體管矩陣大小，而且還取決于對散射光的控制技術(shù)?？偟恼f來，間接轉(zhuǎn)換平板探測器的空間分辨率不如直接轉(zhuǎn)換平板探測器的空間分辨率高。

在非晶硒平板探測器中，由于沒有可見光的產(chǎn)生，不發(fā)生散射，空間分辨率取決于單位面積內(nèi)薄膜晶體管矩陣大小。矩陣越大薄膜晶體管的個數(shù)越多，空間分辨率越高，隨著工藝的提高可以做到很高的空間分辨率。

?量子探測效率與空間分辨率的關(guān)系

對于同一種平板探測器，在不同的空間分辨率時，其DOE是變化的;極限的DQE高，不等于在任何空間分辨率時DQE都高。DQE的計(jì)算公式如下∶

? ?

S∶信號平均強(qiáng)度;

MTF∶調(diào)制傳遞函數(shù);

X∶X線曝光強(qiáng)度;

NPS∶系統(tǒng)噪聲功率譜;

C：X線量子系數(shù)

從計(jì)算公式中我們可以看到，在不同的MTF值中對應(yīng)不同的DQE，也就是說在不同的空間分辨率時有不同的DQE。

非晶硅平板探測器的極限D(zhuǎn)QE比較高，但是隨著空間分辨率的提高，其DQE下降得較多;而非晶硒平板探測器的極限D(zhuǎn)QE不如間接轉(zhuǎn)換平板探測器的極限D(zhuǎn)QE高，但是隨著空間分辨率的提高，其DQE下降比較平緩，在高空間分辨率時，DQE反而超過了非晶硅平板探測器。這種特性說明非晶硅平板探測器在區(qū)分組織密度差異的能力較強(qiáng);而非晶硒平板探測器在區(qū)分細(xì)微結(jié)構(gòu)差異的能力較高。

?不同類型的平板探測器在臨床上的應(yīng)用

由于DQE影響了圖像的對比度，空間分辨率影響圖像對細(xì)節(jié)的分辨能力。在攝片中應(yīng)根據(jù)不同的檢查部位來選擇不同類型平板探測器的DR。對于象胸部這樣的檢查，重點(diǎn)在于觀察和區(qū)分不同組織的密度，因此對密度分辨率的要求比較高。在這種情況下，宜使用非晶硅平板探測器的DR，這樣DQE比較高，容易獲得較高對比度的圖像，更有利于診斷;對于象四肢關(guān)節(jié)、乳腺這些部位的檢查，需要對細(xì)節(jié)要有較高的顯像，對空間分辨率的要求很高，因此宜采用非晶硒平板探測器的DR，以獲得高空間分辨率的圖像。目前絕大多數(shù)廠家的數(shù)字乳腺機(jī)都采用了非晶硒平板探測器，正是由于乳腺攝片對空間分辨率要求很高，而只有非晶硒平板探測器才可能達(dá)到相應(yīng)的要求。

由此可見，不同類型的平板探測器由于材料、結(jié)構(gòu)、工藝的不同而造成DQE和空間分辨率的差異。DQE影響了對組織密度差異的分辨能力;而空間分辨率影響了對細(xì)微結(jié)構(gòu)的分辨能力。目前還沒有一款DQE和空間分辨率都做得很高的平板探測器，因此需要在兩者間做一個平衡。所以在購買和使用DR時，應(yīng)該根據(jù)購買DR的主要用途和具體的檢查部位去選擇和使用不同類型平板探測器的DR，只有這樣才能拍攝出最有利于診斷的圖像。 ? ?

偽影的形成與控制

偽影

CR影像上的偽影可以產(chǎn)生于硬件（如X線系統(tǒng)、濾線柵、閱讀裝置、成像板）、軟件（比如假信號、算法）、成像體（比如擺位、運(yùn)動等）諸多因素。

1、硬件偽影硬件偽影主要產(chǎn)生于成像板、影像閱讀儀、硬拷貝打印機(jī)或沖洗機(jī)。最普遍的是IP的暫時性缺陷，諸如灰塵、污物和幻影（擦除不完全），這些偽影可以通過對成像板的清潔和（或）擦除而容易校正。影像閱讀儀故障可以導(dǎo)致掃描線缺損和(或)影像畸變。存留在柱狀反光鏡和激光裝置的塵?？梢员憩F(xiàn)為影像的衰減偽影。

1)IP污物沾染造成的偽影：清潔方法通常使用脫脂棉紗和鏡頭清潔器。

2)IP保養(yǎng)不良造成的偽影：表現(xiàn)有散在斑點(diǎn)狀偽影，形似霉斑。這是由于IP清潔保養(yǎng)時用紗布蘸75%的酒精擦拭半年后所致，考慮為酒精作用IP以及IP擦洗后未待干燥便放入暗盒所致，這種對IP的不良影響是可逆的。在清潔IP時建議使用專門的IP清潔液，且待干燥后方可放入暗盒。

3)IP裂隙造成的偽影：柔性IP，因其在掃描過程中要被動彎曲，久而久之形成線性裂隙，接近橈骨的透亮縫隙可能會與體外異物相混淆。這些裂隙一旦產(chǎn)生，對于IP來講將是不可逆轉(zhuǎn)的。在照片上將是線性透明影或梭性透明形，原因是裂隙部無微量二價(jià)銪離子的氟氯化鋇晶體，因此在購買IP時仔細(xì)檢查，選擇柔性好，質(zhì)量高的IP，剛性IP可避免此類偽影的出現(xiàn)。 ? ?

4)閱讀器機(jī)械故障造成的偽影：由于成像板中激發(fā)的熒光非常微弱，采集裝置需要距離成像板表面很近，當(dāng)設(shè)備振動或采集部件故障時，就有可能造成成像板表層和熒光體層的劃傷，從而產(chǎn)生偽影。這種損傷無法恢復(fù)，只能淘汰成像板。手正位影像中拇指內(nèi)側(cè)有一白色針狀影像，疑似軟組織異物，不加被照體直接對成像板曝光后仍存在此為影像。抽出成像板檢查時發(fā)現(xiàn)成像板表面有一個被機(jī)械結(jié)構(gòu)擠壓形成的壓痕。

5)IP邊角分層所致偽影：CR讀出裝置暗盒型會出現(xiàn)此類偽影。攝影技師在對IP清洗時用指甲取出，久而久之致使IP4個角出現(xiàn)分層現(xiàn)象，增加了IP的厚度.而閱讀器內(nèi)的IP與其通道間的距離不變，所以在掃描過程中出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，然后在調(diào)一頭進(jìn)行掃描就會出現(xiàn)影像。因此在取IP時一定要小心謹(jǐn)慎，不要以為邊緣損壞無關(guān)緊要，同樣會影響整幅圖像的掃描。

6)攝影條件偏低所致的偽影：X線量子噪聲是指X線量子泊松分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)法則隨機(jī)產(chǎn)生的空間波動。噪聲量與X線檢測器檢測到的X線量成反比。因此相應(yīng)的入入射的X線量成反比，即入射的（檢測到的）光子劑量越大，X線量子噪聲越小。解決的方法是加大X線攝影條件，一般認(rèn)為使用感藍(lán)屏/藍(lán)片的攝影條件或稍大較妥。

7)攝影條件偏高所致的偽影：由于存儲熒光體對散射線的高敏感性，后散射可造成偽影。在暗盒后背部加一層鉛箔可以消除陰影。沿上腹部一側(cè)的黑線是由透過暗盒部的后散射是造成的。因此攝影技師應(yīng)該在可能的情況下校準(zhǔn)曝光野，要盡可能的使用最佳攝影條件減少后散射。

胸部CR照片有股骨重疊影，原因是在攝股骨時X線攝影條件偏高，胸片攝影條件又偏低所致的“記憶偽影”。減低記憶偽影的產(chǎn)生就要控制數(shù)字影像系統(tǒng)兩次曝光是時間延遲以及前后兩次曝光量的差異，還要著重考慮用高強(qiáng)度和長時間的可見光擦拭過度曝光的IP。

8)紫外線、X線的散射線所致的偽影:表現(xiàn)為黑斑點(diǎn)偽影。若長期存放的IP，盡量給予屏蔽，在使用前最好進(jìn)行一次強(qiáng)光擦除。 ? ?

9)成像板老化造成的偽影:

成像板壽命一般曝光次數(shù)是10000次

2、CR信息轉(zhuǎn)換偽影CR信息轉(zhuǎn)換部分主要由激光掃描器、光電倍增管和A/D轉(zhuǎn)換器組成。

1）激光掃描操作不當(dāng)產(chǎn)生的偽影:在IP掃描過程中，無意碰觸了閱讀器的前進(jìn)/暫停/反向鍵，致使IP在掃描過程中出現(xiàn)暫停，然后再繼續(xù)掃描的結(jié)果。

2）激光掃描灰層產(chǎn)生的偽影

3）輥軸緊密度不適造成的偽影

4）閱讀器擦拭未干造成的偽影

5）光電倍增管匹配偽影:為條狀偽影。此偽影屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因，無法人為消除。

6）影像讀取偽影:當(dāng)連接控制板和PMT的排線接觸不良時，由于機(jī)械裝置的輕微震動會引起放大指令信號傳輸?shù)牟环€(wěn)，最終在圖像中產(chǎn)生信號躍遷的斷續(xù)偽影。

7）掃描裝置灰塵

3、軟件偽影

4、物體偽影:暈影和幻影。

5、照片偽影

6、其他偽影

1）激光打印偽影打印機(jī)中的多棱鏡引導(dǎo)激光橫向掃描膠片，常見的偽影通常是由多棱鏡上的灰塵引起的。偽影表現(xiàn)在照片上是垂直于打印機(jī)激光掃描線的一條白線。

2）洗片機(jī)產(chǎn)生的偽影

3）移動模糊偽影

4）操作者錯誤引起的偽影

DR圖像質(zhì)量的評價(jià)方法 ? ?

1.數(shù)字成像的客觀評價(jià)和主管評價(jià)傳統(tǒng)上對模擬成像進(jìn)行評價(jià)的指標(biāo)包括，客觀評價(jià)中的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF，反映系統(tǒng)固有空間分辨率）和噪聲功率譜（NPS，反映噪聲水平），主觀評價(jià)中的受試者操作特性曲線（ROC，代表檢出的信息量）。

MTF一直作為線性或非線性成像系統(tǒng)空間分辨率特性的度量標(biāo)準(zhǔn)。在計(jì)算預(yù)采樣MTF時，其方法有矩形波測試卡法、狹縫法、刀刃法等。

在放射數(shù)字影像中，噪聲可有以下幾個來源：初級量子噪聲，泊松過量噪聲，結(jié)構(gòu)噪聲，附加電子噪聲，混疊噪聲。

ROC曲線法早在1970年以Rossmann、Metz為首的芝加哥大學(xué)研究小組制成。作為主觀評價(jià)法既可驗(yàn)證，在進(jìn)行具體臨床實(shí)踐時應(yīng)用廣泛，既可驗(yàn)證設(shè)備的實(shí)際性能，又可評判觀察者的水平。ROC曲線解析目前已具備完整的科學(xué)理論依據(jù)，成為影像檢查技術(shù)和診斷方法對照研究的標(biāo)準(zhǔn)方法。

2.數(shù)字成像主管、客觀結(jié)合的綜合評價(jià)英國放射學(xué)會ECR制定的放射學(xué)質(zhì)量評價(jià)6級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則為：

①技術(shù)水平

②診斷水平

③診斷效果

④治療效果

⑤患者結(jié)局

⑥資源利用的最優(yōu)化（最佳利用率）最高標(biāo)準(zhǔn)。

DR圖像質(zhì)量評價(jià)的參數(shù)

1、探測器調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)MTF是用于衡量系統(tǒng)如實(shí)傳遞和記錄空間信息的能力。它以橫坐標(biāo)為空間頻率，計(jì)算出光線對應(yīng)于不同頻率下的振幅，沿縱坐標(biāo)繪制出相應(yīng)曲線，縱坐標(biāo)上的響應(yīng)函數(shù)的數(shù)值表達(dá)了輸入信號與輸出信號的比值，故信息在100%完全重建到0%的絕對不能重建的范圍內(nèi)存在。DR系統(tǒng)是將光管發(fā)出來的光子直接轉(zhuǎn)換成電信號，沒有中間介質(zhì)的加入和損耗，MTF性能好。DR系統(tǒng)較高的分辨率不需要病人接受較大的劑量。DR系統(tǒng)的MTF受采樣頻率的限制，它由平板探測器像素大小決定。其極限分辨率完全取決于像素的大小。另外，硒類探測器MTF比CsI閃爍晶體探測器好。 ? ?

2、噪聲功率譜與空間分辨率響應(yīng)

探測器的噪聲主要來源于兩個方面：①探測器電子學(xué)噪聲②X線圖像量子噪聲。探測器電子學(xué)噪聲在空間分辨率范圍內(nèi)為白噪聲，通常采用噪聲的均方根值RMS來描述。

一個典型的非晶硅探測器電子學(xué)噪聲主要有以下的部分構(gòu)成，像元開關(guān)電流噪聲，反向漏電流噪聲，量子井噪聲，讀出電路噪聲。其他造成路，列入模擬電路，ad轉(zhuǎn)換電路噪聲等。為了表示噪聲的空間頻率特性，通常用噪聲功率譜來描述。

3.量子檢出效率DQE也叫量子檢出效率，探測器的DQE被定義為輸出信噪比的平方與輸入信噪比的平方之比，通常用百分?jǐn)?shù)表示，用于表征探測器對于圖像信噪比的傳遞性能。

SNR代表圖像的信噪比，表明系統(tǒng)檢測X線光子的能力，是系統(tǒng)噪聲與對比度的綜合評價(jià)指標(biāo)。噪聲是影響DQE的主要因素。

CsI閃爍晶體平板探測器的DQE比屏片組合系統(tǒng)高2-3倍，低對比物體的檢出能力提高了45%，而劑量降低了50%-60%。

空間分辨率通常表示為每毫米最大的線對數(shù)(lp/mm)。

在數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)中，量子檢測效率(DQE)綜合了空間分辨率和圖像噪聲等各種因素，描述了將入射x射線轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的曝光效率，提供了在不同分辨率的情況下的測量圖像信噪比的方法。因而DQE是全面評估DR系統(tǒng)的一個最重要的參數(shù)，是衡量平板圖像質(zhì)量的金標(biāo)準(zhǔn)。 ? ?

目前市場上的DR產(chǎn)品極限D(zhuǎn)QE約為60%。

4、探測器尺寸常見的多為17X17英寸或16X16英寸或14X17英寸。

5、圖像上的空間分辨率主要有，像素尺寸和像素之間的間隔決定。胸片x線攝影，通暢為0.2mm的像素間隔(2.5lp/mm,大約一行2000個像素)。

6、動態(tài)范圍指平板探測器所能檢出的最強(qiáng)信號和最弱信號之間的范圍?；谳^寬的動態(tài)范圍(0.5~1300uR)，許多公司開發(fā)出全新的組織均衡(TE)技術(shù)，通過圖像后處理使不同強(qiáng)度的信號，如(鼻骨和軟組織)能在同一幅圖像顯示，為臨床診斷提供便利。

7、ISO平板感光度表示探測器對信號的敏感度。DR系統(tǒng)的ISO最大值一般為800

ISO能顯著降低病人的受照劑量，對于經(jīng)常復(fù)診的病人和兒童具有重要意義。當(dāng)ISO等于1000時，普通病人的受照劑量為0.35dGY/cm。

8、填充因子目前市場上常見的DR系統(tǒng)平板探測器的填充因子一般為65%。非晶硅平板探測器的DR系統(tǒng)其優(yōu)良特性為世人共識。從整個DR的發(fā)展趨勢來看，整板技術(shù)，高DQE,寬動態(tài)范圍，快速成像和低劑量必然成為未來發(fā)展方向。

9、探測器圖像獲取時間由探測器預(yù)備時間、曝光等待時間、曝光窗口、圖像讀出時間四部分構(gòu)成。實(shí)際圖像獲取時間為5-6秒。

審核編輯：黃飛

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