平板探測器

數字化X線攝影（Digital Radiography，簡稱DR），是上世紀90年代發展起來的X線攝影新技術，以其更快的成像速度、更便捷的操作、更高的成像分辨率等顯著優點，成為數字X線攝影技術的主導方向，並得到世界各國的臨牀機構和影像學專家認可。DR的技術核心是平板探測器，平板探測器是一種精密和貴重的設備，對成像質量起着決定性的作用，熟悉探測器的性能指標有助於我們提高成像質量和減少X線輻射劑量 ^[1]  。

非晶硒平板探測器

非晶硒（a-Se）為直接式平板探測器結構，主要由集電矩陣、硒層、電介層、頂層電極和保護層等構成。集電矩陣由按陣元方式排列的薄膜晶體管（TFT）組成。非晶硒半導體材料在薄膜晶體管陣列上方通過真空蒸鍍生成約0.5 mm厚、38 mm×45 mm見方的薄膜，它對X線很敏感，並有很高的圖像解析能力 ^[1]  。

頂層電極接高壓電源，當有X線入射時，由於高壓電源在非晶硒表面形成的電場，它們只能沿電場方向垂直穿過絕緣層、X射線半導體、電子封閉層，到達非晶硒，不會出現橫向偏離從而出現光的散射。非晶硒陣列直接將X射線轉變成電信號，記憶在存儲電容器裏，脈衝控制門電路使薄膜晶體管導通，把記憶在存儲電容器裏的電荷送達電荷放大器輸出，完成光電信號的轉換，再經數字轉換器轉換，形成數字圖像輸入計算機，並由計算機將該影像還原在監視器上由醫生觀察監視器直接診斷 ^[1]  。

非晶硅平板探測器為間接數字化X線成像，其基本結構為表面是一層閃爍體材料（碘化銫或硫氧化釓），再下一層是以非晶體硅為材料的光電二極管電路，最底層為電荷讀出電路 ^[1]  。

位於探測器表面的閃爍體將透過人體後衰減的X線轉換為可見光，閃爍體下的非晶硅光電二極管陣列又將可見光轉換為電信號，在光電二極管自身的電容上形成存儲電荷，每個像素的存儲電荷量與入射X線強度成正比，在控制電路的作用下，掃描讀出各個像素的存儲電荷，經A/D轉換後輸出數字信號，傳送給計算機進行圖像處理從而形成X線數字影像 ^[1]  。

DR 平板探測器從能量轉換的方式可以分為兩種 :間接轉換平板探測器( indirect FPD)和直接轉換平板探測器( directFPD) ^[2]  。

間接轉換平板探測器由碘化銫等閃爍晶體塗層與薄膜晶體管( Thi n Film T ransistor , T FT)或電荷耦合器件( C hargeC oupling Device , C CD)或 互 補 型 金 屬 氧 化 物 半 導 體( Com plem en tary M etal Oxide S em i -Conductor , CM OS)構成 。間接轉換平板探測器的工作過程一般分為兩步 , 首先閃爍晶體塗層將 X 線的能量轉換成可見光 ;其次 TF T 或者C CD , 或 C MO S 將可見光轉換成電信號。由於在這過程中可見光會發生散射 , 對空間分辨率產生一定的影響 。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 ^[2]  。

直接轉換平板探測器主要由非晶硒層 (Am orph ou s S elenium , a -S e ) T FT 構成 。入射的 X 射線使硒層產生電子空穴對, 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於入射 X 射線的劑量 , 通過讀出電路可以知道每一點的電荷量 ,進而知道每點的 X 線劑量 。由於非晶硒不產生可見光 , 沒有散射線的影響 , 因此可以獲得比較高的空間分辨率 ^[2]  。

評價平板探測器成像質量的性能指標主要有兩個 : 量子探測效率 ( Detective Q uantum E fficiency , DQE)和空間分辨率 。 DQ E 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微結構的分辨能力 。考察 DQ E和空間分辨率可以評估平板探測器的成像能力 ^[2]  。

在間接轉換的平板探測器中 , 影響 DQE 的因素主要有兩個方面 : 閃爍體的塗層和將可見光轉換成電信號的晶體管 。 ^[2] 

首先閃爍體塗層的材料和工藝影響了 X 線轉換成可見光的能力 , 因此對 DQ E 會產生影響 。常見的閃爍體塗層材料有兩種 : 碘化銫 (C sI ) 和硫氧化釓 (Gd2O 2S )。 碘化銫將 X線轉換成可見光的能力比硫氧化釓強但成本比較高 ; 將碘化銫加工成柱狀結構 , 可以進一步提高捕獲 X 線的能力 , 並減少散射光 。使用硫氧化釓做塗層的探測器成像速度快 , 性能穩定 , 成本較低 , 但是轉換效率不如碘化銫塗層高 ^[2]  。

其次將閃爍體產生的可見光轉換成電信號的方式也會對DQ E 產生影響 。在碘化銫 ( 或者硫氧化釓) +薄膜晶體管( T FT)這種結構的平板探測器中, 由於 TF T 的陣列可以做成與閃爍體塗層的面積一樣大 , 因此可見光不需要經過透鏡折射就可以投射到 TF T 上 , 中間沒有可以光子損失 , 因此 DQE 也比較高 ; 在碘化銫 (CsI )+CCD( 或者 CM OS) 這種結構的平板探測器中 , 由於 C CD( 或者 C M OS)的面積不能做到與閃爍體塗層一樣大 , 所以需要經過光學系統折射 、反射後才能將全部影像投照到 C CD( 或者 C M OS)上 , 這過程使光子產生了損耗 , 因此 DQE 比較低 ^[2]  。

直接轉換平板探測器中 , X 線轉換成電信號完全依賴於非晶硒層產生的電子空穴對, DQ E 的高低取決於非晶硒層產生電荷能力 。總的説來 ,C sI +T FT 這種結構的間接轉換平板探測器的極限 DQE 高於 a -Se 直接轉換平板探測器的極限DQ E ^[2]  。

在直接轉換平板探測器中 , 由於沒有可見光的產生 , 不發生散射 , 空間分辨率取決於單位面積內薄膜晶體管矩陣大小 。矩陣越大薄膜晶體管的個數越多 , 空間分辨率越高 , 隨着工藝的提高可以做到很高的空間分辨率 ^[2]  。

在間接轉換的平板探測器中 , 由於可見光的產生 , 存在散射現象 , 空間分辨率不僅僅取決於單位面積內薄膜晶體管矩陣大小 , 而且還取決於對散射光的控制技術 。總的説來 ,間接轉換平板探測器的空間分辨率不如直接轉換平板探測器的空間分辨率高 ^[2]  。

對於同一種平板探測器 , 在不同的空間分辨率時 , 其 DQ E是變化的 ; 極限的 DQE 高 , 不等於在任何空間分辨率時 DQ E都高 ^[2]  。DQ E 的計算公式如下 :

DQE =S 2 ×M F T 2 /N SP ×X ×C

S : 信號平均強度 ; M T F : 調製傳遞函數 ; X : X 線曝光強度 ; NPS : 系統噪聲功率譜 ; C : X 線量子係數 ^[2] 

從計算公式中我們可以看到 , 在不同的 M TF 值中對應不同的 DQE , 也就是説在不同的空間分辨率時有不同的 DQE 。間接轉換平板探測器的極限 DQ E 比較高 , 但是隨着空間分辨率的提高 , 其 DQE 下降得較多 ;而直接轉換平板探測器的極限 DQE 不如間接轉換平板探測器的極限 DQ E 高 , 但是隨着空間分辨率的提高 , 其 DQ E 下降比較平緩 , 在高空間分辨率時 , DQE 反而超過了間接轉換的平板探測器 。這種特性説明間接平板探測器在區分組織密度差異的能力較強 ; 而直接轉換的平板探測器在區分細微結構差異的能力較高 ^[2]  。

由於 DQ E 影響了圖像的對比度, 空間分辨率影響圖像對細節的分辨能力 。在攝片中應根據不同的檢查部位來選擇不同類型平板探測器的 D R 。對於象胸部這樣的檢查 , 重點在於觀察和區分不同組織的密度 , 因此對密度分辨率的要求比較高 。在這種情況下 , 宜使用間接轉換平板探測器的 DR , 這樣 DQ E比較高 , 容易獲得較高對比度的圖像 , 更有利於診斷 ; 對於象四肢關節 、乳腺這些部位的檢查 , 需要對細節要有較高的顯像 , 對空間分辨率的要求很高 , 因此宜採用直接轉換平板探測器的DR , 以獲得高空間分辨率的圖像 。絕大多數廠家的數字乳腺機都採用了直接轉換平板探測器, 正是由於乳腺攝片對空間分辨率要求很高 , 而只有直接轉換的平板探測器才可能達到相應的要求 ^[2]  。

判斷平板探測器圖像質量的好壞，通常用調製傳遞函數（MTF）和量子轉換效率(DQE)來衡量。MTF和DQE值高則表明該平板探測器產生的圖像質量能夠達到較好的空間分辨率和密度分辨率 ^[1]  。

影響平板探測器DQE的因素：量子探測效率（DQE）是一種對成像系統信號和噪聲從輸入到輸出的傳輸能力的表達，以百分比表示。DQE反映的是平板探測器的靈敏度、噪聲、X線劑量和密度分辨率。在非晶硅平板探測器中，影響DQE的因素主要有兩個方面：閃爍體的塗層和將可見光轉換成電信號的晶體管 ^[1]  。

首先閃爍體塗層的材料和工藝影響了X線轉換成可見光的能力，所以對DQE會產生影響。常見的閃爍體塗層材料有兩種：碘化銫和硫氧化釓。碘化銫將X線轉換成可見光的能力比硫氧化釓強但成本比較高；將碘化銫加工成柱狀結構，可以進一步提高捕獲X線的能力，並減少散射光。使用硫氧化釓做塗層的探測器成像速率快，性能穩定，成本較低，但是轉換效率不如碘化銫塗層高。其次將閃爍體產生的可見光轉換成電信號的方式也會對DQE產生影響。在碘化銫(或者硫氧化釓) 薄膜晶體管(TFT)這種結構的平板探測器中，因為TFT的陣列可以做成與閃爍體塗層的面積一樣大，所以可見光不需要經過透鏡折射就可以投射到TFT上，中間沒有光子損失，所以DQE也比較高；在非晶硒平板探測器中，X線轉換成電信號完全依賴於非晶硒層產生的電子空穴對，DQE的高低取決於非晶硒層產生電荷能力。總的説來，CsI TFT這種結構的間接轉換平板探測器的極限DQE高於a-Se直接轉換平板探測器的極限DQE。 ^[1] 

對於同一種平板探測器，在不同的空間分辨率時，其DQE是變化的；極限的DQE高，不等於在任何空間分辨率時DQE都高。DQE的計算公式如下：DQE=S2×MFT2/NSP×X×C ^[1] 

S：信號平均強度；MTF：調製傳遞函數；X：X線曝光強度；NPS：系統噪聲功率譜；C：X線量子係數從計算公式中我們可以看到，在不同的MTF值中對應不同的DQE，也就是説在不同的空間分辨率時有不同的DQE ^[1]  。

調製傳遞函數（MTF）是描述系統再現成像物體空間頻率範圍的能力。理想的成像系統要求100%再現成像物體細節，但現實中肯定存在不同程度的衰減，所以MTF始終<1，它説明成像系統不能把輸入的影像全部再現出來，換句話説，凡是經過成像系統所獲得的圖像都不同程度損失了影像的對比度。MTF值越大，成像系統再現成像物體細節能力越強。系統的MTF是必須要測定的。要評價數字X線攝影系統的固有成像質量，必須計算出不受主觀影響的、系統所固有的預採樣MT ^[1]  F。

國際權威機構的測量結果表明，相比於非晶硅平板探測器，非晶硒平板探測器具有最優的MTF值，但空間分辨率增加時，非晶硅平板探測器的MTF迅速下降，而非晶硒平板探測器仍能保持較好的MTF值，這是與非晶硒平板探測器直接將入射的不可見X光光子直接轉換為電信號的成像原理密切相關的 ^[1]  。

因為DQE影響了圖像的相比較度，空間分辨率影響圖像對細節的分辨能力。在攝片中應根據不同的檢查部位來選擇不同類型平板探測器的DR。對於胸部這樣的檢查，重點在於觀察和區別不同組織的密度，所以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，容易獲得較高相比較度的圖像，更有助於診斷；對於四肢關節、乳腺這些部位的檢查，需要對細節有較高的顯像，對空間分辨率的要求很高，所以宜採用非晶硒平板探測器的DR，以獲得高空間分辨率的圖像。絕大部分廠家的數碼乳腺機都採用了非晶硒平板探測器，正是因為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到相應的要求 ^[1]  。

因而可知，不同類型的平板探測器因為材料、結構、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微結構的分辨能力。還沒有一款DQE和空間分辨率都做得很高的平板探測器，所以需要在二者間做一個平衡 ^[1]  。