平板探测器

一种精密和贵重的设备

平板探测器是一种精密和贵重的设备，对成像质量起着决定性的作用，熟悉探测器的性能指标有助于提高成像质量和减少X线辐射剂量。

背景

数字化X线摄影（Digital Radiography，简称DR），是上世纪90年代发展起来的X线摄影新技术，以其更快的成像速度、更便捷的操作、更高的成像分辨率等显著优点，成为数字X线摄影技术的主导方向，并得到世界各国的临床机构和影像学专家认可。DR的技术核心是平板探测器，平板探测器是一种精密和贵重的设备，对成像质量起着决定性的作用，熟悉探测器的性能指标有助于我们提高成像质量和减少X线辐射剂量。

基本构成和原理

非晶硒平板探测器

非晶硒（a-Se）为直接式平板探测器结构，主要由集电矩阵、硒层、电介层、顶层电极和保护层等构成。集电矩阵由按阵元方式排列的薄膜晶体管（TFT）组成。非晶硒半导体材料在薄膜晶体管阵列上方通过真空蒸镀生成约0.5 mm厚、38 mm×45 mm见方的薄膜，它对X线很敏感，并有很高的图像解析能力。

顶层电极接高压电源，当有X线入射时，由于高压电源在非晶硒表面形成的电场，它们只能沿电场方向垂直穿过绝缘层、X射线半导体、电子封闭层，到达非晶硒，不会出现横向偏离从而出现光的散射。非晶硒阵列直接将X射线转变成电信号，记忆在存储电容器里，脉冲控制门电路使薄膜晶体管导通，把记忆在存储电容器里的电荷送达电荷放大器输出，完成光电信号的转换，再经数字转换器转换，形成数字图像输入计算机，并由计算机将该影像还原在监视器上由医生观察监视器直接诊断。

非晶硅平板探测器

非晶硅平板探测器为间接数字化X线成像，其基本结构为表面是一层闪烁体材料（碘化铯或硫氧化钆），再下一层是以非晶体硅为材料的光电二极管电路，最底层为电荷读出电路。

位于探测器表面的闪烁体将透过人体后衰减的X线转换为可见光，闪烁体下的非晶硅光电二极管阵列又将可见光转换为电信号，在光电二极管自身的电容上形成存储电荷，每个像素的存储电荷量与入射X线强度成正比，在控制电路的作用下，扫描读出各个像素的存储电荷，经A/D转换后输出数字信号，传送给计算机进行图像处理从而形成X线数字影像。

平板探测器的主要类型

DR 平板探测器从能量转换的方式可以分为两种 :间接转换平板探测器( indirect FPD)和直接转换平板探测器( directFPD)。

间接转换平板探测器

间接转换平板探测器由碘化铯等闪烁晶体涂层与薄膜晶体管( Thi n Film T ransistor , T FT)或电荷耦合器件( C hargeC oupling Device , C CD)或互补型金属氧化物半导体( Com plem en tary M etal Oxide S em i -Conductor , CM OS)构成。间接转换平板探测器的工作过程一般分为两步 , 首先闪烁晶体涂层将 X 线的能量转换成可见光 ;其次 TF T 或者C CD , 或 C MO S 将可见光转换成电信号。由于在这过程中可见光会发生散射 , 对空间分辨率产生一定的影响。虽然新工艺中将闪烁体加工成柱状以提高对 X 线的利用及降低散射 ,但散射光对空间分辨率的影响不能完全消除。

直接转换平板探测器

直接转换平板探测器主要由非晶硒层 (Am orph ou s S elenium , a -S e ) T FT 构成。入射的 X 射线使硒层产生电子空穴对, 在外加偏压电场作用下 , 电子和空穴对向相反的方向移动形成电流 , 电流在薄膜晶体管中形成储存电荷。每一个晶体管的储存电荷量对应于入射 X 射线的剂量 , 通过读出电路可以知道每一点的电荷量 ,进而知道每点的 X 线剂量。由于非晶硒不产生可见光 , 没有散射线的影响 , 因此可以获得比较高的空间分辨率。

不同平板探测器的比较

评价平板探测器成像质量的性能指标主要有两个 : 量子探测效率 ( Detective Q uantum E fficiency , DQE)和空间分辨率。 DQ E 决定了平板探测器对不同组织密度差异的分辨能力 ;而空间分辨率决定了对组织细微结构的分辨能力。考察 DQ E和空间分辨率可以评估平板探测器的成像能力。

在间接转换的平板探测器中 , 影响 DQE 的因素主要有两个方面 : 闪烁体的涂层和将可见光转换成电信号的晶体管。

首先闪烁体涂层的材料和工艺影响了 X 线转换成可见光的能力 , 因此对 DQ E 会产生影响。常见的闪烁体涂层材料有两种 : 碘化铯 (C sI ) 和硫氧化钆 (Gd2O 2S )。碘化铯将 X线转换成可见光的能力比硫氧化钆强但成本比较高 ; 将碘化铯加工成柱状结构 , 可以进一步提高捕获 X 线的能力 , 并减少散射光。使用硫氧化钆做涂层的探测器成像速度快 , 性能稳定 , 成本较低 , 但是转换效率不如碘化铯涂层高。

其次将闪烁体产生的可见光转换成电信号的方式也会对DQ E 产生影响。在碘化铯 ( 或者硫氧化钆) +薄膜晶体管( T FT)这种结构的平板探测器中, 由于 TF T 的阵列可以做成与闪烁体涂层的面积一样大 , 因此可见光不需要经过透镜折射就可以投射到 TF T 上 , 中间没有可以光子损失 , 因此 DQE 也比较高 ; 在碘化铯 (CsI )+CCD( 或者 CM OS) 这种结构的平板探测器中 , 由于 C CD( 或者 C M OS)的面积不能做到与闪烁体涂层一样大 , 所以需要经过光学系统折射、反射后才能将全部影像投照到 C CD( 或者 C M OS)上 , 这过程使光子产生了损耗 , 因此 DQE 比较低。

直接转换平板探测器中 , X 线转换成电信号完全依赖于非晶硒层产生的电子空穴对, DQ E 的高低取决于非晶硒层产生电荷能力。总的说来 ,C sI +T FT 这种结构的间接转换平板探测器的极限 DQE 高于 a -Se 直接转换平板探测器的极限DQ E 。

在直接转换平板探测器中 , 由于没有可见光的产生 , 不发生散射 , 空间分辨率取决于单位面积内薄膜晶体管矩阵大小。矩阵越大薄膜晶体管的个数越多 , 空间分辨率越高 , 随着工艺的提高可以做到很高的空间分辨率。

在间接转换的平板探测器中 , 由于可见光的产生 , 存在散射现象 , 空间分辨率不仅仅取决于单位面积内薄膜晶体管矩阵大小 , 而且还取决于对散射光的控制技术。总的说来 ,间接转换平板探测器的空间分辨率不如直接转换平板探测器的空间分辨率高。

量子探测效率( DQE) 与空间分辨率的关系

对于同一种平板探测器 , 在不同的空间分辨率时 , 其 DQ E是变化的 ; 极限的 DQE 高 , 不等于在任何空间分辨率时 DQ E都高。DQ E 的计算公式如下 :

DQE =S 2 ×M F T 2 /N SP ×X ×C

S : 信号平均强度 ; M T F : 调制传递函数 ; X : X 线曝光强度 ; NPS : 系统噪声功率谱 ; C : X 线量子系数

从计算公式中我们可以看到 , 在不同的 M TF 值中对应不同的 DQE , 也就是说在不同的空间分辨率时有不同的 DQE 。间接转换平板探测器的极限 DQ E 比较高 , 但是随着空间分辨率的提高 , 其 DQE 下降得较多 ;而直接转换平板探测器的极限 DQE 不如间接转换平板探测器的极限 DQ E 高 , 但是随着空间分辨率的提高 , 其 DQ E 下降比较平缓 , 在高空间分辨率时 , DQE 反而超过了间接转换的平板探测器。这种特性说明间接平板探测器在区分组织密度差异的能力较强 ; 而直接转换的平板探测器在区分细微结构差异的能力较高。

不同类型的平板探测器在临床上的应用

由于 DQ E 影响了图像的对比度, 空间分辨率影响图像对细节的分辨能力。在摄片中应根据不同的检查部位来选择不同类型平板探测器的 D R 。对于象胸部这样的检查 , 重点在于观察和区分不同组织的密度 , 因此对密度分辨率的要求比较高。在这种情况下 , 宜使用间接转换平板探测器的 DR , 这样 DQ E比较高 , 容易获得较高对比度的图像 , 更有利于诊断 ; 对于象四肢关节、乳腺这些部位的检查 , 需要对细节要有较高的显像 , 对空间分辨率的要求很高 , 因此宜采用直接转换平板探测器的DR , 以获得高空间分辨率的图像。绝大多数厂家的数字乳腺机都采用了直接转换平板探测器, 正是由于乳腺摄片对空间分辨率要求很高 , 而只有直接转换的平板探测器才可能达到相应的要求。

影响图像质量的主要性能参数

判断平板探测器图像质量的好坏，通常用调制传递函数（MTF）和量子转换效率(DQE)来衡量。MTF和DQE值高则表明该平板探测器产生的图像质量能够达到较好的空间分辨率和密度分辨率。

影响平板探测器DQE的因素：量子探测效率（DQE）是一种对成像系统信号和噪声从输入到输出的传输能力的表达，以百分比表示。DQE反映的是平板探测器的灵敏度、噪声、X线剂量和密度分辨率。在非晶硅平板探测器中，影响DQE的因素主要有两个方面：闪烁体的涂层和将可见光转换成电信号的晶体管。

首先闪烁体涂层的材料和工艺影响了X线转换成可见光的能力，所以对DQE会产生影响。常见的闪烁体涂层材料有两种：碘化铯和硫氧化钆。碘化铯将X线转换成可见光的能力比硫氧化钆强但成本比较高；将碘化铯加工成柱状结构，可以进一步提高捕获X线的能力，并减少散射光。使用硫氧化钆做涂层的探测器成像速率快，性能稳定，成本较低，但是转换效率不如碘化铯涂层高。其次将闪烁体产生的可见光转换成电信号的方式也会对DQE产生影响。在碘化铯(或者硫氧化钆) 薄膜晶体管(TFT)这种结构的平板探测器中，因为TFT的阵列可以做成与闪烁体涂层的面积一样大，所以可见光不需要经过透镜折射就可以投射到TFT上，中间没有光子损失，所以DQE也比较高；在非晶硒平板探测器中，X线转换成电信号完全依赖于非晶硒层产生的电子空穴对，DQE的高低取决于非晶硒层产生电荷能力。总的说来，CsI TFT这种结构的间接转换平板探测器的极限DQE高于a-Se直接转换平板探测器的极限DQE。

对于同一种平板探测器，在不同的空间分辨率时，其DQE是变化的；极限的DQE高，不等于在任何空间分辨率时DQE都高。DQE的计算公式如下：DQE=S2×MFT2/NSP×X×C

S：信号平均强度；MTF：调制传递函数；X：X线曝光强度；NPS：系统噪声功率谱；C：X线量子系数从计算公式中我们可以看到，在不同的MTF值中对应不同的DQE，也就是说在不同的空间分辨率时有不同的DQE。

调制传递函数对图像质量的影响

调制传递函数（MTF）是描述系统再现成像物体空间频率范围的能力。理想的成像系统要求100%再现成像物体细节，但现实中肯定存在不同程度的衰减，所以MTF始终<1，它说明成像系统不能把输入的影像全部再现出来，换句话说，凡是经过成像系统所获得的图像都不同程度损失了影像的对比度。MTF值越大，成像系统再现成像物体细节能力越强。系统的MTF是必须要测定的。要评价数字X线摄影系统的固有成像质量，必须计算出不受主观影响的、系统所固有的预采样MTF。

国际权威机构的测量结果表明，相比于非晶硅平板探测器，非晶硒平板探测器具有最优的MTF值，但空间分辨率增加时，非晶硅平板探测器的MTF迅速下降，而非晶硒平板探测器仍能保持较好的MTF值，这是与非晶硒平板探测器直接将入射的不可见X光光子直接转换为电信号的成像原理密切相关的。

不同类型的平板探测器在临床上的应用

因为DQE影响了图像的相比较度，空间分辨率影响图像对细节的分辨能力。在摄片中应根据不同的检查部位来选择不同类型平板探测器的DR。对于胸部这样的检查，重点在于观察和区别不同组织的密度，所以对密度分辨率的要求比较高。在这种情况下，宜使用非晶硅平板探测器的DR，这样DQE比较高，容易获得较高相比较度的图像，更有助于诊断；对于四肢关节、乳腺这些部位的检查，需要对细节有较高的显像，对空间分辨率的要求很高，所以宜采用非晶硒平板探测器的DR，以获得高空间分辨率的图像。绝大部分厂家的数码乳腺机都采用了非晶硒平板探测器，正是因为乳腺摄片对空间分辨率要求很高，而只有非晶硒平板探测器才可能达到相应的要求。

因而可知，不同类型的平板探测器因为材料、结构、工艺的不同而造成DQE和空间分辨率的差异。DQE影响了对组织密度差异的分辨能力；而空间分辨率影响了对细微结构的分辨能力。还没有一款DQE和空间分辨率都做得很高的平板探测器，所以需要在二者间做一个平衡。

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