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一文看懂不同X射線探測(cè)器的區(qū)別

2020-06-13
來(lái)源:OFweek醫(yī)療科技網(wǎng)

    在中國(guó)的醫(yī)療器械市場(chǎng)上,醫(yī)療影像設(shè)備占據(jù)著絕對(duì)的大頭。而在眾多的醫(yī)療影像設(shè)備中,X射線探測(cè)器又占據(jù)著相當(dāng)大的份額。X射線探測(cè)器是CT影像設(shè)備的核心,可以將X射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并最終通過(guò)圖像顯示出來(lái)。X射線探測(cè)器不僅可以用于醫(yī)用領(lǐng)域?qū)颊叩纳眢w狀況進(jìn)行透視檢查,也可以用于工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行損傷檢查。根據(jù)統(tǒng)計(jì),在2018年,全世界X射線探測(cè)器的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了20億美元,其中醫(yī)用X射線探測(cè)器占了市場(chǎng)的三分之二。不過(guò),近兩年來(lái),工業(yè)安防上使用X射線探測(cè)器的份額正在逐年增加,未來(lái)發(fā)展的潛力也越來(lái)越凸顯。

    X射線探測(cè)器的分類

    X射線探測(cè)器從上個(gè)世紀(jì)發(fā)展至今,經(jīng)歷了模擬圖像階段、間接數(shù)字化階段和直接數(shù)字化階段三個(gè)時(shí)期。在模擬圖像階段,X射線探測(cè)器主要通過(guò)膠片、增感屏來(lái)反映X射線的透視狀況,最后洗印出片。到上個(gè)世紀(jì)八十年代至新世紀(jì)之初,間接數(shù)字化階段的X射線探測(cè)器用一塊IP板成像,一次只能存儲(chǔ)一張圖片。最后在直接數(shù)字化階段,不僅存儲(chǔ)圖片的數(shù)量不再受限,成像的速度和質(zhì)量都得到了質(zhì)的飛躍。

    X射線探測(cè)器的工作原理基本都是把X射線的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),通過(guò)計(jì)算投在顯示屏上的電荷量來(lái)計(jì)算所捕獲到的光子數(shù)量,而計(jì)算電荷量進(jìn)而計(jì)算光子量的方式有兩種,根據(jù)方式的不同可以分為積分式探測(cè)器和單光子計(jì)數(shù)式探測(cè)器。顧名思義,前者是用積分的方式計(jì)算,后者是直接計(jì)算一個(gè)個(gè)光子的數(shù)量。后者相比前者,擁有空間分辨率高、具有能量分辨能力和噪聲/能量比較器、接近理想的寬線性范圍、高對(duì)比度和可直接探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。但目前市面上主流的X射線探測(cè)器依然是積分式探測(cè)器。

    現(xiàn)有的X射線探測(cè)器幾乎都是由一個(gè)把X射線的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電二極管和一個(gè)接收電信號(hào)并成像的裝置組成,根據(jù)后者的工作原理不同大致上目前可以分成三個(gè)種類:CCD(電荷耦合器件)、TFT(平板薄膜晶體管)和IGZO(銦鎵鋅氧化物)三個(gè)種類。CCD技術(shù)最早,成本也最低。TFT比較晚,是目前的主流應(yīng)用技術(shù)。IGZO是最晚出現(xiàn)的新技術(shù),也就在近幾年才強(qiáng)勢(shì)進(jìn)入市場(chǎng)。而從光電二極管的工作原理上分,又可以分為非晶硅(a-Si)探測(cè)器、互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)/單晶硅探測(cè)器、非晶硒探測(cè)器和碲化鎘/碲鋅鎘(CdTe/CZT)探測(cè)器等。下面就據(jù)以上分類分別介紹每種探測(cè)器的原理和優(yōu)劣。

    CCD探測(cè)器

    CCD探測(cè)器是以閃爍體或熒光體加光學(xué)鏡頭再加CCD構(gòu)成,閃爍體的作用是將X射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光,再把轉(zhuǎn)換出的可見(jiàn)光通過(guò)CCD轉(zhuǎn)換成電信號(hào),最終成像。因?yàn)椴皇侵苯影裍射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào),所以CCD探測(cè)器嚴(yán)格意義上不是直接數(shù)字化攝影,而是間接數(shù)字化攝影。

    相比于采用TFT陣列開(kāi)關(guān)的探測(cè)器,CCD探測(cè)器工作不需要很嚴(yán)格的低溫環(huán)境,對(duì)溫度適應(yīng)度更廣,而且儀器運(yùn)輸過(guò)程中更震動(dòng)對(duì)其損傷也小,并且TFT在X射線的輻射下會(huì)產(chǎn)生不可逆的損傷,維護(hù)成本更高。但CCD探測(cè)器轉(zhuǎn)換效率相對(duì)更低,并且CCD面積難以做大,在大尺寸X射線探測(cè)器上,用TFT陣列開(kāi)關(guān)更多。

    非晶硅探測(cè)器

    非晶硅探測(cè)器是由閃爍體或熒光體層涂上有光電二極管作用的非晶硅層,再加上一個(gè)TFT陣列組成。它和CCD探測(cè)器的工作原理基本相同,都需要閃爍體將X射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光,再把轉(zhuǎn)換出的可見(jiàn)光通過(guò)光敏元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再通過(guò)TFT陣列開(kāi)關(guān)成像,也是間接數(shù)字化攝影。而將X射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光的過(guò)程也會(huì)存在散射,影響成像的清晰度。但可以通過(guò)將閃爍體加工成針狀以提高對(duì)X線的利用來(lái)降低散射,但散射光對(duì)空間分辨率的影響也不能完全消除。

    根據(jù)其閃爍晶體涂層的材料不同,非晶硅探測(cè)器一般又分為碘化銫(CsI)非晶硅探測(cè)器和硫氧化釓(GOS)非晶硅探測(cè)器兩種主流。這兩種探測(cè)器的成像原理基本一致,但從性能上對(duì)比,碘化銫因?yàn)榫哂嗅槧罹w結(jié)構(gòu),將X射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光的綜合轉(zhuǎn)換效率比硫氧化釓?fù)繉痈?,沖激響應(yīng)的光斑彌散也更小。因此,采用碘化銫作為閃爍體材料,X射線使用劑量更小,成像更清晰。但因?yàn)榱蜓趸復(fù)繉硬恍枰L(zhǎng)時(shí)間的沉積過(guò)程,因此制造工藝簡(jiǎn)單,成本低廉,碘化銫非晶硅探測(cè)器的生產(chǎn)成本比硫氧化釓非晶硅探測(cè)器更高,所以一般情況下,碘化銫非晶硅探測(cè)器更受青睞。

    不過(guò),就在前不久日本東麗公司也推出過(guò)一項(xiàng)新技術(shù),據(jù)相關(guān)報(bào)道稱,該公司的科研人員在硫氧化釓?fù)繉由霞尤肓恕暗诙N熒光層”(second phosphor),可以把350-400納米之間的短波光能夠轉(zhuǎn)換成接近550納米的長(zhǎng)波光,而光電傳感器對(duì)硫氧化釓?fù)繉影l(fā)射光譜中350-400納米的短波光靈敏度較低,對(duì)550納米長(zhǎng)波光則具有較高的靈敏度。因此,它的這項(xiàng)技術(shù)可以將硫氧化釓非晶硅探測(cè)器的成像亮度提高30%,可以達(dá)到與碘化銫非晶硅探測(cè)器的成像效果。而其生產(chǎn)成本又比后者更低,具有相當(dāng)可觀的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

    CMOS/單晶硅探測(cè)器

    互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)/單晶硅探測(cè)器的集成度非常高,將光電二極管陣列、讀出芯片等集成在一塊單晶硅晶圓上。相比于非晶硅探測(cè)器,CMOS探測(cè)器的分辨率更高、圖像噪聲更低、采集速度更快。但由于受到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中晶圓大小的限制,制作大尺寸探測(cè)器需要進(jìn)行拼接,工藝較為復(fù)雜,因此工藝和原材料成本均高于非晶硅探測(cè)器。因此,CMOS探測(cè)器主要應(yīng)用在齒科CBCT領(lǐng)域這種對(duì)小尺寸動(dòng)態(tài)X線影像設(shè)備的需求上。

    非晶硒探測(cè)器

    非晶硒探測(cè)器是將非晶態(tài)硒涂在TFT陣列上構(gòu)成。與非晶硅探測(cè)器相比,它不需要通過(guò)閃爍晶體將X射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光。當(dāng)X射線射入非晶態(tài)硒層時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些電子和空穴在外加偏壓電場(chǎng)作用下會(huì)向著相反的方向移動(dòng)形成電流,電流在TFT積分形成儲(chǔ)存電荷。通過(guò)讀出電荷量,就可以知道每點(diǎn)的X射線劑量。

    因此非晶硒探測(cè)器比非晶硅探測(cè)器是直接的數(shù)字化攝影,可以完全避免X射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光過(guò)程中的散射帶來(lái)的清晰度損失。但其缺陷在于其偏壓電場(chǎng)高達(dá)數(shù)千伏,高壓電場(chǎng)會(huì)對(duì)TFT開(kāi)關(guān)造成損傷,減少使用壽命。并且生產(chǎn)成本也比非晶硅探測(cè)器更高。

    碲化鎘/碲鋅鎘探測(cè)器

    碲化鎘/碲鋅鎘探測(cè)器的工作原理和非晶硒探測(cè)器的工作原理完全一樣,就是把非晶態(tài)硒涂層換成碲化鎘涂層,或在碲化鎘中加入少量的鋅做成碲鋅鎘涂層,碲化鎘探測(cè)器比碲鋅鎘探測(cè)器成本更低,更適合大批量生產(chǎn)和可重復(fù)性。與非晶硅、非晶硒探測(cè)器相比,它最大的優(yōu)點(diǎn)在于非晶硅、非晶硒探測(cè)器一般要在低溫環(huán)境下使用,而碲化鎘/碲鋅鎘探測(cè)器則可以在普通室溫環(huán)境中使用,可以用于對(duì)環(huán)境要求不高的環(huán)境監(jiān)測(cè)、天體物理研究等領(lǐng)域。但缺陷在于碲化鎘的晶體最大尺寸只有3英寸,因此也只能用于小尺寸的探測(cè)器上面。

    IGZO探測(cè)器

    IGZO探測(cè)器就是把上述的幾種帶TFT陣列開(kāi)關(guān)的探測(cè)器中的TFT陣列開(kāi)關(guān)換成了IGZO傳感器陣列。簡(jiǎn)單地說(shuō)TNF的作用就是夠提升顯示屏幕的反應(yīng)速度和精確控制畫面灰度。TFT是由非晶硅薄膜晶體管制成,但隨著顯示器尺寸的不斷增大,非晶硅薄膜晶體管會(huì)出現(xiàn)了電子遷移率不足、均一性差、占用像素面積等缺陷,導(dǎo)致透光率降低。用由銦、鎵、鋅三種金屬元素組成的IGZO傳感器陣列相比TFT陣列,晶體尺寸更小、全透明,可以使設(shè)備更輕薄,并對(duì)可見(jiàn)光不敏感,提高了亮度,又降低了功耗。另外,IGZO的電子遷移率與臨界電壓飄移幾乎一致,比TFT陣列提升了20至50倍。既能大面積制造有更高的采集速度及更低的噪聲。

    鈣鈦礦探測(cè)器

    在最新的探測(cè)器技術(shù)方面,鈣鈦礦材料的應(yīng)用可能是未來(lái)X射線探測(cè)器的一個(gè)重要突破方向。鈣鈦礦是特定類型的周期性晶體結(jié)構(gòu)的總稱,主要是由銀、鉍等重元素組成,目前最受青睞的是Cs2AgBiBr6材料。由于這種材料能夠結(jié)合銀、鉍兩個(gè)重原子核,因此具有出色的電荷形成和傳輸性能,是替代非晶硒、碲化鎘和碲鋅鎘等材料,實(shí)現(xiàn)X射線直接轉(zhuǎn)換的理想材料選擇。

    各種X射線探測(cè)器的市場(chǎng)狀況

    非晶硅探測(cè)器以其相對(duì)低廉的成本、較高的成像質(zhì)量、較長(zhǎng)的使用壽命和適用大批量生產(chǎn)在X射線探測(cè)器市場(chǎng)上占據(jù)最大的份額,CMOS探測(cè)器則以其小而精的特性在小尺寸的X射線探測(cè)器中也占據(jù)主流。美國(guó)Varex、法國(guó) Trixell則是平板探測(cè)器領(lǐng)域的兩大巨頭,兩家合計(jì)占據(jù)了全世界一半左右的市場(chǎng)。

    目前X射線探測(cè)器的主流是積分式探測(cè)器,但單光子計(jì)數(shù)技術(shù)是目前X射線探測(cè)器的一個(gè)重要發(fā)展方向。在這個(gè)領(lǐng)域,美國(guó)的Varex公司也做了布局,收購(gòu)了在單光子計(jì)數(shù)技術(shù)很有優(yōu)勢(shì)的Direct Conversion公司。另外,芬蘭的Detection Technology也收購(gòu)致力于單光子計(jì)數(shù)方面研究的MultiX公司。預(yù)計(jì)未來(lái)單光子計(jì)數(shù)將不再是前沿技術(shù)層面的東西,而會(huì)被很快得到商業(yè)化。

    在IGZO探測(cè)器方面,在2019年開(kāi)始逐漸得到商業(yè)化,美國(guó)的Varex、韓國(guó)的Rayence和中國(guó)的奕瑞(iRay)都推出了IGZO探測(cè)器產(chǎn)品。在下一輪的X射線探測(cè)器的競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中,除了新材料的應(yīng)用之外,人工智能可能是新的勝負(fù)手。因?yàn)楣庾V成像涉及大量數(shù)據(jù)的處理,通過(guò)結(jié)合人工智能,可以更快速、精確地得到圖像。

    

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