孫智勇 孟昭陽 金玉博 遼寧省醫(yī)療器械檢驗檢測院 （遼寧沈陽 110179）

內(nèi)容提要：簡要介紹不同X射線影像探測器現(xiàn)狀以及影像質(zhì)量的客觀評估方法DQE。同時，選取市場上的主流產(chǎn)品進(jìn)行測試與比較。

目前市場上，采用碘化銫（CsI）或者硫氧化釓（GOS）閃爍材料的非晶硅平板探測器是最為主流的數(shù)字X射線影像設(shè)備。近三十年來，間接式的基于閃爍材料+非晶硅TFT面板的平板探測器已經(jīng)獲得了長足的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)十分的成熟、穩(wěn)定，形成了從傳感器面板到探測器設(shè)計、制造商，再到平板DR制造商的完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在X射線影像設(shè)備領(lǐng)域，間接式平板探測器已經(jīng)成為主流，在世界各地所有的醫(yī)學(xué)影像和工業(yè)檢測領(lǐng)域，都已占據(jù)市場主導(dǎo)地位。

如何比較多年以來先后出現(xiàn)的不同的X射線影像技術(shù)呢？一個較客觀且被廣泛DR廠家及影像學(xué)家所接受的方法是評價探測器的DQE（Detective Quantum Eきciency）。DQE可以簡單的描述為一個探測器輸出信號的信噪比與輸入信號的信噪比之比的平方。一個探測器實質(zhì)上是一個將原始輸入X射線影像經(jīng)過多次的信號轉(zhuǎn)換，最終輸出一個數(shù)字或者模擬圖像的系統(tǒng)。一個探測器系統(tǒng)又可分解為多級的“子探測器”的級聯(lián)，每一級“子探測器”都可以定義一個DQE，而整個探測器的DQE就是其所有“子探測器”DQE的積。

1.不同類型平板探測器的介紹

1.1 非晶硅

近三十年，間接式平板探測器技術(shù)已經(jīng)十分成熟、穩(wěn)定，占據(jù)了市場的主導(dǎo)地位。其原理是通過將閃爍材料（如碘化銫或硫氧化釓等）與非晶硅TFT+PIN（p-i-n結(jié)構(gòu)的光電二極管）耦合。當(dāng)X射線入射時，閃爍材料的原子或分子的內(nèi)層電子被X射線激發(fā)后返回原有狀態(tài)時會以可見光光子的形式釋放能量?？梢姽夤庾油ㄟ^光電作用在PIN中產(chǎn)生電子-空穴對，其中的電子隨著X射線劑量的累積而線性累積。X射線曝光完成后，累計的電子通過TFT開關(guān)，經(jīng)過電荷放大和AD轉(zhuǎn)換，逐行讀出而成為圖像。

1.2 非晶硒

半導(dǎo)體材料的X射線探測器，即Photoconductor的探測器相比非晶硅平板探測器，省略了閃爍層，減少了將X射線信號先轉(zhuǎn)化為可見光信號的步驟，因此也叫做直接式的探測器。非晶硒的平板探測器，由于像素可以做的較小，且因為直接轉(zhuǎn)化，圖像品質(zhì)相對于間接式平板探測器更為優(yōu)異，因而在數(shù)字乳腺X射線攝影中獲得了巨大的成功。

然而，非晶硒平板探測器壽命較短，對環(huán)境要求較高，相比于非晶硅平板其技術(shù)還不夠成熟，其主要應(yīng)用于數(shù)字乳腺X射線攝影。以非晶硒平板探測器為代表的直接式平板探測器，由于影像鏈的縮短，的確提供了更加優(yōu)質(zhì)的圖像。然而直接式平板探測器還需要解決穩(wěn)定性的工藝問題，才可能得到更加廣泛的應(yīng)用。

1.3 CMOS探測器

其原理與非晶硅平板探測器類似，只是成像的面陣換成了CMOS傳感器。使用了放大電路的CMOS探測器，電子噪聲大大降低，使得低劑量下圖像質(zhì)量相比于非晶硅平板探測器有了顯著的提升。另外，CMOS探測器由于單晶硅電子遷移率遠(yuǎn)高于非晶硅，因此圖像讀取速度也相比非晶硅大大提高。鑒于這些優(yōu)異的特性，CMOS探測器在一些領(lǐng)域如牙科CBCT已經(jīng)獲得了相當(dāng)大的市場份額。

然而，CMOS探測器還面臨兩個瓶頸：①單晶硅的耐輻射問題，有的CMOS廠商宣稱已經(jīng)解決，但還有待市場驗證；②更主要的問題是，CMOS晶圓面積有限（目前較成熟的且成本可控的只是8寸晶圓），即使拼接多塊CMOS Sensor，也難以超過30cm×40cm的面積。對于醫(yī)學(xué)影像最常用的43cm×43cm，或35cm×43cm來說，都太小了，無法應(yīng)用。這兩個瓶頸導(dǎo)致了CMOS傳感器在很長一段時間內(nèi)還是無法取代非晶硅平板探測器。

2.DQE測試結(jié)果（選用CsI、GOS、GOS+的測試）

接下來選取市場上主流的三款探測器進(jìn)行測試和比較。這三款探測器，除了閃爍材料不同以外（一種為CsI，一種為常見的GOS（DRZ+），第三種為比DRZ+更為致密的GOS，命名為GOS+）。

2.1 CsI

2.1.1 MTF

測試劑量：0.8μGy、2.0μGy、8.4μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測試結(jié)果見圖1和圖2。

2.1.2 DQE

測試劑量：0.8μGy、2.0μGy、8.4μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測試結(jié)果見圖3和圖4。

2.2 GOS

2.2.1 MTF

測試劑量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測試結(jié)果見5和圖6。

2.2.2 DQE

測試劑量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測試結(jié)果見圖7和圖8。

圖1. X軸向MTF曲線

圖2. Y軸向MTF曲線

圖3. X軸向DQE曲線

圖4. Y軸向DQE曲線

2.3 GOS+

2.3.1 MTF

測試劑量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測試結(jié)果見圖9和圖10。

2.3.2 DQE

測試劑量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測試結(jié)果見圖11和圖12。

圖5. X軸向MTF曲線

圖6. Y軸向MTF曲線

圖7. X軸向DQE曲線

圖8. Y軸向DQE曲線

圖9. X軸向MTF曲線

圖10. Y軸向MTF曲線

圖11. X軸向DQE曲線

圖12. Y軸向DQE曲線

3.小結(jié)

從以上的測試結(jié)果可以看出，在相同條件下CsI的DQE的值要大于GOS的DQE值。此測試結(jié)果與第2.1節(jié)的理論分析結(jié)果是一致的，即在相同的探測器條件下（相同大小的像素，相同的電路附加噪聲，相同的劑量等），一般來說，CsI探測器的性能要明顯優(yōu)于GOS。