平板探測器

評價平板探測器成像質(zhì)量的性能指標(biāo)主要有兩個 : 量子探測效率 ( 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(xì)微結(jié)構(gòu)的分辨能力 ?？疾?DQ E和空間分辨率可以評估平板探測器的成像能力 。

在間接轉(zhuǎn)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 DQ E 會產(chǎn)生影響 。目前常見的閃爍體涂層材料有兩種 : 碘化銫 (C sI ) 和硫氧化釓 (Gd2O 2S )。 碘化銫將 X線轉(zhuǎn)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(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DQ E 產(chǎn)生影響 。在碘化銫 ( 或者硫氧化釓) +薄膜晶體管( T FT)這種結(jié)構(gòu)的平板探測器中, 由于 TF T 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 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(jié)構(gòu)的平板探測器中 , 由于 C CD( 或者 C M OS)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 C CD( 或者 C M OS)上 , 這過程使光子產(chǎn)生了損耗 , 因此 DQE 比較低 。

直接轉(zhuǎn)換平板探測器中 , 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, DQ E 的高低取決于非晶硒層產(chǎn)生電荷能力 。總的說來 ,C sI +T FT 這種結(jié)構(gòu)的間接轉(zhuǎn)換平板探測器的極限 DQE 高于 a -Se 直接轉(zhuǎn)換平板探測器的極限D(zhuǎn)Q E 。

在直接轉(zhuǎn)換平板探測器中 , 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 。

在間接轉(zhuǎn)換的平板探測器中 , 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 。

對于同一種平板探測器 , 在不同的空間分辨率時 , 其 DQ E是變化的 ; 極限的 DQE 高 , 不等于在任何空間分辨率時 DQ E都高 。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(diào)制傳遞函數(shù) ; X : X 線曝光強度 ; NPS : 系統(tǒng)噪聲功率譜 ; C : X 線量子系數(shù)

從計算公式中我們可以看到 , 在不同的 M TF 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 。間接轉(zhuǎn)換平板探測器的極限 DQ E 比較高 , 但是隨著空間分辨率的提高 , 其 DQE 下降得較多 ;而直接轉(zhuǎn)換平板探測器的極限 DQE 不如間接轉(zhuǎn)換平板探測器的極限 DQ E 高 , 但是隨著空間分辨率的提高 , 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(zhuǎn)換的平板探測器 。這種特性說明間接平板探測器在區(qū)分組織密度差異的能力較強 ; 而直接轉(zhuǎn)換的平板探測器在區(qū)分細(xì)微結(jié)構(gòu)差異的能力較高 。

數(shù)字化X線攝影(Digital Radiography，簡稱DR)，是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的X線攝影新技術(shù)，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(yōu)點，成為數(shù)字X線攝影技術(shù)的主導(dǎo)方向，并得到世界各國的臨床機構(gòu)和影像學(xué)專家認(rèn)可。DR的技術(shù)核心是平板探測器，平板探測器是一種精密和貴重的設(shè)備，對成像質(zhì)量起著決定性的作用，熟悉探測器的性能指標(biāo)有助于我們提高成像質(zhì)量和減少X線輻射劑量 。

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

間接轉(zhuǎn)換平板探測器

間接轉(zhuǎn)換平板探測器由碘化銫等閃爍晶體涂層與薄膜晶體管( 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(dǎo) 體( Com plem en tary M etal Oxide S em i -Conductor , CM OS)構(gòu)成 。間接轉(zhuǎn)換平板探測器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 TF T 或者C CD , 或 C MO S 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 。

直接轉(zhuǎn)換平板探測器

直接轉(zhuǎn)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(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的電荷量 ,進(jìn)而知道每點的 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 。

判斷平板探測器圖像質(zhì)量的好壞，通常用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)和量子轉(zhuǎn)換效率(DQE)來衡量。MTF和DQE值高則表明該平板探測器產(chǎn)生的圖像質(zhì)量能夠達(dá)到較好的空間分辨率和密度分辨率 。

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(tǒng)信號和噪聲從輸入到輸出的傳輸能力的表達(dá)，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，所以對DQE會產(chǎn)生影響。目前常見的閃爍體涂層材料有兩種:碘化銫和硫氧化釓。碘化銫將X線轉(zhuǎn)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(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率快，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，因為TFT的陣列可以做成與閃爍體涂層的面積一樣大，所以可見光不需要經(jīng)過透鏡折射就可以投射到TFT上，中間沒有光子損失，所以DQE也比較高;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，DQE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。

對于同一種平板探測器，在不同的空間分辨率時，其DQE是變化的;極限的DQE高，不等于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

S:信號平均強度;MTF:調(diào)制傳遞函數(shù);X:X線曝光強度;NPS:系統(tǒng)噪聲功率譜;C:X線量子系數(shù)從計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 。

調(diào)制傳遞函數(shù)對圖像質(zhì)量的影響

調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)是描述系統(tǒng)再現(xiàn)成像物體空間頻率范圍的能力。理想的成像系統(tǒng)要求100%再現(xiàn)成像物體細(xì)節(jié)，但現(xiàn)實中肯定存在不同程度的衰減，所以MTF始終<1，它說明成像系統(tǒng)不能把輸入的影像全部再現(xiàn)出來，換句話說，凡是經(jīng)過成像系統(tǒng)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(tǒng)再現(xiàn)成像物體細(xì)節(jié)能力越強。系統(tǒng)的MTF是必須要測定的。要評價數(shù)字X線攝影系統(tǒng)的固有成像質(zhì)量，必須計算出不受主觀影響的、系統(tǒng)所固有的預(yù)采樣MT F。

國際權(quán)威機構(gòu)的測量結(jié)果表明，相比于非晶硅平板探測器，非晶硒平板探測器具有最優(yōu)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(zhuǎn)換為電信號的成像原理密切相關(guān)的 。

目前的平板探測器 CT 系統(tǒng)主要有兩種幾何結(jié)構(gòu) :錐束系統(tǒng)和半錐束系統(tǒng) 。

錐束系統(tǒng)

錐束系統(tǒng)的應(yīng)用比較廣泛 , 主要用于兩個方向 :醫(yī)學(xué)檢查和工業(yè)無損檢測 。由這兩個應(yīng)用方向的特點不同 , 通常它們分別使用兩種不同的機械結(jié)構(gòu) :機架式結(jié)構(gòu)和立式結(jié)構(gòu) 。但這不是絕對的 , 立式結(jié)構(gòu)在醫(yī)學(xué)檢查中也有少量應(yīng)用 。

機架式平板探測器C T 系統(tǒng)

機架式平板探測器 CT 系統(tǒng)是在普通醫(yī)用 C T系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造而成的。這種系統(tǒng)使用現(xiàn)有醫(yī)用 CT 機的機械設(shè)備 、 X光源和控制系統(tǒng) , 僅將原有的探測器更換為平板探測器 , 修改了控制軟件和重建軟件 。由于目前醫(yī)用C T 機已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品 , 架構(gòu)這樣的系統(tǒng)比較方便 。另外 , 由于 CT 最廣泛的應(yīng)用還是在醫(yī)學(xué)中 ,而機架式的幾何結(jié)構(gòu)最適合于醫(yī)學(xué)檢查使用 , 因此這種幾何結(jié)構(gòu)的平板探測器 C T 系統(tǒng)在目前研究中的使用也比較多 。

立式平板探測器 CT 系統(tǒng)

立式平板探測器 C T 系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu), 這種系統(tǒng)的射線源和探測器都是固定的 , 而將待測物置于一個可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺上由于這種幾何結(jié)構(gòu)需要旋轉(zhuǎn)被測物 , 所以不大適合用于醫(yī)學(xué)檢查 , 但在工件的無損檢測中則非常適用 , 立式結(jié)構(gòu)可以檢查質(zhì)量很大的工件且有著很好的幾何位置穩(wěn)定性 。

錐束系統(tǒng)中散射射線的影響

CT 系統(tǒng)中不可避免地會有散射射線的影響 ,錐束系統(tǒng)的應(yīng)用通常要求較高的成像質(zhì)量 , 因此必須設(shè)法消除散射的影響 。散射包括背散射和來自物體的散射 , 背散射的影響通常可以通過安裝吸收屏基本消除 , 來自待測物的散射通常是使用探測器前加準(zhǔn)直器的方法抑制 , 本文中提到的 "散射" 如無特殊說明則指來自待測物的散射 。線陣探測器僅受一維的散射影響 , 安裝準(zhǔn)直器就能達(dá)到較好的散射抑制 , 但平板探測器的散射是二維的 , 影響比線陣探測器要大得多 。目前對散射的影響已經(jīng)有了許多研究工作 , 主要研究問題有兩個:如何評估探測器接受到的數(shù)據(jù)中散射射線的多少如何在重建的圖像中盡量減小散射射線的影響 。

錐形束噪聲的影響

經(jīng)驗和理論上平板錐束 CT 系統(tǒng)的噪聲性能的研究應(yīng)包括體素噪聲 、 噪聲功率譜 ( NPS)、 探測量子效率 ( DQE)。J . H . Siewerdsen 和 D . A . Jaffray 提出將表現(xiàn) 2 維圖像特征的 NPS 分析方法完全擴展到 3 維的情況[ 20] , 并提出了 n 維時 NPS 分析的通用框架 , 包括了在系統(tǒng)線性性和穩(wěn)定性限制下NPS 收斂性和歸一化的重要考慮。系統(tǒng)的噪聲導(dǎo)致了最終重建圖像質(zhì)量的下降 ,如何減小圖像中噪聲的影響是一個很有意義的問題 。N . Nakamo ri 等人使用小波分析的方法去除噪聲影響取得了很好的效果。他們的初步實驗結(jié)果表明使用小波分析去除噪聲的方法在不降低 CT圖像質(zhì)量的情況下可以將劑量降至 1/10 以下 。

半錐束平板探測器CT 系統(tǒng)

半錐束平板探測器 CT 系統(tǒng)用于乳腺成像檢查 , 這是一項新興的技術(shù)。待檢查的患者俯臥在平臺上, 而 X射線源和平板探測器在平臺下方旋轉(zhuǎn)。來自射線源的 X 射線經(jīng)過準(zhǔn)直產(chǎn)生半錐形的射線束, 因此不能直接使用錐束重建算法, B .Chen 等人對此提出了修正的公式。半錐束型系統(tǒng)中同樣存在著散射和噪聲的影響 , 但是由于這種系統(tǒng)的用途是進(jìn)行乳腺檢查 , 目前的試驗結(jié)果表明在沒有進(jìn)行散射和噪聲影響校正時成像質(zhì)量已經(jīng)可以滿足要求, 在這種系統(tǒng)中一個很重要的考慮是如何在保證圖像質(zhì)量的前提下減少射線劑量 。

DR 技術(shù)的核心在 X-線探測平板和采像處理計算機。DR 平板 (flat panel) 有三種技術(shù):

1. a-Si (一種硅平板探測器) -- 目前世界上主要領(lǐng)先廠家都用這種技術(shù)，包括 GE、西門子、飛利浦、柯達(dá)等。國內(nèi)萬東也引進(jìn)了這種技術(shù)。

2. a-Se (非晶硒平板探測器) -- 目前世界上只有 Hologic 一個家用此技術(shù)，Agfa、國內(nèi)友通等廠家 OEM 這種探測器。

3. CCD -- 世界上還有幾個廠家用此技術(shù)如 Swissray (DDR 也許是他們叫起來的)

他們的目的是相同 -- 即不用中間介質(zhì)直接拍出數(shù)字 X-光像。專家們普遍認(rèn)為大面積平板采像 CCD 技術(shù)不勝任。剩下兩種技術(shù)各有優(yōu)越性:

1. a-Si 平板是兩步數(shù)字轉(zhuǎn)換過程，X-光粒子先變成可見光然后用光電管探測。醫(yī)生們覺得出來圖像比較好看。

2. a-Se 是在一種所謂直接探測過程，X-光子在硒涂料層變成電信號被探測。廠家 (Hologic) 認(rèn)為沒有轉(zhuǎn)換能量損失，是發(fā)展方向 (但是 GE、西門子、飛利浦不同意)。

為了簡單的描述DR技術(shù)的基礎(chǔ)，讓每個普通顧客都能理解，我們可以把DR技術(shù)比作成個人照相機。過去，消費者需要裝一卷膠片，而且不能有效地控制、刪除或者查看所拍的照片。照片拍好后，膠片需要使用很多化學(xué)原料經(jīng)過一長串的處理，最后以膠片形式保存下來以備后用。而引入數(shù)字技術(shù)后，在拍完幾秒鐘后就可以查看所拍的照片而且也可以以電子形式傳送與家人、朋友分享。這些過程完全沒有環(huán)境污染，也不需要昂貴的化學(xué)原料和麻煩的膠片保存。

DR(Digital Radiography)數(shù)字X線攝影是利用電子技術(shù)將X線信息的其它載體轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮虞d體，X線照射人體后不直接作用于膠片，被探測器(Detector)接收并轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信號，獲得X線衰減值(attenuation value)的數(shù)字矩陣，經(jīng)計算機處理，重建成圖像。數(shù)字圖像數(shù)據(jù)可利用計算機進(jìn)行進(jìn)一步處理、顯示、傳輸和存儲，分辨率比普通X線照片高，診斷信息豐富，并且能夠更有效地使用診斷信息，提高信息利用率及X線攝影檢查的診斷價值。

直接數(shù)字化技術(shù)

是指可將X射線直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾桑热鏗ologic公司的直接數(shù)字化平板探測器，它采用半導(dǎo)體材料-非晶硒Amorphous Selenium (a-Se)，它可將X射線直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾?，無任何中間步驟, 最終產(chǎn)生數(shù)字圖像。

間接數(shù)字化技術(shù)

采用類似屏/片系統(tǒng)產(chǎn)生圖像所用的間接方式;在傳統(tǒng)的屏/片系統(tǒng)中，X射線形成影像分兩步完成:第一步，X射線經(jīng)過增感屏中所含的稀土元素材料(比如Gd2 O2S)產(chǎn)生可見光;第二步，可見光使膠片中的溴化銀顆粒感光產(chǎn)生影像;由于有可見光產(chǎn)生，就會產(chǎn)生光的散射，最終降低圖像質(zhì)量。

間接數(shù)字化平板探測器亦分兩步完成工作:第一步，X射線經(jīng)過閃爍晶體(碘化銫或磷)產(chǎn)生可見光;第二步，可見光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換由TFT或CCD轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾?由于工藝的改進(jìn)，新一代閃爍晶體材料制作成"松針"狀種植在非晶硅上，比傳統(tǒng)整塊閃爍體材料產(chǎn)生的散射要少一些，但根本性質(zhì)沒有改變，仍需產(chǎn)生可見光進(jìn)行轉(zhuǎn)換，有可見光必然會有光的散射，必然會造成圖像質(zhì)量的下降。

目前平板探測器 CT 系統(tǒng)已經(jīng)逐步進(jìn)入實用階段 , 可以達(dá)到比傳統(tǒng)的 C T 系統(tǒng)更高的空間分辨率 , 而密度分辨率也接近傳統(tǒng) CT 的水平 , 成為一項很有發(fā)展前景的技術(shù) 。進(jìn)一步提高平板探測器C T 的密度分辨率是下一步亟需解決的問題 。平板探測器 CT 系統(tǒng)的射線利用效率高 , 這一點有著很重要的現(xiàn)實意義 。在醫(yī)學(xué) CT 中這意味著可以減小患者檢查時接受的劑量 , 在工業(yè) CT 中則可以加快檢測速度 、 提高檢測效率 。特別是新興的用于乳腺檢查的半錐束 CT 系統(tǒng) , 它的目標(biāo)是取代X 射線照相檢查技術(shù) , 因此如何在一次照相受到的劑量范圍內(nèi)達(dá)到能夠反映病變的分辨率是一個非常有意義的研究方向 。平板探測器 CT 系統(tǒng)中散射的影響非常嚴(yán)重 ,目前在 X 射線能量較低時可以通過安裝準(zhǔn)直設(shè)備達(dá)到較好的散射抑制 , 但使用高能 X 射線時如何抑制散射還是個有待解決的問題 。平板探測器 CT 系統(tǒng)的性能分析沿用了傳統(tǒng)C T 的分析方法 , 原有的用于二維的分析方法也有了擴展到三維情況的工作 。在重建算法中對散射 、噪聲等因素的影響進(jìn)行校正對提高系統(tǒng)的性能有巨大的影響 , 算法中的校正工作還需進(jìn)一步完善 。正如扇形束掃描方式取代了平行束一樣 , 錐束掃描方式取代多層螺旋掃描將會是 CT 發(fā)展的必然結(jié)果 , 而平板探測器 CT 系統(tǒng)正是錐束 CT 的最佳候選者 。我們相信平板探測器錐束 CT 系統(tǒng)必將有著廣闊的前景 。