牙科CBCT中最重要的元件:平板探測(cè)器

在選擇牙科CBCT的時(shí)候，如果能夠很好地理解其設(shè)備本身，毫無疑問可以幫助醫(yī)院和牙科診所做出更切合自身需求的采購(gòu)決策。 理解牙科CBCT成像設(shè)備最基礎(chǔ)的一步,是理解X射線成像。本文將主要介紹牙科X射線成像的基礎(chǔ)知識(shí)，以及如何認(rèn)識(shí)牙科CBCT中最重要的元件之一——平板探測(cè)器。

X射線簡(jiǎn)介

光（輻射），在我們的生活、自然以及宇宙中幾乎無處不在。可見的只有非常小的一部分，大部分都是你我肉眼無法觀測(cè)到的，X射線就是其中一種。

X射線屬于高能射線，光子能量在124 eV到幾百keV之間，屬于電離輻射，對(duì)人體有害，如果人體吸收了過量的X射線則會(huì)造成實(shí)質(zhì)損傷。宇宙中存在著大量的X射線，但地球的大氣層基本都將其隔離在外了。

那它是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

X射線又叫倫琴射線，由德國(guó)物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴于1895年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并命名，倫琴因此成為了獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的第一人。而X射線也被稱為19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一，標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的誕生。

倫琴在一次的實(shí)驗(yàn)中，請(qǐng)他夫人將手放在黑紙包嚴(yán)的照相底片上，用X射線對(duì)準(zhǔn)照射了15分鐘，顯影后，得到了人類第一張人體X射線攝影。這張歷史性的照片也表明了，人類可以借助X射線隔著皮肉去透視骨骼。

倫琴和倫琴夫人手掌X射線圖 指上那個(gè)黑咕隆冬的物體是倫琴夫人的婚戒

X射線穿透力極強(qiáng)，由于人體不同的組織對(duì)X射線的吸收程度不同，均勻的X射線快速穿透人體組織后，其不均勻分布其實(shí)就是人體組織的投影。通過不斷的技術(shù)發(fā)展，如今X射線已廣泛地用于醫(yī)療影像中，當(dāng)然也包括我們今天談到的牙科影像。

牙科影像中的X射線是如何產(chǎn)生的？

目前在牙科應(yīng)用中，都是用X射線真空管來產(chǎn)生X射線。

X 射線管是工作在高電壓下的真空二極管。包含有兩個(gè)電極：一個(gè)是用于發(fā)射電子的燈絲，作為陰極（K）；另一個(gè)是用于接受電子轟擊的靶材，作為陽極（A）。兩極均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外殼內(nèi)。

在牙科X射線影像設(shè)備的參數(shù)中，"管電流"、"管電壓"是經(jīng)常能看見的。

X射線管供電部分至少包含有一個(gè)使燈絲加熱的低壓電源（Uh），和一個(gè)給兩極施加高電壓的高壓發(fā)生器（Ua）。當(dāng)鎢絲通過足夠的電流使其產(chǎn)生電子云，且有足夠的電壓（千伏等級(jí)）加在陽極和陰極間（管電壓），使得電子云被拉往陽極。此時(shí)電子以高能高速的狀態(tài)撞擊鎢靶（A），高速電子到達(dá)靶面，運(yùn)動(dòng)突然受到阻止，其動(dòng)能的一小部分便轉(zhuǎn)化為輻射能，以 X 射線的形式放出。改變燈絲電流（管電流）的大小可以改變燈絲的溫度和電子的發(fā)射量，從而改變管電流和 X 射線強(qiáng)度。改變 X 光管激發(fā)電位，或選用不同的靶材可以改變?nèi)肷?X 射線的能量。

管電壓（keV）越高，X射線穿透物體的能力越強(qiáng)。管電壓的設(shè)置，不能太高，也不能太低。管電壓過高，X射線大部分會(huì)直接穿過被攝物體，探測(cè)器接收到信號(hào)就與被攝物體無關(guān)了；而管電壓過低，則X射線大部分被物體吸收，探測(cè)器則接收不到與被攝物體有關(guān)的信息。

而管電流（mA）越大，就意味著X射線的流量越大，探測(cè)器的接收到的信號(hào)就會(huì)越強(qiáng)。從成像角度來說，管電流越大越好，但是管電流越大，病患受到的輻射劑量也越大，所以在滿足成像的基礎(chǔ)上，管電流越小越好。

由于受高能電子轟擊，X 射線管工作時(shí)溫度很高，需要對(duì)陽極靶材進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。雖然 X 射線管產(chǎn)生 X 射線的能量效率十分低下，但是在目前，其依然是最實(shí)用的 X 射線發(fā)生器件，已廣泛應(yīng)用于X 射線類儀器中。目前，醫(yī)療用途主要有診斷用 X 射線管和治療用 X 射線管。

牙科CBCT成像的關(guān)鍵：平板探測(cè)器

在成像中，除了光源，另一個(gè)必不可少的元件就是光電探測(cè)器了。而在牙科CBCT中所用到的，想必大家也都了解，就X射線平板探測(cè)器。

對(duì)于牙科CBCT而言，平板探測(cè)器是影響其影像質(zhì)量的核心因素。同時(shí)，從成本的角度來看，通常X射線平板探測(cè)器占牙科CBCT整機(jī)生產(chǎn)成本的1/2-1/3，這也充分體現(xiàn)了其在設(shè)備中的重要性。因此，在選購(gòu)牙科CBCT機(jī)時(shí)，平板探測(cè)器的品牌和技術(shù)參數(shù)是關(guān)注的要點(diǎn)。

對(duì)于X射線成像，目前大多采用間接成像，如下圖所示（圖為濱松牙科平板探測(cè)器），我們可以看到平板探測(cè)器內(nèi)部主要包含：

- 閃爍體（灰）

- 探測(cè)器（藍(lán)）

- 讀出電路（黃）

平板探測(cè)器示意 （濱松牙科平板探測(cè)器）

簡(jiǎn)單來說，閃爍體負(fù)責(zé)把X射線轉(zhuǎn)化為可見光（X射線難以直接被探測(cè)器所探測(cè)），探測(cè)器負(fù)責(zé)讀取可見光信息并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后由讀出電路將電信號(hào)傳遞到PC里面。這里，我們重點(diǎn)來說一說其中最關(guān)鍵的、也是直接決定平板探測(cè)器性能的兩部分：閃爍體和探測(cè)器。

1、閃爍體

簡(jiǎn)單來說，閃爍體就是一個(gè)光的轉(zhuǎn)換器，可以把X光轉(zhuǎn)化為容易探測(cè)的可見光。

閃爍體的類型有很多種，目前在牙科X射線中主要使用的是CsI（碘化銫閃爍體）。碘化銫閃爍體的發(fā)光光譜與CMOS圖像傳感器的吸收光譜近乎完美的重合，兩條曲線的峰值都落在500-600nm的光譜范圍內(nèi)。

而目前，在碘化銫閃爍體中分辨率最高的就是針狀碘化銫。針狀結(jié)構(gòu)類似于光導(dǎo)，在輸出可見光的時(shí)候，發(fā)光更加集中，亮度更強(qiáng)，分辨率更高。

針狀碘化銫閃爍體示意

閃爍體需要耦合在探測(cè)器上來發(fā)揮效用，其耦合的方式主要分為兩種：

1．基板壓制（耦合）型

2．直接沉積型

基板壓制（耦合）型閃爍體，是將閃爍體在一個(gè)基板上生長(zhǎng)（substrate），然后基板在上，閃爍體朝下扣在平板探測(cè)器上。

壓制工藝的針狀碘化銫與平板探測(cè)器之間會(huì)有薄薄的縫隙，里面會(huì)有殘留的空氣；耦合工藝的方式縫隙里會(huì)有膠水層，基板壓制（耦合）型閃爍體不可避免地是基板對(duì)X射線的攔截吸收，以及空氣層或膠水層對(duì)轉(zhuǎn)化光的折射和散射。這就會(huì)影響到閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度和分辨率。不過，該種閃爍體生產(chǎn)難度比較小，成本也相對(duì)較低。

直接沉積型針狀碘化銫閃爍體，不需要粘合劑，也不需要額外的基板，通過專業(yè)設(shè)備直接在平板探測(cè)器（CMOS和TFT平板）上進(jìn)行蒸鍍，將針狀碘化銫閃爍體生長(zhǎng)在平板探測(cè)器表面。

這種耦合方式，由于沒有額外的基板和粘合劑或空氣層，所以射入的X射線和發(fā)出的可見光損失小，發(fā)光強(qiáng)度高，發(fā)光集中，分辨率高，可以在低劑量X光照射下產(chǎn)生很好的圖像質(zhì)量。而直接沉積型針狀碘化銫閃爍體，是目前X射線平板探測(cè)器所用閃爍體工藝的最高標(biāo)準(zhǔn)。

這種耦合方式技術(shù)難度高，成本高。目前濱松公司的平板探測(cè)器都是采用直接沉積型耦合方式，濱松公司完全掌握了直接沉積型針狀碘化銫的生產(chǎn)工藝，可生產(chǎn)出品質(zhì)極高的直接沉積型針狀碘化銫閃爍體。

2、探測(cè)器

探測(cè)器位于閃爍體之下，用于接收閃爍體發(fā)出的可見光，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，是光電轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵一步。

目前市場(chǎng)上有兩種用于牙科CBCT成像的探測(cè)器：

- CMOS平板探測(cè)器

- TFT平板探測(cè)器（也稱非晶硅平板探測(cè)器）

目前對(duì)這兩種探測(cè)器的優(yōu)劣可以說是眾說紛紜。作為同時(shí)提供兩種探測(cè)器的濱松，在這里就為大家分享一下這兩者的實(shí)際對(duì)比情況：

表中可以看到，TFT平板探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)是尺寸和視野，而CMOS平板探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)是靈敏度，分辨率和讀出速度。

在不需要拼接的情況下，CMOS平板在性能上具有優(yōu)勢(shì)。但在需要"大尺寸"的應(yīng)用下，拼接的CMOS平板在拼接處都會(huì)存在間隙和失效像素線，進(jìn)而導(dǎo)致部分的圖像會(huì)有缺失，需要后期通過軟件進(jìn)行修正。而TFT平板則不存在這個(gè)問題。

目前，濱松的中視野平板均是CMOS平板，中大視野和大視野平板全部是TFT平板，這樣可以充分發(fā)揮各個(gè)工藝的優(yōu)點(diǎn)，并滿足不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

接下來，我們?cè)賮砜纯刺綔y(cè)器中另一個(gè)必須了解的key point——像素結(jié)構(gòu)。目前，平板探測(cè)器的像素結(jié)構(gòu)一般分為兩種：

- 被動(dòng)型像素PPS：像素的全部面積用來探測(cè)光信號(hào)，像素內(nèi)不包含放大器；

- 主動(dòng)型像素APS：每個(gè)像素內(nèi)都包含一個(gè)光電探測(cè)器和放大器。

就目前市場(chǎng)上的平板探測(cè)器產(chǎn)品而言，TFT平板探測(cè)器使用的都是被動(dòng)型像素PPS，而CMOS平板探測(cè)器則存在兩種像素結(jié)構(gòu)都有使用的情況。

目前牙科CBCT成像需要的X射線劑量在20uSv~ 50uSv之間，在這個(gè)劑量下，APS型CMOS平板探測(cè)器，PPS型CMOS平板探測(cè)器和TFT平板探測(cè)器的成像質(zhì)量幾乎沒有差異。

在不需要拼接的情況下，CMOS平板在性能上具有優(yōu)勢(shì)。但在需要"大尺寸"的應(yīng)用下，拼接的CMOS平板在拼接處都會(huì)存在間隙和失效像素線，進(jìn)而導(dǎo)致部分的圖像會(huì)有缺失，需要后期通過軟件進(jìn)行修正。而TFT平板則不存在這個(gè)問題。

通過上面的分享，我們對(duì)牙科CBCT用平板探測(cè)器也應(yīng)該有了進(jìn)一步的了解了。以下為重點(diǎn)信息總結(jié)：

接下來，我們?cè)賮砜纯刺綔y(cè)器中另一個(gè)必須了解的key point——像素結(jié)構(gòu)。目前，平板探測(cè)器的像素結(jié)構(gòu)一般分為兩種：

- TFT平板探測(cè)器和CMOS平板探測(cè)器各有所長(zhǎng)。TFT工藝多用于制造大面積平板探測(cè)器，多用于高端坐式牙科CBCT機(jī)上；而CMOS工藝多用于制造中視野平板探測(cè)器，多用于牙科3-in-1機(jī)型（但目前也有部分高端的3-in-1機(jī)型，使用了TFT中大視野平板探測(cè)器）；

- 直接沉積型針狀碘化銫的TFT和CMOS平板探測(cè)器，是牙科平板探測(cè)器業(yè)界最高品質(zhì)產(chǎn)品；

- 拼接的CMOS平板探測(cè)器都會(huì)有明顯的壞線，很大程度上依賴算法補(bǔ)償；

- APS型CMOS探測(cè)器中每個(gè)像素都包含放大器，未被閃爍體完全吸收的X射線容易導(dǎo)致放大器損壞，引起像素失效，其抗輻射能力不如PPS型CMOS平板探測(cè)器。

濱松作為一家擁有60余年的光電企業(yè)，在平板探測(cè)器的研發(fā)和生產(chǎn)上，也有24年的歷史了。濱松平板探測(cè)器通過掌握核心技術(shù)——探測(cè)器設(shè)計(jì)，閃爍體生產(chǎn)，電子設(shè)計(jì)，產(chǎn)品集成，不斷地為世界上著名的牙科影像企業(yè)提供著優(yōu)秀的產(chǎn)品。我們也希望通過不斷精進(jìn)自身的技術(shù)，為牙科影像的發(fā)展提供更好地可能。

濱松為牙科影像應(yīng)用提供全線探測(cè)器方案

濱松平板探測(cè)器核心技術(shù)

除了牙科應(yīng)用外，濱松平板探測(cè)器還廣泛用于工業(yè)無損檢測(cè)中，圖為手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)X射線圖。（使用濱松平板探測(cè)器拍攝）