DR不同類型平板探測器性能的比較研究

李金霞 楊 旭 趙宏波

1 引言

數(shù)字化X線攝影（Digital Radiography，簡稱DR），是上世紀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)和影像學專家認可。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有助于我們提高成像質(zhì)量和減少X線輻射劑量。

2 基本構(gòu)成和原理

2.1 非晶硒平板探測器

非晶硒（a-Se）為直接式平板探測器結(jié)構(gòu)，主要由集電矩陣、硒層、電介層、頂層電極和保護層等構(gòu)成。集電矩陣由按陣元方式排列的薄膜晶體管（TFT）組成。非晶硒半導(dǎo)體材料在薄膜晶體管陣列上方通過真空蒸鍍生成約0.5 mm厚、38 mm×45 mm見方的薄膜，它對X線很敏感，并有很高的圖像解析能力。

頂層電極接高壓電源，當有X線入射時，由于高壓電源在非晶硒表面形成的電場，它們只能沿電場方向垂直穿過絕緣層、X射線半導(dǎo)體、電子封閉層，到達非晶硒，不會出現(xiàn)橫向偏離從而出現(xiàn)光的散射。非晶硒陣列直接將X射線轉(zhuǎn)變成電信號，記憶在存儲電容器里，脈沖控制門電路使薄膜晶體管導(dǎo)通，把記憶在存儲電容器里的電荷送達電荷放大器輸出，完成光電信號的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字圖像輸入計算機，并由計算機將該影像還原在監(jiān)視器上由醫(yī)生觀察監(jiān)視器直接診斷。

2.2 非晶硅平板探測器

非晶硅平板探測器為間接數(shù)字化X線成像，其基本結(jié)構(gòu)為表面是一層閃爍體材料（碘化銫或硫氧化），再下一層是以非晶體硅為材料的光電二極管電路，最底層為電荷讀出電路。

位于探測器表面的閃爍體將透過人體后衰減的X線轉(zhuǎn)換為可見光，閃爍體下的非晶硅光電二極管陣列又將可見光轉(zhuǎn)換為電信號，在光電二極管自身的電容上形成存儲電荷，每個像素的存儲電荷量與入射X線強度成正比，在控制電路的作用下，掃描讀出各個像素的存儲電荷，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號，傳送給計算機進行圖像處理從而形成X線數(shù)字影像。

3 影響圖像質(zhì)量的主要性能參數(shù)

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)量能夠達到較好的空間分辨率和密度分辨率。

3.1 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，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。

國際權(quán)威機構(gòu)測量了不同系統(tǒng)在70 KVp，21 mm鋁濾片條件下的DQE值。從表1中可以看出，隨著空間分辨率的增加，DQE呈下降趨勢；在空間分辨率較低時，非晶硅平板探測器的DQE最高；在空間分辨率較低時，非晶硒平板探測器的DQE最高。

表1 量子探測效率DQE

3.2 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MTF。

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。

4 不同類型的平板探測器在臨床上的應(yīng)用

因為DQE影響了圖像的相比較度，空間分辨率影響圖像對細節(jié)的分辨能力。在攝片中應(yīng)根據(jù)不同的檢查部位來選擇不同類型平板探測器的DR。對于胸部這樣的檢查，重點在于觀察和區(qū)別不同組織的密度，所以對密度分辨率的要求比較高。在這種情況下，宜使用非晶硅平板探測器的DR，這樣DQE比較高，容易獲得較高相比較度的圖像，更有助于診斷；對于四肢關(guān)節(jié)、乳腺這些部位的檢查，需要對細節(jié)有較高的顯像，對空間分辨率的要求很高，所以宜采用非晶硒平板探測器的DR，以獲得高空間分辨率的圖像。目前絕大部分廠家的數(shù)碼乳腺機都采用了非晶硒平板探測器，正是因為乳腺攝片對空間分辨率要求很高，而只有非晶硒平板探測器才可能達到相應(yīng)的要求。

因而可知，不同類型的平板探測器因為材料、結(jié)構(gòu)、工藝的不同而造成DQE和空間分辨率的差異。DQE影響了對組織密度差異的分辨能力；而空間分辨率影響了對細微結(jié)構(gòu)的分辨能力。目前還沒有一款DQE和空間分辨率都做得很高的平板探測器，所以需要在二者間做一個平衡。

[1]張亞敏，申浩.非晶硒DR探測器平板的結(jié)構(gòu)特點及正常使用要求[J].中國醫(yī)學裝備，2008，5(6)：26.

[2]薄夫軍，張永壽，劉乃智，等.非晶硒DR平板探測器的結(jié)構(gòu)原理及維護保養(yǎng)[J].中國醫(yī)學裝備，2010，7(2)：64.

[3]杜昱平，張永順.平板探測器DR與CCD探測器DR的基本結(jié)構(gòu)與比較[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006，27：(8).

[4]桂朝偉，唐曉薇，翟俊鵬，等.碘化銫非晶硅平板探測器的原理及應(yīng)用[J].中國醫(yī)學裝備，2009，6(9)：10.

[5]趙春陽，馬麗萍.200例高千伏胸片非晶硅和非晶硒圖像質(zhì)量對比分析[J].放射學實踐，2007，22(10).

[6]胡熙芳，劉文濤.數(shù)字化攝影(DR)圖像質(zhì)量控制[J]，中國醫(yī)學裝備，2009，6(7)：39.

[7]桂朝偉，姜山，唐曉薇.試述D R軟件系統(tǒng)對圖像質(zhì)量的影響[J].中國醫(yī)學裝備，2010，7(10)：7.