不同類型平板探測(cè)器的DQE測(cè)量比較

孫智勇 孟昭陽(yáng) 金玉博 遼寧省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測(cè)院 （遼寧沈陽(yáng) 110179）

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

目前市場(chǎng)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(cè)器是最為主流的數(shù)字X射線影像設(shè)備。近三十年來(lái)，間接式的基于閃爍材料+非晶硅TFT面板的平板探測(cè)器已經(jīng)獲得了長(zhǎng)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(cè)器設(shè)計(jì)、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(cè)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(cè)領(lǐng)域，都已占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。

如何比較多年以來(lái)先后出現(xiàn)的不同的X射線影像技術(shù)呢？一個(gè)較客觀且被廣泛DR廠家及影像學(xué)家所接受的方法是評(píng)價(jià)探測(cè)器的DQE（Detective Quantum Eきciency）。DQE可以簡(jiǎn)單的描述為一個(gè)探測(cè)器輸出信號(hào)的信噪比與輸入信號(hào)的信噪比之比的平方。一個(gè)探測(cè)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)將原始輸入X射線影像經(jīng)過(guò)多次的信號(hào)轉(zhuǎn)換，最終輸出一個(gè)數(shù)字或者模擬圖像的系統(tǒng)。一個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)又可分解為多級(jí)的“子探測(cè)器”的級(jí)聯(lián)，每一級(jí)“子探測(cè)器”都可以定義一個(gè)DQE，而整個(gè)探測(cè)器的DQE就是其所有“子探測(cè)器”DQE的積。

1.不同類型平板探測(cè)器的介紹

1.1 非晶硅

近三十年，間接式平板探測(cè)器技術(shù)已經(jīng)十分成熟、穩(wěn)定，占據(jù)了市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。其原理是通過(guò)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(shí)，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(shí)會(huì)以可見光光子的形式釋放能量?？梢姽夤庾油ㄟ^(guò)光電作用在PIN中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，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(jì)的電子通過(guò)TFT開關(guān)，經(jīng)過(guò)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(cè)器，即Photoconductor的探測(cè)器相比非晶硅平板探測(cè)器，省略了閃爍層，減少了將X射線信號(hào)先轉(zhuǎn)化為可見光信號(hào)的步驟，因此也叫做直接式的探測(cè)器。非晶硒的平板探測(cè)器，由于像素可以做的較小，且因?yàn)橹苯愚D(zhuǎn)化，圖像品質(zhì)相對(duì)于間接式平板探測(cè)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(cè)器壽命較短，對(duì)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(cè)器為代表的直接式平板探測(cè)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(cè)器還需要解決穩(wěn)定性的工藝問(wèn)題，才可能得到更加廣泛的應(yīng)用。

1.3 CMOS探測(cè)器

其原理與非晶硅平板探測(cè)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(cè)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(cè)器有了顯著的提升。另外，CMOS探測(cè)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(cè)器在一些領(lǐng)域如牙科CBCT已經(jīng)獲得了相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。

然而，CMOS探測(cè)器還面臨兩個(gè)瓶頸：①單晶硅的耐輻射問(wèn)題，有的CMOS廠商宣稱已經(jīng)解決，但還有待市場(chǎng)驗(yàn)證；②更主要的問(wèn)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(guò)30cm×40cm的面積。對(duì)于醫(yī)學(xué)影像最常用的43cm×43cm，或35cm×43cm來(lái)說(shuō)，都太小了，無(wú)法應(yīng)用。這兩個(gè)瓶頸導(dǎo)致了CMOS傳感器在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還是無(wú)法取代非晶硅平板探測(cè)器。

2.DQE測(cè)試結(jié)果（選用CsI、GOS、GOS+的測(cè)試）

接下來(lái)選取市場(chǎng)上主流的三款探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試和比較。這三款探測(cè)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(cè)試劑量：0.8μGy、2.0μGy、8.4μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測(cè)試結(jié)果見圖1和圖2。

2.1.2 DQE

測(cè)試劑量：0.8μGy、2.0μGy、8.4μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測(cè)試結(jié)果見圖3和圖4。

2.2 GOS

2.2.1 MTF

測(cè)試劑量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測(cè)試結(jié)果見5和圖6。

2.2.2 DQE

測(cè)試劑量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測(cè)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(cè)試劑量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測(cè)試結(jié)果見圖9和圖10。

2.3.2 DQE

測(cè)試劑量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射線譜：攝影，RQA-5（70kV）。

測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(lái)說(shuō)，CsI探測(cè)器的性能要明顯優(yōu)于GOS。