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

數字化X線攝影（Digital Radiography，簡稱DR），是上世紀90年代發展起來的X線攝影新技術，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點，成為數字X線攝影技術的主導方向，并得到世界各國的臨床機構和影像學專家認可。DR的技術核心是平板探測器，平板探測器是一種精密和貴重的設備，對成像質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量和減少X線輻射劑量。

2 基本構成和原理

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構，主要由集電矩陣、硒層、電介層、頂層電極和保護層等構成。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射線半導體、電子封閉層，到達非晶硒，不會出現橫向偏離從而出現光的散射。非晶硒陣列直接將X射線轉變成電信號，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，完成光電信號的轉換，再經數字轉換器轉換，形成數字圖像輸入計算機，并由計算機將該影像還原在監視器上由醫生觀察監視器直接診斷。

2.2 非晶硅平板探測器

非晶硅平板探測器為間接數字化X線成像，其基本結構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A/D轉換后輸出數字信號，傳送給計算機進行圖像處理從而形成X線數字影像。

3 影響圖像質量的主要性能參數

判斷平板探測器圖像質量的好壞，通常用調制傳遞函數（MTF）和量子轉換效率(DQE)來衡量。MTF和DQE值高則表明該平板探測器產生的圖像質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線轉換成可見光的能力，所以對DQE會產生影響。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構，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，性能穩定，成本較低，但是轉換效率不如碘化銫涂層高。其次將閃爍體產生的可見光轉換成電信號的方式也會對DQE產生影響。在碘化銫(或者硫氧化釓) 薄膜晶體管(TFT)這種結構的平板探測器中，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線轉換成電信號完全依賴于非晶硒層產生的電子空穴對，DQE的高低取決于非晶硒層產生電荷能力。總的說來，CsI TFT這種結構的間接轉換平板探測器的極限DQE高于a-Se直接轉換平板探測器的極限DQE。

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：調制傳遞函數；X：X線曝光強度；NPS：系統噪聲功率譜；C：X線量子系數從計算公式中我們可以看到，在不同的MTF值中對應不同的DQE，也就是說在不同的空間分辨率時有不同的DQE。

國際權威機構測量了不同系統在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 調制傳遞函數對圖像質量的影響

調制傳遞函數（MTF）是描述系統再現成像物體空間頻率范圍的能力。理想的成像系統要求100%再現成像物體細節，但現實中肯定存在不同程度的衰減，所以MTF始終＜1，它說明成像系統不能把輸入的影像全部再現出來，換句話說，凡是經過成像系統所獲得的圖像都不同程度損失了影像的對比度。MTF值越大，成像系統再現成像物體細節能力越強。系統的MTF是必須要測定的。要評價數字X線攝影系統的固有成像質量，必須計算出不受主觀影響的、系統所固有的預采樣MTF。

國際權威機構的測量結果表明，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光光子直接轉換為電信號的成像原理密切相關的。

4 不同類型的平板探測器在臨床上的應用

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的分辨能力。在攝片中應根據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；對于四肢關節、乳腺這些部位的檢查，需要對細節有較高的顯像，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的要求。

因而可知，不同類型的平板探測器因為材料、結構、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構的分辨能力。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。

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