X射线平板探测器性能比较研究

1X射线平板探测器性能比较研究德润特数字影像科技（北京）有限公司张军毅，王同乐[摘要]目的研究X射线平板探测器的性能及成像特点。方法比较平板探测器的结构特点、成像性能和临床使用的优缺点。结果探测器结构和材料是影响成像性能的主要因素。结论非晶硒探测器和碘化铯-非晶硅探测器的成像性能及临床使用优于硫氧化钆-非晶硅探测器。[关键词]数字X射线摄影；非晶硒平板探测器；碘化铯-非晶硅平板探测器；硫氧化钆-非晶硅探测器；影像质量ComparisonofperformanceondifferentX-rayflatpaneldetectorAbstract:ObjectiveToStudytheperformanceandimagingcharacteristicsoftheX-rayflatpaneldetector.MethodsThedifferentflatpaneldetectorwerecomparedandanalysedbythestructurefeature,imagingperformanceandclinicalapplication.ResultsThestructureandmaterialisthemainfactorsofinfluenceimagingperformancefortheflatpaneldetector.ConclusionTheimagequalityandclinicalapplicationoftheflatpaneldetectorbasedonAmorphousSeleniumandCesiumIodide-AmorphousSiliconweremorethanthedetectorbasedonGd2O2S–AmorphousSilicon.Keywords:digitalradiography,amorphousseleniumflatpaneldetector,CesiumIodide-AmorphousSilicon,Gd2O2S–AmorphousSilicon,imagequalit数字摄影（DigitalRadiography，DR）成为数字X射线摄影技术的主要发展方向，其更快的成像速度、更便捷的操作及更高的成像分辨率等特性得到影像专家的认可。其中X射线平板探测器（FlatPanelDetector，FPD）作为核心部件，其性能对成像质量起着决定性的作用。研究探测器的性能及成像特点有助于比较不同探测器在临床使用中的优势和劣势。1平板探测器的转换材料当前广泛使用的平板探测器主要采用硫氧化钆（Gd2O2S，GOS）、碘化铯（CesiumIodide，CsI）和非晶硒（AmorphousSelenium，A-Se）作为转换材料。将闪烁体（GOS或CsI）与非晶硅光电二极管以及TFT耦合起来构成非直接转换平板探测器，将A-Se直接与TFT耦合起来构成直接转换平板探测器。闪烁体涂层的材料和工艺会影响X射线的转换性能。GOS通过掺杂不同的稀土离子（如Tb3+），在X射线的激发下能够发出540~560nm的绿光[1]。传统胶片所用的高速增感屏是利用GOS特性制作而成。使用GOS做涂层的探测器成本较低，转换效率低。CsI技术则采用大面积针状晶体结构能提高转换性能。采用A-Se转换技术的平板探测器在X射线的作用下使硒层产生电子空穴对，外加电场迅速将它们分开并很快地把它们分别带到像素电极和上电极两个相反的表面去。传输的速度没给电荷的横向扩散提供时间，空间分辨率极高。2不同平板探测器的比较评价平板探测器性能的指标主要有物理特性和成像特性。其中探测器的物理特性对成像2质量具有很大的影响。2.1转换效率转换效率主要涉及两个部分，包括X光的吸收转化和到达可探测表面的比例。从X光吸收上看，等量GOS要高于CsI，也高于A-Se。但是GOS多晶粉体是通过有机粘合剂粘在非晶硅二极管TFT上部，GOS内部激发的荧光存在不同程度的折射和散射。为了提高X射线吸收率需要增加GOS厚度，进而又影响了透光率，成像质量反而下降。当前主要生产的GOS探测器在X射线完全吸收的情况下，只有不到50%的荧光被采集到[2]。CsI则是采用的针状晶体，可以将激发荧光量子限制在同一针状晶体中，大大降低折射和散射，使得其透光效率大大增加。此外，这些透过荧光在通过光电二极管发生光电转换时，也会有部分损失。对于A-Se，由于有外加电场可以将产生的电荷快速带到电极上，其有效探测率极高。综合来看三者具有较为接近的可探测能量转换效率。2.2填充因子填充因子是探测区域的有效利用面积比，是影响量子利用率的重要因素，虽然转换材料可以在整个成像区域存在，但由于探测像素的设计填充因子有较大不同。当前普通X射线平板探测器的像素尺寸约为120~150um。对于采用GOS和CsI技术，像素面积受光电二极管表面大小以及二极管间距的影响，典型的填充因子对于GOS约为50%，针状CsI的填充因子在70%左右；对于A-Se技术，像素面积则受像素电极大小影响，通过蘑菇型电极的设计，可以获得较大的填充面积，接近100%。显然填充因子越高，X射线有效利用率越高。2.3成像分辨率由于GOS和CsI产生的可见光会发生散射和折射，其成像分辨率较低。通过采用针状CsI晶体会减轻这一现象。A-Se产生的电荷由于严格受电场作用，其运动呈直线迅速到达像素电极，其成像分辨率极高。通过对成像边缘进行过采样调制传递函数（MTF）进行计算，可以较为直观的描述其成像分辨率。MTF越高说明其分辨率越好。采用GOS技术的平板探测器在1lp/mm的分辨率下其MTF约在48%左右，而采用针状CsI的平板探测器的MTF在1lp/mm最大能达70%，但都随着分辨率的增加而急剧下降。采用A-Se技术在1lp/mm的分辨率高达95%左右，且随着分辨率的增加下降较为平缓，在3.6lp/mm的较高分辨率时仍达60%，表明在成像清晰度方面A-Se平板探测器的优异性能。2.4量子探测效率信噪比是成像过程中信号和噪音的转变，通常采用量子探测效率（DQE）计算。DQE反映的是平板探测器的灵敏度、噪声、X射线剂量和密度分辨率。大的MTF和低的系统噪音是获得优良信噪比的保证。由于MTF较高，CsI和A-Se的DQE要高于GOS。在低分辨率0.5lp/mm时，CsI的DQE要高于A-Se；但随着分辨率增加CsI的DQE迅速下降，A-Se的DQE则平稳下降，在高分辨率时A-Se的DQE比CsI的高。这种特性表明CsI平板探测器在区分组织密度差异的能力较强;而A-Se直接转换的平板探测器在区分细微结构差异的能力较高。2.5延迟和伪影在X射线平板探测器中，由于X光激发二次量子被陷阱和缺陷捕获，会造成图像延迟和伪影。对于采用GOS和CsI闪烁体，受到光激发荧光的延迟和光电二极管的影响，对于A-Se则主要受其内部缺陷影响。非晶硅光电二极管的延迟效应略高于A-Se，研究表明几微秒内非直接转换平板探测器的延迟约5%，而A-Se的延迟约0.4%[3]。对伪影的研究表明A-Se会出现饱和现象，而CsI则随着曝光剂量增加成线性增加。在普通摄影中，延迟和伪影可以通过材料的再激活如光擦除等进行缓解，而在动态摄影中，大的延迟和伪影严重影响成像质量。3不同平板探测器的临床使用3平板探测器的选择是根据其使用性能来进行的。一个稳定的、具有高分辨率、高量子探测效率和高的转换效率的平板探测器通常是受青睐的。GOS-非晶硅平板探测器无论是DQE还是MTF都要比其它两种探测器要低，成像质量较差，但是价格较低，因此除非受经济条件约束不是最佳选择。由于DQE影响了图像的对比度,空间分辨率影响图像对细节的分辨能力。在对分辨细节要求较高的成像，如对四肢关节、乳腺等部位，只有采用A-Se平板探测器才能满足要求。在胸部、腰椎检查等方面，若只要求在较低分辨率下区分组织，可以采用CsI-非晶硅平板探测器[4]。如图（1）所示，A-Se和CsI-非晶硅平板探测器的胸部影像整体要优于GOS-非晶硅平板探测器。由于采用直接数字成像，可以方便的使用计算机进行图像对比度的调整，因此采用A-Se平板探测器时也可以较为方面的区分组织密度，而使得A-Se平板探测器的可以在各种成像条件下使用。低分辨率下得组织区分可以通过调节图像获得，而细节辨别则没有办法通过后期处理获得。因此，在条件允许的情况下，选择A-Se平板探测器可以获得最优的成像。图（1）自左向右依次为A-Se，CsI和GOS平板探测器的临床图像在临床使用方面的一个重要问题是探测器的衰减。探测器是高度精密仪器，需要在合理的温度和湿度范围内使用。温度过高或过低会引起系统应力增加和热胀冷缩而引起缺陷。过高的温度会加速GOS中有机粘结剂的老化，加速A-Se的晶化，还会引起非晶硅光电二极管和TFT中噪音增加。通常情况下要求探测器在10-40℃下工作。湿度也是另一个影响因素，除了可能因湿度过低带来的静电和湿度过高带来的腐蚀外，对于GOS和CsI材料，湿度过高还会造出氧化、水解和电解等现象[5]，严重影响性能。因此，要想探测器具有较长的稳定使用性能，保证其良好的工作环境是比不可少的。X光的长期辐照也会对探测器带来衰减，如在GOS和CsI中造出空洞或氧化，在光电二极管中造出漏电流增加，在A-Se中造出缺陷增多等[6,7]。但通常这些材料的抗辐照硬度高达100~1000Gy，而一次辐照成像的剂量通常在3~300uGy之间，因此在通常情况下需要成像几十万次才可能出现失效。在临床正常使用仅因辐照而造成的衰减通常很小，通常是因各种工作环境和操作不规范而引起材料变性所造成出现衰减，因此合理使用是获得满意性能的关键。4结论不同类型的平板探测器因为材料、结构、工艺的不同成像质量和系统性能的不同。综合表现上A-Se直接转换平板探测器具有最优的成像分辨率和较高的量子探测效率，是获得优异成像性能首选的平板探测器，CsI-非晶硅间接转换平板探测器性能也较为优秀，GOS-非晶硅平板探测器成像质量较差，但价格较为低廉。合理选择和使用平板探测器是获得满4意成像性能和系统稳定性的关键。参考文献[1].Cha,B.K.,etal.,FabricationandComparisonGd202S(Tb)andCsI(TI)filmsforX-rayImagingDetectorApplication,inIEEENuclearScienceSymposiumConferenceRecord.2008.p.1232.[2].Yorkston,J.,Flat-panelDRdectorsforradiographyandfluoroscopy,inSpecifications,PerformanceEvaluations,andQualityAssuranceofRadiographicandFluoroscopicSystemsintheDigitalEra,L.GoldmanandM.Yester,L.GoldmanandM.Yester^Editors.2004,MedicalPhysicsPublishing:Madison.[3].Polischuk,B.,etal.,Seleniumdirectconverterstructureforstaticanddynamicx-raydetectioninmedicalimagingapplications.SPIE,1998.3336:p.494.[4].李金霞,杨旭与赵宏波,DR不同类型平板探测器性能的比较研究.中国医学装备,2011.8(8):第25页.[5].Moy,J.,etal.,Solidstateradiationdetectorwithenhancedlifeduration.1899.[6].Lee,C.Y.,etal.,DefectanalysisinGd2O2S:TbbyusingX-rayradiationwithpositronannihilationmethods.JournaloftheK