不同X射線探測器之間有什么區(qū)別

　　在中國的醫(yī)療器械市場上，醫(yī)療影像設(shè)備占據(jù)著絕對的大頭。而在眾多的醫(yī)療影像設(shè)備中，X射線探測器又占據(jù)著相當大的份額。X射線探測器是CT影像設(shè)備的核心，可以將X射線轉(zhuǎn)換成電信號并最終通過圖像顯示出來。X射線探測器不僅可以用于醫(yī)用領(lǐng)域?qū)颊叩纳眢w狀況進行透視檢查，也可以用于工業(yè)領(lǐng)域進行損傷檢查。根據(jù)統(tǒng)計，在2018年，全世界X射線探測器的市場規(guī)模達到了20億美元，其中醫(yī)用X射線探測器占了市場的三分之二。不過，近兩年來，工業(yè)安防上使用X射線探測器的份額正在逐年增加，未來發(fā)展的潛力也越來越凸顯。

　　X射線探測器的分類

　　X射線探測器從上個世紀發(fā)展至今，經(jīng)歷了模擬圖像階段、間接數(shù)字化階段和直接數(shù)字化階段三個時期。在模擬圖像階段，X射線探測器主要通過膠片、增感屏來反映X射線的透視狀況，最后洗印出片。到上個世紀八十年代至新世紀之初，間接數(shù)字化階段的X射線探測器用一塊IP板成像，一次只能存儲一張圖片。最后在直接數(shù)字化階段，不僅存儲圖片的數(shù)量不再受限，成像的速度和質(zhì)量都得到了質(zhì)的飛躍。

　　X射線探測器的工作原理基本都是把X射線的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過計算投在顯示屏上的電荷量來計算所捕獲到的光子數(shù)量，而計算電荷量進而計算光子量的方式有兩種，根據(jù)方式的不同可以分為積分式探測器和單光子計數(shù)式探測器。顧名思義，前者是用積分的方式計算，后者是直接計算一個個光子的數(shù)量。后者相比前者，擁有空間分辨率高、具有能量分辨能力和噪聲/能量比較器、接近理想的寬線性范圍、高對比度和可直接探測等優(yōu)點。但目前市面上主流的X射線探測器依然是積分式探測器。

　　現(xiàn)有的X射線探測器幾乎都是由一個把X射線的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電二極管和一個接收電信號并成像的裝置組成，根據(jù)后者的工作原理不同大致上目前可以分成三個種類：CCD（電荷耦合器件）、TFT（平板薄膜晶體管）和IGZO（銦鎵鋅氧化物）三個種類。CCD技術(shù)最早，成本也最低。TFT比較晚，是目前的主流應(yīng)用技術(shù)。IGZO是最晚出現(xiàn)的新技術(shù)，也就在近幾年才強勢進入市場。而從光電二極管的工作原理上分，又可以分為非晶硅（a-Si）探測器、互補型金屬氧化物半導體（CMOS）/單晶硅探測器、非晶硒探測器和碲化鎘/碲鋅鎘（CdTe/CZT）探測器等。下面就據(jù)以上分類分別介紹每種探測器的原理和優(yōu)劣。

　　CCD探測器

　　CCD探測器是以閃爍體或熒光體加光學鏡頭再加CCD構(gòu)成，閃爍體的作用是將X射線轉(zhuǎn)換成可見光，再把轉(zhuǎn)換出的可見光通過CCD轉(zhuǎn)換成電信號，最終成像。因為不是直接把X射線轉(zhuǎn)換成電信號，所以CCD探測器嚴格意義上不是直接數(shù)字化攝影，而是間接數(shù)字化攝影。

　　相比于采用TFT陣列開關(guān)的探測器，CCD探測器工作不需要很嚴格的低溫環(huán)境，對溫度適應(yīng)度更廣，而且儀器運輸過程中更震動對其損傷也小，并且TFT在X射線的輻射下會產(chǎn)生不可逆的損傷，維護成本更高。但CCD探測器轉(zhuǎn)換效率相對更低，并且CCD面積難以做大，在大尺寸X射線探測器上，用TFT陣列開關(guān)更多。

　　非晶硅探測器

　　非晶硅探測器是由閃爍體或熒光體層涂上有光電二極管作用的非晶硅層，再加上一個TFT陣列組成。它和CCD探測器的工作原理基本相同，都需要閃爍體將X射線轉(zhuǎn)換成可見光，再把轉(zhuǎn)換出的可見光通過光敏元件轉(zhuǎn)換成電信號，再通過TFT陣列開關(guān)成像，也是間接數(shù)字化攝影。而將X射線轉(zhuǎn)換成可見光的過程也會存在散射，影響成像的清晰度。但可以通過將閃爍體加工成針狀以提高對X線的利用來降低散射，但散射光對空間分辨率的影響也不能完全消除。

　　根據(jù)其閃爍晶體涂層的材料不同，非晶硅探測器一般又分為碘化銫（CsI）非晶硅探測器和硫氧化釓（GOS）非晶硅探測器兩種主流。這兩種探測器的成像原理基本一致，但從性能上對比，碘化銫因為具有針狀晶體結(jié)構(gòu)，將X射線轉(zhuǎn)換成可見光的綜合轉(zhuǎn)換效率比硫氧化釓涂層更高，沖激響應(yīng)的光斑彌散也更小。因此，采用碘化銫作為閃爍體材料，X射線使用劑量更小，成像更清晰。但因為硫氧化釓涂層不需要長時間的沉積過程，因此制造工藝簡單，成本低廉，碘化銫非晶硅探測器的生產(chǎn)成本比硫氧化釓非晶硅探測器更高，所以一般情況下，碘化銫非晶硅探測器更受青睞。

　　不過，就在前不久日本東麗公司也推出過一項新技術(shù)，據(jù)相關(guān)報道稱，該公司的科研人員在硫氧化釓涂層上加入了“第二種熒光層”（second phosphor），可以把350-400納米之間的短波光能夠轉(zhuǎn)換成接近550納米的長波光，而光電傳感器對硫氧化釓涂層發(fā)射光譜中350-400納米的短波光靈敏度較低，對550納米長波光則具有較高的靈敏度。因此，它的這項技術(shù)可以將硫氧化釓非晶硅探測器的成像亮度提高30%，可以達到與碘化銫非晶硅探測器的成像效果。而其生產(chǎn)成本又比后者更低，具有相當可觀的市場應(yīng)用前景。

　　CMOS/單晶硅探測器

　　互補型金屬氧化物半導體（CMOS）/單晶硅探測器的集成度非常高，將光電二極管陣列、讀出芯片等集成在一塊單晶硅晶圓上。相比于非晶硅探測器，CMOS探測器的分辨率更高、圖像噪聲更低、采集速度更快。但由于受到半導體產(chǎn)業(yè)中晶圓大小的限制，制作大尺寸探測器需要進行拼接，工藝較為復雜，因此工藝和原材料成本均高于非晶硅探測器。因此，CMOS探測器主要應(yīng)用在齒科CBCT領(lǐng)域這種對小尺寸動態(tài)X線影像設(shè)備的需求上。

　　非晶硒探測器

　　非晶硒探測器是將非晶態(tài)硒涂在TFT陣列上構(gòu)成。與非晶硅探測器相比，它不需要通過閃爍晶體將X射線轉(zhuǎn)換成可見光。當X射線射入非晶態(tài)硒層時會產(chǎn)生電子-空穴對。這些電子和空穴在外加偏壓電場作用下會向著相反的方向移動形成電流，電流在TFT積分形成儲存電荷。通過讀出電荷量，就可以知道每點的X射線劑量。

　　因此非晶硒探測器比非晶硅探測器是直接的數(shù)字化攝影，可以完全避免X射線轉(zhuǎn)換成可見光過程中的散射帶來的清晰度損失。但其缺陷在于其偏壓電場高達數(shù)千伏，高壓電場會對TFT開關(guān)造成損傷，減少使用壽命。并且生產(chǎn)成本也比非晶硅探測器更高。

　　碲化鎘/碲鋅鎘探測器

　　碲化鎘/碲鋅鎘探測器的工作原理和非晶硒探測器的工作原理完全一樣，就是把非晶態(tài)硒涂層換成碲化鎘涂層，或在碲化鎘中加入少量的鋅做成碲鋅鎘涂層，碲化鎘探測器比碲鋅鎘探測器成本更低，更適合大批量生產(chǎn)和可重復性。與非晶硅、非晶硒探測器相比，它最大的優(yōu)點在于非晶硅、非晶硒探測器一般要在低溫環(huán)境下使用，而碲化鎘/碲鋅鎘探測器則可以在普通室溫環(huán)境中使用，可以用于對環(huán)境要求不高的環(huán)境監(jiān)測、天體物理研究等領(lǐng)域。但缺陷在于碲化鎘的晶體最大尺寸只有3英寸，因此也只能用于小尺寸的探測器上面。

　　IGZO探測器

　　IGZO探測器就是把上述的幾種帶TFT陣列開關(guān)的探測器中的TFT陣列開關(guān)換成了IGZO傳感器陣列。簡單地說TNF的作用就是夠提升顯示屏幕的反應(yīng)速度和精確控制畫面灰度。TFT是由非晶硅薄膜晶體管制成，但隨著顯示器尺寸的不斷增大，非晶硅薄膜晶體管會出現(xiàn)了電子遷移率不足、均一性差、占用像素面積等缺陷，導致透光率降低。用由銦、鎵、鋅三種金屬元素組成的IGZO傳感器陣列相比TFT陣列，晶體尺寸更小、全透明，可以使設(shè)備更輕薄，并對可見光不敏感，提高了亮度，又降低了功耗。另外，IGZO的電子遷移率與臨界電壓飄移幾乎一致，比TFT陣列提升了20至50倍。既能大面積制造有更高的采集速度及更低的噪聲。

　　鈣鈦礦探測器

　　在最新的探測器技術(shù)方面，鈣鈦礦材料的應(yīng)用可能是未來X射線探測器的一個重要突破方向。鈣鈦礦是特定類型的周期性晶體結(jié)構(gòu)的總稱，主要是由銀、鉍等重元素組成，目前最受青睞的是Cs2AgBiBr6材料。由于這種材料能夠結(jié)合銀、鉍兩個重原子核，因此具有出色的電荷形成和傳輸性能，是替代非晶硒、碲化鎘和碲鋅鎘等材料，實現(xiàn)X射線直接轉(zhuǎn)換的理想材料選擇。

　　各種X射線探測器的市場狀況

　　非晶硅探測器以其相對低廉的成本、較高的成像質(zhì)量、較長的使用壽命和適用大批量生產(chǎn)在X射線探測器市場上占據(jù)最大的份額，CMOS探測器則以其小而精的特性在小尺寸的X射線探測器中也占據(jù)主流。美國Varex、法國 Trixell則是平板探測器領(lǐng)域的兩大巨頭，兩家合計占據(jù)了全世界一半左右的市場。

　　目前X射線探測器的主流是積分式探測器，但單光子計數(shù)技術(shù)是目前X射線探測器的一個重要發(fā)展方向。在這個領(lǐng)域，美國的Varex公司也做了布局，收購了在單光子計數(shù)技術(shù)很有優(yōu)勢的Direct Conversion公司。另外，芬蘭的Detection Technology也收購致力于單光子計數(shù)方面研究的MultiX公司。預(yù)計未來單光子計數(shù)將不再是前沿技術(shù)層面的東西，而會被很快得到商業(yè)化。

　　在IGZO探測器方面，在2019年開始逐漸得到商業(yè)化，美國的Varex、韓國的Rayence和中國的奕瑞（iRay）都推出了IGZO探測器產(chǎn)品。在下一輪的X射線探測器的競爭當中，除了新材料的應(yīng)用之外，人工智能可能是新的勝負手。因為光譜成像涉及大量數(shù)據(jù)的處理，通過結(jié)合人工智能，可以更快速、精確地得到圖像。