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牙科CBCT中最重要的元件:平板探测器

2022-04-14
682 次

在选择牙科CBCT的时候,如果能够很好地理解其设备本身,毫无疑问可以帮助医院和牙科诊所做出更切合自身需求的采购决策。理解牙科CBCT成像设备最基础的一步,是理解X射线成像。本文将主要介绍牙科X射线成像的基础知识,以及如何认识牙科CBCT中最重要的元件之一——平板探测器。

 

X射线简介

光(辐射),在我们的生活、自然以及宇宙中几乎无处不在。可见的只有非常小的一部分,大部分都是你我肉眼无法观测到的,X射线就是其中一种。

X射线属于高能射线,光子能量在124 eV到几百keV之间,属于电离辐射,对人体有害,如果人体吸收了过量的X射线则会造成实质损伤。宇宙中存在着大量的X射线,但地球的大气层基本都将其隔离在外了。

 

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那它是如何实现的呢?

X射线又叫伦琴射线,由德国物理学家威廉·康拉德·伦琴于1895年在实验中发现并命名,伦琴因此成为了获得诺贝尔物理学奖的第一人。而X射线也被称为19世纪末20世纪初物理学的三大发现之一,标志着现代物理学的诞生。 

 

伦琴在一次的实验中,请他夫人将手放在黑纸包严的照相底片上,用X射线对准照射了15分钟,显影后,得到了人类第一张人体X射线摄影。这张历史性的照片也表明了,人类可以借助X射线隔着皮肉去透视骨骼。 

 

 

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伦琴和伦琴夫人手掌X射线图 指上那个黑咕隆冬的物体是伦琴夫人的婚戒

 

X射线穿透力极强,由于人体不同的组织对X射线的吸收程度不同,均匀的X射线快速穿透人体组织后,其不均匀分布其实就是人体组织的投影。通过不断的技术发展,如今X射线已广泛地用于医疗影像中,当然也包括我们今天谈到的牙科影像。

 

牙科影像中的X射线是如何产生的?

目前在牙科应用中,都是用X射线真空管来产生X射线。

 

X射线管是工作在高电压下的真空二极管。包含有两个电极:一个是用于发射电子的灯丝,作为阴极(K);另一个是用于接受电子轰击的靶材,作为阳极(A)。两极均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内。

 

在牙科X射线影像设备的参数中,"管电流"、"管电压"是经常能看见的。


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X射线管供电部分至少包含有一个使灯丝加热的低压电源(Uh),和一个给两极施加高电压的高压发生器(Ua)。当钨丝通过足够的电流使其产生电子云,且有足够的电压(千伏等级)加在阳极和阴极间(管电压),使得电子云被拉往阳极。此时电子以高能高速的状态撞击钨靶(A),高速电子到达靶面,运动突然受到阻止,其动能的一小部分便转化为辐射能,以 X 射线的形式放出。改变灯丝电流(管电流)的大小可以改变灯丝的温度和电子的发射量,从而改变管电流和 X 射线强度。改变 X 光管激发电位,或选用不同的靶材可以改变入射 X 射线的能量。

管电压(keV)越高,X射线穿透物体的能力越强。管电压的设置,不能太高,也不能太低。管电压过高,X射线大部分会直接穿过被摄物体,探测器接收到信号就与被摄物体无关了;而管电压过低,则X射线大部分被物体吸收,探测器则接收不到与被摄物体有关的信息。

 

而管电流(mA)越大,就意味着X射线的流量越大,探测器的接收到的信号就会越强。从成像角度来说,管电流越大越好,但是管电流越大,病患受到的辐射剂量也越大,所以在满足成像的基础上,管电流越小越好。

 

由于受高能电子轰击,X 射线管工作时温度很高,需要对阳极靶材进行强制冷却。虽然 X 射线管产生 X 射线的能量效率十分低下,但是在目前,其依然是最实用的 X 射线发生器件,已广泛应用于X 射线类仪器中。目前,医疗用途主要有诊断用 X 射线管和治疗用 X 射线管。

 

牙科CBCT成像的关键:平板探测器

在成像中,除了光源,另一个必不可少的元件就是光电探测器了。而在牙科CBCT中所用到的,想必大家也都了解,就X射线平板探测器。

 

对于牙科CBCT而言,平板探测器是影响其影像质量的核心因素。同时,从成本的角度来看,通常X射线平板探测器占牙科CBCT整机生产成本的1/2-1/3,这也充分体现了其在设备中的重要性。因此,在选购牙科CBCT机时,平板探测器的品牌和技术参数是关注的要点。

 

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对于X射线成像,目前大多采用间接成像,如下图所示(图为滨松牙科平板探测器),我们可以看到平板探测器内部主要包含:

闪烁体(灰) 

探测器(蓝) 

读出电路(黄)

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平板探测器示意 (滨松牙科平板探测器)


简单来说,闪烁体负责把X射线转化为可见光(X射线难以直接被探测器所探测),探测器负责读取可见光信息并转换为电信号,最后由读出电路将电信号传递到PC里面。这里,我们重点来说一说其中最关键的、也是直接决定平板探测器性能的两部分:闪烁体和探测器。 

1、闪烁体

简单来说,闪烁体就是一个光的转换器,可以把X光转化为容易探测的可见光。 

 

闪烁体的类型有很多种,目前在牙科X射线中主要使用的是CsI(碘化铯闪烁体)。碘化铯闪烁体的发光光谱与CMOS图像传感器的吸收光谱近乎完美的重合,两条曲线的峰值都落在500-600nm的光谱范围内。

 

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而目前,在碘化铯闪烁体中分辨率最高的就是针状碘化铯。针状结构类似于光导,在输出可见光的时候,发光更加集中,亮度更强,分辨率更高。 


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针状碘化铯闪烁体示意

闪烁体需要耦合在探测器上来发挥效用,其耦合的方式主要分为两种: 

 

1.基板压制(耦合)型 
2.直接沉积型 

基板压制(耦合)型闪烁体,是将闪烁体在一个基板上生长(substrate),然后基板在上,闪烁体朝下扣在平板探测器上。

 

压制工艺的针状碘化铯与平板探测器之间会有薄薄的缝隙,里面会有残留的空气;耦合工艺的方式缝隙里会有胶水层,基板压制(耦合)型闪烁体不可避免地是基板对X射线的拦截吸收,以及空气层或胶水层对转化光的折射和散射。这就会影响到闪烁体的发光强度和分辨率。不过,该种闪烁体生产难度比较小,成本也相对较低。


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直接沉积型针状碘化铯闪烁体,不需要粘合剂,也不需要额外的基板,通过专业设备直接在平板探测器(CMOS和TFT平板)上进行蒸镀,将针状碘化铯闪烁体生长在平板探测器表面。


 

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这种耦合方式,由于没有额外的基板和粘合剂或空气层,所以射入的X射线和发出的可见光损失小,发光强度高,发光集中,分辨率高,可以在低剂量X光照射下产生很好的图像质量。而直接沉积型针状碘化铯闪烁体,是目前X射线平板探测器所用闪烁体工艺的最高标准。 

 

这种耦合方式技术难度高,成本高。目前滨松公司的平板探测器都是采用直接沉积型耦合方式,滨松公司完全掌握了直接沉积型针状碘化铯的生产工艺,可生产出品质极高的直接沉积型针状碘化铯闪烁体。 

 

2、探测器

探测器位于闪烁体之下,用于接收闪烁体发出的可见光,把光信号转换为电信号,是光电转化的关键一步。 

 

目前市场上有两种用于牙科CBCT成像的探测器:

 

CMOS平板探测器
TFT平板探测器(也称非晶硅平板探测器) 

 

目前对这两种探测器的优劣可以说是众说纷纭。作为同时提供两种探测器的滨松,在这里就为大家分享一下这两者的实际对比情况:

 

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表中可以看到,TFT平板探测器的优势是尺寸和视野,而CMOS平板探测器的优势是灵敏度,分辨率和读出速度。

 

在不需要拼接的情况下,CMOS平板在性能上具有优势。但在需要"大尺寸"的应用下,拼接的CMOS平板在拼接处都会存在间隙和失效像素线,进而导致部分的图像会有缺失,需要后期通过软件进行修正。而TFT平板则不存在这个问题。

 

目前,滨松的中视野平板均是CMOS平板,中大视野和大视野平板全部是TFT平板,这样可以充分发挥各个工艺的优点,并满足不同场景的应用需求。

 

接下来,我们再来看看探测器中另一个必须了解的key point——像素结构。目前,平板探测器的像素结构一般分为两种:

 

被动型像素PPS:像素的全部面积用来探测光信号,像素内不包含放大器;
主动型像素APS:每个像素内都包含一个光电探测器和放大器。

 

就目前市场上的平板探测器产品而言,TFT平板探测器使用的都是被动型像素PPS,而CMOS平板探测器则存在两种像素结构都有使用的情况。


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目前牙科CBCT成像需要的X射线剂量在20uSv~ 50uSv之间,在这个剂量下,APS型CMOS平板探测器,PPS型CMOS平板探测器和TFT平板探测器的成像质量几乎没有差异。

 

在不需要拼接的情况下,CMOS平板在性能上具有优势。但在需要"大尺寸"的应用下,拼接的CMOS平板在拼接处都会存在间隙和失效像素线,进而导致部分的图像会有缺失,需要后期通过软件进行修正。而TFT平板则不存在这个问题。

 

通过上面的分享,我们对牙科CBCT用平板探测器也应该有了进一步的了解了。以下为重点信息总结:

 

接下来,我们再来看看探测器中另一个必须了解的key point——像素结构。目前,平板探测器的像素结构一般分为两种:

 

·TFT平板探测器和CMOS平板探测器各有所长。TFT工艺多用于制造大面积平板探测器,多用于高端坐式牙科CBCT机上;而CMOS工艺多用于制造中视野平板探测器,多用于牙科3-in-1机型(但目前也有部分高端的3-in-1机型,使用了TFT中大视野平板探测器);

 

·直接沉积型针状碘化铯的TFT和CMOS平板探测器,是牙科平板探测器业界最高品质产品; 

 

·拼接的CMOS平板探测器都会有明显的坏线,很大程度上依赖算法补偿; 

 

·APS型CMOS探测器中每个像素都包含放大器,未被闪烁体完全吸收的X射线容易导致放大器损坏,引起像素失效,其抗辐射能力不如PPS型CMOS平板探测器。 

 

滨松作为一家拥有60余年的光电企业,在平板探测器的研发和生产上,也有24年的历史了。滨松平板探测器通过掌握核心技术——探测器设计,闪烁体生产,电子设计,产品集成,不断地为世界上著名的牙科影像企业提供着优秀的产品。我们也希望通过不断精进自身的技术,为牙科影像的发展提供更好地可能。

 

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滨松为牙科影像应用提供全线探测器方案



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滨松平板探测器核心技术


 

除了牙科应用外,滨松平板探测器还广泛用于工业无损检测中,图为手机内部结构X射线图。(使用滨松平板探测器拍摄)

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来源:电子发烧友

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