平板探测器原理

孟想成真

     从1995年RSNA上推出第一台平板探测器（Flat Panel Detector）设备以来，随着近年平板探测技术取得飞跃性的发展，在平板探测器的研发和生产过程中，平板探测技术可分为直接和间接两类。

（一）间接能量转换

     间接FPD的结构主要是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非晶硅层(amorphous Silicon，a-Si)再加TFT阵列构成。其原理为闪烁体或荧光体层经X射线曝光后，将X射线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号，最后获得数字图像。在间接FPD的图像采集中，由于有转换为可见光的过程，因此会有光的散射问题，从而导致图像的空间分辨率极对比度解析能力的降低。换闪烁体目前主要有碘化铯(CsI，也用于影像增强器)，荧光体则有硫氧化钆(GdSO，也用于增感屏)，采用CsI+a-Si+TFT结构的有Trixell和GE公司等，而采用GdSO+a-Si+TFT有Canon和瓦里安公司等。

1、碘化铯 ( CsI ) + a-Si + TFT ：当有 X 射线入射到 CsI 闪烁发光晶体层时，X 射线光子能量转化为可见光光子发射,可见光激发光电二极管产生电流, 这电流就在光电二极管自身的电容上积分形成储存电荷. 每个象素的储存电荷量和与之对应范围内的入射 X 射线光子能量与数量成正比。发展此类技术的有法国 Trixell 公司解像度 143um2 探测器 ( SIEMENS、Philips、汤姆逊合资 ) 、美国 GE 解像度 200um2 探测器 ( 收购的 EG & G 公司 ) 等。其原理见右图。Trixell公司（目前有西门子、飞利浦、万东、上医厂、长青、泛太平洋等厂家使用，成本约9.5万美金）用的是Csl柱状晶体结构的闪烁体涂层，此种结构可以减少可见光的闪射，但由于工艺复杂难以生成大面积平板，所以采用四块小板拼接成17″×17″大块平板，拼接处图像由软件弥补。 GE、佳能（佳能、东芝、岛津使用）的平板是使用Csl或Gd2O2S:Tb涂层，因不是柱状晶体结构，所以能量损失较Trixell 严重。

2、硫氧化钆 ( Gd2O2S ) + a-Si + TFT ：利用増感屏材料硫氧化钆 ( Gd2O2S ) 来完成 X 射线光子至可见光的转换过程。发展此类技术的公司有美国瓦里安公司、*** Canon 公司解像度 160um2 探测器等。此类材料制造的 TFT 平板探测器成像快速、成本较低，但一般灰阶动态范围较低（12 bit 以下），与其它高阶14 bit产品图像诊断质量相比较为不足。

3、碘化铯 ( CsI ) / 硫氧化钆 ( Gd2O2S ) + 透镜 / 光导纤维 + CCD / CMOS ：X射线先通过闪烁体或荧光体构成的可见光转换屏，将X射线光子变为可见光图像，而后通过透镜或光导纤维将可见光图像送至光学系统，由CCD采集转换为图像电信号。发展此技术的ssRay、Wuestec、新医科技等公司。其原理可见右图。新医科技的CCD DR为2K×2K，12Bit图像输出，无论在图像上还是在价格上均是取代CR的最佳产品。

4、CsI ( Gd2O2S ) + CMOS ：此类技术受制于间接能量转换空间分辨率较差的缺点，虽利用大量低解像度 CMOS 探头组成大面积矩阵，尚无法有效与 TFT 平板优势竞争。发展此类技术的公司有CaresBuilt、Tradix公司等。

（二）直接能量转换

     直接FPD的结构主要是由非晶硒层(amorphous Selemium，a-Se)加薄膜半导体阵列(Thin Film Transistor array，TFT)构成的平板检测器。由于非晶硒是一种光电导材料，因此经X射线曝光后直接形成电子-空穴对，产生电信号，通过TFT检测阵列，再经A/D转换获得数字化图像。从根本上避免了间接转换方式中可见光的散射导致的图像分辨率下降的问题。虽然在技术上和生产工艺上要求很高，但却是获得高图像质量的理想方式，业内普遍认为直接转换方式是FPD的最终发展方向。采用这一技术的有岛津，AnRad，Hologic公司等。

     直接转换FPD具有理论界限值的卓越分辨率和量子探测率，不仅具备可高分辨率以清晰显示微小血管及病灶，而且具有高灵敏度可大幅降低曝光射线量。直接转换式FPD无论在低分辨率时还是在高分辨率时均具有极高的DQE值。对于大物体的检出能力与间接转换型FPD大致相同，但对于微小病变，直间转换型FPD的检出能力更强。（间接转换型的DQE低频时虽然显示高值，但在2lp/mm以上时，其值急剧减小。）直接转换式FPD研发厂家为了得到更高DQE值，获得良好的S/N特性，在降低噪音成分方面做出了更多的努力，尤其是在对图像质量影响最大的配线阻抗噪声和读取放大器的热噪声方面需进行了革新性的改良，将这两种噪声控制在最低程度，使实际测量值达到与理论值基本一致的水平。直接转换式FPD对于大物体的检出能力与间接转换型大致相同，但对于微小病变，直间转换型具有更强的检出能力。（间接转换型的DQE低频时虽然显示高值，但在2lp/mm以上时，其值急剧减小。）


（三）平板的使用与养护

     现在不管是非晶硒、非晶硅、CCD这些平板探测器，还是各大知名国际厂商，所有探测器保修最长只有五年。现在医院在购买期间只注意了牌子，什么高象素，高配置，忽视了服务和设备寿命，而最基本的满足临床使用诊断的这个根本目标没有重视。

     平板探测器使用一定年限或者经过一定次数曝光，老化损坏是必然的，不可避免的。一般在五个以内的坏的可以用软件补，但十个以上就是一片白点，所以这是不可逆的，而且随着曝光次数增加，坏点会成坏道。在坏点刚刚出现的时候就及时向厂方提出维护，一般情况下还不至于坏到那个程度。按照理论要求，平板在三到六个月之间是必须要做一次校准的，这个也是医院在购买安装的时候需要向厂方提出的一个合理要求。而且现在大部分DR操作里面已经开放的平板探测器的校准程序，厂方要求院方一定时间内也要对平板进行校准。

     非晶硒怕冷,非晶硅怕潮.工作环境的保持十分重要,在使用中应尽量严格地按照厂家的要求控制机房的环境, 一定要在机房内安装抽湿器和空调，否则会坏的比较快。另外射线也会造成损伤使转换层老化，效率降低，这与累积剂量有关，就正常的剂量(500uR)而言100万次曝光后仍可保持70%的效率问题并不大。但一定要注意遮光器(尤其是腰椎侧位等)的使用，否则漏光的部分由于经常接受过量辐射则老化会大大加快