不同类型平板探测器的DQE测量比较

孙智勇 孟昭阳 金玉博 辽宁省医疗器械检验检测院 （辽宁沈阳 110179）

内容提要：简要介绍不同X射线影像探测器现状以及影像质量的客观评估方法DQE。同时，选取市场上的主流产品进行测试与比较。

目前市场上，采用碘化铯（CsI）或者硫氧化钆（GOS）闪烁材料的非晶硅平板探测器是最为主流的数字X射线影像设备。近三十年来，间接式的基于闪烁材料+非晶硅TFT面板的平板探测器已经获得了长足的发展，技术已经十分的成熟、稳定，形成了从传感器面板到探测器设计、制造商，再到平板DR制造商的完整的产业链。在X射线影像设备领域，间接式平板探测器已经成为主流，在世界各地所有的医学影像和工业检测领域，都已占据市场主导地位。

如何比较多年以来先后出现的不同的X射线影像技术呢？一个较客观且被广泛DR厂家及影像学家所接受的方法是评价探测器的DQE（Detective Quantum Eきciency）。DQE可以简单的描述为一个探测器输出信号的信噪比与输入信号的信噪比之比的平方。一个探测器实质上是一个将原始输入X射线影像经过多次的信号转换，最终输出一个数字或者模拟图像的系统。一个探测器系统又可分解为多级的“子探测器”的级联，每一级“子探测器”都可以定义一个DQE，而整个探测器的DQE就是其所有“子探测器”DQE的积。

1.不同类型平板探测器的介绍

1.1 非晶硅

近三十年，间接式平板探测器技术已经十分成熟、稳定，占据了市场的主导地位。其原理是通过将闪烁材料（如碘化铯或硫氧化钆等）与非晶硅TFT+PIN（p-i-n结构的光电二极管）耦合。当X射线入射时，闪烁材料的原子或分子的内层电子被X射线激发后返回原有状态时会以可见光光子的形式释放能量。可见光光子通过光电作用在PIN中产生电子-空穴对，其中的电子随着X射线剂量的累积而线性累积。X射线曝光完成后，累计的电子通过TFT开关，经过电荷放大和AD转换，逐行读出而成为图像。

1.2 非晶硒

半导体材料的X射线探测器，即Photoconductor的探测器相比非晶硅平板探测器，省略了闪烁层，减少了将X射线信号先转化为可见光信号的步骤，因此也叫做直接式的探测器。非晶硒的平板探测器，由于像素可以做的较小，且因为直接转化，图像品质相对于间接式平板探测器更为优异，因而在数字乳腺X射线摄影中获得了巨大的成功。

然而，非晶硒平板探测器寿命较短，对环境要求较高，相比于非晶硅平板其技术还不够成熟，其主要应用于数字乳腺X射线摄影。以非晶硒平板探测器为代表的直接式平板探测器，由于影像链的缩短，的确提供了更加优质的图像。然而直接式平板探测器还需要解决稳定性的工艺问题，才可能得到更加广泛的应用。

1.3 CMOS探测器

其原理与非晶硅平板探测器类似，只是成像的面阵换成了CMOS传感器。使用了放大电路的CMOS探测器，电子噪声大大降低，使得低剂量下图像质量相比于非晶硅平板探测器有了显著的提升。另外，CMOS探测器由于单晶硅电子迁移率远高于非晶硅，因此图像读取速度也相比非晶硅大大提高。鉴于这些优异的特性，CMOS探测器在一些领域如牙科CBCT已经获得了相当大的市场份额。

然而，CMOS探测器还面临两个瓶颈：①单晶硅的耐辐射问题，有的CMOS厂商宣称已经解决，但还有待市场验证；②更主要的问题是，CMOS晶圆面积有限（目前较成熟的且成本可控的只是8寸晶圆），即使拼接多块CMOS Sensor，也难以超过30cm×40cm的面积。对于医学影像最常用的43cm×43cm，或35cm×43cm来说，都太小了，无法应用。这两个瓶颈导致了CMOS传感器在很长一段时间内还是无法取代非晶硅平板探测器。

2.DQE测试结果（选用CsI、GOS、GOS+的测试）

接下来选取市场上主流的三款探测器进行测试和比较。这三款探测器，除了闪烁材料不同以外（一种为CsI，一种为常见的GOS（DRZ+），第三种为比DRZ+更为致密的GOS，命名为GOS+）。

2.1 CsI

2.1.1 MTF

测试剂量：0.8μGy、2.0μGy、8.4μGy。

X射线谱：摄影，RQA-5（70kV）。

测试结果见图1和图2。

2.1.2 DQE

测试剂量：0.8μGy、2.0μGy、8.4μGy。

X射线谱：摄影，RQA-5（70kV）。

测试结果见图3和图4。

2.2 GOS

2.2.1 MTF

测试剂量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射线谱：摄影，RQA-5（70kV）。

测试结果见5和图6。

2.2.2 DQE

测试剂量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射线谱：摄影，RQA-5（70kV）。

测试结果见图7和图8。

图1. X轴向MTF曲线

图2. Y轴向MTF曲线

图3. X轴向DQE曲线

图4. Y轴向DQE曲线

2.3 GOS+

2.3.1 MTF

测试剂量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射线谱：摄影，RQA-5（70kV）。

测试结果见图9和图10。

2.3.2 DQE

测试剂量：0.75μGy、2.4μGy、7.6μGy。

X射线谱：摄影，RQA-5（70kV）。

测试结果见图11和图12。

图5. X轴向MTF曲线

图6. Y轴向MTF曲线

图7. X轴向DQE曲线

图8. Y轴向DQE曲线

图9. X轴向MTF曲线

图10. Y轴向MTF曲线

图11. X轴向DQE曲线

图12. Y轴向DQE曲线

3.小结

从以上的测试结果可以看出，在相同条件下CsI的DQE的值要大于GOS的DQE值。此测试结果与第2.1节的理论分析结果是一致的，即在相同的探测器条件下（相同大小的像素，相同的电路附加噪声，相同的剂量等），一般来说，CsI探测器的性能要明显优于GOS。