牙科平板探测器与X射线成像知识介绍

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。 

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。

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。 

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。

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） 

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。

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。 

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。 

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。

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： 

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。

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。 

滨松为牙科影像应用提供全线探测器方案

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。