评价平板探测器成像质量的性能指标主要有两个 : 量子探测效率 ( Detective Q uantum E fficiency , DQE)和空间分辨率 。 DQ E 决定了平板探测器对不同组织密度差异的分辨能力 ;而空间分辨率决定了对组织细微结构的分辨能力 。考察 DQ E和空间分辨率可以评估平板探测器的成像能力 。

在间接转换的平板探测器中 , 影响 DQE 的因素主要有两个方面 : 闪烁体的涂层和将可见光转换成电信号的晶体管 。

首先闪烁体涂层的材料和工艺影响了 X 线转换成可见光的能力 , 因此对 DQ E 会产生影响 。目前常见的闪烁体涂层材料有两种 : 碘化铯 (C sI ) 和硫氧化钆 (Gd2O 2S )。 碘化铯将 X线转换成可见光的能力比硫氧化钆强但成本比较高 ; 将碘化铯加工成柱状结构 , 可以进一步提高捕获 X 线的能力 , 并减少散射光 。使用硫氧化钆做涂层的探测器成像速度快 , 性能稳定 , 成本较低 , 但是转换效率不如碘化铯涂层高 。

其次将闪烁体产生的可见光转换成电信号的方式也会对DQ E 产生影响 。在碘化铯 ( 或者硫氧化钆) +薄膜晶体管( T FT)这种结构的平板探测器中, 由于 TF T 的阵列可以做成与闪烁体涂层的面积一样大 , 因此可见光不需要经过透镜折射就可以投射到 TF T 上 , 中间没有可以光子损失 , 因此 DQE 也比较高 ; 在碘化铯 (CsI )+CCD( 或者 CM OS) 这种结构的平板探测器中 , 由于 C CD( 或者 C M OS)的面积不能做到与闪烁体涂层一样大 , 所以需要经过光学系统折射 、反射后才能将全部影像投照到 C CD( 或者 C M OS)上 , 这过程使光子产生了损耗 , 因此 DQE 比较低 。

直接转换平板探测器中 , X 线转换成电信号完全依赖于非晶硒层产生的电子空穴对, DQ E 的高低取决于非晶硒层产生电荷能力 。总的说来 ,C sI +T FT 这种结构的间接转换平板探测器的极限 DQE 高于 a -Se 直接转换平板探测器的极限DQ E 。

在直接转换平板探测器中 , 由于没有可见光的产生 , 不发生散射 , 空间分辨率取决于单位面积内薄膜晶体管矩阵大小 。矩阵越大薄膜晶体管的个数越多 , 空间分辨率越高 , 随着工艺的提高可以做到很高的空间分辨率 。

在间接转换的平板探测器中 , 由于可见光的产生 , 存在散射现象 , 空间分辨率不仅仅取决于单位面积内薄膜晶体管矩阵大小 , 而且还取决于对散射光的控制技术 。总的说来 ,间接转换平板探测器的空间分辨率不如直接转换平板探测器的空间分辨率高 。

对于同一种平板探测器 , 在不同的空间分辨率时 , 其 DQ E是变化的 ; 极限的 DQE 高 , 不等于在任何空间分辨率时 DQ E都高 。DQ E 的计算公式如下 :

DQE =S 2 ×M F T 2 /N SP ×X ×C

S : 信号平均强度 ; M T F : 调制传递函数 ; X : X 线曝光强度 ; NPS : 系统噪声功率谱 ; C : X 线量子系数

从计算公式中我们可以看到 , 在不同的 M TF 值中对应不同的 DQE , 也就是说在不同的空间分辨率时有不同的 DQE 。间接转换平板探测器的极限 DQ E 比较高 , 但是随着空间分辨率的提高 , 其 DQE 下降得较多 ;而直接转换平板探测器的极限 DQE 不如间接转换平板探测器的极限 DQ E 高 , 但是随着空间分辨率的提高 , 其 DQ E 下降比较平缓 , 在高空间分辨率时 , DQE 反而超过了间接转换的平板探测器 。这种特性说明间接平板探测器在区分组织密度差异的能力较强 ; 而直接转换的平板探测器在区分细微结构差异的能力较高 。

数字化X线摄影(Digital Radiography，简称DR)，是上世纪90年代发展起来的X线摄影新技术，以其更快的成像速度、更便捷的操作、更高的成像分辨率等显著优点，成为数字X线摄影技术的主导方向，并得到世界各国的临床机构和影像学专家认可。DR的技术核心是平板探测器，平板探测器是一种精密和贵重的设备，对成像质量起着决定性的作用，熟悉探测器的性能指标有助于我们提高成像质量和减少X线辐射剂量 。

DR 平板探测器从能量转换的方式可以分为两种 :间接转换平板探测器( indirect FPD)和直接转换平板探测器( directFPD) 。

间接转换平板探测器

间接转换平板探测器由碘化铯等闪烁晶体涂层与薄膜晶体管( Thi n Film T ransistor , T FT)或电荷耦合器件( C hargeC oupling Device , C CD)或 互 补 型 金 属 氧 化 物 半 导 体( Com plem en tary M etal Oxide S em i -Conductor , CM OS)构成 。间接转换平板探测器的工作过程一般分为两步 , 首先闪烁晶体涂层将 X 线的能量转换成可见光 ;其次 TF T 或者C CD , 或 C MO S 将可见光转换成电信号。由于在这过程中可见光会发生散射 , 对空间分辨率产生一定的影响 。虽然新工艺中将闪烁体加工成柱状以提高对 X 线的利用及降低散射 ,但散射光对空间分辨率的影响不能完全消除 。

直接转换平板探测器

直接转换平板探测器主要由非晶硒层 (Am orph ou s S elenium , a -S e ) T FT 构成 。入射的 X 射线使硒层产生电子空穴对, 在外加偏压电场作用下 , 电子和空穴对向相反的方向移动形成电流 , 电流在薄膜晶体管中形成储存电荷 。每一个晶体管的储存电荷量对应于入射 X 射线的剂量 , 通过读出电路可以知道每一点的电荷量 ,进而知道每点的 X 线剂量 。由于非晶硒不产生可见光 , 没有散射线的影响 , 因此可以获得比较高的空间分辨率 。

判断平板探测器图像质量的好坏，通常用调制传递函数(MTF)和量子转换效率(DQE)来衡量。MTF和DQE值高则表明该平板探测器产生的图像质量能够达到较好的空间分辨率和密度分辨率 。

影响平板探测器DQE的因素:量子探测效率(DQE)是一种对成像系统信号和噪声从输入到输出的传输能力的表达，以百分比表示。DQE反映的是平板探测器的灵敏度、噪声、X线剂量和密度分辨率。在非晶硅平板探测器中，影响DQE的因素主要有两个方面:闪烁体的涂层和将可见光转换成电信号的晶体管 。

首先闪烁体涂层的材料和工艺影响了X线转换成可见光的能力，所以对DQE会产生影响。目前常见的闪烁体涂层材料有两种:碘化铯和硫氧化钆。碘化铯将X线转换成可见光的能力比硫氧化钆强但成本比较高;将碘化铯加工成柱状结构，可以进一步提高捕获X线的能力，并减少散射光。使用硫氧化钆做涂层的探测器成像速率快，性能稳定，成本较低，但是转换效率不如碘化铯涂层高。其次将闪烁体产生的可见光转换成电信号的方式也会对DQE产生影响。在碘化铯(或者硫氧化钆) 薄膜晶体管(TFT)这种结构的平板探测器中，因为TFT的阵列可以做成与闪烁体涂层的面积一样大，所以可见光不需要经过透镜折射就可以投射到TFT上，中间没有光子损失，所以DQE也比较高;在非晶硒平板探测器中，X线转换成电信号完全依赖于非晶硒层产生的电子空穴对，DQE的高低取决于非晶硒层产生电荷能力。总的说来，CsI TFT这种结构的间接转换平板探测器的极限DQE高于a-Se直接转换平板探测器的极限DQE。

对于同一种平板探测器，在不同的空间分辨率时，其DQE是变化的;极限的DQE高，不等于在任何空间分辨率时DQE都高。DQE的计算公式如下:DQE=S2×MFT2/NSP×X×C

S:信号平均强度;MTF:调制传递函数;X:X线曝光强度;NPS:系统噪声功率谱;C:X线量子系数从计算公式中我们可以看到，在不同的MTF值中对应不同的DQE，也就是说在不同的空间分辨率时有不同的DQE 。

调制传递函数对图像质量的影响

调制传递函数(MTF)是描述系统再现成像物体空间频率范围的能力。理想的成像系统要求100%再现成像物体细节，但现实中肯定存在不同程度的衰减，所以MTF始终<1，它说明成像系统不能把输入的影像全部再现出来，换句话说，凡是经过成像系统所获得的图像都不同程度损失了影像的对比度。MTF值越大，成像系统再现成像物体细节能力越强。系统的MTF是必须要测定的。要评价数字X线摄影系统的固有成像质量，必须计算出不受主观影响的、系统所固有的预采样MT F。

国际权威机构的测量结果表明，相比于非晶硅平板探测器，非晶硒平板探测器具有最优的MTF值，但空间分辨率增加时，非晶硅平板探测器的MTF迅速下降，而非晶硒平板探测器仍能保持较好的MTF值，这是与非晶硒平板探测器直接将入射的不可见X光光子直接转换为电信号的成像原理密切相关的 。

目前的平板探测器 CT 系统主要有两种几何结构 :锥束系统和半锥束系统 。

锥束系统

锥束系统的应用比较广泛 , 主要用于两个方向 :医学检查和工业无损检测 。由这两个应用方向的特点不同 , 通常它们分别使用两种不同的机械结构 :机架式结构和立式结构 。但这不是绝对的 , 立式结构在医学检查中也有少量应用 。

机架式平板探测器C T 系统

机架式平板探测器 CT 系统是在普通医用 C T系统的基础上改造而成的。这种系统使用现有医用 CT 机的机械设备 、 X光源和控制系统 , 仅将原有的探测器更换为平板探测器 , 修改了控制软件和重建软件 。由于目前医用C T 机已经有成熟的产品 , 架构这样的系统比较方便 。另外 , 由于 CT 最广泛的应用还是在医学中 ,而机架式的几何结构最适合于医学检查使用 , 因此这种几何结构的平板探测器 C T 系统在目前研究中的使用也比较多 。

立式平板探测器 CT 系统

立式平板探测器 C T 系统的几何结构, 这种系统的射线源和探测器都是固定的 , 而将待测物置于一个可旋转的转台上由于这种几何结构需要旋转被测物 , 所以不大适合用于医学检查 , 但在工件的无损检测中则非常适用 , 立式结构可以检查质量很大的工件且有着很好的几何位置稳定性 。

锥束系统中散射射线的影响

CT 系统中不可避免地会有散射射线的影响 ,锥束系统的应用通常要求较高的成像质量 , 因此必须设法消除散射的影响 。散射包括背散射和来自物体的散射 , 背散射的影响通常可以通过安装吸收屏基本消除 , 来自待测物的散射通常是使用探测器前加准直器的方法抑制 , 本文中提到的 "散射" 如无特殊说明则指来自待测物的散射 。线阵探测器仅受一维的散射影响 , 安装准直器就能达到较好的散射抑制 , 但平板探测器的散射是二维的 , 影响比线阵探测器要大得多 。目前对散射的影响已经有了许多研究工作 , 主要研究问题有两个:如何评估探测器接受到的数据中散射射线的多少如何在重建的图像中尽量减小散射射线的影响 。

锥形束噪声的影响

经验和理论上平板锥束 CT 系统的噪声性能的研究应包括体素噪声 、 噪声功率谱 ( NPS)、 探测量子效率 ( DQE)。J . H . Siewerdsen 和 D . A . Jaffray 提出将表现 2 维图像特征的 NPS 分析方法完全扩展到 3 维的情况[ 20] , 并提出了 n 维时 NPS 分析的通用框架 , 包括了在系统线性性和稳定性限制下NPS 收敛性和归一化的重要考虑。系统的噪声导致了最终重建图像质量的下降 ,如何减小图像中噪声的影响是一个很有意义的问题 。N . Nakamo ri 等人使用小波分析的方法去除噪声影响取得了很好的效果。他们的初步实验结果表明使用小波分析去除噪声的方法在不降低 CT图像质量的情况下可以将剂量降至 1/10 以下 。

半锥束平板探测器CT 系统

半锥束平板探测器 CT 系统用于乳腺成像检查 , 这是一项新兴的技术。待检查的患者俯卧在平台上, 而 X射线源和平板探测器在平台下方旋转。来自射线源的 X 射线经过准直产生半锥形的射线束, 因此不能直接使用锥束重建算法, B .Chen 等人对此提出了修正的公式。半锥束型系统中同样存在着散射和噪声的影响 , 但是由于这种系统的用途是进行乳腺检查 , 目前的试验结果表明在没有进行散射和噪声影响校正时成像质量已经可以满足要求, 在这种系统中一个很重要的考虑是如何在保证图像质量的前提下减少射线剂量 。

DR 技术的核心在 X-线探测平板和采像处理计算机。DR 平板 (flat panel) 有三种技术:

1. a-Si (一种硅平板探测器) -- 目前世界上主要领先厂家都用这种技术，包括 GE、西门子、飞利浦、柯达等。国内万东也引进了这种技术。

2. a-Se (非晶硒平板探测器) -- 目前世界上只有 Hologic 一个家用此技术，Agfa、国内友通等厂家 OEM 这种探测器。

3. CCD -- 世界上还有几个厂家用此技术如 Swissray (DDR 也许是他们叫起来的)

他们的目的是相同 -- 即不用中间介质直接拍出数字 X-光像。专家们普遍认为大面积平板采像 CCD 技术不胜任。剩下两种技术各有优越性:

1. a-Si 平板是两步数字转换过程，X-光粒子先变成可见光然后用光电管探测。医生们觉得出来图像比较好看。

2. a-Se 是在一种所谓直接探测过程，X-光子在硒涂料层变成电信号被探测。厂家 (Hologic) 认为没有转换能量损失，是发展方向 (但是 GE、西门子、飞利浦不同意)。

为了简单的描述DR技术的基础，让每个普通顾客都能理解，我们可以把DR技术比作成个人照相机。过去，消费者需要装一卷胶片，而且不能有效地控制、删除或者查看所拍的照片。照片拍好后，胶片需要使用很多化学原料经过一长串的处理，最后以胶片形式保存下来以备后用。而引入数字技术后，在拍完几秒钟后就可以查看所拍的照片而且也可以以电子形式传送与家人、朋友分享。这些过程完全没有环境污染，也不需要昂贵的化学原料和麻烦的胶片保存。

DR(Digital Radiography)数字X线摄影是利用电子技术将X线信息的其它载体转变为电子载体，X线照射人体后不直接作用于胶片，被探测器(Detector)接收并转换为数字化信号，获得X线衰减值(attenuation value)的数字矩阵，经计算机处理，重建成图像。数字图像数据可利用计算机进行进一步处理、显示、传输和存储，分辨率比普通X线照片高，诊断信息丰富，并且能够更有效地使用诊断信息，提高信息利用率及X线摄影检查的诊断价值。

直接数字化技术

是指可将X射线直接转变为电荷，比如Hologic公司的直接数字化平板探测器，它采用半导体材料-非晶硒Amorphous Selenium (a-Se)，它可将X射线直接转变为电荷，无任何中间步骤, 最终产生数字图像。

间接数字化技术

采用类似屏/片系统产生图像所用的间接方式;在传统的屏/片系统中，X射线形成影像分两步完成:第一步，X射线经过增感屏中所含的稀土元素材料(比如Gd2 O2S)产生可见光;第二步，可见光使胶片中的溴化银颗粒感光产生影像;由于有可见光产生，就会产生光的散射，最终降低图像质量。

间接数字化平板探测器亦分两步完成工作:第一步，X射线经过闪烁晶体(碘化铯或磷)产生可见光;第二步，可见光经光电转换由TFT或CCD转变为电荷;由于工艺的改进，新一代闪烁晶体材料制作成"松针"状种植在非晶硅上，比传统整块闪烁体材料产生的散射要少一些，但根本性质没有改变，仍需产生可见光进行转换，有可见光必然会有光的散射，必然会造成图像质量的下降。

目前平板探测器 CT 系统已经逐步进入实用阶段 , 可以达到比传统的 C T 系统更高的空间分辨率 , 而密度分辨率也接近传统 CT 的水平 , 成为一项很有发展前景的技术 。进一步提高平板探测器C T 的密度分辨率是下一步亟需解决的问题 。平板探测器 CT 系统的射线利用效率高 , 这一点有着很重要的现实意义 。在医学 CT 中这意味着可以减小患者检查时接受的剂量 , 在工业 CT 中则可以加快检测速度 、 提高检测效率 。特别是新兴的用于乳腺检查的半锥束 CT 系统 , 它的目标是取代X 射线照相检查技术 , 因此如何在一次照相受到的剂量范围内达到能够反映病变的分辨率是一个非常有意义的研究方向 。平板探测器 CT 系统中散射的影响非常严重 ,目前在 X 射线能量较低时可以通过安装准直设备达到较好的散射抑制 , 但使用高能 X 射线时如何抑制散射还是个有待解决的问题 。平板探测器 CT 系统的性能分析沿用了传统C T 的分析方法 , 原有的用于二维的分析方法也有了扩展到三维情况的工作 。在重建算法中对散射 、噪声等因素的影响进行校正对提高系统的性能有巨大的影响 , 算法中的校正工作还需进一步完善 。正如扇形束扫描方式取代了平行束一样 , 锥束扫描方式取代多层螺旋扫描将会是 CT 发展的必然结果 , 而平板探测器 CT 系统正是锥束 CT 的最佳候选者 。我们相信平板探测器锥束 CT 系统必将有着广阔的前景 。