CMOS平板探测器与非晶硅平板探测器

CMOS平板探测器与⾮晶硅平板探测器
前⾔
在C形臂X射线机中,早期的探测器都是影像增强器。在2000年,⾮晶硅平板探测器最早在⼤C上开始应有,很快就完全取代了增强器。但直到2006年才出现在移动C形臂上,直到2012年,全球⼀共才卖出去2百台平板移动C形臂,在全球移动C形臂的装机中只占0.4%。主要还是因为⾮晶硅平板的低剂量DQE差,在脊柱成像上和影像增强器相⽐差很多。
在2010年前后,CMOS平板探测器开始在Mini C形臂上得到应⽤。CMOS探测器的低剂量DQE⽐影像增强器⾼,在图像质量上⾼于⾮晶硅平板和影像增强器。但是由于价格昂贵,由⼀⽚8英⼨晶圆制作的⼩尺⼨(13cmx13cm、15cmx12cm)的CMOS探测器最早是⽤在⼯业探伤、⽛科成像以及mini C形臂领域。随着技术的进步,⼤约在2016年,20cm和30cm⼤尺⼨CMOS探测器才由GE OEC开始⽤到移动C形臂上。
现在⼀块20cm的⾮晶硅平板探测器价格已经⾮常接近⼀个影像增强器配上⼀个主流的百万像素CCD相机价格。⾮晶硅平板探测器尽管低剂量DQE差,在脊柱成像上不如增强器。⼀台⾮晶硅平板C臂的成本和⼀台影像增强器C臂成本差不多,但是售价⾮常⾼。在2019年,两⼤影像增强器供商之⼀的法国泰雷兹公司宣布停产影像增强器,吹响了⽤平板探测器全⾯取代影像增强器的号⾓;同时,在利益驱动下,许
江苏省镇江中学多公司⼀起推动,⾮晶硅平板C形臂在国内开始普及。
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CMOS平板探测器价钱昂贵,相同尺⼨的CMOS平板探测器价格是⾮晶硅平板探测器的3-4倍,⼀开始只有少部分⼚家使⽤,最近越来越多的⼤⼚采⽤CMOS探测器,例如GE的晶智和晶锐、西门⼦的Spin和Cios Alpha、奇⽬的多款C臂、还有联影的C形臂等等。
gopCMOS平板探测器和⾮晶硅平板探测器相⽐,具有低剂量DQE⾼(⽂献1、⽂献4)、可以全分辨率下获得全帧率图像(⽂献3)、拖尾⼩(⽂献2)。由西门⼦公司和霍普⾦斯医学院合作的研究(⽂献6),对⽐了30cm的CMOS探测器和⾮晶硅探测器在透视成像和3D成像上的性能:CMOS探测器的噪声⽐⾮晶硅探测器低2-3倍;单帧剂量低于50nGy时,CMOS的DQE更⾼。特别是在⾼分辨率时(2.3lp/mm),CMOS探测器的DQE⽐⾮晶硅探测器⾼50%;⽽奇⽬公司2016年发表的⽩⽪书表明:⾮晶硅平板探测器在价格上有优势(⽂献5)。等离子炬
那么CMOS探测器和⾮晶硅探测器为什么有这么⼤的差异呢?
1、从硅说起
⼤家在⽣活中常见的建筑材料⽔泥、砖、和玻璃中的主要成分就是硅,硅也是⼤多数半导体芯⽚的主要原料。
纯净的硅有三种形态:单晶硅,多晶硅和⾮晶硅。多晶硅是制造单晶硅的原料。在半导体领域,单晶硅常⽤来做芯⽚,⾮晶硅⽤来做液晶电视。这⾥⾯的单晶硅和⾮晶硅的电⽓特性差异⾮常⼤,主要是由于晶体和⾮晶体的结构差异巨⼤带来的。
说到晶体和⾮晶体,我们⽇常⽣活中最常见的就是碳元素的晶体和⾮晶体。碳元素的晶体就是钻⽯,碳元素的⾮晶体就是煤炭,⼆者的内部结构和特性差异巨⼤。
对于晶体硅和⾮晶硅,⼆者内部的结构和特性同样差异巨⼤。
晶体硅内部原⼦排列整齐,⽽⾮晶硅内部原⼦排列杂乱⽆序。⼆者的电⽓特性差异巨⼤,常⽤电⼦迁移速率来表⽰。
电⼦迁移速率是单位电压(V)下,单位时间(s)的电⼦扩散⾯积。晶体硅是1400cm2/VS, ⽽⾮晶硅的电⼦迁移速率是1cm2/VS。
这个参数有什么价值呢?电⼦迁移速率快,在半导体⼯艺中,可以刻蚀很细的线来传输信号,或者组成晶体管,可以在每个感光⼆极管旁边刻蚀放⼤器,将信号放⼤后再传输到外⾯;如果电⼦迁移速率
慢,必须⽤较粗的线组成晶体管,感光⼆极管边上刻蚀不下放⼤器,因此只能把信号传输到外⾯再放⼤。半导体⼯业中,CPU芯⽚都是⽤晶体硅为原料,CMOS⼯艺制作,现在的7纳⽶⼯艺已经成熟了,⽽⾮晶硅⼯艺⼀般⽤来制作液晶电视,线宽在微⽶级别。从⼀⽚CPU和⼀个液晶电视可以⽐较出价钱差异:⼀⽚Intel i9 CPU售价 3000多⼈民币,⽽⼀台65⼨液晶电视才3000元。
⼀个20cm尺⼨的CMOS平板探测器⾯积是⼀⽚i9 CPU的1000多倍,导致了CMOS平板探测器价格⾼昂。
2、平板探测器原理
⽆论是CMOS平板探测器还是⾮晶硅平板探测器,在基本原理上都类似,见下图:
最重要的⼀个部件就是光电⼆极管阵列。CMOS探测器的光电⼆极管阵列是以晶体硅为原料,采⽤CMOS⼯艺制作;⽽⾮晶硅探测器是以⾮晶硅为原料,采⽤薄膜⼯艺(TFT)制作。
下图就是CMOS 探测器和⾮晶硅探测器的像素结构图(⽂献1)。
图中橙⾊部分是光电⼆极管,左图的每个光电⼆极管像素旁边的绿⾊⼩三⾓是CMOS探测器的放⼤器;右图每个像素旁边的是开关电路,下部的红⾊⼩三⾓是放⼤器。
⼆者的最⼤区别是:CMOS探测器在每个像素旁边都有⼀个放⼤器(⼜叫作主动像素),信号是放⼤
后再传输;⽽⾮晶硅探测器的像素旁边没有放⼤器,信号是传输到探测器外⾯后再放⼤。
两种探测器的像素信号在传输过程中都会受到各种电⼦噪声的影响,噪声⽔平都差不多。CMOS探测器的信号放⼤后再传输,因此信号电平相对于噪声来说⾼很多,也就是信噪⽐⾼;⽽⾮晶硅探测器信号传输后再放⼤,导致信号和噪声⼀起放⼤,在剂量⽐较低时,信号会被噪声淹没。这就是⾮晶硅平板探
测器低剂量DQE差的重要原因。从下图可以看出⼆者的差异:⾮晶硅平板探测器的图像噪声⾮常⼤。
噪声对图像的影响
3. DQE
DQE是平板探测器众多参数中最重要的⼀个,也是最难理解的⼀个。这个参数涉及了空间分辨率,图像信噪⽐和射线信噪⽐,⽽噪声⼜涉及了前⾯说到的电⼦噪声,还有量⼦噪声。⽐较复杂,以后再详细展开吧。
简单的说,在给定剂量下,给定分辨率下,DQE越⾼,说明了探测器对X射线的检测效率越⾼。这⼉所说的剂量是探测器接受到的剂量,分辨率常⽤0线
对。DQE⾼,那么图像的噪声就少,信号更强,图像层次就更多,细节更丰富。由于DQE和剂量⼤⼩的关系⾮常⼤,因此评价平板探测器性能时⼀般不单
黎明大学图书馆
纯⽐较DQE数值,⽽是⽐较“剂量-DQE”曲线
下图是不同探测器,0线对下不同剂量的DQE⽐较。
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上图可以看到,在剂量⽐较低时,CMOS平板探测器的DQE更⾼,⽽剂量特别⾼时,⾮晶硅平板探测器的DQE更⾼。图中两条DQE曲线交点差不多位于YYT0744标准规定的C形臂探测器最⼤允许剂量处。也就是说,CMOS在移动C形臂透视剂量范围下,其DQE⽐⾮晶硅探测器DQE⾼。
很多⾮晶硅平板C形臂⼚家在竞标时,经常写探测器DQE⾼,殊不知,在移动C形臂的剂量范围内却是不成⽴的。
在移动C形臂中,由于剂量低,碘化铯后的可见光⾮常弱,平板探测器的成像就像⽤相机在夜晚拍照⼀样。CMOS探测器像微光相机,⽽⾮晶硅探测器像普通相机。普通相机在阳光下拍照效果⾮常好,在微弱的星光下拍照效果就⽐较差了;⽽微光相机在夜晚微弱星光下拍摄效果⾮常好,在强烈的阳光下拍照就会没有普通相机好了。

本文发布于:2023-06-23 15:35:20,感谢您对本站的认可!

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