誰(shuí)將引領(lǐng)C形臂光機(jī)探測(cè)器技術(shù)的未來(lái)？
隨著圖像增強(qiáng)器管生產(chǎn)工廠(chǎng)的關(guān)閉和對(duì)高端功能（如3D成像）需求的增加，動(dòng)態(tài)成像 X 射線(xiàn)市場(chǎng)不再使用 II-CCD RIU，而是采用 FPD。這一趨勢(shì)意味著系統(tǒng)制造商已經(jīng)開(kāi)始探索替代技術(shù)，并出現(xiàn)了三種主要的平板探測(cè)器技術(shù)。它們是非晶硅（a-Si）、氧化銦鎵鋅（IGZO）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。
那么哪一類(lèi)技術(shù)會(huì)在 C 型臂市場(chǎng)中脫穎而出呢？讓我們來(lái)探討一下他們各自的優(yōu)勢(shì)和不足。
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a-Si
a-Si 是一種非晶態(tài)的硅，用于太陽(yáng)能電池和平板液晶顯示器（LCD）和電視的薄膜晶體管（TFT）。 在過(guò)去的二十年里，非晶硅 FPD 已經(jīng)成為醫(yī)療和工業(yè) X 射線(xiàn)成像的主流產(chǎn)品。非晶硅 FPD 既可用于靜態(tài)也可用于動(dòng)態(tài)，但其最大的應(yīng)用是靜態(tài)普通放射成像，例如用于診斷骨科成像和胸部 X 光。
a-Si的優(yōu)勢(shì):
a - Si 是用于顯示器的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它在晶圓廠(chǎng) 這種大型工廠(chǎng)中大量生產(chǎn)。最新的 10.5 代非晶硅顯示器工廠(chǎng)使用超大尺寸的 2940 x 3370 mm 玻璃基板，而大多數(shù) CMOS 晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)直徑為 200 或 300 mm 的硅片。非晶硅 FPD 受益于顯示器行業(yè)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，非晶硅 FPD 中使用的圖像傳感器主要在亞洲的大型晶圓廠(chǎng)制造，有時(shí)使用的是在生產(chǎn)高端顯示器方面不再具有競(jìng)爭(zhēng)力的舊晶圓廠(chǎng)。這使得非晶硅成為一種高性?xún)r(jià)比的選擇，特別對(duì)于較大的尺寸，如用于胸部 X 光的 430 X 430 mm探測(cè)器。它們也比 IIs 更適合高劑量曝光，因?yàn)樗鼈兊娘柡蛣┝扛摺?/span>
a-Si 的不足:
a-Si 在低劑量曝光時(shí)表現(xiàn)不佳，因?yàn)樗淖x取噪聲相對(duì)較高，而且其像素讀取速度比 II 或 CMOS 慢。由于其讀取速度較慢，非晶硅不能支持較小的像素，如 100 μm的高幀率動(dòng)態(tài)成像。這限制了它同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)成像的快速讀出和某些透視應(yīng)用（如人工耳蝸植入）所需的高分辨率的能力。 對(duì)于 C 型臂主要用于的動(dòng)態(tài)應(yīng)用，這些限制因素意味著無(wú)法實(shí)現(xiàn)最佳速度和分辨率。即使有更大的像素尺寸，當(dāng)前一代非晶硅 FPD 的性能也受到非晶硅薄膜晶體管（TFT）的限制。由于非晶硅的電子遷移率低，需要使用大型 TFT（具有較大的寄生電容），這導(dǎo)致了電子噪聲的增加。非晶硅 FPD 的電子噪聲很高，足以對(duì)低劑量透視的圖像質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。
a-Si 的最大問(wèn)題是電子噪聲相對(duì)較高，無(wú)法與 IIs 和 CMOS X 射線(xiàn)探測(cè)器的低噪聲相提并論，導(dǎo)致臨床醫(yī)生和患者在低劑量透視檢查中的輻射劑量增加。使用 C 型臂的臨床醫(yī)生的輻照是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題?！睹绹?guó) x 光學(xué)雜志》上的一項(xiàng)研究指出：“我們觀(guān)察到，在進(jìn)行透視引導(dǎo)介入手術(shù)的技術(shù)員中，腦癌、乳腺癌和黑色素瘤的風(fēng)險(xiǎn)升高了 ”。減少臨床醫(yī)生和病人的輻照露是 C 型臂制造商的一個(gè)重要目標(biāo)。
非晶硅也有明顯的圖像滯后，這在透視和三維 CT成像中是不可取的。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)實(shí)時(shí)圖像校正算法來(lái)緩解。
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IGZO
銦鎵鋅氧化物（IGZO）平板探測(cè)器是外科 C 型臂的另一個(gè)潛在選擇。大約 15 年前，IGZO 薄膜晶體管（TFTs）在顯示器行業(yè)中被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)更高頻率的顯示。
IGZO的優(yōu)勢(shì):
IGZO TFT 的電子遷移率比 a-Si 高出 10 倍，這有利于減小 TFT 的尺寸，同時(shí)也縮短了像素放電時(shí)間。這就提高了探測(cè)器的讀出速度。在像素間距約為 100 μm的動(dòng)態(tài)探測(cè)器中，提高讀出速度對(duì)實(shí)現(xiàn)足夠的幀率尤為重要。由于 IGZO TFTs 可以做得比 a-Si TFTs 更小，因而可以顯著改善轉(zhuǎn)換性能。因此，像素變得更加敏感，可以提供更快的讀出，探測(cè)器的分辨率也可以提高。一方面，IGZO 探測(cè)器介于高劑量 a-Si 和低劑量 CMOS 探測(cè)器之間，另一方面，當(dāng)用于低劑量透視時(shí)，其介于高劑量 a-Si 和 IIs 之間。與 a- Si 相比，它們可以在同等或更低的 x 射線(xiàn)劑量下獲得可用的圖像，它們可以以更高的幀率和更高的分辨率運(yùn)行，但比 CMOS 探測(cè)器慢。
IGZO 的不足：
就性能而言，IGZO 探測(cè)器不如 CMOS 探測(cè)器好，但價(jià)格更低。這使它們成為 IIs 和 a-Si 探測(cè)器的一個(gè)很好的替代品。然而，基于 IGZO 技術(shù)的 FPD 在很大程度上處于起步階段，這個(gè)這種新技術(shù)需要證明它能夠?qū)崿F(xiàn)所提出的要求，并在 x 射線(xiàn)輻射下及時(shí)可靠。與a-Si 相比，IGZO 對(duì) X 射線(xiàn)的耐受性更低，因此不適合用于工業(yè)射線(xiàn)成像。目前還不知道IGZO產(chǎn)品在外科 C 型臂應(yīng)用中的壽命是多少，但這是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。
Yole Development 公司在 2019 年的一份研究報(bào)告中指出，“長(zhǎng)期以來(lái)，IGZO 一直被視為一種高性能/低成本的 TFT 技術(shù)，但一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是供應(yīng)鏈準(zhǔn)備不足”。雖然，許多顯示器制造商已經(jīng)開(kāi)始推出用于 X 射線(xiàn)探測(cè)的 IGZO 平板，但 IGZO 并不像非晶硅和 CMOS 那樣在 X 射線(xiàn)成像方面具有足夠的生產(chǎn)成熟度和可靠性。
IGZO 在傳感器中通常有一些圖像延時(shí)，但比 a-Si 好。在透視和三維 CT 成像中，圖像延遲是不可取的。
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CMOS
CMOS 是當(dāng)今大多數(shù)計(jì)算機(jī)微芯片和圖像傳感器中使用的半導(dǎo)體技術(shù)。CMOS 圖像傳感器（CIS）被用于手機(jī)相機(jī)、緊湊型相機(jī)、攝像機(jī)和眾多相機(jī)應(yīng)用。
用于 C 型臂的 CMOS 平板探測(cè)器于 2009 年由英國(guó) Dexela（隨后被美國(guó) PerkinElmer Inc 收購(gòu)）首次推出，并于次年引入微型 C 型臂。2017 年，隨著 Ziehm Imaging 和 GE Healthcare 推出 CMOS 產(chǎn)品，CMOS 首次被用于全尺寸 C 型臂。該技術(shù)在動(dòng)態(tài) X 射線(xiàn)成像市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)勁的增長(zhǎng)，在發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體中占據(jù)了接近 100% 的微型 C 型臂市場(chǎng)和大部分全尺寸 C 型臂市場(chǎng)。在 C 型臂市場(chǎng)，尤其是在發(fā)展中國(guó)家，IIs 上仍然發(fā)揮著重要作用。
CMOS 的優(yōu)勢(shì)：
由于非晶硅中的電荷遷移率更高得多，以及 CMOS APS 結(jié)構(gòu)，CMOS FPD 比非晶硅和 IGZO 具有更高的讀出速度和更低的噪聲。通過(guò)降低本底噪聲，顯著提高了低劑量 DQE，即使在非常低的劑量水平下也能實(shí)現(xiàn) X 射線(xiàn)檢測(cè)。CMOS FPDs 能夠同時(shí)產(chǎn)生更好的分辨率和更好的襯度，以獲得最高的診斷圖像質(zhì)量。
因此，與 a- Si 探測(cè)器相比，在低劑量透視檢查中，病人和臨床醫(yī)生的輻射劑量都會(huì)降低。
CMOS 圖像傳感器技術(shù)還允許多種增益模式，從而為高劑量和低劑量的應(yīng)用提供不同的操作模式，如三維 CT 成像（高劑量）和低劑量透視檢查。雖然將X射線(xiàn)光子轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的確有一些時(shí)間延遲，但 CMOS 圖像傳感器本身幾乎沒(méi)有圖像延遲。
CMOS 的不足：
雖然 CMOS 探測(cè)器具有最佳的性能特征（包括分辨率、速度和低劑量圖像質(zhì)量），但 CMOS 傳感器的成本導(dǎo)致大面積平板的成本較高，例如 310 mm2。這是因?yàn)榕c非晶硅或 IGZO 圖像傳感器相比，CMOS 晶圓的成本相對(duì)較高。
盡管 CMOS 圖像傳感器容易受到 X 射線(xiàn)的輻射損傷，但 C型 臂中使用的 CMOS X 射線(xiàn)探測(cè)器受到光纖板（FOP）的保護(hù)，這增加了額外的成本，但提高了圖像質(zhì)量和產(chǎn)品壽命。
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總 結(jié)
Conclusion
正如我們?cè)谙卤碇锌吹降哪菢樱?strong style="box-sizing: border-box;">CMOS 在 C 型臂市場(chǎng)上取代 IIs 的競(jìng)爭(zhēng)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，是高性能系統(tǒng)的明顯贏家，而 IGZO 和 a-Si 在價(jià)值系統(tǒng)中具有成本優(yōu)勢(shì)。(***=同類(lèi)最佳)
Reference
1. In the last 6 years we have witnessed ON Semiconductor, formerly Kodak closing one of its CCD factories, prior to that Sony’s CCD operations were also shut down. Argus Imaging and Thales have also stopped manufacturing image intensifiers.
2. ‘Analysis of a new indium gallium zinc oxide (IGZO) detector’, Steven Freestone, Richard Weisfield, Carlo Tognina, Isaias Job, Richard E. Colbeth.
3. Rajaraman, P. et al. (2016) ‘Cancer Risks in U.S. Radiologic Technologists Working With Fluoroscopically Guided Interventional Procedures, 1994-2008’, AJR. American journal of roentgenology, 206(5), pp. 1101–1108; quiz 1109. doi:10.2214/AJR.15.15265.
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