X射線探測器創(chuàng)新、變革與發(fā)展歷程
發(fā)布時間：2021-11-10 17:39:31
發(fā)布者：創(chuàng)始人
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X射線平板探測器，廣泛應用于在安防、工業(yè)及醫(yī)療等方面。在醫(yī)療領域，更是囊括了除CT外的所有X線設備，包括DR、DRF(動態(tài)DR)、DM(乳腺)、CBCT(牙科CT)、DSA(介入、血管)、C型臂(外科)等等。
百科系列第9篇，從原理和技術出發(fā)，以最通俗易懂的方式闡述X射線平板探測器的技術和國產(chǎn)化進程。這不僅是一篇科普，更是描繪X射線探測器創(chuàng)新、變革與發(fā)展的畫卷。1990年，美國施樂公司Robert Street等人，首次提出PIN結構的非晶硅(a-Si)光電二極管陣列結合二維非晶硅TFT(薄膜晶體管)陣列尋址的探測器實現(xiàn)方式，這是最早的平板探測器文獻記載。隨后，各大影像設備企業(yè)對該技術進行了前期研究。20世紀90年代末期，GE和鉑金埃爾默(Perkin Elmer)合作、泰雷茲(Thales)、西門子、飛利浦和合作投資Trixell、萬睿視(Varex)、及佳能(Canon)醫(yī)療等企業(yè)開發(fā)出非晶硅平板探測器。2010年前后，非晶硅平板技術進一步擴散，傳統(tǒng)膠片巨頭銳珂(Carestream)、富士(Fujifilm)、柯尼卡(Konica)和愛克發(fā)(Agfa)也開發(fā)出平板探測器。同時，韓國Viewworks、Rayence，我國的上海奕瑞、江蘇康眾也先后推出自己的非晶硅平板探測器。非晶硅因技術成熟、適應性好、低成本等原因，成為目前最主流平板探測器。不過，非晶硅平板在乳腺、牙科、外科等動態(tài)成像應用領域，并不是最好的選擇。于是，在乳腺領域，豪洛捷(Hologic)發(fā)明了非晶硒平板探測器；在牙科(CBCT)、外科(C型臂)等領域，Dalsa首先研制出CMOS平板探測器，我國成都善思微也已研發(fā)成功并量產(chǎn)中小尺寸的CMOS探測器。近幾年，又出現(xiàn)了非晶硅改進型IGZO探測器及直接轉換型光子計數(shù)探測器。至此，X射線探測器領域出現(xiàn)了“百花齊放”的局面。不過，與CT核心部件的“剛剛開始”不同，國產(chǎn)X射線平板探測器已經(jīng)成功“上了牌桌”。X射線探測器發(fā)展路線圖(來自互聯(lián)網(wǎng))
我們知道，非晶硅/IGZO/CMOS平板探測器屬于間接成像，其原理：將X射線轉換為可見光，通過感應穿過物體X射線的強度，賦予圖像不同灰度的等級，使人可以觀察到圖像。
因此，間接轉換探測器的基本結構包括：閃爍體、傳感器及讀出電路、外圍控制電路，閃爍體、傳感器是核心部分，決定了平板探測器的主要性能指標。
間接轉轉探測器原理(來自互聯(lián)網(wǎng))
與之相對的是直接轉換，不需要閃爍體，光導半導體材料采集到 X射線后，直接將 X 射線轉換為電信號。因此，直接轉換探測器的基本結構包括：傳感器及讀出電路、外圍控制電路，傳感器(光導半導體)是核心部分。目前，以主流非晶硅、CMOS及新型IGZO為代表的間接轉換探測器是絕對的市場主流，占據(jù)平板探測器90%以上的市場份額。根據(jù)探測器的閃爍體材料，可分為碘化銫(CsI)平板和硫氧化釓(GdOS)平板兩種。二者成像原理基本一致，不過因探測材料不同，成本及性能有明顯差異：1）與碘化銫不同，GdOS不需要長時間蒸鍍沉積過程，生產(chǎn)工藝簡單，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，成本較CsI低20%—30%；2）相較于GdOS，針狀碘化銫晶體的X射線轉換效率高30%—40%，橫向光擴散也更小，具有更高的空間分辨率。因此，碘化銫平板的DQE更高，成像更清晰。根據(jù) IHS Markit 預測，在閃爍體領域，憑優(yōu)異的性能，碘化銫將進一步擠占GdOS的市場份額。GdOS和CSI閃爍體差異(來自互聯(lián)網(wǎng))
閃爍體原材料性能和制備工藝對光轉化率、余輝、空間分辨率等性能有著至關重要的影響，其生產(chǎn)工藝門檻較高，且量產(chǎn)良率控制難度較大，大部分探測器制造商通過外購方式獲取閃爍體，自建閃爍體生產(chǎn)線的廠家較少。1）在閃爍體材料方面，我國沒有硫氧化釓閃爍體材料，主要來自日本；不過，江西東鵬新材料已經(jīng)生產(chǎn)出純度高達99.999%的碘化銫晶體粉末，實現(xiàn)了獨立自主。2）在閃爍體制備方面，江蘇康眾是我國最早研制出碘化銫探測器的企業(yè)，上海奕瑞是我國最早開發(fā)出硫氧化釓探測器的廠家，二者均掌握碘化銫直接生長技術，目前幾乎接近國際先進水平 。目前，非晶硅平板因性價比優(yōu)勢，短時間內(nèi)仍是靜態(tài)平板探測器和大尺寸動態(tài)平板探測器的主流選擇。不過從技術發(fā)展趨勢看，探測器朝著更靈敏、更低噪聲、更高幀速的方向發(fā)展，于是CMOS、IGZO等技術成為各大廠家研發(fā)的重點。
四大平板技術(來自互聯(lián)網(wǎng))
從應用領域來看，四種技術并無替代關系，但布局非晶硅技術的企業(yè)較多，未來市場潛力巨大的在于性能更優(yōu)的IGZO和CMOS技術。因為，IGZO技術可以大大提高像素的響應速度和掃描速率，主要應用于高速、大尺寸動態(tài)平板探測器，如DSA、動態(tài)DR等；CMOS 平板分辨率更高，主要應用于高幀速率、中小尺寸的動態(tài)平板探測器，如乳腺、牙科、外科、工業(yè)無損檢測等。LCD，也就是液晶顯示器，廣泛應用在手機、平板和電視上，成為我們與虛擬世界交互的基礎，這其中，最著名性能最好的是TFT-LCD。TFT-LCD ，即薄膜晶體管液晶顯示屏。TFT的本質是開關，即液晶顯示屏的每個像素都依賴TFT進行開關和驅動。九十年代初，TFT技術的成熟使TFT-LCD迅速成長為主流顯示器，未來發(fā)展TFT技術的目標是更大的尺寸和更低的成本。無論目前廣泛的非晶硅，還是未來可期的IGZO及柔性探測器，均基于TFT面板技術。根據(jù)半導體介質，TFT平板探測器又分為非晶硅/IGZO兩種：TFT平板技術邏輯(來自互聯(lián)網(wǎng))所謂非晶硅平板，是指TFT器件的溝道由非晶硅材料制成，并且非晶硅可以淀積在大面積玻璃基板襯底上，具有大面積、工藝成熟穩(wěn)定、普通放射的能譜范圍響應好、材料穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應性好等特點，可同時滿足靜態(tài)和動態(tài)探測器的需求，是最主流的X射線平板探測器傳感器技術。目前，非晶硅技術已進入紅海，幾乎所有的探測器企業(yè)都生產(chǎn)非晶硅平板，使其更像一個“日用品”，參數(shù)只是一方面，質量和可靠性是更重要，甚至是最重要的。非晶硅探測器(來自互聯(lián)網(wǎng))柔性探測器，是目前比較前沿的X 射線探測器技術。所謂柔性探測器，是指其TFT襯底是柔性基板，即采用薄而柔軟材料（如光學透明的聚亞酰胺）代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃基板，制成可形變、可彎折、不易碎裂的柔性平板，具有超窄邊框、輕便、抗沖撞、不易破損等特點。由于柔性基板與玻璃基板存在性能差異，柔性基板探測器技術工藝較為復雜，成本較為高昂，目前僅用于特定的場景，如移動醫(yī)療。隨著柔性技術工藝不斷改善、成本持續(xù)降低，未來可拓展至更多主流應用場景。目前我國的奕瑞和康眾已推出相關產(chǎn)品。非晶硅探測器，之所以沒有“一統(tǒng)天下”，反而成為“低端平板”的代名詞，是因為其致命缺點：電子遷移率只有0.5-1.0cm^2/VS，使其低劑量DQE差，圖像噪聲較大，分辨率較低。于是，另一種IGZO探測器誕生了，帶來了更高分辨率和更高刷新率。其實，更嚴謹?shù)恼f法是Oxide TFT，即氧化物TFT。之所以被稱為IGZO，即氧化銦鎵鋅，是因為IGZO其中最成功的代表。IGZO平板，同樣屬于TFT技術平板，只不過其控制顯示像素驅動由TFT升級為速度更快的IGZO，這是因為IGZO電子遷移率是非晶硅的20到50倍，因此：1）可獲得更高的像素讀出速度和幀率；2）可大大縮小縮小晶體管尺寸，增加像素密度，使圖像分辨率更高，改善低劑量DQE。非晶硅和IGZO像素尺寸對比(來自互聯(lián)網(wǎng))
IGZO平板，不僅繼承了非晶硅平板的所有優(yōu)勢，如易于大面積制造，低成本；還具有更高的性能，如更低噪聲、更高采集速度及更高分辨率，是理想的大尺寸高速動態(tài)平板探測器，可廣泛應用在DSA、DRF等X線透視設備中。在IGZO平板領域，萬睿視率先將該IGZO技術引入并實現(xiàn)量產(chǎn)，我國的奕瑞也已初步實現(xiàn)IGZO平板探測器的量產(chǎn)。CMOS，即互補金屬氧化物半導體，是組成芯片的基本單元。CMOS技術聽著很高級，其實離我們很近，幾乎所有手機的攝像頭都是基于CMOS圖像傳感器芯片，與CMOS平板異曲同工。如果說制作TFT探測器像造電視，那么制作CMOS探測器更像造芯片。因為，與非晶硅/IGZO探測器的玻璃襯底不同，CMOS探測器的襯底是單晶硅，其電子遷移率是1400cm^2/VS，這是制作晶圓的重要材料。怎么非晶硅、IGZO和CMOS都提及電子遷移率，這么重要嗎？
無論何種技術，都希望電子遷移率越快越好。因此，電子遷移率高，單個晶體管就可以做得更小，使顯示像素更小，圖像空間分辨率更高。
舉個形象的栗子，如果希望在規(guī)定時間內(nèi)運輸足夠多的煤炭到另一個城市，如果火車速度慢，就得多軌道多火車同時運輸，顯然這樣非常占地方(空間分辨率低)；如果車速足夠快，單節(jié)小火車也能搞定(空間分辨率高)。所以，“幸好”CMOS探測器比較貴，否則就沒其他技術啥事兒了。非晶硅/IGZO探測器的襯底是便宜的玻璃或者塑料，而CMOS探測器的襯底是昂貴的單晶硅晶圓；基于TFT的探測器可以實現(xiàn)低溫制備，而基于CMOS探測器的制備工藝溫度更高更復雜。
舉個例子，一臺65寸的液晶電視才3000多元，而一片Inter i9 CPU（尺寸：37.5mm x 37.5mm）同樣高達3000多元，一個20*20cm的CMOS平板的面積是一片i9 CPU的1000多倍。所以，CMOS平板探測器比較貴，不過大家都知道貴有貴的好。
所謂CMOS平板探測器，是指在一塊晶圓上集成光電二極管、尋址電路，以及更重要的放大器(這是與非晶硅/IGZO探測器的最大區(qū)別)，將信號放大后再傳輸?shù)酵饷?。因此，具有明顯優(yōu)于非晶硅探測器的低劑量DQE和更高的采集速度。非晶硅和CMOS信噪對比(來自互聯(lián)網(wǎng))
由于單晶硅的電子遷移速率更快，可以在光電二極管旁邊增加放大器電路，將信號放大后再傳輸?shù)酵饷妫@是CMOS平板與非晶硅或IGZO平板的最大區(qū)別。因此，CMOS探測器具有明顯優(yōu)于非晶硅/IGZO探測器的高分辨率、高采集速度、高低劑量DQE。
不過，半導體晶圓尺寸限制，CMOS平板廣泛應用的是8寸晶圓，平板尺寸普遍為13*13cm和15*12cm，也可進行拼接，不過工藝較為復雜。CMOS平板在中小尺寸動態(tài)X線設備應用上具有明顯的優(yōu)勢，如牙科CBCT、外科C型臂、乳腺機。在CMOS平板領域，Dalsa和萬睿視是目前全球最大的兩家CMOS探測器制造商，我國的成都善思微和上海奕瑞掌握該技術并具備量產(chǎn)能力，江蘇康眾也在研發(fā)中。其中，成都善思微研制了第一款國產(chǎn)CMOS平板探測器并已實現(xiàn)量產(chǎn)。成都善思微，北京納米維景分拆成立的探測器企業(yè)，曾參與靜態(tài)CT專用探測器芯片及部件的研發(fā)，是一家專注于固態(tài)成像芯片及探測器模組的高科技企業(yè)，主營業(yè)務包括CMOS平板探測器、CT探測器、光子計數(shù)探測器等。目前，其CMOS平板探測器是我國最領先的，幾乎所有的國產(chǎn)牙科CBCT廠家都注冊了其產(chǎn)品。相較于間接轉換型X射線探測器，直接轉換型X射線探測器不需要通過閃爍體將X線轉換成可見光，而是在X射線輻照到傳感器材料時產(chǎn)生電子—空穴對，因不產(chǎn)生可見光，沒有光橫向擴散影響，具有更高的空間分辨率。其傳感器材料具有較高的原子序數(shù)、較大的X射線吸收系數(shù)和較高的載流子遷移率；且只需要毫米級厚度就能基本完全吸收百千伏級的X射線，沒有任何的延遲或殘影。直接和間接轉換對比(來自互聯(lián)網(wǎng))
目前，直接轉換型X射線探測器主要包括兩種：以非晶硒材料為代表的能量積分型探測器，以碲化鎘(CdTe)、碲鋅鎘(CZT)、單晶硅(Si)為代表的光子計數(shù)探測器。非晶硒技術為Hologic獨有技術，還在專利保護期。與非晶硅平板類似，非晶硒平板同樣是基于TFT技術制成。歷史上，曾有著名的非晶硅和非晶硒之戰(zhàn)。其結果是，非晶硅探測器成為了市場主流。之所以非晶硒平板成為“冷門”，是因為：1）硒元素對X射線的吸收性能差，受熱結晶會導致性能衰減，需要進一步提高工藝穩(wěn)定性；2）非晶硒探測器啟動偏壓電場高達數(shù)千伏，會對TFT開關造成不可逆的損傷，使得非晶硒探測器的使用壽命不長；3）非晶硒平板對于溫度非常敏感，使用條件也受到了一定限制；4）非晶硒薄膜做不厚，不太適合高能X射線的探測。乳腺檢查非晶硒技術優(yōu)勢明顯(來自互聯(lián)網(wǎng))目前，在乳腺X射線成像領域，非晶硒幾乎是“王者”，高端乳腺機基本均采用非晶硒平板；不過因為價格原因，也有大量主打早期篩查的高性價比乳腺機采用非晶硅平板。此外，在乳腺斷層成像領域，憑借高幀速、高分辨率、高低劑量DQE等性能，CMOS平板成為乳腺TOMO /DBT的更好選擇。光子計數(shù)探測器(Photo Counting Detector)，源于高能物理的直接X光轉換技術，公認的下一代X射線成像技術。與其他基于閃爍體的探測器不同，光子計數(shù)探測器基于半導體材料，其原理是通過設置閾值把信號幅度超過閾值的光子從低于閾值的暗噪聲中提取出來，可以消除暗電流導致的假計數(shù)，實現(xiàn)真正意義上的零噪聲；因直接成像避免閃爍體造成的光散射，能實現(xiàn)更高的高空間分辨率和密度分辨率。此外，相比于積分型探測器的單色成像，光子計數(shù)探測器能實現(xiàn)射線多能譜采樣點的多色成像，從而具備物質分辨能力，未來X射線成像將逐步從 2D、3D發(fā)展到4D，從黑白發(fā)展到彩色。光子技術探測器物質識別能力(來自互聯(lián)網(wǎng))
CdTe/CZT一直被公認為是很有前途的用于硬X射線吸收的半導體材料，能夠有效地吸收10—140 keV范圍內(nèi)的X射線，即使在室溫下也能提供良好的能量分辨率。目前， GPS、萬睿視及佳能企業(yè)正致力于光子計數(shù)探測器的研發(fā)及布局，研制線陣探測器或小尺寸面陣探測器，并應用在CT、核醫(yī)學、乳腺成像、血管成像等領域。如萬睿視旗下Direct Conversion（DC）是目前全球最大的CdTe探測器制造商，其XC-Hydra系列是世界上第一個使用直接轉換技術的商業(yè)化光子計數(shù)探測器。2017年 5 月，科技部發(fā)布《“十三五”醫(yī)療器械科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》，指出：積極發(fā)展探測器新型閃爍晶體制備技術，開發(fā)基于光子計數(shù)探測器的血管減影造影 X 射線機，爭取在光子計數(shù)低劑量成像方面達到國際先進水平。
目前，西北工業(yè)大學介萬奇教授團隊已開發(fā)出高性能探測器級CZT晶體及高效率、低成本單晶制備技術和關鍵設備，一舉打破國外封鎖，并將綜合成本降低50%以上。所生長的CZT晶體性能已達到國際先進水平，并被應用在核醫(yī)學成像、安檢和醫(yī)學成像等領域。此外，深圳幀觀德芯基于單晶硅實現(xiàn)面陣光子計數(shù)探測器量產(chǎn)，極大降低光子計數(shù)探測器成本，并應用在自家乳腺機；成都善思微也致力于光子計數(shù)探測器的研發(fā)，其創(chuàng)始人及團隊也曾參與多個早期光子計數(shù)芯片及探測器科研項目。CCD傳感器+影像增強器，作為曾經(jīng)非常成功的探測器技術，目前仍活躍于外科C型臂中，但本文并沒有涉及，是因為泰雷茲已停產(chǎn)影像增強器，僅剩佳能還在堅持，影增C形臂退出市場，平板C形臂成為主流是大勢所趨。綜合來看，非晶硅、IGZO、CMOS、柔性基板、非晶硒等五種技術適合于不同的應用場景：1）非晶硅探測器，因具有出色的成本優(yōu)勢，短時間內(nèi)仍會是平板探測器的主流技術平臺。2）IGZO探測器，因采集時間短，信噪比高等特點，在動態(tài)平板上有很大優(yōu)勢。未來隨著技術更趨成熟，IGZO全面替代非晶硅(至少在動態(tài)平板領域)，應該是大勢所趨。3）CMOS探測器，雖然主要應用在中小尺寸動態(tài)成像領域，但因其高分辨率、高幀速率和低劑量性能，在牙科、乳腺、外科及介入等場合，CMOS平板也是主流技術平臺。4）柔性基板探測器，具有超窄邊框、輕便、抗沖撞、不易破損等特點。不過目前成本較高，隨著工藝不斷改善，未來在部分特殊應用場景將取代傳統(tǒng)的非晶硅探測器。5）非晶硒探測器，因為更高的性能和成本，非晶硒在很長時間內(nèi)仍會繼續(xù)“統(tǒng)治”中高端乳腺機，直到光子計數(shù)探測器普及。盡管已有若干基于光子計數(shù)探測器的設備，如GPS的光子計數(shù)CT原型機，AB-CT的乳腺CT。不過因CdTe/CZT晶體價格過于昂貴，極大限制了其在醫(yī)學影像等領域的應用及推廣；此外，受限于這種特殊材料晶圓尺寸及制造工藝的良品率限制，單個光子計數(shù)探測器模組一般小于20mm，難以滿足醫(yī)學影像領域對人體組織的成像需求，目前只能通過陣列拼接方式構成大面積探測器。
目前，存在一些亟待解決的科學和技術問題：1）高質量、低成本的CdTe/CZT晶體生長技術；2）大尺寸CZT 探測器的設計與制備；3）基于光子計數(shù)探測器的整機系統(tǒng)及應用算法的設計與開發(fā)。
毫無疑問，光子計數(shù)探測器是綜合性能最優(yōu)的一種X射線探測器，具有非常大的應用潛力，國內(nèi)外都在積極探索，讓我們拭目以待。
2015年，國務院印發(fā)《中國制造 2025》，提出：到2025年，影像設備等高性能診療設備70%的核心基礎零部件、關鍵基礎材料實現(xiàn)自主保障。其中，數(shù)字化X射線平板探測器正屬于 “中國制造 2025”重點發(fā)展的高科技、高性能醫(yī)療和工業(yè)的核心部件。如今，我國出現(xiàn)了上海奕瑞、江蘇康眾、成都善思微、上海品臻、上海煜影等一批專注于平板探測器的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)；此外，萬東、深圖、安健、幀觀德芯等整機企業(yè)也基本實現(xiàn)平板探測器的自產(chǎn)自用。那么，從平板探測器角度，國產(chǎn)與國際大廠還有哪些差距？帶著這個問題，筆者有幸采訪了CMOS和光子計數(shù)探測器領域的專家：1）從關鍵零部件角度，在非晶硅領域，目前還有些芯片沒法國產(chǎn)；在CMOS領域，晶圓目前仍靠國外流片，一些通用的ADC、FPGA芯片也沒有實現(xiàn)國產(chǎn)；2）從平板性能角度，目前，國產(chǎn)靜態(tài)平板探測器與進口相差無幾，但動態(tài)非晶硅和CMOS平板還會有些差距。其實，我們有信心在性能上做到同等水平，但可能國內(nèi)客戶還抱懷疑態(tài)度；3）從綜合實力角度，國際大廠在平板探測器領域的深耕已久，目前來說還是非常有優(yōu)勢的，更多的差距是體現(xiàn)在產(chǎn)品品質、可靠性、及供應鏈等多維度的綜合實力上，國產(chǎn)還在努力縮小差距。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，國產(chǎn)DR憑借高性價比占據(jù)國內(nèi)近70%的市場份額，已呈燎原之勢。這離不開國產(chǎn)整機廠商的努力，更離不開國產(chǎn)探測器的崛起。下期，從市場及產(chǎn)業(yè)鏈角度，解析全球X射線探測器格局、國產(chǎn)的位置、以及未來探測器的需求趨勢。這是一個“群雄并起”的時代。。。
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