原來,影響牙科CBCT成像的關鍵在這里!
在選擇牙科CBCT的時候,如果能夠很好地理解其設備本身,毫無疑問可以幫助醫(yī)院和牙科診所做出更切合自身需求的采購決策。但這往往會需要醫(yī)學界的朋友們跨跨界,來理解一下光電技術的問題。
為什么呢?因為其基本的原理其實就是X射線成像。理解它,是理解牙科CBCT成像設備最基礎的一步。今天小編在這里,就來為大家呈現(xiàn)一些牙科X射線成像的基礎知識,以及如何認識牙科CBCT中最重要的元件之一——平板探測器。
一切都先要從X射線說起
光(輻射),在我們的生活、自然以及宇宙中幾乎無處不在?梢姷闹挥蟹浅P〉囊徊糠郑蟛糠侄际悄阄胰庋蹮o法觀測到的,X射線就是其中一種。
X射線屬于高能射線,光子能量在124 eV到幾百keV之間,屬于電離輻射,對人體有害,如果人體吸收了過量的X射線則會造成實質(zhì)損傷。宇宙中存在著大量的X射線,但地球的大氣層基本都將其隔離在外了。
那它又是怎么被發(fā)現(xiàn)的呢?
X射線又叫倫琴射線,由德國物理學家威廉·康拉德·倫琴于1895年在實驗中發(fā)現(xiàn)并命名,倫琴因此成為了獲得諾貝爾物理學獎的第一人。而X射線也被稱為19世紀末20世紀初物理學的三大發(fā)現(xiàn)之一,標志著現(xiàn)代物理學的誕生。
倫琴在一次的實驗中,請他夫人將手放在黑紙包嚴的照相底片上,用X射線對準照射了15分鐘,顯影后,得到了人類第一張人體X射線攝影。這張歷史性的照片也表明了,人類可以借助X射線隔著皮肉去透視骨骼。
倫琴和倫琴夫人手掌X射線圖
指上那個黑咕隆冬的物體是倫琴夫人的婚戒
X射線穿透力極強,由于人體不同的組織對X射線的吸收程度不同,均勻的X射線快速穿透人體組織后,其不均勻分布其實就是人體組織的投影。通過不斷的技術發(fā)展,如今X射線已廣泛地用于醫(yī)療影像中,當然也包括我們今天談到的牙科影像。
牙科影像中的X射線是怎么產(chǎn)生的?
目前在牙科應用中,都是用X射線真空管來產(chǎn)生X射線。
X 射線管是工作在高電壓下的真空二極管。包含有兩個電極:一個是用于發(fā)射電子的燈絲,作為陰極(K);另一個是用于接受電子轟擊的靶材,作為陽極(A)。兩極均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外殼內(nèi)。
在牙科X射線影像設備的參數(shù)中,“管電流”、“管電壓”是經(jīng)常能看見的。這里小編來大概解釋一下:
X射線管供電部分至少包含有一個使燈絲加熱的低壓電源(Uh),和一個給兩極施加高電壓的高壓發(fā)生器(Ua)。當鎢絲通過足夠的電流使其產(chǎn)生電子云,且有足夠的電壓(千伏等級)加在陽極和陰極間(管電壓),使得電子云被拉往陽極。此時電子以高能高速的狀態(tài)撞擊鎢靶(A),高速電子到達靶面,運動突然受到阻止,其動能的一小部分便轉(zhuǎn)化為輻射能,以 X 射線的形式放出。改變燈絲電流(管電流)的大小可以改變燈絲的溫度和電子的發(fā)射量,從而改變管電流和 X 射線強度。改變 X 光管激發(fā)電位,或選用不同的靶材可以改變?nèi)肷?X 射線的能量。
管電壓(keV)越高,X射線穿透物體的能力越強。管電壓的設置,不能太高,也不能太低。管電壓過高,X射線大部分會直接穿過被攝物體,探測器接收到信號就與被攝物體無關了;而管電壓過低,則X射線大部分被物體吸收,探測器則接收不到與被攝物體有關的信息。
而管電流(mA)越大,就意味著X射線的流量越大,探測器的接收到的信號就會越強。從成像角度來說,管電流越大越好,但是管電流越大,病患受到的輻射劑量也越大,所以在滿足成像的基礎上,管電流越小越好。
由于受高能電子轟擊,X 射線管工作時溫度很高,需要對陽極靶材進行強制冷卻。雖然 X 射線管產(chǎn)生 X 射線的能量效率十分低下,但是在目前,其依然是最實用的 X 射線發(fā)生器件,已廣泛應用于X 射線類儀器中。目前,醫(yī)療用途主要有診斷用 X 射線管和治療用 X 射線管。
牙科CBCT成像的關鍵:平板探測器
在成像中,除了光源,另一個必不可少的元件就是光電探測器了。而在牙科CBCT中所用到的,想必大家也都了解,就X射線平板探測器。
對于牙科CBCT而言,平板探測器是影響其影像質(zhì)量的核心因素。同時,從成本的角度來看,通常X射線平板探測器占牙科CBCT整機生產(chǎn)成本的1/2-1/3,這也充分體現(xiàn)了其在設備中的重要性。因此,在選購牙科CBCT機時,平板探測器的品牌和技術參數(shù)是關注的要點。
牙科CBCT中各個硬軟件的占比示意
對于X射線成像,目前大多采用間接成像,如下圖所示(圖為濱松牙科平板探測器),我們可以看到平板探測器內(nèi)部主要包含:
閃爍體(灰)
探測器(藍)
讀出電路(黃)
平板探測器示意
(濱松牙科平板探測器)
簡單來說,閃爍體負責把X射線轉(zhuǎn)化為可見光(X射線難以直接被探測器所探測),探測器負責讀取可見光信息并轉(zhuǎn)換為電信號,最后由讀出電路將電信號傳遞到PC里面。這里,我們重點來說一說其中最關鍵的、也是直接決定平板探測器性能的兩部分:閃爍體和探測器。
1、閃爍體
簡單來說,閃爍體就是一個光的轉(zhuǎn)換器,可以把X光轉(zhuǎn)化為容易探測的可見光。
閃爍體的類型有很多種,目前在牙科X射線中主要使用的是CsI(碘化銫閃爍體)。碘化銫閃爍體的發(fā)光光譜與CMOS圖像傳感器的吸收光譜近乎完美的重合,兩條曲線的峰值都落在500-600nm的光譜范圍內(nèi)。
而目前,在碘化銫閃爍體中分辨率最高的就是針狀碘化銫。針狀結(jié)構(gòu)類似于光導,在輸出可見光的時候,發(fā)光更加集中,亮度更強,分辨率更高。
針狀碘化銫閃爍體示意
閃爍體需要耦合在探測器上來發(fā)揮效用,其耦合的方式主要分為兩種:
1.基板壓制(耦合)型
2.直接沉積型
基板壓制(耦合)型閃爍體,是將閃爍體在一個基板上生長(substrate),然后基板在上,閃爍體朝下扣在平板探測器上。
壓制工藝的針狀碘化銫與平板探測器之間會有薄薄的縫隙,里面會有殘留的空氣;耦合工藝的方式縫隙里會有膠水層,基板壓制(耦合)型閃爍體不可避免地是基板對X射線的攔截吸收,以及空氣層或膠水層對轉(zhuǎn)化光的折射和散射。這就會影響到閃爍體的發(fā)光強度和分辨率。不過,該種閃爍體生產(chǎn)難度比較小,成本也相對較低。
直接沉積型針狀碘化銫閃爍體,不需要粘合劑,也不需要額外的基板,通過專業(yè)設備直接在平板探測器(CMOS和TFT平板)上進行蒸鍍,將針狀碘化銫閃爍體生長在平板探測器表面。
這種耦合方式,由于沒有額外的基板和粘合劑或空氣層,所以射入的X射線和發(fā)出的可見光損失小,發(fā)光強度高,發(fā)光集中,分辨率高,可以在低劑量X光照射下產(chǎn)生很好的圖像質(zhì)量。而直接沉積型針狀碘化銫閃爍體,是目前X射線平板探測器所用閃爍體工藝的最高標準。
這種耦合方式技術難度高,成本高。目前濱松公司的平板探測器都是采用直接沉積型耦合方式,濱松公司完全掌握了直接沉積型針狀碘化銫的生產(chǎn)工藝,可生產(chǎn)出品質(zhì)極高的直接沉積型針狀碘化銫閃爍體。
2、探測器
探測器位于閃爍體之下,用于接收閃爍體發(fā)出的可見光,把光信號轉(zhuǎn)換為電信號,是光電轉(zhuǎn)化的關鍵一步。
目前市場上有兩種用于牙科CBCT成像的探測器:
CMOS平板探測器
TFT平板探測器(也稱非晶硅平板探測器)
目前對這兩種探測器的優(yōu)劣可以說是眾說紛紜。作為同時提供兩種探測器的濱松,在這里就為大家分享一下這兩者的實際對比情況:
表中可以看到,TFT平板探測器的優(yōu)勢是尺寸和視野,而CMOS平板探測器的優(yōu)勢是靈敏度,分辨率和讀出速度。
在不需要拼接的情況下,CMOS平板在性能上具有優(yōu)勢。但在需要“大尺寸”的應用下,拼接的CMOS平板在拼接處都會存在間隙和失效像素線,進而導致部分的圖像會有缺失,需要后期通過軟件進行修正。而TFT平板則不存在這個問題。
目前,濱松的中視野平板均是CMOS平板,中大視野和大視野平板全部是TFT平板,這樣可以充分發(fā)揮各個工藝的優(yōu)點,并滿足不同場景的應用需求。
接下來,我們再來看看探測器中另一個必須了解的key point——像素結(jié)構(gòu)。目前,平板探測器的像素結(jié)構(gòu)一般分為兩種:
被動型像素PPS:像素的全部面積用來探測光信號,像素內(nèi)不包含放大器;
主動型像素APS:每個像素內(nèi)都包含一個光電探測器和放大器。
就目前市場上的平板探測器產(chǎn)品而言,TFT平板探測器使用的都是被動型像素PPS,而CMOS平板探測器則存在兩種像素結(jié)構(gòu)都有使用的情況。
目前牙科CBCT成像需要的X射線劑量在20uSv~ 50uSv之間,在這個劑量下,APS型CMOS平板探測器,PPS型CMOS平板探測器和TFT平板探測器的成像質(zhì)量幾乎沒有差異。
通過上面的分享,我們對牙科CBCT用平板探測器也應該有了進一步的了解了。這里,小編再來為大家做一個小小的知識點總結(jié):
敲黑板!劃重點~
·TFT平板探測器和CMOS平板探測器各有所長。TFT工藝多用于制造大面積平板探測器,多用于高端坐式牙科CBCT機上;而CMOS工藝多用于制造中視野平板探測器,多用于牙科3-in-1機型(但目前也有部分高端的3-in-1機型,使用了TFT中大視野平板探測器);
·直接沉積型針狀碘化銫的TFT和CMOS平板探測器,是牙科平板探測器業(yè)界最高品質(zhì)產(chǎn)品;
·拼接的CMOS平板探測器都會有明顯的壞線,很大程度上依賴算法補償;
·APS型CMOS探測器中每個像素都包含放大器,未被閃爍體完全吸收的X射線容易導致放大器損壞,引起像素失效,其抗輻射能力不如PPS型CMOS平板探測器。
Ok,希望這次以上的內(nèi)容能幫助大家對牙科X射線成像,特別是牙科CBCT設備有更多的認識。
濱松作為一家擁有60余年的光電企業(yè),在平板探測器的研發(fā)和生產(chǎn)上,也有24年的歷史了。濱松平板探測器通過掌握核心技術——探測器設計,閃爍體生產(chǎn),電子設計,產(chǎn)品集成,不斷地為世界上著名的牙科影像企業(yè)提供著優(yōu)秀的產(chǎn)品。每年銷售上萬片牙科平板探測器,在全球市場占有率均超過了50%。我們也希望通過不斷精進自身的技術,為牙科影像的發(fā)展提供更好地可能。
濱松所服務的世界知名牙科影像設備制造企業(yè)(部分):Sirona(西諾德),KaVo(卡瓦),Ray(三星瑞麗),Morita(森田)等。
濱松為牙科影像應用提供全線探測器方案
濱松平板探測器核心技術,除了牙科應用外,濱松平板探測器還廣泛用于工業(yè)無損檢測中。
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