CMOS平板探测器与非晶硅平板探测器.docx

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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MiniC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miniC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GEOEC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，许多公司一起推动，非晶硅平板C形臂在国内开始普及。

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CiosAlpha、奇目的多款C臂、还有联影的C形臂等等。

CMOS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）。

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Inteli9CPU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i9CPU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.DQEDQE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。

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。

4.帧率与分辨率平板探测器的像素矩阵大小叫分辨率，例如1536x1536，意思是一块平板探测器有1536行，1536列，有1536x1536=2359296个像素。

平板探测器还可以2x2像素合并模式，意思是4个像素合成一个像素，图像分辨率降低一倍。

帧率是指每秒钟可以输出多少帧图像，大家都知道，看电影每秒至少要25帧才会不闪。

    平板Ｃ形臂厂家都会告诉你图像分辨率和帧率。

例如1536x1536,30fps（Framepersecond）。

如果是CMOS探测器，上述参数可以同时达到，也就是每秒30帧1536x1536的图像，意味着全分辨率全帧率。

如果是非晶硅探测器，那么就要注意了，因为两个参数不可能同时达到。

例如30cm非晶硅平板探测器，平板探测器厂家会给出详细的参数：

1536x1536（15fps），768x768（30fps）。

也就是说非晶硅平板探测器的最大帧率30fps只能在像素合并的时候实现。

但是C形臂厂家会避实就虚，只写最大帧率30fps，最大分辨率1536x1536，不会告诉医院两个参数不能同时达到。

究其原因，还是因为CMOS平板探测器具有主动像素，传输的信号强，可以快速读取；而非晶硅平板探测器传输的信号弱，需要更长的时间读取。

5.图像拖尾由于平板探测器的数据读出是类似积分放大器原理，每一帧图像都需要对外部的电容充电和放电。

非晶硅平板探测器的信号弱，对电容的充放电都比较慢，导致上一帧图像还没有清空，下一帧图像又已经到来。

CMOS平板探测器的速度快，图像拖尾比非晶硅平板探测器好10倍左右。

非晶硅平板探测器的拖尾非常严重，在透视时是可以看出来的。

非晶硅平板的严重拖尾，在临床透视中会有什么坏处呢？

如下图，用非晶硅平板探测器Ｃ形臂先拍了足模体的侧位图像，20多秒后拿走模体，空气曝光，足部图像还会成像。

6.总结与展望CMOS平板由于电子迁移速率快，可以在像素位置制作放大器，因此具有低剂量DQE高的特点，在移动C形臂上优于非晶硅平板探测器。

CMOS平板探测器读出速度快，可以实现全帧率全分辨率图像，拖尾也更小。

由于泰雷兹影像增强器停产，非晶硅平板由于价格低廉（接近增强器），在Ｃ形臂厂家追求高利润的推动下，非晶硅平板C臂在2020年比较热门。

但是由于图像不如影像增强器，因此替代影像增强器的发展速度缓慢。

CMOS平板探测器尽管价钱昂贵，但是性能优异，越来越多的厂家都推出了基于CMOS探测器的C形臂。

因此可以说未来CMOS探测器将成为主流，非晶硅平板短期在低端市场会有一席之地，从长期看，仍然将被CMOS探测器取代。

关于IGZO平板探测器。

最近有几家平板探测器厂家都在推广IGZO技术，都号称性能接近CMOS，价格接近非晶硅探测器。

我简单了解了一下，IGZO平板探测器的电子迁移速率比非晶硅高了很多（10多倍），因此在分辨率和帧率以及拖尾上都有改进；但是其电子迁移速率比CMOS探测器还是低很多（100多倍），仍然不能在像素位置设计放大器，其低剂量DQE和非晶硅平板探测器一样，并没有改善。

个人认为，IGZO平板在移动C形臂上并没有优势，未来还是CMOS的天下。

7.题外在即将写完本文的时候，有朋友告诉我S公司在中国宣传时，用DQE的高低来区分平板是几代，力推其非晶硅平板C臂，意思是DQE低的CMOS是第1代，DQE80%的非晶硅平板是第3代，DQE高的探测器更好。

这个观点漏洞太多，下面简单说一下吧。

其实，最早的平板探测器是GE公司用在Innova上的非晶硅平板探测器（可以说是第一代），DQE80%。

奇目公司在2006年最早把Varex的Paxscan非晶硅平板探测器（DQE76%@0.05lp/mm）用在移动C形臂上。

然后西门子前几年推出的平板Ｃ臂CiosAlpha，Fusion也用的Varex的Paxscan平板探测器，SelectFD用的是另外一款非晶硅平板（DQE80%@0lp/mm）。

到2020年，西门子公司的最新C形臂产品全都用CMOS平板了：

CiosAlpha从非晶硅平板换CMOS平板了，CiosSpin也是CMOS平板（DQE72%），而西门子公司上个月又推出了基于CMOS平板的CiosFlow，这些信息都可以在西门子公司网站上查到。

奇目和GE都已经在中国大量推广基于CMOS探测器的C形臂了，西门子暂时还只是在西方国家销售CMOS平板C臂，在中国卖的还都是非晶硅平板C臂。

科普任重道远啊！

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参考文献：

1. JamesLiu，GEHeathcareWhitePaper，BetterImageQualityatLowDosewithCMOSTechnology。

2017

2.DavidBarker，GEHeathcareWhitePaper，ActivePixelsinCMOSFlatPanelDetectorsEliminatesVisibleLag。

3.DavidBar