CMOS平板探测器与晶硅平板探测器平板探测器与晶硅平板探测器前前在C形臂X射线机中，早期的探测器都是影像增强器。在2000年，晶硅平板探测器最早在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%。主要还是因为晶硅平板的低剂量DQE差，在脊柱成像上和影像增强器相差很多。在2010年前后，CMOS平板探测器开始在Mini C形臂上得到应。CMOS探测器的低剂量DQE影像增强器，在图像质量上于晶硅平板和影像增强器。但是由于价格昂贵，由8英晶圆制作的尺（13cmx13cm、15cmx12cm）的CMOS探测器最早是在业探伤、科成像以及mini C形臂领域。随着技术的进步，约在2016年，20cm和30cm尺CMOS探测器才由GE OEC开始到移动C形臂上。现在块20cm的晶硅平板探测器价格已经常接近个影像增强器配上个主流的百万像素CCD相机价格。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。台晶硅平板C臂的成本和台影像增强器C臂成本差不多，但是售价常。在2019年，两影像增强器供商之的法国泰雷兹公司宣布停产影像增强器，吹响了平板探测器全取代影像增强器的号；同时，在利益驱动下，许多公司起推动，晶硅平板C形臂在国内开始普及。CMOS平板探测器价钱昂贵，相同尺的CMOS平板探测器价格是晶硅平板探测器的3-4倍，开始只有少部分家使，最近越来越多的采CMOS探测器，例如GE的晶智和晶锐、西门的Spin和Cios Alpha、奇的多款C臂、还有联影的C形臂等等。CMOS平板探测器和晶硅平板探测器相，具有低剂量DQE（献1、献4)、可以全分辨率下获得全帧率图像(献3）、拖尾（献2）。由西门公司和霍普斯医学院合作的研究（献6），对了30cm的CMOS探测器和晶硅探测器在透视成像和3D成像上的性能：CMOS探测器的噪声晶硅探测器低2-3倍；单帧剂量低于50nGy时，CMOS的DQE更。特别是在分辨率时（2.3lp/mm)，CMOS探测器的DQE晶硅探测器50%；奇公司2016年发表的书表明：晶硅平板探测器在价格上有优势（献5）。那么CMOS探测器和晶硅探测器为什么有这么的差异呢？1、从硅说起、从硅说起家在活中常见的建筑材料泥、砖、和玻璃中的主要成分就是硅，硅也是多数半导体芯的主要原料。纯净的硅有三种形态：单晶硅，多晶硅和晶硅。多晶硅是制造单晶硅的原料。在半导体领域，单晶硅常来做芯，晶硅来做液晶电视。这的单晶硅和晶硅的电特性差异常，主要是由于晶体和晶体的结构差异巨带来的。说到晶体和晶体，我们常活中最常见的就是碳元素的晶体和晶体。碳元素的晶体就是钻，碳元素的晶体就是煤炭，者的内部结构和特性差异巨。对于晶体硅和晶硅，者内部的结构和特性同样差异巨。晶体硅内部原排列整齐，晶硅内部原排列杂乱序。者的电特性差异巨，常电迁移速率来表。电迁移速率是单位电压（V）下，单位时间（s）的电扩散积。晶体硅是1400cm2/VS, 晶硅的电迁移速率是1cm2/VS。这个参数有什么价值呢？电迁移速率快，在半导体艺中，可以刻蚀很细的线来传输信号，或者组成晶体管，可以在每个感光极管旁边刻蚀放器，将信号放后再传输到外；如果电迁移速率慢，必须较粗的线组成晶体管，感光极管边上刻蚀不下放器，因此只能把信号传输到外再放。半导体业中，CPU芯都是晶体硅为原料，CMOS艺制作，现在的7纳艺已经成熟了，晶硅艺般来制作液晶电视，线宽在微级别。从CPU和个液晶电视可以较出价钱差异：Intel i9 CPU售价 3000多民币，台65液晶电视才3000元。个20cm尺的CMOS平板探测器积是i9 CPU的1000多倍，导致了CMOS平板探测器价格昂。2、平板探测器原理、平板探测器原理论是CMOS平板探测器还是晶硅平板探测器，在基本原理上都类似，见下图：最重要的个部件就是光电极管阵列。CMOS探测器的光电极管阵列是以晶体硅为原料，采CMOS艺制作；晶硅探测器是以晶硅为原料，采薄膜艺（TFT）制作。下图就是CMOS 探测器和晶硅探测器的像素结构图（献1）。图中橙部分是光电极管，左图的每个光电极管像素旁边的绿三是CMOS探测器的放器；右图每个像素旁边的是开关电路，下部的红三是放器。者的最区别是：CMOS探测器在每个像素旁边都有个放器（叫作主动像素），信号是放后再传输；晶硅探测器的像素旁边没有放器，信号是传输到探测器外后再放。两种探测器的像素信号在传输过程中都会受到各种电噪声的影响，噪声平都差不多。CMOS探测器的信号放后再传输，因此信号电平相对于噪声来说很多，也就是信噪；晶硅探测器信号传输后再放，导致信号和噪声起放，在剂量较低时，信号会被噪声淹没。这就是晶硅平板探测器低剂量DQE差的重要原因。从下图可以看出者的差异：晶硅平板探测器的图像噪声常。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个，也是最难理解的个。这个参数涉及了空间分辨率，图像信噪和射线信噪，噪声涉及了前说到的电噪声，还有量噪声。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，说明了探测器对X射线的检测效率越。这所说的剂量是探测器接受到的剂量，分辨率常0线对。DQE，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和剂量的关系常，因此评价平板探测器性能时般不单纯较DQE数值，是较“剂量剂量-DQE”曲线下图是不同探测器，0线对下不同剂量的DQE较。上图可以看到，在剂量较低时，CMOS平板探测器的DQE更，剂量特别时，晶硅平板探测器的DQE更。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晶硅探测器DQE。很多晶硅平板形臂家在竞标时，经常写探测器DQE，殊不知，在移动形臂的剂量范围内却是不成的。在移动C形臂中，由于剂量低，碘化铯后的可见光常弱，平板探测器的成像就像相机在夜晚拍照样。CMOS探测器像微光相机，晶硅探测器像普通相机。普通相机在阳光下拍照效果常好，在微弱的星光下拍照效果就较差了；微光相机在夜晚微弱星光下拍摄效果常好，在强烈的阳光下拍照就会没有普通相机好了。4. 帧率与分辨率帧率与分辨率平板探测器的像素矩阵叫分辨率，例如1536x1536，意思是块平板探测器有1536，1536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个像素合成个像素，图像分辨率降低倍。帧率是指每秒钟可以输出多少帧图像，家都知道，看电影每秒少要25帧才会不闪。 平板形臂家都会告诉你图像分辨率和帧率。例如1536x1536, 30fps( Frame per second)。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晶硅平板探测器，平板探测器家会给出详细的参数：1536x1536（15fps），768x768（30fps）。也就是说晶硅平板探测器的最帧率30fps只能在像素合并的时候实现。但是C形臂家会避实就虚，只写最帧率30fps，最分辨率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；晶硅平板探测器传输的信号弱，需要更长的时间读取。5. 图像拖尾图像拖尾由于平板探测器的数据读出是类似积分放器原理，每帧图像都需要对外部的电容充电和放电。晶硅平板探测器的信号弱，对电容的充放电都较慢，导致上帧图像还没有清空，下帧图像已经到来。CMOS平板探测器的速度快，图像拖尾晶硅平板探测器好10倍左右。晶硅平板探测器的拖尾常严重，在透视时是可以看出来的。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，晶硅平板探测器形臂先拍了模体的侧位图像，20多秒后拿模体，空曝光，部图像还会成像。6.总结与展望总结与展望CMOS平板由于电迁移速率快，可以在像素位置制作放器，因此具有低剂量DQE的特点，在移动C形臂上优于晶硅平板探测器。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。由于泰雷兹影像增强器停产，晶硅平板由于价格低廉（接近增强器），在形臂家追求利润的推动下，晶硅平板C臂在2020年较热门。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，晶硅平板短期在低端市场会有席之地，从长期看，仍然将被CMOS探测器取代。关于IGZO平板探测器。最近有家平板探测器家都在推IGZO技术，都号称性能接近CMOS，价格接近晶硅探测器。我简单了解了下，IGZO平板探测器的电迁移速率晶硅了很多（10多倍），因此在分辨率和帧率以及拖尾上都有改进；但是其电迁移速率CMOS探测器还是低很多（100多倍），仍然不能在像素位置设计放器，其低剂量DQE和晶硅平板探测器样，并没有改善。个认为，IGZO平板在移动C形臂上并没有优势，未来还是CMOS的天下。7.题外题外在即将写完本的时候，有朋友告诉我S公司在中国宣传时，DQE的低来区分平板是代，推其晶硅平板C臂，意思是DQE低的CMOS是第1代，DQE 80%的晶硅平板是第3代，DQE的探测器更好。这个观点漏洞太多，下简单说下吧。其实，最早的平板探测器是GE公司在Innova上的晶硅平板探测器（可以说是第代），DQE 80%。奇公司在2006年最早把Varex的Paxscan 晶硅平板探测器（DQE 76% 0.05lp/mm）在移动C形臂上。然后西门前年推出的平板臂Cios Alpha，Fusion也的Varex 的Paxscan 平板探测器，Select FD的是另外款晶硅平板（DQE 80%0lp/mm)。到2020年，西门公司的最新C形臂产品全都CMOS平板了：Cios Alpha从晶硅平板换CMOS平板了，Cios Spin也是CMOS平板(DQE 72%)，西门公司上个推出了基于CMOS平板的Cios Flow，这些信息都可以在西门公司站上查到。奇和GE都已经在中国量推基于CMOS探测器的C形臂了，西门暂时还只是在西国家销售CMOS平板C臂，在中国卖的还都是晶硅平板C臂。科科普任重道远啊！普任重道远啊！-参考献：参考献：1. James Liu， GE Heathcare White Paper， Better Image Quality at Low Dose with CMOS Technology。20172. David Barker， GE Heathcare White Paper，Active Pixels in CMOS Flat Panel Detectors Eliminates Visible Lag。3. David Barker， GE Heathcare White Paper，Superior Resolution at Full Frame Rate, 2017。4. GE OEC材料， Stunning image quality, Low dose. 20165. Ziehm Imaging, White Paper No.33/2016, Driving the paradigm shift in innovative flat-panel detector technology, introducing CMOS on mobile full-size C-arms.6. Niral M.Sheth, Wojciech Zbijewski, and Matthew W. Jacobson, Mobile C-arm with a cMOS detector: Technical assessment of