X射线探测器创新、变革与发展历程
发布时间：2021-11-10 17:39:31
发布者：创始人
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X射线平板探测器，广泛应用于在安防、工业及医疗等方面。在医疗领域，更是囊括了除CT外的所有X线设备，包括DR、DRF(动态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，从原理和技术出发，以最通俗易懂的方式阐述X射线平板探测器的技术和国产化进程。这不仅是一篇科普，更是描绘X射线探测器创新、变革与发展的画卷。1990年，美国施乐公司Robert Street等人，首次提出PIN结构的非晶硅(a-Si)光电二极管阵列结合二维非晶硅TFT(薄膜晶体管)阵列寻址的探测器实现方式，这是最早的平板探测器文献记载。随后，各大影像设备企业对该技术进行了前期研究。20世纪90年代末期，GE和铂金埃尔默(Perkin Elmer)合作、泰雷兹(Thales)、西门子、飞利浦和合作投资Trixell、万睿视(Varex)、及佳能(Canon)医疗等企业开发出非晶硅平板探测器。2010年前后，非晶硅平板技术进一步扩散，传统胶片巨头锐珂(Carestream)、富士(Fujifilm)、柯尼卡(Konica)和爱克发(Agfa)也开发出平板探测器。同时，韩国Viewworks、Rayence，我国的上海奕瑞、江苏康众也先后推出自己的非晶硅平板探测器。非晶硅因技术成熟、适应性好、低成本等原因，成为目前最主流平板探测器。不过，非晶硅平板在乳腺、牙科、外科等动态成像应用领域，并不是最好的选择。于是，在乳腺领域，豪洛捷(Hologic)发明了非晶硒平板探测器；在牙科(CBCT)、外科(C型臂)等领域，Dalsa首先研制出CMOS平板探测器，我国成都善思微也已研发成功并量产中小尺寸的CMOS探测器。近几年，又出现了非晶硅改进型IGZO探测器及直接转换型光子计数探测器。至此，X射线探测器领域出现了“百花齐放”的局面。不过，与CT核心部件的“刚刚开始”不同，国产X射线平板探测器已经成功“上了牌桌”。我们知道，非晶硅/IGZO/CMOS平板探测器属于间接成像，其原理：将X射线转换为可见光，通过感应穿过物体X射线的强度，赋予图像不同灰度的等级，使人可以观察到图像。
因此，间接转换探测器的基本结构包括：闪烁体、传感器及读出电路、外围控制电路，闪烁体、传感器是核心部分，决定了平板探测器的主要性能指标。
间接转转探测器原理(来自互联网)
与之相对的是直接转换，不需要闪烁体，光导半导体材料采集到 X射线后，直接将 X 射线转换为电信号。因此，直接转换探测器的基本结构包括：传感器及读出电路、外围控制电路，传感器(光导半导体)是核心部分。目前，以主流非晶硅、CMOS及新型IGZO为代表的间接转换探测器是绝对的市场主流，占据平板探测器90%以上的市场份额。根据探测器的闪烁体材料，可分为碘化铯(CsI)平板和硫氧化钆(GdOS)平板两种。二者成像原理基本一致，不过因探测材料不同，成本及性能有明显差异：1）与碘化铯不同，GdOS不需要长时间蒸镀沉积过程，生产工艺简单，产品稳定可靠，成本较CsI低20%—30%；2）相较于GdOS，针状碘化铯晶体的X射线转换效率高30%—40%，横向光扩散也更小，具有更高的空间分辨率。因此，碘化铯平板的DQE更高，成像更清晰。根据 IHS Markit 预测，在闪烁体领域，凭优异的性能，碘化铯将进一步挤占GdOS的市场份额。闪烁体原材料性能和制备工艺对光转化率、余辉、空间分辨率等性能有着至关重要的影响，其生产工艺门槛较高，且量产良率控制难度较大，大部分探测器制造商通过外购方式获取闪烁体，自建闪烁体生产线的厂家较少。1）在闪烁体材料方面，我国没有硫氧化钆闪烁体材料，主要来自日本；不过，江西东鹏新材料已经生产出纯度高达99.999%的碘化铯晶体粉末，实现了独立自主。2）在闪烁体制备方面，江苏康众是我国最早研制出碘化铯探测器的企业，上海奕瑞是我国最早开发出硫氧化钆探测器的厂家，二者均掌握碘化铯直接生长技术，目前几乎接近国际先进水平 。目前，非晶硅平板因性价比优势，短时间内仍是静态平板探测器和大尺寸动态平板探测器的主流选择。不过从技术发展趋势看，探测器朝着更灵敏、更低噪声、更高帧速的方向发展，于是CMOS、IGZO等技术成为各大厂家研发的重点。
从应用领域来看，四种技术并无替代关系，但布局非晶硅技术的企业较多，未来市场潜力巨大的在于性能更优的IGZO和CMOS技术。因为，IGZO技术可以大大提高像素的响应速度和扫描速率，主要应用于高速、大尺寸动态平板探测器，如DSA、动态DR等；CMOS 平板分辨率更高，主要应用于高帧速率、中小尺寸的动态平板探测器，如乳腺、牙科、外科、工业无损检测等。LCD，也就是液晶显示器，广泛应用在手机、平板和电视上，成为我们与虚拟世界交互的基础，这其中，最著名性能最好的是TFT-LCD。TFT-LCD ，即薄膜晶体管液晶显示屏。TFT的本质是开关，即液晶显示屏的每个像素都依赖TFT进行开关和驱动。九十年代初，TFT技术的成熟使TFT-LCD迅速成长为主流显示器，未来发展TFT技术的目标是更大的尺寸和更低的成本。无论目前广泛的非晶硅，还是未来可期的IGZO及柔性探测器，均基于TFT面板技术。根据半导体介质，TFT平板探测器又分为非晶硅/IGZO两种：所谓非晶硅平板，是指TFT器件的沟道由非晶硅材料制成，并且非晶硅可以淀积在大面积玻璃基板衬底上，具有大面积、工艺成熟稳定、普通放射的能谱范围响应好、材料稳定可靠、环境适应性好等特点，可同时满足静态和动态探测器的需求，是最主流的X射线平板探测器传感器技术。目前，非晶硅技术已进入红海，几乎所有的探测器企业都生产非晶硅平板，使其更像一个“日用品”，参数只是一方面，质量和可靠性是更重要，甚至是最重要的。柔性探测器，是目前比较前沿的X 射线探测器技术。所谓柔性探测器，是指其TFT衬底是柔性基板，即采用薄而柔软材料（如光学透明的聚亚酰胺）代替传统玻璃基板，制成可形变、可弯折、不易碎裂的柔性平板，具有超窄边框、轻便、抗冲撞、不易破损等特点。由于柔性基板与玻璃基板存在性能差异，柔性基板探测器技术工艺较为复杂，成本较为高昂，目前仅用于特定的场景，如移动医疗。随着柔性技术工艺不断改善、成本持续降低，未来可拓展至更多主流应用场景。目前我国的奕瑞和康众已推出相关产品。非晶硅探测器，之所以没有“一统天下”，反而成为“低端平板”的代名词，是因为其致命缺点：电子迁移率只有0.5-1.0cm^2/VS，使其低剂量DQE差，图像噪声较大，分辨率较低。于是，另一种IGZO探测器诞生了，带来了更高分辨率和更高刷新率。其实，更严谨的说法是Oxide TFT，即氧化物TFT。之所以被称为IGZO，即氧化铟镓锌，是因为IGZO其中最成功的代表。IGZO平板，同样属于TFT技术平板，只不过其控制显示像素驱动由TFT升级为速度更快的IGZO，这是因为IGZO电子迁移率是非晶硅的20到50倍，因此：1）可获得更高的像素读出速度和帧率；2）可大大缩小缩小晶体管尺寸，增加像素密度，使图像分辨率更高，改善低剂量DQE。IGZO平板，不仅继承了非晶硅平板的所有优势，如易于大面积制造，低成本；还具有更高的性能，如更低噪声、更高采集速度及更高分辨率，是理想的大尺寸高速动态平板探测器，可广泛应用在DSA、DRF等X线透视设备中。在IGZO平板领域，万睿视率先将该IGZO技术引入并实现量产，我国的奕瑞也已初步实现IGZO平板探测器的量产。CMOS，即互补金属氧化物半导体，是组成芯片的基本单元。CMOS技术听着很高级，其实离我们很近，几乎所有手机的摄像头都是基于CMOS图像传感器芯片，与CMOS平板异曲同工。如果说制作TFT探测器像造电视，那么制作CMOS探测器更像造芯片。因为，与非晶硅/IGZO探测器的玻璃衬底不同，CMOS探测器的衬底是单晶硅，其电子迁移率是1400cm^2/VS，这是制作晶圆的重要材料。怎么非晶硅、IGZO和CMOS都提及电子迁移率，这么重要吗？
无论何种技术，都希望电子迁移率越快越好。因此，电子迁移率高，单个晶体管就可以做得更小，使显示像素更小，图像空间分辨率更高。
举个形象的栗子，如果希望在规定时间内运输足够多的煤炭到另一个城市，如果火车速度慢，就得多轨道多火车同时运输，显然这样非常占地方(空间分辨率低)；如果车速足够快，单节小火车也能搞定(空间分辨率高)。所以，“幸好”CMOS探测器比较贵，否则就没其他技术啥事儿了。非晶硅/IGZO探测器的衬底是便宜的玻璃或者塑料，而CMOS探测器的衬底是昂贵的单晶硅晶圆；基于TFT的探测器可以实现低温制备，而基于CMOS探测器的制备工艺温度更高更复杂。
举个例子，一台65寸的液晶电视才3000多元，而一片Inter i9 CPU（尺寸：37.5mm x 37.5mm）同样高达3000多元，一个20*20cm的CMOS平板的面积是一片i9 CPU的1000多倍。所以，CMOS平板探测器比较贵，不过大家都知道贵有贵的好。
所谓CMOS平板探测器，是指在一块晶圆上集成光电二极管、寻址电路，以及更重要的放大器(这是与非晶硅/IGZO探测器的最大区别)，将信号放大后再传输到外面。因此，具有明显优于非晶硅探测器的低剂量DQE和更高的采集速度。由于单晶硅的电子迁移速率更快，可以在光电二极管旁边增加放大器电路，将信号放大后再传输到外面，这是CMOS平板与非晶硅或IGZO平板的最大区别。因此，CMOS探测器具有明显优于非晶硅/IGZO探测器的高分辨率、高采集速度、高低剂量DQE。
不过，半导体晶圆尺寸限制，CMOS平板广泛应用的是8寸晶圆，平板尺寸普遍为13*13cm和15*12cm，也可进行拼接，不过工艺较为复杂。CMOS平板在中小尺寸动态X线设备应用上具有明显的优势，如牙科CBCT、外科C型臂、乳腺机。在CMOS平板领域，Dalsa和万睿视是目前全球最大的两家CMOS探测器制造商，我国的成都善思微和上海奕瑞掌握该技术并具备量产能力，江苏康众也在研发中。其中，成都善思微研制了第一款国产CMOS平板探测器并已实现量产。成都善思微，北京纳米维景分拆成立的探测器企业，曾参与静态CT专用探测器芯片及部件的研发，是一家专注于固态成像芯片及探测器模组的高科技企业，主营业务包括CMOS平板探测器、CT探测器、光子计数探测器等。目前，其CMOS平板探测器是我国最领先的，几乎所有的国产牙科CBCT厂家都注册了其产品。相较于间接转换型X射线探测器，直接转换型X射线探测器不需要通过闪烁体将X线转换成可见光，而是在X射线辐照到传感器材料时产生电子—空穴对，因不产生可见光，没有光横向扩散影响，具有更高的空间分辨率。其传感器材料具有较高的原子序数、较大的X射线吸收系数和较高的载流子迁移率；且只需要毫米级厚度就能基本完全吸收百千伏级的X射线，没有任何的延迟或残影。目前，直接转换型X射线探测器主要包括两种：以非晶硒材料为代表的能量积分型探测器，以碲化镉(CdTe)、碲锌镉(CZT)、单晶硅(Si)为代表的光子计数探测器。非晶硒技术为Hologic独有技术，还在专利保护期。与非晶硅平板类似，非晶硒平板同样是基于TFT技术制成。历史上，曾有著名的非晶硅和非晶硒之战。其结果是，非晶硅探测器成为了市场主流。之所以非晶硒平板成为“冷门”，是因为：1）硒元素对X射线的吸收性能差，受热结晶会导致性能衰减，需要进一步提高工艺稳定性；2）非晶硒探测器启动偏压电场高达数千伏，会对TFT开关造成不可逆的损伤，使得非晶硒探测器的使用寿命不长；3）非晶硒平板对于温度非常敏感，使用条件也受到了一定限制；4）非晶硒薄膜做不厚，不太适合高能X射线的探测。目前，在乳腺X射线成像领域，非晶硒几乎是“王者”，高端乳腺机基本均采用非晶硒平板；不过因为价格原因，也有大量主打早期筛查的高性价比乳腺机采用非晶硅平板。此外，在乳腺断层成像领域，凭借高帧速、高分辨率、高低剂量DQE等性能，CMOS平板成为乳腺TOMO /DBT的更好选择。光子计数探测器(Photo Counting Detector)，源于高能物理的直接X光转换技术，公认的下一代X射线成像技术。与其他基于闪烁体的探测器不同，光子计数探测器基于半导体材料，其原理是通过设置阈值把信号幅度超过阈值的光子从低于阈值的暗噪声中提取出来，可以消除暗电流导致的假计数，实现真正意义上的零噪声；因直接成像避免闪烁体造成的光散射，能实现更高的高空间分辨率和密度分辨率。此外，相比于积分型探测器的单色成像，光子计数探测器能实现射线多能谱采样点的多色成像，从而具备物质分辨能力，未来X射线成像将逐步从 2D、3D发展到4D，从黑白发展到彩色。CdTe/CZT一直被公认为是很有前途的用于硬X射线吸收的半导体材料，能够有效地吸收10—140 keV范围内的X射线，即使在室温下也能提供良好的能量分辨率。目前， GPS、万睿视及佳能企业正致力于光子计数探测器的研发及布局，研制线阵探测器或小尺寸面阵探测器，并应用在CT、核医学、乳腺成像、血管成像等领域。如万睿视旗下Direct Conversion（DC）是目前全球最大的CdTe探测器制造商，其XC-Hydra系列是世界上第一个使用直接转换技术的商业化光子计数探测器。2017年 5 月，科技部发布《“十三五”医疗器械科技创新专项规划》，指出：积极发展探测器新型闪烁晶体制备技术，开发基于光子计数探测器的血管减影造影 X 射线机，争取在光子计数低剂量成像方面达到国际先进水平。
目前，西北工业大学介万奇教授团队已开发出高性能探测器级CZT晶体及高效率、低成本单晶制备技术和关键设备，一举打破国外封锁，并将综合成本降低50%以上。所生长的CZT晶体性能已达到国际先进水平，并被应用在核医学成像、安检和医学成像等领域。此外，深圳帧观德芯基于单晶硅实现面阵光子计数探测器量产，极大降低光子计数探测器成本，并应用在自家乳腺机；成都善思微也致力于光子计数探测器的研发，其创始人及团队也曾参与多个早期光子计数芯片及探测器科研项目。CCD传感器+影像增强器，作为曾经非常成功的探测器技术，目前仍活跃于外科C型臂中，但本文并没有涉及，是因为泰雷兹已停产影像增强器，仅剩佳能还在坚持，影增C形臂退出市场，平板C形臂成为主流是大势所趋。综合来看，非晶硅、IGZO、CMOS、柔性基板、非晶硒等五种技术适合于不同的应用场景：1）非晶硅探测器，因具有出色的成本优势，短时间内仍会是平板探测器的主流技术平台。2）IGZO探测器，因采集时间短，信噪比高等特点，在动态平板上有很大优势。未来随着技术更趋成熟，IGZO全面替代非晶硅(至少在动态平板领域)，应该是大势所趋。3）CMOS探测器，虽然主要应用在中小尺寸动态成像领域，但因其高分辨率、高帧速率和低剂量性能，在牙科、乳腺、外科及介入等场合，CMOS平板也是主流技术平台。4）柔性基板探测器，具有超窄边框、轻便、抗冲撞、不易破损等特点。不过目前成本较高，随着工艺不断改善，未来在部分特殊应用场景将取代传统的非晶硅探测器。5）非晶硒探测器，因为更高的性能和成本，非晶硒在很长时间内仍会继续“统治”中高端乳腺机，直到光子计数探测器普及。尽管已有若干基于光子计数探测器的设备，如GPS的光子计数CT原型机，AB-CT的乳腺CT。不过因CdTe/CZT晶体价格过于昂贵，极大限制了其在医学影像等领域的应用及推广；此外，受限于这种特殊材料晶圆尺寸及制造工艺的良品率限制，单个光子计数探测器模组一般小于20mm，难以满足医学影像领域对人体组织的成像需求，目前只能通过阵列拼接方式构成大面积探测器。
目前，存在一些亟待解决的科学和技术问题：1）高质量、低成本的CdTe/CZT晶体生长技术；2）大尺寸CZT 探测器的设计与制备；3）基于光子计数探测器的整机系统及应用算法的设计与开发。
毫无疑问，光子计数探测器是综合性能最优的一种X射线探测器，具有非常大的应用潜力，国内外都在积极探索，让我们拭目以待。
2015年，国务院印发《中国制造 2025》，提出：到2025年，影像设备等高性能诊疗设备70%的核心基础零部件、关键基础材料实现自主保障。其中，数字化X射线平板探测器正属于 “中国制造 2025”重点发展的高科技、高性能医疗和工业的核心部件。如今，我国出现了上海奕瑞、江苏康众、成都善思微、上海品臻、上海煜影等一批专注于平板探测器的研发、生产和销售的高科技企业；此外，万东、深图、安健、帧观德芯等整机企业也基本实现平板探测器的自产自用。那么，从平板探测器角度，国产与国际大厂还有哪些差距？带着这个问题，笔者有幸采访了CMOS和光子计数探测器领域的专家：1）从关键零部件角度，在非晶硅领域，目前还有些芯片没法国产；在CMOS领域，晶圆目前仍靠国外流片，一些通用的ADC、FPGA芯片也没有实现国产；2）从平板性能角度，目前，国产静态平板探测器与进口相差无几，但动态非晶硅和CMOS平板还会有些差距。其实，我们有信心在性能上做到同等水平，但可能国内客户还抱怀疑态度；3）从综合实力角度，国际大厂在平板探测器领域的深耕已久，目前来说还是非常有优势的，更多的差距是体现在产品品质、可靠性、及供应链等多维度的综合实力上，国产还在努力缩小差距。经过数十年发展，国产DR凭借高性价比占据国内近70%的市场份额，已呈燎原之势。这离不开国产整机厂商的努力，更离不开国产探测器的崛起。下期，从市场及产业链角度，解析全球X射线探测器格局、国产的位置、以及未来探测器的需求趋势。这是一个“群雄并起”的时代。。。
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