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牙科CBCT成像的关键元件:平板探测器

牙科CBCT成像的关键元件:平板探测器

在选择牙科CBCT的时候,如果能够很好地理解其设备本身,毫无疑问可以帮助医院和牙科诊所做出更切合自身需求的采购决策。 理解牙科CBCT成像设备最基础的一步,是理解X射线成像。本文将主要介绍牙科X射线成像的基础知识,以及如何认识牙科CBCT中最重要的元件之一——平板探测器。
X射线简介
光(辐射),在我们的生活、自然以及宇宙中几乎无处不在。可见的只有非常小的一部分,大部分都是你我肉眼无法观测到的,X射线就是其中一种。
X射线属于高能射线,光子能量在124 eV到几百keV之间,属于电离辐射,对人体有害,如果人体吸收了过量的X射线则会造成实质损伤。宇宙中存在着大量的X射线,但地球的大气层基本都将其隔离在外了。
那它是如何实现的呢?
X射线又叫伦琴射线,由德国物理学家威廉·康拉德·伦琴于1895年在实验中发现并命名,伦琴因此成为了获得诺贝尔物理学奖的第一人。而X射线也被称为19世纪末20世纪初物理学的三大发现之一,标志着现代物理学的诞生。
伦琴在一次的实验中,请他夫人将手放在黑纸包严的照相底片上,用X射线对准照射了15分钟,显影后,得到了人类第一张人体X射线摄影。这张历史性的照片也表明了,人类可以借助X射线隔着皮肉去透视骨骼。
伦琴和伦琴夫人手掌X射线图 指上那个黑咕隆冬的物体是伦琴夫人的婚戒
X射线穿透力极强,由于人体不同的组织对X射线的吸收程度不同,均匀的X射线快速穿透人体组织后,其不均匀分布其实就是人体组织的投影。通过不断的技术发展,如今X射线已广泛地用于医疗影像中,当然也包括我们今天谈到的牙科影像。
牙科影像中的X射线是如何产生的?
目前在牙科应用中,都是用X射线真空管来产生X射线。
X 射线管是工作在高电压下的真空二极管。包含有两个电极:一个是用于发射电子的灯丝,作为阴极(K);另一个是用于接受电子轰击的靶材,作为阳极(A)。两极均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内。
在牙科X射线影像设备的参数中,"管电流"、"管电压"是经常能看见的。
X射线管供电部分至少包含有一个使灯丝加热的低压电源(Uh),和一个给两极施加高电压的高压发生器(Ua)。当钨丝通过足够的电流使其产生电子云,且有足够的电压(千伏等级)加在阳极和阴极间(管电压),使得电子云被拉往阳极。此时电子以高能高速的状态撞击钨靶(A),高速电子到达靶面,运动突然受到阻止,其动能的一小部分便转化为辐射能,以 X 射线的形式放出。改变灯丝电流(管电流)的大小可以改变灯丝的温度和电子的发射量,从而改变管电流和 X 射线强度。改变 X 光管激发电位,或选用不同的靶材可以改变入射 X 射线的能量。
管电压(keV)越高,X射线穿透物体的能力越强。管电压的设置,不能太高,也不能太低。管电压过高,X射线大部分会直接穿过被摄物体,探测器接收到信号就与被摄物体无关了;而管电压过低,则X射线大部分被物体吸收,探测器则接收不到与被摄物体有关的信息。
而管电流(mA)越大,就意味着X射线的流量越大,探测器的接收到的信号就会越强。从成像角度来说,管电流越大越好,但是管电流越大,病患受到的辐射剂量也越大,所以在满足成像的基础上,管电流越小越好。
由于受高能电子轰击,X 射线管工作时温度很高,需要对阳极靶材进行强制冷却。虽然 X 射线管产生 X 射线的能量效率十分低下,但是在目前,其依然是最实用的 X 射线发生器件,已广泛应用于X 射线类仪器中。目前,医疗用途主要有诊断用 X 射线管和治疗用 X 射线管。
牙科CBCT成像的关键:平板探测器
在成像中,除了光源,另一个必不可少的元件就是光电探测器了。而在牙科CBCT中所用到的,想必大家也都了解,就X射线平板探测器。
对于牙科CBCT而言,平板探测器是影响其影像质量的核心因素。同时,从成本的角度来看,通常X射线平板探测器占牙科CBCT整机生产成本的1/2-1/3,这也充分体现了其在设备中的重要性。因此,在选购牙科CBCT机时,平板探测器的品牌和技术参数是关注的要点。
对于X射线成像,目前大多采用间接成像,如下图所示(图为滨松牙科平板探测器),我们可以看到平板探测器内部主要包含:
- 闪烁体(灰)
- 探测器(蓝)
- 读出电路(黄)
平板探测器示意 (滨松牙科平板探测器)
简单来说,闪烁体负责把X射线转化为可见光(X射线难以直接被探测器所探测),探测器负责读取可见光信息并转换为电信号,最后由读出电路将电信号传递到PC里面。这里,我们重点来说一说其中最关键的、也是直接决定平板探测器性能的两部分:闪烁体和探测器。
1、闪烁体
简单来说,闪烁体就是一个光的转换器,可以把X光转化为容易探测的可见光。
闪烁体的类型有很多种,目前在牙科X射线中主要使用的是CsI(碘化铯闪烁体)。碘化铯闪烁体的发光光谱与CMOS图像传感器的吸收光谱近乎完美的重合,两条曲线的峰值都落在500-600nm的光谱范围内。
而目前,在碘化铯闪烁体中分辨率最高的就是针状碘化铯。针状结构类似于光导,在输出可见光的时候,发光更加集中,亮度更强,分辨率更高。
针状碘化铯闪烁体示意
闪烁体需要耦合在探测器上来发挥效用,其耦合的方式主要分为两种:
1.基板压制(耦合)型
2.直接沉积型
基板压制(耦合)型闪烁体,是将闪烁体在一个基板上生长(substrate),然后基板在上,闪烁体朝下扣在平板探测器上。
压制工艺的针状碘化铯与平板探测器之间会有薄薄的缝隙,里面会有残留的空气;耦合工艺的方式缝隙里会有胶水层,基板压制(耦合)型闪烁体不可避免地是基板对X射线的拦截吸收,以及空气层或胶水层对转化光的折射和散射。这就会影响到闪烁体的发光强度和分辨率。不过,该种闪烁体生产难度比较小,成本也相对较低。
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