谁将引领C形臂光机探测器技术的未来？

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a-Si 是一种非晶态的硅，用于太阳能电池和平板液晶显示器（LCD）和电视的薄膜晶体管（TFT）。  在过去的二十年里，非晶硅 FPD 已经成为医疗和工业 X 射线成像的主流产品。非晶硅 FPD 既可用于静态也可用于动态，但其最大的应用是静态普通放射成像，例如用于诊断骨科成像和胸部 X 光。

a-Si的优势: 

a - Si 是用于显示器的一项关键技术，它在晶圆厂 这种大型工厂中大量生产。最新的 10.5 代非晶硅显示器工厂使用超大尺寸的 2940 x 3370 mm 玻璃基板，而大多数 CMOS 晶圆厂生产直径为 200 或 300 mm 的硅片。非晶硅 FPD 受益于显示器行业的规模经济，非晶硅 FPD 中使用的图像传感器主要在亚洲的大型晶圆厂制造，有时使用的是在生产高端显示器方面不再具有竞争力的旧晶圆厂。这使得非晶硅成为一种高性价比的选择，特别对于较大的尺寸，如用于胸部 X 光的 430 X 430 mm探测器。它们也比 IIs 更适合高剂量曝光，因为它们的饱和剂量高。

a-Si 的不足:

a-Si 在低剂量曝光时表现不佳，因为它的读取噪声相对较高，而且其像素读取速度比 II 或 CMOS 慢。由于其读取速度较慢，非晶硅不能支持较小的像素，如 100 μm的高帧率动态成像。这限制了它同时实现动态成像的快速读出和某些透视应用（如人工耳蜗植入）所需的高分辨率的能力。  对于 C 型臂主要用于的动态应用，这些限制因素意味着无法实现最佳速度和分辨率。即使有更大的像素尺寸，当前一代非晶硅 FPD 的性能也受到非晶硅薄膜晶体管（TFT）的限制。由于非晶硅的电子迁移率低，需要使用大型 TFT（具有较大的寄生电容），这导致了电子噪声的增加。非晶硅 FPD 的电子噪声很高，足以对低剂量透视的图像质量产生重大影响。

a-Si 的最大问题是电子噪声相对较高，无法与 IIs 和 CMOS X 射线探测器的低噪声相提并论，导致临床医生和患者在低剂量透视检查中的辐射剂量增加。使用 C 型臂的临床医生的辐照是一个严重的问题。《美国 x 光学杂志》上的一项研究指出：“我们观察到，在进行透视引导介入手术的技术员中，脑癌、乳腺癌和黑色素瘤的风险升高了 ”。减少临床医生和病人的辐照露是 C 型臂制造商的一个重要目标。

非晶硅也有明显的图像滞后，这在透视和三维 CT成像中是不可取的。这个问题可以通过实时图像校正算法来缓解。

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铟镓锌氧化物（IGZO）平板探测器是外科 C 型臂的另一个潜在选择。大约 15 年前，IGZO 薄膜晶体管（TFTs）在显示器行业中被开发出来，以实现更高频率的显示。

IGZO的优势: 

IGZO TFT 的电子迁移率比 a-Si 高出 10 倍，这有利于减小 TFT 的尺寸，同时也缩短了像素放电时间。这就提高了探测器的读出速度。在像素间距约为 100 μm的动态探测器中，提高读出速度对实现足够的帧率尤为重要。由于 IGZO TFTs 可以做得比 a-Si TFTs 更小，因而可以显著改善转换性能。因此，像素变得更加敏感，可以提供更快的读出，探测器的分辨率也可以提高。一方面，IGZO 探测器介于高剂量 a-Si 和低剂量 CMOS 探测器之间，另一方面，当用于低剂量透视时，其介于高剂量 a-Si 和 IIs 之间。与 a- Si 相比，它们可以在同等或更低的 x 射线剂量下获得可用的图像，它们可以以更高的帧率和更高的分辨率运行，但比 CMOS 探测器慢。

IGZO 的不足：

就性能而言，IGZO 探测器不如 CMOS 探测器好，但价格更低。这使它们成为 IIs 和 a-Si 探测器的一个很好的替代品。然而，基于 IGZO 技术的 FPD 在很大程度上处于起步阶段，这个这种新技术需要证明它能够实现所提出的要求，并在 x 射线辐射下及时可靠。与a-Si 相比，IGZO 对 X 射线的耐受性更低，因此不适合用于工业射线成像。目前还不知道IGZO产品在外科 C 型臂应用中的寿命是多少，但这是一个值得关注的问题。

Yole Development 公司在 2019 年的一份研究报告中指出，“长期以来，IGZO 一直被视为一种高性能/低成本的 TFT 技术，但一个关键问题是供应链准备不足”。虽然，许多显示器制造商已经开始推出用于 X 射线探测的 IGZO 平板，但 IGZO 并不像非晶硅和 CMOS 那样在 X 射线成像方面具有足够的生产成熟度和可靠性。

IGZO 在传感器中通常有一些图像延时，但比 a-Si 好。在透视和三维 CT 成像中，图像延迟是不可取的。

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CMOS 是当今大多数计算机微芯片和图像传感器中使用的半导体技术。CMOS 图像传感器（CIS）被用于手机相机、紧凑型相机、摄像机和众多相机应用。

用于 C 型臂的 CMOS 平板探测器于 2009 年由英国 Dexela（随后被美国 PerkinElmer Inc 收购）首次推出，并于次年引入微型 C 型臂。2017 年，随着 Ziehm Imaging 和 GE Healthcare 推出 CMOS 产品，CMOS 首次被用于全尺寸 C 型臂。该技术在动态 X 射线成像市场上实现了强劲的增长，在发达经济体中占据了接近 100% 的微型 C 型臂市场和大部分全尺寸 C 型臂市场。在 C 型臂市场，尤其是在发展中国家，IIs 上仍然发挥着重要作用。

CMOS 的优势：

由于非晶硅中的电荷迁移率更高得多，以及 CMOS APS 结构，CMOS FPD 比非晶硅和 IGZO 具有更高的读出速度和更低的噪声。通过降低本底噪声，显著提高了低剂量 DQE，即使在非常低的剂量水平下也能实现 X 射线检测。CMOS FPDs 能够同时产生更好的分辨率和更好的衬度，以获得最高的诊断图像质量。

因此，与 a- Si 探测器相比，在低剂量透视检查中，病人和临床医生的辐射剂量都会降低。

CMOS 图像传感器技术还允许多种增益模式，从而为高剂量和低剂量的应用提供不同的操作模式，如三维 CT 成像（高剂量）和低剂量透视检查。虽然将X射线光子转换为可见光的确有一些时间延迟，但 CMOS 图像传感器本身几乎没有图像延迟。

CMOS 的不足：

虽然 CMOS 探测器具有最佳的性能特征（包括分辨率、速度和低剂量图像质量），但 CMOS 传感器的成本导致大面积平板的成本较高，例如 310 mm²。这是因为与非晶硅或 IGZO 图像传感器相比，CMOS 晶圆的成本相对较高。

尽管 CMOS 图像传感器容易受到 X 射线的辐射损伤，但 C型 臂中使用的 CMOS X 射线探测器受到光纤板（FOP）的保护，这增加了额外的成本，但提高了图像质量和产品寿命。

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