在中國(guó)的醫(yī)療器械市場(chǎng)上，醫(yī)療影像設(shè)備占據(jù)著絕對(duì)的大頭。而在眾多的醫(yī)療影像設(shè)備中，X射線探測(cè)器又占據(jù)著相當(dāng)大的份額。X射線探測(cè)器是CT影像設(shè)備的核心，可以將X射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并最終通過圖像顯示出來。X射線探測(cè)器不僅可以用于醫(yī)用領(lǐng)域?qū)颊叩纳眢w狀況進(jìn)行透視檢查，也可以用于工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行損傷檢查。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2018年，全世界X射線探測(cè)器的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了20億美元，其中醫(yī)用X射線探測(cè)器占了市場(chǎng)的三分之二。不過，近兩年來，工業(yè)安防上使用X射線探測(cè)器的份額正在逐年增加，未來發(fā)展的潛力也越來越凸顯。

　　X射線探測(cè)器的分類

　　X射線探測(cè)器從上個(gè)世紀(jì)發(fā)展至今，經(jīng)歷了模擬圖像階段、間接數(shù)字化階段和直接數(shù)字化階段三個(gè)時(shí)期。在模擬圖像階段，X射線探測(cè)器主要通過膠片、增感屏來反映X射線的透視狀況，最后洗印出片。到上個(gè)世紀(jì)八十年代至新世紀(jì)之初，間接數(shù)字化階段的X射線探測(cè)器用一塊IP板成像，一次只能存儲(chǔ)一張圖片。最后在直接數(shù)字化階段，不僅存儲(chǔ)圖片的數(shù)量不再受限，成像的速度和質(zhì)量都得到了質(zhì)的飛躍。

　　X射線探測(cè)器的工作原理基本都是把X射線的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過計(jì)算投在顯示屏上的電荷量來計(jì)算所捕獲到的光子數(shù)量，而計(jì)算電荷量進(jìn)而計(jì)算光子量的方式有兩種，根據(jù)方式的不同可以分為積分式探測(cè)器和單光子計(jì)數(shù)式探測(cè)器。顧名思義，前者是用積分的方式計(jì)算，后者是直接計(jì)算一個(gè)個(gè)光子的數(shù)量。后者相比前者，擁有空間分辨率高、具有能量分辨能力和噪聲/能量比較器、接近理想的寬線性范圍、高對(duì)比度和可直接探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。但目前市面上主流的X射線探測(cè)器依然是積分式探測(cè)器。

　　現(xiàn)有的X射線探測(cè)器幾乎都是由一個(gè)把X射線的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電二極管和一個(gè)接收電信號(hào)并成像的裝置組成，根據(jù)后者的工作原理不同大致上目前可以分成三個(gè)種類：CCD（電荷耦合器件）、TFT（平板薄膜晶體管）和IGZO（銦鎵鋅氧化物）三個(gè)種類。CCD技術(shù)最早，成本也最低。TFT比較晚，是目前的主流應(yīng)用技術(shù)。IGZO是最晚出現(xiàn)的新技術(shù)，也就在近幾年才強(qiáng)勢(shì)進(jìn)入市場(chǎng)。而從光電二極管的工作原理上分，又可以分為非晶硅（a-Si）探測(cè)器、互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）/單晶硅探測(cè)器、非晶硒探測(cè)器和碲化鎘/碲鋅鎘（CdTe/CZT）探測(cè)器等。下面就據(jù)以上分類分別介紹每種探測(cè)器的原理和優(yōu)劣。

　　CCD探測(cè)器

　　CCD探測(cè)器是以閃爍體或熒光體加光學(xué)鏡頭再加CCD構(gòu)成，閃爍體的作用是將X射線轉(zhuǎn)換成可見光，再把轉(zhuǎn)換出的可見光通過CCD轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最終成像。因?yàn)椴皇侵苯影裍射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所以CCD探測(cè)器嚴(yán)格意義上不是直接數(shù)字化攝影，而是間接數(shù)字化攝影。

　　相比于采用TFT陣列開關(guān)的探測(cè)器，CCD探測(cè)器工作不需要很嚴(yán)格的低溫環(huán)境，對(duì)溫度適應(yīng)度更廣，而且儀器運(yùn)輸過程中更震動(dòng)對(duì)其損傷也小，并且TFT在X射線的輻射下會(huì)產(chǎn)生不可逆的損傷，維護(hù)成本更高。但CCD探測(cè)器轉(zhuǎn)換效率相對(duì)更低，并且CCD面積難以做大，在大尺寸X射線探測(cè)器上，用TFT陣列開關(guān)更多。

　　非晶硅探測(cè)器

　　非晶硅探測(cè)器是由閃爍體或熒光體層涂上有光電二極管作用的非晶硅層，再加上一個(gè)TFT陣列組成。它和CCD探測(cè)器的工作原理基本相同，都需要閃爍體將X射線轉(zhuǎn)換成可見光，再把轉(zhuǎn)換出的可見光通過光敏元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過TFT陣列開關(guān)成像，也是間接數(shù)字化攝影。而將X射線轉(zhuǎn)換成可見光的過程也會(huì)存在散射，影響成像的清晰度。但可以通過將閃爍體加工成針狀以提高對(duì)X線的利用來降低散射，但散射光對(duì)空間分辨率的影響也不能完全消除。

　　根據(jù)其閃爍晶體涂層的材料不同，非晶硅探測(cè)器一般又分為碘化銫（CsI）非晶硅探測(cè)器和硫氧化釓（GOS）非晶硅探測(cè)器兩種主流。這兩種探測(cè)器的成像原理基本一致，但從性能上對(duì)比，碘化銫因?yàn)榫哂嗅槧罹w結(jié)構(gòu)，將X射線轉(zhuǎn)換成可見光的綜合轉(zhuǎn)換效率比硫氧化釓?fù)繉痈?，沖激響應(yīng)的光斑彌散也更小。因此，采用碘化銫作為閃爍體材料，X射線使用劑量更小，成像更清晰。但因?yàn)榱蜓趸復(fù)繉硬恍枰L(zhǎng)時(shí)間的沉積過程，因此制造工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，碘化銫非晶硅探測(cè)器的生產(chǎn)成本比硫氧化釓非晶硅探測(cè)器更高，所以一般情況下，碘化銫非晶硅探測(cè)器更受青睞。

　　不過，就在前不久日本東麗公司也推出過一項(xiàng)新技術(shù)，據(jù)相關(guān)報(bào)道稱，該公司的科研人員在硫氧化釓?fù)繉由霞尤肓恕暗诙N熒光層”（second phosphor），可以把350-400納米之間的短波光能夠轉(zhuǎn)換成接近550納米的長(zhǎng)波光，而光電傳感器對(duì)硫氧化釓?fù)繉影l(fā)射光譜中350-400納米的短波光靈敏度較低，對(duì)550納米長(zhǎng)波光則具有較高的靈敏度。因此，它的這項(xiàng)技術(shù)可以將硫氧化釓非晶硅探測(cè)器的成像亮度提高30%，可以達(dá)到與碘化銫非晶硅探測(cè)器的成像效果。而其生產(chǎn)成本又比后者更低，具有相當(dāng)可觀的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

　　CMOS/單晶硅探測(cè)器

　　互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）/單晶硅探測(cè)器的集成度非常高，將光電二極管陣列、讀出芯片等集成在一塊單晶硅晶圓上。相比于非晶硅探測(cè)器，CMOS探測(cè)器的分辨率更高、圖像噪聲更低、采集速度更快。但由于受到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中晶圓大小的限制，制作大尺寸探測(cè)器需要進(jìn)行拼接，工藝較為復(fù)雜，因此工藝和原材料成本均高于非晶硅探測(cè)器。因此，CMOS探測(cè)器主要應(yīng)用在齒科CBCT領(lǐng)域這種對(duì)小尺寸動(dòng)態(tài)X線影像設(shè)備的需求上。

　　非晶硒探測(cè)器

　　非晶硒探測(cè)器是將非晶態(tài)硒涂在TFT陣列上構(gòu)成。與非晶硅探測(cè)器相比，它不需要通過閃爍晶體將X射線轉(zhuǎn)換成可見光。當(dāng)X射線射入非晶態(tài)硒層時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些電子和空穴在外加偏壓電場(chǎng)作用下會(huì)向著相反的方向移動(dòng)形成電流，電流在TFT積分形成儲(chǔ)存電荷。通過讀出電荷量，就可以知道每點(diǎn)的X射線劑量。

　　因此非晶硒探測(cè)器比非晶硅探測(cè)器是直接的數(shù)字化攝影，可以完全避免X射線轉(zhuǎn)換成可見光過程中的散射帶來的清晰度損失。但其缺陷在于其偏壓電場(chǎng)高達(dá)數(shù)千伏，高壓電場(chǎng)會(huì)對(duì)TFT開關(guān)造成損傷，減少使用壽命。并且生產(chǎn)成本也比非晶硅探測(cè)器更高。

　　碲化鎘/碲鋅鎘探測(cè)器

　　碲化鎘/碲鋅鎘探測(cè)器的工作原理和非晶硒探測(cè)器的工作原理完全一樣，就是把非晶態(tài)硒涂層換成碲化鎘涂層，或在碲化鎘中加入少量的鋅做成碲鋅鎘涂層，碲化鎘探測(cè)器比碲鋅鎘探測(cè)器成本更低，更適合大批量生產(chǎn)和可重復(fù)性。與非晶硅、非晶硒探測(cè)器相比，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于非晶硅、非晶硒探測(cè)器一般要在低溫環(huán)境下使用，而碲化鎘/碲鋅鎘探測(cè)器則可以在普通室溫環(huán)境中使用，可以用于對(duì)環(huán)境要求不高的環(huán)境監(jiān)測(cè)、天體物理研究等領(lǐng)域。但缺陷在于碲化鎘的晶體最大尺寸只有3英寸，因此也只能用于小尺寸的探測(cè)器上面。

　　IGZO探測(cè)器

　　IGZO探測(cè)器就是把上述的幾種帶TFT陣列開關(guān)的探測(cè)器中的TFT陣列開關(guān)換成了IGZO傳感器陣列。簡(jiǎn)單地說TNF的作用就是夠提升顯示屏幕的反應(yīng)速度和精確控制畫面灰度。TFT是由非晶硅薄膜晶體管制成，但隨著顯示器尺寸的不斷增大，非晶硅薄膜晶體管會(huì)出現(xiàn)了電子遷移率不足、均一性差、占用像素面積等缺陷，導(dǎo)致透光率降低。用由銦、鎵、鋅三種金屬元素組成的IGZO傳感器陣列相比TFT陣列，晶體尺寸更小、全透明，可以使設(shè)備更輕薄，并對(duì)可見光不敏感，提高了亮度，又降低了功耗。另外，IGZO的電子遷移率與臨界電壓飄移幾乎一致，比TFT陣列提升了20至50倍。既能大面積制造有更高的采集速度及更低的噪聲。

　　鈣鈦礦探測(cè)器

　　在最新的探測(cè)器技術(shù)方面，鈣鈦礦材料的應(yīng)用可能是未來X射線探測(cè)器的一個(gè)重要突破方向。鈣鈦礦是特定類型的周期性晶體結(jié)構(gòu)的總稱，主要是由銀、鉍等重元素組成，目前最受青睞的是Cs2AgBiBr6材料。由于這種材料能夠結(jié)合銀、鉍兩個(gè)重原子核，因此具有出色的電荷形成和傳輸性能，是替代非晶硒、碲化鎘和碲鋅鎘等材料，實(shí)現(xiàn)X射線直接轉(zhuǎn)換的理想材料選擇。

　　各種X射線探測(cè)器的市場(chǎng)狀況

　　非晶硅探測(cè)器以其相對(duì)低廉的成本、較高的成像質(zhì)量、較長(zhǎng)的使用壽命和適用大批量生產(chǎn)在X射線探測(cè)器市場(chǎng)上占據(jù)最大的份額，CMOS探測(cè)器則以其小而精的特性在小尺寸的X射線探測(cè)器中也占據(jù)主流。美國(guó)Varex、法國(guó) Trixell則是平板探測(cè)器領(lǐng)域的兩大巨頭，兩家合計(jì)占據(jù)了全世界一半左右的市場(chǎng)。

　　目前X射線探測(cè)器的主流是積分式探測(cè)器，但單光子計(jì)數(shù)技術(shù)是目前X射線探測(cè)器的一個(gè)重要發(fā)展方向。在這個(gè)領(lǐng)域，美國(guó)的Varex公司也做了布局，收購(gòu)了在單光子計(jì)數(shù)技術(shù)很有優(yōu)勢(shì)的Direct Conversion公司。另外，芬蘭的Detection Technology也收購(gòu)致力于單光子計(jì)數(shù)方面研究的MultiX公司。預(yù)計(jì)未來單光子計(jì)數(shù)將不再是前沿技術(shù)層面的東西，而會(huì)被很快得到商業(yè)化。

　　在IGZO探測(cè)器方面，在2019年開始逐漸得到商業(yè)化，美國(guó)的Varex、韓國(guó)的Rayence和中國(guó)的奕瑞（iRay）都推出了IGZO探測(cè)器產(chǎn)品。在下一輪的X射線探測(cè)器的競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中，除了新材料的應(yīng)用之外，人工智能可能是新的勝負(fù)手。因?yàn)楣庾V成像涉及大量數(shù)據(jù)的處理，通過結(jié)合人工智能，可以更快速、精確地得到圖像。