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CBCT即錐形束投照計(jì)算機(jī)重組斷層影像設(shè)備，英文全稱(chēng)為Cone beam CT，也就是錐形束CT。CBCT的原理是以較低的X射線量（通常球管電流在10毫安左右）圍繞投照體做環(huán)形DR（數(shù)字式投照），然后將圍繞投照體多次（180次-360次，依產(chǎn)品不同而異）數(shù)字投照后“交集”中所獲得的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中“重組，reconstruction”后進(jìn)而獲得三維圖像。
理解牙科CBCT成像設(shè)備最基礎(chǔ)的一步，是理解X射線成像。本文將主要介紹牙科X射線成像的基礎(chǔ)知識(shí)，以及濱松平板探測(cè)器是如何應(yīng)用在牙科CBCT成像中的。
一，什么是X射線
光（輻射），在我們的生活、自然以及宇宙中幾乎無(wú)處不在。可見(jiàn)的只有非常小的一部分，大部分都是你我肉眼無(wú)法觀測(cè)到的，X射線就是其中一種。
X射線屬于高能射線，光子能量在124eV到幾百keV之間，屬于電離輻射，對(duì)人體有害，如果人體吸收了過(guò)量的X射線則會(huì)造成實(shí)質(zhì)損傷。宇宙中存在著大量的X射線，但地球的大氣層基本都將其隔離在外了。
X射線又叫倫琴射線，由德國(guó)物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴于1895年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并命名，倫琴因此成為了獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的第一人。而X射線也被稱(chēng)為19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一，標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的誕生。
倫琴在一次的實(shí)驗(yàn)中，請(qǐng)他夫人將手放在黑紙包嚴(yán)的照相底片上，用X射線對(duì)準(zhǔn)照射了15分鐘，顯影后，得到了人類(lèi)第一張人體X射線攝影。這張歷史性的照片也表明了，人類(lèi)可以借助X射線隔著皮肉去透視骨骼。
X射線穿透力極強(qiáng)，由于人體不同的組織對(duì)X射線的吸收程度不同，均勻的X射線快速穿透人體組織后，其不均勻分布其實(shí)就是人體組織的投影。通過(guò)不斷的技術(shù)發(fā)展，如今X射線已廣泛地用于醫(yī)療影像中，當(dāng)然也包括我們今天談到的牙科CBCT影像。
二，牙科CBCT影像中的X射線
目前在牙科應(yīng)用中，都是用X射線真空管來(lái)產(chǎn)生X射線。
X射線管是工作在高電壓下的真空二極管。包含有兩個(gè)電極：一個(gè)是用于發(fā)射電子的燈絲，作為陰極（K）；另一個(gè)是用于接受電子轟擊的靶材，作為陽(yáng)極（A）。兩極均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外殼內(nèi)。
在牙科X射線影像設(shè)備的參數(shù)中，"管電流"、"管電壓"是經(jīng)常能看見(jiàn)的。
X射線管供電部分至少包含有一個(gè)使燈絲（鎢）加熱的低壓電源（Uh）和一個(gè)給兩極施加高電壓的高壓發(fā)生器（Ua）。首先，當(dāng)足夠的電流通過(guò)鎢絲時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子云，同時(shí)在陽(yáng)極和陰極間施加足夠的管電壓（千伏等級(jí)），使得電子云被拉往陽(yáng)極。此時(shí)電子以高能高速的狀態(tài)撞擊鎢靶（A），高速電子到達(dá)靶面，運(yùn)動(dòng)突然受到阻止，其動(dòng)能的一小部分便轉(zhuǎn)化為輻射能，以X射線的形式放出。
改變燈絲電流（管電流）的大小可以改變燈絲的溫度和電子的發(fā)射量，從而改變管電流和X射線強(qiáng)度。改變X射線管的激發(fā)電位，或選用不同的靶材可以改變?nèi)肷鋁射線的能量。
管電壓（keV）越高，X射線穿透物體的能力越強(qiáng)。管電壓的設(shè)置，不能太高，也不能太低。管電壓過(guò)高，X射線大部分會(huì)直接穿過(guò)被攝物體，探測(cè)器接收到信號(hào)就與被攝物體無(wú)關(guān)了；而管電壓過(guò)低，則X射線大部分被物體吸收，探測(cè)器則接收不到與被攝物體有關(guān)的信息。
而管電流（mA）越大，就意味著X射線的流量越大，探測(cè)器接收到的信號(hào)就會(huì)越強(qiáng)。從成像角度來(lái)說(shuō)，管電流越大越好，但是管電流越大，病患受到的輻射劑量也越大，所以在滿足成像的基礎(chǔ)上，管電流越小越好。
由于受高能電子轟擊，X射線管工作時(shí)溫度很高，需要對(duì)陽(yáng)極靶材進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。雖然X射線管產(chǎn)生X射線的能量效率十分低下，但是在目前，其依然是最實(shí)用的X射線發(fā)生器件，已廣泛應(yīng)用于X射線類(lèi)儀器中。目前，醫(yī)療用途主要有診斷用X射線管和治療用X射線管。
三，濱松平板探測(cè)器在牙科CBCT成像中的應(yīng)用
在成像中，除了光源，另一個(gè)必不可少的元件就是光電探測(cè)器了。而在牙科CBCT中所用到的，想必大家也都了解，就X射線平板探測(cè)器。
對(duì)于牙科CBCT而言，平板探測(cè)器是影響其影像質(zhì)量的核心因素。同時(shí)，從成本的角度來(lái)看，通常X射線平板探測(cè)器占牙科CBCT整機(jī)生產(chǎn)成本的1/2-1/3，這也充分體現(xiàn)了其在設(shè)備中的重要性。因此，在選購(gòu)牙科CBCT機(jī)時(shí)，平板探測(cè)器的品牌和技術(shù)參數(shù)是關(guān)注的要點(diǎn)。
對(duì)于X射線成像，目前大多采用間接成像，如下圖所示（圖為濱松牙科平板探測(cè)器），我們可以看到平板探測(cè)器內(nèi)部主要包含：閃爍體（灰） ，探測(cè)器（藍(lán)），讀出電路（黃）。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，閃爍體負(fù)責(zé)把X射線轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光（X射線難以直接被探測(cè)器所探測(cè)），探測(cè)器負(fù)責(zé)讀取可見(jiàn)光信息并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后由讀出電路將電信號(hào)傳遞到PC里面。這里，我們重點(diǎn)來(lái)說(shuō)一說(shuō)其中最關(guān)鍵的、也是直接決定平板探測(cè)器性能的兩部分：閃爍體和探測(cè)器。
1，閃爍體
閃爍體就是一個(gè)光的轉(zhuǎn)換器，可以把X光轉(zhuǎn)化為容易探測(cè)的可見(jiàn)光。
閃爍體的類(lèi)型有很多種，目前在牙科X射線中主要使用的是CsI（碘化銫閃爍體）。碘化銫閃爍體的發(fā)光光譜與CMOS圖像傳感器的吸收光譜近乎完美的重合，兩條曲線的峰值都落在500-600nm的光譜范圍內(nèi)。
而目前，在碘化銫閃爍體中分辨率最高的就是針狀碘化銫。針狀結(jié)構(gòu)類(lèi)似于光導(dǎo)，在輸出可見(jiàn)光的時(shí)候，發(fā)光更加集中，亮度更強(qiáng)，分辨率更高。
閃爍體需要耦合在探測(cè)器上來(lái)發(fā)揮效用，其耦合的方式主要分為兩種：1，基板壓制（耦合）型；2，直接沉積型
基板壓制（耦合）型閃爍體，是直接在一個(gè)基板上進(jìn)行閃爍體生長(zhǎng)（substrate），然后基板在上，閃爍體朝下扣在平板探測(cè)器上。
壓制工藝的針狀碘化銫與平板探測(cè)器之間會(huì)有薄薄的縫隙，里面會(huì)有殘留的空氣。另外，這種耦合工藝的縫隙里會(huì)有膠水層。因此，基板壓制（耦合）型閃爍體會(huì)不可避免出現(xiàn)基板對(duì)X射線的攔截吸收，以及空氣層或膠水層對(duì)轉(zhuǎn)化光的折射和散射的問(wèn)題。這就會(huì)影響到閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度和分辨率。不過(guò)，該種閃爍體生產(chǎn)難度比較小，成本也相對(duì)較低。
直接沉積型針狀碘化銫閃爍體，不需要粘合劑，也不需要額外的基板，通過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)備直接在平板探測(cè)器（CMOS和TFT平板）上進(jìn)行蒸鍍，將針狀碘化銫閃爍體生長(zhǎng)在平板探測(cè)器表面。
這種耦合方式，由于沒(méi)有額外的基板和粘合劑或空氣層，所以射入的X射線和發(fā)出的可見(jiàn)光損失小，發(fā)光強(qiáng)度高，發(fā)光集中，分辨率高，可以在低劑量X光照射下產(chǎn)生很好的圖像質(zhì)量。直接沉積型針狀碘化銫閃爍體，是目前X射線平板探測(cè)器所用閃爍體工藝的最高標(biāo)準(zhǔn)。
直接沉積型耦合方式的缺點(diǎn)是技術(shù)難度高，成本高。目前濱松公司的平板探測(cè)器都是采用直接沉積型耦合方式，濱松公司完全掌握了直接沉積型針狀碘化銫的生產(chǎn)工藝，可生產(chǎn)出品質(zhì)極高的直接沉積型針狀碘化銫閃爍體。
2，探測(cè)器
探測(cè)器位于閃爍體之下，用于接收閃爍體發(fā)出的可見(jiàn)光，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，是光電轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵一步。
目前市場(chǎng)上有兩種用于牙科CBCT成像的探測(cè)器：CMOS平板探測(cè)器和TFT平板探測(cè)器（也稱(chēng)非晶硅平板探測(cè)器）。
目前對(duì)這兩種探測(cè)器的優(yōu)劣可以說(shuō)是眾說(shuō)紛紜。作為同時(shí)提供兩種探測(cè)器的濱松，在這里就為大家分享一下這兩者的實(shí)際對(duì)比情況：
表中可以看到，TFT平板探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)是尺寸和視野，而CMOS平板探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)是靈敏度，分辨率和讀出速度。
在不需要拼接的情況下，CMOS平板在性能上具有優(yōu)勢(shì)。但在需要"大尺寸"的應(yīng)用下，拼接的CMOS平板在拼接處都會(huì)存在間隙和失效像素線，進(jìn)而導(dǎo)致部分的圖像會(huì)有缺失，需要后期通過(guò)軟件進(jìn)行修正。而TFT平板則不存在這個(gè)問(wèn)題。
目前，濱松的中視野平板均是CMOS平板，中大視野和大視野平板全部是TFT平板，這樣可以充分發(fā)揮各個(gè)工藝的優(yōu)點(diǎn)，并滿足不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求。
接下來(lái)，我們?cè)賮?lái)看看探測(cè)器中另一個(gè)必須了解的關(guān)鍵點(diǎn)---像素結(jié)構(gòu)。目前，平板探測(cè)器的像素結(jié)構(gòu)一般分為兩種：被動(dòng)型像素PPS：像素的全部面積用來(lái)探測(cè)光信號(hào)，像素內(nèi)不包含放大器；主動(dòng)型像素APS：每個(gè)像素內(nèi)都包含一個(gè)光電探測(cè)器和放大器。
就目前市場(chǎng)上的平板探測(cè)器產(chǎn)品而言，TFT平板探測(cè)器使用的都是被動(dòng)型像素PPS，而CMOS平板探測(cè)器則存在兩種像素結(jié)構(gòu)都有使用的情況。
目前牙科CBCT成像需要的X射線劑量在20uSv~ 50uSv之間，在這個(gè)劑量下，APS型CMOS平板探測(cè)器，PPS型CMOS平板探測(cè)器和TFT平板探測(cè)器的成像質(zhì)量幾乎沒(méi)有差異。
四，總結(jié)
TFT平板探測(cè)器和CMOS平板探測(cè)器各有所長(zhǎng)。TFT工藝多用于制造大面積平板探測(cè)器，多用于高端坐式牙科CBCT機(jī)上；而CMOS工藝多用于制造中視野平板探測(cè)器，多用于牙科3-in-1機(jī)型（但目前也有部分高端的3-in-1機(jī)型，使用了TFT中大視野平板探測(cè)器）。
直接沉積型針狀碘化銫的TFT和CMOS平板探測(cè)器，是牙科平板探測(cè)器業(yè)界最高品質(zhì)產(chǎn)品。
拼接的CMOS平板探測(cè)器都會(huì)有明顯的壞線，很大程度上依賴算法補(bǔ)償。
APS型CMOS探測(cè)器中每個(gè)像素都包含放大器，未被閃爍體完全吸收的X射線容易導(dǎo)致放大器損壞，引起像素失效，其抗輻射能力不如PPS型CMOS平板探測(cè)器。
濱松作為一家擁有60余年的光電企業(yè)，在平板探測(cè)器的研發(fā)和生產(chǎn)上，也有24年的歷史了。濱松平板探測(cè)器通過(guò)掌握核心技術(shù)——探測(cè)器設(shè)計(jì)，閃爍體生產(chǎn)，電子設(shè)計(jì)，產(chǎn)品集成，不斷地為世界上著名的牙科影像企業(yè)提供著優(yōu)秀的產(chǎn)品。我們也希望通過(guò)不斷精進(jìn)自身的技術(shù)，為牙科影像的發(fā)展提供更好地可能。
除了牙科應(yīng)用外，濱松平板探測(cè)器還廣泛用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中，圖為手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)X射線圖。（使用濱松平板探測(cè)器拍攝）
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