如何正确评价DR的成像能力.doc

如何正确评价DR的成像能力现在数码相机是越来越普及了，几乎人手一个。大家都知道，数码相机也是采用CCD作为感光器件的设备。一个小小的卡片式相机像素就能达到数百万像素。那么其中的CCD和DR采用的CCD有不同吗？数码相机标称的像素指标又是怎么回事？事实上，DR和数码相机采用的CCD部件都是一回事。我们先来说说CCD这个东西。CCD是电荷藕合器件（Charge Coupled Device）的简称，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。目前CCD已经广泛应用于各个领域，比如说手机、数码相机、数码摄像机、医学影像设备如DR。这些领域用到的CCD都是一样的。在数码相机中，CCD就相当于以前传统光学相机中的胶卷，是相机用来感光成像的部件。当然有些设备使用CMOS代替CCD，CMOS这里我就不提了。衡量CCD好坏的一个非常重要的指标是CCD尺寸。 CCD尺寸（CCD size）其实就是CCD的面积大小。感光器件的面积越大，也即CCD尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，成像效果就越好。不过人们在描述CCD尺寸时一般不用面积大小来描述，而用CCD对角线的数值来描述CCD的尺寸。例如，佳能某款单反数码相机产品EOS-1Ds的CCD的面积为36 x 24mm（其对角线长43.27mm），就习惯称该相机的CCD尺寸为43.27mm。目前大尺寸CCD/CMOS加工制造比较困难，成本也非常高，故CCD尺寸一般都很小。大抵在几个毫米到几个厘米之间。现在市面上的消费级数码相机主要有2/3英寸（11mm）、1/1.8英寸（8.93mm）、1/2英寸（8mm）、1/2.5英寸（6.4mm）、1/2.7英寸（6.59mm）等。请大家注意，这里“1英寸”的定义和我们普通的理解不同。在这一领域，业界通用的规范是 1英寸CCD Size = 长12.8mm 宽9.6mm = 对角线为16mm 之对应面积。前述佳能EOS-1Ds的CCD尺寸能到43mm左右，几乎就是目前业界最大尺寸的CCD了，所以该款相机的价格也较贵，全套相机的价格在三万元人民币以上。大家在电视上可能经常能看到许多的摄影记者都在使用此款顶级相机。一个非常重要的原因就是，此款产品CCD尺寸大，成像效果超出同类产品。还有一个描述CCD的技术指标值得一提，即最高分辨率。CCD所能感光成像的最大图片的面积，就是此CCD的最高分辨率，它通常又习惯表示成每一个方向上的像素数量，比如640480等，故常以像素作为单位。一张分辨率为640480像素的图片，那它的分辨率就达到了307，200像素，也就是我们常说的30万像素，而一张分辨率为16001200的图片，它的像素就是200万像素（2 MegaPixel）。一般来说，像素量大、分辨率高的设备所成的图像清晰度高。但也不尽然。举例来说，前面提及的佳能EOS-1D的最高分辨率为35042336（800万像素），而另一款佳能G7相机最高分辨率能到1000万像素（36482736），但是G7的影像质量却大不如前者，这是因为G7的CCD尺寸为1/1.8英寸（8.93mm），前者EOS-1D的CCD尺寸（感光面积）约为后者G7的5倍。感应器尺寸越大，捕捉信号的能力就越强，成像品质当然更出色。所以像素多，并不一定成像质量就好，更关键的是CCD尺寸。佳能G7相机的市场价格约为EOS-1D的十分之一，可能也能说明并不一定以像素多取胜。但数码相机的厂商往往热衷于炒作高像素作为卖点，而对其它关键指标避而不谈，有点忽悠消费者的意思。相同尺寸的CCD增加像素固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，也就是说每个像素的感光性能越低，每一像素点的信噪比降低，导致曝光不足或者噪声增加，图像质量下降。这其中的道理，在我前面的文中已经阐述清楚。如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上尽量增大CCD的总面积。由于制造工艺技术的限制，目前市场上最大的CCD尺寸也仅几十个毫米而已。看到这里大家可能会问，既然DR和数码相机都使用CCD作为感光器件。X线摄影一般要求有效成像尺寸能达到1417英寸或1717英寸（431.8mm）。难道DR所用的CCD尺寸能有这么大吗？当然不可能！我们来看看CCD DR的成像原理和其CCD探测器的结构。如图所示，CCD探测器主要由三部分组成： 1.X线荧光转换层2.光学传导系统3.光电转换器件X线荧光转换层：一般采用闪烁体CsI或荧光体GdSO，它的作用是将X射线转换为荧光（可见光），这是因为后面光电转换器件CCD镜头无法拍摄X射线的不可见光成像，所以这个过程必不可少。事实上，非晶硅平板也少不了这个过程。光学传导系统：一般有反光镜（使转换后的可见光转个90角，便于后面的CCD镜头拍照）、凸透镜透镜等（作用是聚焦，由于17英寸成像区域的对于很小的CCD部件来说实在是太大了，在狭小的探测器空间内又不能调节物距，所以必须采用透镜聚焦，使CCD镜头能拍下全部成像区域的图像）。光电转换器件：将可见光转换为电信号，主要是采用CCD或CMOS。目前采用CCD的厂家较多。说白了，这一部分就是一个“数码相机”，作用是将已经被转换为可见光的“X线能量”拍摄成数码相片。这是CCD探测器中很重要的一个器件。上图就是IDC CCD DR中所采用的“数码相机”CCD镜头。IDC采用的CCD尺寸比其它同类CCD厂商要大，达到45mm（数据来源于IDC公布的产品资料）。剖开这个镜头，我们能看到里面的CCD sensor，如下图所示。有些厂家采用的CCD尺寸实在是太小了，即使采用了极限凸镜聚焦，也无法完成17英寸全区域成像，只好采用2-4个CCD镜头拼接拍照的办法。如下图所示采用了4个CCD镜头的探测器：不过这两年随着CCD产量加大成本急剧下降，不少厂家已经像IDC一样改用单片CCD，以减少图像拼接所带来的一系列问题。IDC Xplorer CCD探测器采用的CCD传感器的尺寸为45mm，其最大分辨率能达到41284128，约为4K4K，即16M，1600万像素。要注意了，这里1K=1024，这是沿用计算机工业的标准习惯。现在国内有好几个厂家都在使用IDC的这款探测器，滑稽的是，有厂家宣称其DR能达到1700万像素（因为41284128=17040384）比同类竞争对手多了100万像素。其实它们的最大分辨率等指标都是一样的。平板探测器是整版面积直接接受荧光屏，垂直感光，光通量面积是423*423cm；CCD除5*5cm的范围直接垂直感光外，其他部分不是垂直感光，光通量相对要小得多。在荧光屏相同的条件下，探测面积光通量越小，探测器的灵敏度越低。目前CCD探测器和非晶硅平板探测器都采用的是碘化铯或硫氧化钆屏，只是参杂种类、比例、厚度不同，对相同的屏而言，不论用在哪里，能量衰减是相同的。CCD的问题主要是接受或感光面积太小，3k*3k矩阵2英寸的CCD上的每个象素尺寸约15*15微米，而平板每个象素约150*150微米，对这两种情况芯片内部填充因子影响比较小，象素感光面积是主要的。所以，我说光通量小。过去SWISSARY和IMIX研制的4个CCD组成的CCD阵列探测器，光通量就大得多，主要是用于成像的像素面积大，当然成本也高。但是CCD的成像与非晶硅平板探测器的的成像原理实际上还是有区别，完全使用感光面积来对比可能不是很准确，同时即使是CCD实现了与平板探测器同等面积的光电管阵列，也未必一定达到我们想要的效果，实际上采用更高感光度的镜头和CCD相机是可以获得与平板DR媲美的图像的，只是目前只有一家能做到，以往的CCD DR确实图像有点问题，我想除了硬件问题还应包括软件的问题。以往SWISSIRAY推出的4个CCD组成的探测器实际上成像质量也是一般，并没有因为光通量的增大而比加拿大IDC 的图像有优势，因此很多时候可能还要综合多个方面去考虑影响CCD成像的各个细节。影响CCD探测器灵敏度的因素确实很多，但感光面积是主要因素之一，CCD和屏发光的波长也很重要。我曾有幸与SWISSIRAY的研发人员进行过讨论，当时他们采用的是4个1k*1k的CCD，每个象素约200微米，小肢体的图像细节不如IDC的，腰椎等部位比IDC的好，射片剂量要小。所以不要过分强调CCD的分辨率指标，而更要注重相同摄影条件下系统的实测分辨率和密度分辨率指标。我还是希望各位不要带着商业的气味去发表言论。既然是技术论坛，就应该更多公平公正的语言，这样才有利于中国影像技术的发展。1、截至到今天为止，我拜访过数百家安装了GE、西门子、飞利浦DR的医院了，但是还真的没有发现平板有在5年内没有更换的，当然医疗器械这个行业水分很多，很多时候放射科主任和你不熟悉是不会透露这些的，而且更换平板对于科室主任和设备科长也是有好处的，因此和厂家一起来对外宣传根本没有换过，你只要和多个科室技师聊就知道结果，这些东西销售平板探测器的同行都是心里有数的。当然并不是说CCD 探测器就一定不会坏，如果生产工艺和质量控制较差，也有可能生产出故障率高的设备，我们在这里主要讨论CCD芯片与非晶硅晶体板的客观寿命比较。2、如果你真的是搞技术维修的或者是技术研发的，就请不要再拿出影像增强器等于CCD DR的言论，影像增强管只是一个高压真空管，它的作用和结构与光学镜头有极大的区别，CCD探测器里面根本没有高压元件，里面就只有碘化铯晶体板、光学镜头和CCD相机，当然你可以笼统的说都是光学设备，而且都使用了CCD，当然如果你只是一个学医学影像学诊断出身的平板厂家的市场专员或者根本不是专业出身的销售经理，那我不想和你讨论，起码我参与过探测器的研发而你没有，至少CCD探测器的内部结构你是没有看过的。3、我从来不否认CCD DR与碘化铯非晶硅平板DR相比有自身的结构缺陷，所以一直以来CCD DR的图像质量不佳，这些我在帖子里有谈到，但是时代确实在发展，我也一直以为CCD DR的图像已经没有发展的可能了，但是最新的CCD DR的图像让我和很多大医院的主任吃惊，可以说接近甚至超越了某些平板DR的图像，如果各位有兴趣，我可以发上来大家评价一下，前提是你是医院的放射科诊断医生。我不愿意和业务员去讨论这些问题，有人总是想办法钻文字牛角尖来打压别人。就像以前CCD DR刚出来的时候吹嘘什么1700万像素CCD比平板900万像素更高端图像更好一样有问题，事实上高的空间分辨率不一定能获得高质量的灰阶图像，很多时候6000万像素的CCD也未必有400万像素的平板DR图像好，成像质量的好坏还与密度分辨率、DQE、MTF、信噪比多个指标有关。4、影像增强器里面有CCD相机其实就和民用数码相机有CCD芯片是一个道理，可是你也不能把医用影像增强器等同于民用数码相机，每个设备的实际结构和用途都是不一样的，就好像单车也有轮子，小轿车也有轮子，你直接说小轿车等同于单车是没有意义的，在非晶硅平板技术还不是很成熟的事实面前，我倒是很希望飞利浦、西门子、GE三大厂家能研发生产CCD DR，一个可以降低中国医院的使用成本和维护成本，第二个可以促进CCD DR市场的发展和提高成像技术，这个是有利中国农村医疗数字化普及的需求的。5、液晶电视其实现在很多家庭都有购买了，如果你熟悉液晶面板工艺和结构的再去参与使用寿命的讨论。平板探测器与液晶电视的某些主要结构是类似的，只是成像过程相反，就像很多液晶显示器销售员告诉我们液晶显示器能够十年不坏一样，最终为维修买单的还是我们消费者。非晶硅目前在国内外都很热门，例如液晶面板、太阳能面板，相对比多晶硅而言，它让大面阵工艺成为现实，