有源像素傳感器引領(lǐng)牙科影像技術(shù)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代

Active Pixel Sensors Lead Dental Imagery into the Digital Age

最初起源于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）傳感器現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于手機(jī)相機(jī)和數(shù)碼相機(jī)中，而隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，其又被推廣應(yīng)用到了牙科的X射線檢測(cè)設(shè)備中。

NASA長(zhǎng)期致力于捕捉可見光譜及紅外、紫外等非可見光譜的各種圖像。其中，其最著名的目標(biāo)之一就是從太空中獲得其它天體、遙遠(yuǎn)星系，以及我們地球家園的壯觀景象并將獲取的圖像傳送回地球。這些圖像不僅是人類認(rèn)識(shí)宇宙的窗口，還具有重要的科學(xué)價(jià)值。例如，通過(guò)分析這些圖像，可以確定所拍攝物體的組成和溫度。

20世紀(jì)80年代，NASA花費(fèi)了大量的時(shí)間研發(fā)電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，催生了世界上第一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn)。但20世紀(jì)90年代初，在新局長(zhǎng)的領(lǐng)導(dǎo)下，NASA希望采用“更快、更好、更便宜”的技術(shù)。也是在那時(shí)，新加入NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的工程師埃里克·福薩姆產(chǎn)生了一種能夠?qū)崿F(xiàn)星載成像技術(shù)“更快、更好、更便宜”的目標(biāo)的想法。

基于CCD的像素陣列操作起來(lái)就像是排成長(zhǎng)龍以傳水救火的隊(duì)伍，每個(gè)像素的光生電荷沿著整個(gè)像素陣列移動(dòng)到芯片的邊緣，然后被放大、記錄下來(lái)。埃里克?福薩姆認(rèn)為，這種成像技術(shù)可用CMOS技術(shù)替代。CMOS由不同的微電子晶體管組成。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，CMOS已成為計(jì)算機(jī)電路中不可或缺的元件。作為一種內(nèi)置放大器或本身就是放大器的器件，陣列中的光敏CMOS像素都可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。CMOS技術(shù)的這種功能概念此前曾經(jīng)引起了研究人員的關(guān)注，但最終并未獲得應(yīng)用，而在接下來(lái)的10年里，CMOS技術(shù)獲得了快速應(yīng)用。

在埃里克?福薩姆的創(chuàng)新想法中，每個(gè)像素同樣包含一個(gè)用于在內(nèi)部轉(zhuǎn)移電荷的小型CCD，以及一個(gè)與早期CMOS圖像傳感器相比能夠降低輸出信號(hào)噪聲的放大器。埃里克?福薩姆及其研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用成熟的CMOS制造工藝來(lái)制造光電探測(cè)器陣列，幾乎能夠?qū)⒍〞r(shí)和控制系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換電路，以及信號(hào)處理器等所有其它的相機(jī)電子器件集成在單一芯片上?！靶酒?jí)相機(jī)”由此產(chǎn)生。此外，采用該技術(shù)，還可制造出尺寸更小、效率更高的成像設(shè)備。該項(xiàng)技術(shù)的轉(zhuǎn)移應(yīng)用案例刊登在《Spinoff 1999》、《Spinoff 2002》，以及《Spinoff 2010》中。自此，有源像素傳感器（APS）開始進(jìn)入人們的視野。埃里克?福薩姆解釋說(shuō)：“有源像素意味著像素中含有有源晶體管，即放大器。”

但是，這項(xiàng)新興技術(shù)并沒有立即被廣泛應(yīng)用，仍需進(jìn)行大量的開發(fā)工作。埃里克?福薩姆解釋說(shuō)：“取代一項(xiàng)正在廣泛應(yīng)用的技術(shù)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這種新技術(shù)必須擁有顯著的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

為了推進(jìn)CMOS-APS的進(jìn)一步開發(fā)和商業(yè)化，20世紀(jì)90年代早期，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)領(lǐng)域的合作伙伴簽署了多項(xiàng)技術(shù)合作協(xié)議（TCA）。這些協(xié)議不提供資金支持，但是噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室與其合作伙伴可以共享資源、專業(yè)技術(shù)和設(shè)備，共同開發(fā)及應(yīng)用這種新的“芯片級(jí)相機(jī)”技術(shù)。這些工業(yè)合作伙伴包括柯達(dá)公司和AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室等。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室與其合作伙伴探索了CMOS-APS的商業(yè)化應(yīng)用，但是由于缺乏持續(xù)的支持措施，這些早期工作并未長(zhǎng)期延續(xù)下去。直到1994年，當(dāng)時(shí)位于紐約長(zhǎng)島的三人機(jī)構(gòu)——?？思夹g(shù)公司的大衛(wèi)·希克與埃里克?福薩姆取得了聯(lián)系，并簽署了對(duì)于CMOS-APS技術(shù)來(lái)說(shuō)最重要的一項(xiàng)TCA協(xié)議，CMOS-APS技術(shù)研究及應(yīng)用才逐步步入正軌。

埃里克?福薩姆回憶說(shuō)：“當(dāng)時(shí)，我試圖告訴大衛(wèi)·?？?，這仍然是一種新興技術(shù)，我們還不能制造出小型像素元件。但是他并不關(guān)心這一點(diǎn)?！痹？思夹g(shù)公司紐約總部的工程副總裁斯坦?曼德爾肯說(shuō)：“作為牙科設(shè)備制造商，我們一直在尋找能夠?qū)ρ揽朴跋窦夹g(shù)產(chǎn)生重要影響的下一代技術(shù)，特別是在放射性成像技術(shù)領(lǐng)域?！?006年，希克技術(shù)公司被德國(guó)西諾德牙科設(shè)備公司收購(gòu)。

據(jù)悉，當(dāng)時(shí)，希克技術(shù)公司已經(jīng)開發(fā)出了基于CCD的數(shù)字成像設(shè)備，替代了傳統(tǒng)的X光膠片。其高靈敏度能夠降低X射線成像的輻射劑量，且無(wú)需沖洗膠片，因此，可以更快地輸出檢測(cè)結(jié)果，還可避免由膠片沖洗帶來(lái)的有毒化學(xué)品及工藝處理的危害性。但是，?？思夹g(shù)公司注意到了CMOS傳感器的其它優(yōu)勢(shì)，并開始與埃里克?福薩姆及其團(tuán)隊(duì)合作，共同致力于這些優(yōu)勢(shì)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。為了研究出將該技術(shù)應(yīng)用于X射線檢測(cè)的特性，?？思夹g(shù)公司的工程師與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)師開展了多次溝通交流。

1995年，埃里克?福薩姆與幾個(gè)同事一起創(chuàng)立了Photobit公司，并從噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的上級(jí)管理機(jī)構(gòu)加州理工學(xué)院獲得了CMOSAPS技術(shù)的專有許可使用權(quán)。而基于?？思夹g(shù)公司與埃里克?福薩姆之間的合作，?？思夹g(shù)公司也獲得了CMOS-APS技術(shù)的附屬許可使用權(quán)，開始生產(chǎn)基于CMOS的牙科成像設(shè)備。后來(lái)，埃里克?福薩姆將Photobit公司出售，?？斯緩募又堇砉W(xué)院獲得了將CMOS-APS技術(shù)應(yīng)用于牙科成像設(shè)備的專有許可使用權(quán)。直到今天，希克技術(shù)公司仍獨(dú)家享有此專利權(quán)。該項(xiàng)技術(shù)的授權(quán)也為加州理工學(xué)院和德國(guó)西諾德公司帶來(lái)了豐厚的回報(bào)。

X射線不能通過(guò)光學(xué)透鏡聚焦，因此，數(shù)碼X射線成像設(shè)備中的像素陣列必須與被檢測(cè)物體的大小相同，這意味著需使用大量像素模塊?；贑CD的成像陣列需要將每個(gè)像素的電荷無(wú)損地從一個(gè)像素到另一個(gè)像素地通過(guò)陣列，同時(shí)，還需要相對(duì)較高的電壓。實(shí)際上，像素越多，整體的潛在損耗就越大。即使在電荷傳輸?shù)倪^(guò)程中僅有一小部分信號(hào)被丟失，最終也可能無(wú)法獲得電荷輸出。這是基于CCD的成像陣列亟需解決的一個(gè)問(wèn)題。

CMOS像素陣列能夠?qū)⒚總€(gè)像素的電荷轉(zhuǎn)變成數(shù)字化輸出，被證明是一種更高效的技術(shù)。這對(duì)于使用電池的設(shè)備而言意義重大。由于大多數(shù)相機(jī)電子元件能夠集成到CMOS傳感器芯片上，因此，成像設(shè)備可以進(jìn)一步小型化，就進(jìn)入口腔內(nèi)的X射線傳感器來(lái)說(shuō)，這將直接提高患者的舒適性?；贑CD的圖像傳感器比CMOS圖像傳感器更易受到電信號(hào)噪聲的影響，而且CMOS成像傳感器可以在芯片上直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。斯坦?曼德爾肯說(shuō)：“如果所有的器件都能夠集成在單片芯片上，那么，就能夠以更低的功耗、更低的成本獲得更完整的信號(hào)?！盋MOS成像設(shè)備就能夠使得放射科醫(yī)生使用最小的能量，通過(guò)幾個(gè)像素形成的快速輸出結(jié)果對(duì)檢測(cè)部位進(jìn)行低分辨率預(yù)覽，而基于CCD的成像設(shè)備則必須輸出整個(gè)整列的結(jié)果。

長(zhǎng)期以來(lái)，CCD技術(shù)利用時(shí)間延遲積分方法從多幀圖像信號(hào)中創(chuàng)建單個(gè)圖像，在全景成像領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢(shì)。但隨著快速幀輸出CMOS成像設(shè)備的出現(xiàn)，如今，這種全景圖像已能夠通過(guò)軟件的后期處理來(lái)獲取。近年來(lái)，隨著CMOS傳感器在成像行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其技術(shù)研發(fā)工作也得以進(jìn)一步推進(jìn)，尺寸進(jìn)一步小型化，成像速度、存儲(chǔ)能力和質(zhì)量進(jìn)一步提升。特別是，手機(jī)攝像頭的普及推動(dòng)了CMOS-APS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，也促進(jìn)了其低成本、大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)患者而言，先進(jìn)的數(shù)字化牙科成像技術(shù)意味著可降低有害X射線的輻射風(fēng)險(xiǎn)，且牙醫(yī)可根據(jù)所獲得的圖像作出更準(zhǔn)確的診斷，更直觀地與患者溝通病情。

西諾德公司最新開發(fā)的CMOS技術(shù)是三維成像技術(shù)，已率先在該公司德國(guó)總部使用。目前，西諾德公司仍在繼續(xù)應(yīng)用CMOS技術(shù)改進(jìn)其成像產(chǎn)品。雖然西諾德公司仍持有CMOS-APS技術(shù)牙科成像技術(shù)方面的專有許可授權(quán)，但是，其他公司也能通過(guò)轉(zhuǎn)授權(quán)方式使用該技術(shù)。目前，已有多家公司希望獲得這項(xiàng)技術(shù)的使用授權(quán)。

斯坦?曼德爾肯將該公司的成功歸功于與NASA的早期合作。他說(shuō)：“1997年，CMOS技術(shù)的研究仍充滿風(fēng)險(xiǎn)，需要更高的技術(shù)預(yù)見性。?？思夹g(shù)公司一直強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新、對(duì)新技術(shù)的持續(xù)關(guān)注，以及對(duì)新技術(shù)在我們的產(chǎn)品線中的應(yīng)用研究。”

埃里克?福薩姆為噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室與?？思夹g(shù)公司等企業(yè)的合作使得他的實(shí)驗(yàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化成成功的產(chǎn)品而感到激動(dòng)。他說(shuō)：“這一項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室和公司的雙贏?！?/p>

(唐 甜)