有源像素傳感器引領牙科影像技術進入數字化時代

有源像素傳感器引領牙科影像技術進入數字化時代

Active Pixel Sensors Lead Dental Imagery into the Digital Age

最初起源于美國國家航空航天局（NASA）的互補金屬氧化物半導體（CMOS）傳感器現在已廣泛應用于手機相機和數碼相機中，而隨著CMOS圖像傳感器技術的快速發展，其又被推廣應用到了牙科的X射線檢測設備中。

NASA長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，其最著名的目標之一就是從太空中獲得其它天體、遙遠星系，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識宇宙的窗口，還具有重要的科學價值。例如，通過分析這些圖像，可以確定所拍攝物體的組成和溫度。

20世紀80年代，NASA花費了大量的時間研發電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，催生了世界上第一臺數碼相機的出現。但20世紀90年代初，在新局長的領導下，NASA希望采用“更快、更好、更便宜”的技術。也是在那時，新加入NASA噴氣推進實驗室的工程師埃里克·福薩姆產生了一種能夠實現星載成像技術“更快、更好、更便宜”的目標的想法。

基于CCD的像素陣列操作起來就像是排成長龍以傳水救火的隊伍，每個像素的光生電荷沿著整個像素陣列移動到芯片的邊緣，然后被放大、記錄下來。埃里克?福薩姆認為，這種成像技術可用CMOS技術替代。CMOS由不同的微電子晶體管組成。自20世紀60年代以來，CMOS已成為計算機電路中不可或缺的元件。作為一種內置放大器或本身就是放大器的器件，陣列中的光敏CMOS像素都可以實現信號的放大。CMOS技術的這種功能概念此前曾經引起了研究人員的關注，但最終并未獲得應用，而在接下來的10年里，CMOS技術獲得了快速應用。

在埃里克?福薩姆的創新想法中，每個像素同樣包含一個用于在內部轉移電荷的小型CCD，以及一個與早期CMOS圖像傳感器相比能夠降低輸出信號噪聲的放大器。埃里克?福薩姆及其研究團隊通過采用成熟的CMOS制造工藝來制造光電探測器陣列，幾乎能夠將定時和控制系統、A/D轉換電路，以及信號處理器等所有其它的相機電子器件集成在單一芯片上。“芯片級相機”由此產生。此外，采用該技術，還可制造出尺寸更小、效率更高的成像設備。該項技術的轉移應用案例刊登在《Spinoff 1999》、《Spinoff 2002》，以及《Spinoff 2010》中。自此，有源像素傳感器（APS）開始進入人們的視野。埃里克?福薩姆解釋說：“有源像素意味著像素中含有有源晶體管，即放大器。”

但是，這項新興技術并沒有立即被廣泛應用，仍需進行大量的開發工作。埃里克?福薩姆解釋說：“取代一項正在廣泛應用的技術是一個巨大的挑戰，這種新技術必須擁有顯著的優勢。”

為了推進CMOS-APS的進一步開發和商業化，20世紀90年代早期，噴氣推進實驗室與工業領域的合作伙伴簽署了多項技術合作協議（TCA）。這些協議不提供資金支持，但是噴氣推進實驗室與其合作伙伴可以共享資源、專業技術和設備，共同開發及應用這種新的“芯片級相機”技術。這些工業合作伙伴包括柯達公司和AT&T貝爾實驗室等。噴氣推進實驗室與其合作伙伴探索了CMOS-APS的商業化應用，但是由于缺乏持續的支持措施，這些早期工作并未長期延續下去。直到1994年，當時位于紐約長島的三人機構——希克技術公司的大衛·希克與埃里克?福薩姆取得了聯系，并簽署了對于CMOS-APS技術來說最重要的一項TCA協議，CMOS-APS技術研究及應用才逐步步入正軌。

埃里克?福薩姆回憶說：“當時，我試圖告訴大衛·希克，這仍然是一種新興技術，我們還不能制造出小型像素元件。但是他并不關心這一點。”原希克技術公司紐約總部的工程副總裁斯坦?曼德爾肯說：“作為牙科設備制造商，我們一直在尋找能夠對牙科影像技術產生重要影響的下一代技術，特別是在放射性成像技術領域。”2006年，希克技術公司被德國西諾德牙科設備公司收購。

據悉，當時，希克技術公司已經開發出了基于CCD的數字成像設備，替代了傳統的X光膠片。其高靈敏度能夠降低X射線成像的輻射劑量，且無需沖洗膠片，因此，可以更快地輸出檢測結果，還可避免由膠片沖洗帶來的有毒化學品及工藝處理的危害性。但是，希克技術公司注意到了CMOS傳感器的其它優勢，并開始與埃里克?福薩姆及其團隊合作，共同致力于這些優勢的實現與應用。為了研究出將該技術應用于X射線檢測的特性，希克技術公司的工程師與噴氣推進實驗室的設計師開展了多次溝通交流。

1995年，埃里克?福薩姆與幾個同事一起創立了Photobit公司，并從噴氣推進實驗室的上級管理機構加州理工學院獲得了CMOSAPS技術的專有許可使用權。而基于希克技術公司與埃里克?福薩姆之間的合作，希克技術公司也獲得了CMOS-APS技術的附屬許可使用權，開始生產基于CMOS的牙科成像設備。后來，埃里克?福薩姆將Photobit公司出售，希克公司從加州理工學院獲得了將CMOS-APS技術應用于牙科成像設備的專有許可使用權。直到今天，希克技術公司仍獨家享有此專利權。該項技術的授權也為加州理工學院和德國西諾德公司帶來了豐厚的回報。

X射線不能通過光學透鏡聚焦，因此，數碼X射線成像設備中的像素陣列必須與被檢測物體的大小相同，這意味著需使用大量像素模塊。基于CCD的成像陣列需要將每個像素的電荷無損地從一個像素到另一個像素地通過陣列，同時，還需要相對較高的電壓。實際上，像素越多，整體的潛在損耗就越大。即使在電荷傳輸的過程中僅有一小部分信號被丟失，最終也可能無法獲得電荷輸出。這是基于CCD的成像陣列亟需解決的一個問題。

CMOS像素陣列能夠將每個像素的電荷轉變成數字化輸出，被證明是一種更高效的技術。這對于使用電池的設備而言意義重大。由于大多數相機電子元件能夠集成到CMOS傳感器芯片上，因此，成像設備可以進一步小型化，就進入口腔內的X射線傳感器來說，這將直接提高患者的舒適性。基于CCD的圖像傳感器比CMOS圖像傳感器更易受到電信號噪聲的影響，而且CMOS成像傳感器可以在芯片上直接對信號進行處理。斯坦?曼德爾肯說：“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。”CMOS成像設備就能夠使得放射科醫生使用最小的能量，通過幾個像素形成的快速輸出結果對檢測部位進行低分辨率預覽，而基于CCD的成像設備則必須輸出整個整列的結果。

長期以來，CCD技術利用時間延遲積分方法從多幀圖像信號中創建單個圖像，在全景成像領域占據優勢。但隨著快速幀輸出CMOS成像設備的出現，如今，這種全景圖像已能夠通過軟件的后期處理來獲取。近年來，隨著CMOS傳感器在成像行業的廣泛應用，其技術研發工作也得以進一步推進，尺寸進一步小型化，成像速度、存儲能力和質量進一步提升。特別是，手機攝像頭的普及推動了CMOS-APS傳感器技術的進步，也促進了其低成本、大規模生產的實現。

對患者而言，先進的數字化牙科成像技術意味著可降低有害X射線的輻射風險，且牙醫可根據所獲得的圖像作出更準確的診斷，更直觀地與患者溝通病情。

西諾德公司最新開發的CMOS技術是三維成像技術，已率先在該公司德國總部使用。目前，西諾德公司仍在繼續應用CMOS技術改進其成像產品。雖然西諾德公司仍持有CMOS-APS技術牙科成像技術方面的專有許可授權，但是，其他公司也能通過轉授權方式使用該技術。目前，已有多家公司希望獲得這項技術的使用授權。

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：“1997年，CMOS技術的研究仍充滿風險，需要更高的技術預見性。希克技術公司一直強調創新、對新技術的持續關注，以及對新技術在我們的產品線中的應用研究。”

埃里克?福薩姆為噴氣推進實驗室與希克技術公司等企業的合作使得他的實驗技術轉化成成功的產品而感到激動。他說：“這一項目實現了實驗室和公司的雙贏。”

(唐 甜)