医用X射线直接数字成像技术概论.doc

医用X射线直接数字成像技术概论 医用X射线直接数字成像技术是二十世纪九十年代后期国际上发展起来的一种新技术。是医学影象技术家族的新成员，也是近几年来医学影象领域研究及工程应用的一个新的热点。本文将从一下几个方面来介绍这一技术。1：直接数字成像技术的发展简介 2：直接数字成像技术主要优点 3：“非晶硅”“非晶硒”直接成像探测器基本原理及其特点对比 4：直接数字成像系统基本构成 5：直接数字成像数据采集及图象预处理 6：图象处理及显示技术 7：最小化网络平台 8：其它相关技术。 一 直接数字成像技术的发展简介 医用X射线直接数字成像技术的起源可追溯至上世纪六十年代人们对于非晶硒静电成像技术的研究。医用X射线成像技术已有近百年的发展历史，长期以来X射线增感屏胶片系统一直作为X射线照相技术的主流，广泛应用。但该技术具有：成像环节多，速度慢，影象质量不易控制，耗费资源，胶片及洗片液污染环境等缺点。因此长期以来X射线影象技术领域的科研人员一直在寻求新的替代技术。上世纪六十年代人们发现在X射线的照射下非晶态硒材料会产生静电荷积累的现象，于是开始将这一特性应用于X射线成像，其原理类似于今天的静电复印机。由于成像质量较差，粉尘污染，非晶硒材料受环境温度及湿度的影响容易出现结晶等原因，未能得到广泛应用。（万东公司于上世纪七十年代初进行过这方面的尝试）但人们并没有放弃在这一领域的继续探索。到九十年代中期随着，半导体技术，大规模集成电路，计算机技术，光电子技术的快速发展，终于取得了突破性的进展。杜邦公司，GE公司，佳能公司，TRAXELL（西门子，飞利浦）公司，瓦里安公司先后公布了其研究成果，并发布了原形探测器产品。医用X射线直接数字成像技术至此进入了快速发展的阶段。在技术路线上杜邦公司，佳能公司采用了以非晶硒静电成像技术发展起来的非晶硒平板探测器。其他公司则采用了以针状碘化铯为转换层的非晶硅平板探测器。这两种技术都很好的解决了X射线转换，数字化，空间分辨率，密度分辩率，时间响应，信噪比等问题。可以以较低的剂量获得高质量的图象，从而实现了X射线直接数字成像这一理想。二 直接数字成像技术主要优点 与传统屏-片成像技术相比直接数字成像技术具有以下优点1：成像速度快，曝光后10秒左右即可显示图象，无需洗片过程，大大提高病人通过量提高工作效率。2：很高的调制传递效率及量子检出效率，可以获得比传统胶片好得多的细节对比度和信噪比，提高影象质量。3：密度动态范围可达胶片十倍以上，以及高达14比特的灰度深度，一次曝光即可获取从皮肤到骨骼的全部信息。拓展了X射线摄影的临床应用范围。4：无需胶片可大大节约拍片成本同时减少了药水的使用，减少了对环境的污染。5：数字化的图象可以方便的进行网络传输同时诊断亦可通过软阅读的方式进行，提高诊断准确率。6：良好的曝光宽容度降低废片率，减少医患纠纷。7：数字化的存储可以节约存储空间，方便的实现信息共享。因此DR技术被誉为放射诊断技术的一次革命，不单可替代传统屏-片系统并且还赋予X射线放射以新的生命力。三 “非晶硅”“非晶硒”直接成像基本原理及其特点对比 直接成像从成像原理来分目前国际上共有四技术均在采用，出前面谈到的“非晶硅”“非晶硒”直接成像之外还有采用多丝正比探测器的线扫描LDDR技术及CCD探测器的CCD DR技术。但后两种技术由于具有其天然的缺陷，没有得到广泛的应用，在此不多加讨论。下面主要就“非晶硅”“非晶硒”直接成像基本原理及特点进行简要分析对比。 非晶硒FPD成像原理示意图 X射线 非晶硒层 TFT A/D 输出 非晶硒FPD（Flat Pannel Detector）的结构主要非晶硒层（a-Se）加薄膜半导体阵列（Thin Film Transistor array）构成 。由于 非晶硒是一种光电导材料，因此经X射线照射后发生电导率的改变就形成图象电信号，通过TFT阵列检出，再经过A/D变换，处理即可获得数字化图象在显示器上显示。 非晶硅FPD成像原理示意图 X射线 闪烁体荧光体 非晶硅 TFT A/D输出 非晶硅FPD的主要结构由闪烁体碘化铯（CsI）或荧光体硫氧化扎（GdSO）加具有光电二极管作用的非晶硅层（a-Si）再加上TFT构成。在X射线的照射下闪烁体或荧光体层将X射线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图象电信号，通过TFT阵列检出，再经过A/D变换，处理获得数字化图象 。 从上述结构可以看出非晶硒FPD通过X光电子数字信号过程，来完成X射线图象的数字化成像。而非晶硅FPD则通过X光可见光电子数字信号过程，来完成X射线图象的数字化成像。其中多了一个可见光环节，因此目前在非晶硅FPD成像的称谓上尚有分歧国内亦有人将其称为间接数字成像。国际上亦有将非晶硒FPD成像称为Direct Ray,而将非晶硅FPD成像称为Direct Radiography的叫法以示区别。但转换途径的差异并不妨碍这两种探测器有效的将X光图象数字化的技术本质，因此都可称为直接数字成像技术。为了便于对比两种探测器的主要技术性能，以下分别选择HOLOGICAL公司及TRAXELL公司的两个典型产品加以对照说明。主要技术指标HOLOGICALTRAXELL对比说明有限面积14*1717*1717*17更适宜于骨盆的拍摄像素尺寸139uM143uM139uM略优光电转换材料a-Sea-Sia-Se结晶的问题不易解决，因此对环境温度有更高要求结构7.5in*8in四片 8*8四片构成供电电源5000V24V5000V高电压使探测器更容易老化且环境要求高空间分辩率3.6lp/mm3.6lp/mmNiquist分辩率相当密度分辩率14bit14bitMTF（调制传递函数）2.0lp/mm 85%2lp/mm 40%低密度对比度HOLOGICAL较好DQE（量子检出效率）2lp/mm 60%2lp/mm 70%相同剂量下TRAXELL信噪比较好，可获得高质量后处理图象成像时间10s预览40s成像6s成像40S成像时间过长不利于提高病人通过率工作温度10-30度10-40度HOLOGICAL板须专用的温控装置储存温度10-40度-10-50度HOLOGICAL板须采用特殊方式储存及运输标准成像剂量2.5-10uGry1.25-5uGryTRAXELL板可采用较低的曝光剂量 从以上对照可以看出两种探测器各有其优缺点，总的来说a-Si FPD在临床应用方面更具优势。四 直接数字成像系统基本构成 直接数字成像系统简图FPD电源电源电缆电源电缆数据光盘数据光缆采集卡处理工作站系统接口网络接口显示设备外部存储X线发生器控制电缆相机其它设备通讯接口从上图可以看出DR系统基本构成如下：部件名称功能FPD探测器板X射线探测及数字化数据传输光纤传输图象数据信息通讯电缆及电源电缆传输状态信息及电源供电系统电源为探测器及接口提供高精度电源数据采集卡图象数据采集处理工作站图象处理及本地存储通讯及控制接口协同工作站，探测器板，发生器及其他外设的工作显示设备图象显示外部储存设备CDR，MOD存储图象数据网络接口与网络相机及PACS相连接实现图象传输五 直接数字成像数据采集及图象预处理 由于DR系统采用大规模阵列式X射线探测器像素矩阵达到3000*3000共900万像素，因此不可避免的具有阵列式探测器的缺点如：坏点，零点漂移，非均匀转换及增益差异等。为了校正这些缺陷，获得高质量图形。一幅DR图象采集完成之后尚须进行图象校正（IMAGINE CORRECTION） 图象校正流程增益校正(gain)漂移校正（offset）原始图象(rarrow)坏点校正(deffect)正常图象clean 以上的每一校正环节均是逐点校正的过程，因此需要通过测试获得TPD上每一点的特性，及获得OFFSET MAP，GAIN MAP及DEFFECT MAP。这一步骤被称为IMAGINE CALIBRATION由于坏点会逐渐增多，增益也会变化因此DEFFECT及GAIN CALIBRATION 需要定期进行（一般为3-6个月）而零点漂移会随环境的变化不断变化则须不断重复进行（一般为30S-5Min一次）。坏点的检出是依据像素的对X射线反映的统计规律来鉴别的，并应用插值加以修正增益则需依据不同的剂量及线性范围来修正。通常探测器制造商会提供相应的参考算法。六 图象处理及显示技术 一幅DR图象数据量可达900万像素，14BIT灰度，包含的信息极为丰富。如何将其完整清晰的显现是一个十分重要的问题，对于系统的硬件也提出了很高的要求，所以DR系统一般均须采用高性能工作站及显示器。工作站：1.5G以上的主频，1G高速内存，SICS大容量高速硬盘，100M网络接口显示器： 高清晰医学专业显示器5M分辩率以显示细微结构，最少亦应达到3M以上 显示卡以10BIT专用灰度显卡为佳。为了充分表达图象细节处理软件方面亦强化了以下功能：1：S曲线LUT变换或伽玛校正2： 图象的频域变换及空间滤波，通常依据不同的体位特征强化不同空间频率的图象信息对于超过NIQUIST频率的部分则加以抑制。3： 自动图象优化显示4： 图象插值放大5： 边沿增强 七 最小化网络平台DR系统直接数字须得到医学图象网络平台（PACS）的支持方能发挥其优势。但由于国内医疗机构大多不具备配置完整PACS影像网络的条件。因此从技术上来说配置小型的影象科内部网络是可行而且较为经济的选择。一套小型放射影象网一般可不配置中心服务器，采用分散式布局。由1-2台采集工作站，获取图象；一台网络激光相机完成胶片输出；一台纸介打印机完成报告打印；3-5台诊断工作站用于医生的诊断工作；CDR，DVD光盘刻录器用于图象的存档；最好能配置光盘塔或磁盘阵列作为在线存储装置。满足快速查寻及调阅的需要