『壹』 數字攝影雙能量減影的原理與發展及其在胸部檢查中的應用
數字攝影雙能量減影的原理與發展及其在胸部檢查中的應用
作者：邢學玲 馬永強 李琳 秦東京
【關鍵詞】 數字化X射線攝影；胸片；肺結節
【關鍵詞】 數字化X射線攝影；胸片；肺結節
數字化X射線攝影（Digital Radiography,DR）是由探測器、掃描控制器、系統控制器、系統控制器、影像監示器組成的X線數字化採集系統。廣義上的DR包括數字化X線機、基於增感屏+CCD的DR、基於平板探測器（Plat Panel Detector,PPD）的DR、基於線陣掃描的DR等等。根據探測技術不同DR系統分為直接數字化攝影系統（Direct Digit Radiography,DDR)和間接數字化攝影系統（Indirect Digit Radiography,IDR）。DDR是指採用平板探測器技術直接將X線光子轉換為數字信息的攝影系統，這是狹義的數字化X射線攝影技術。數字攝影雙能量減影（Dual Energy Subtraction,DES）就是基於這一技術實現的。
減影（Subtraction Image,SI）的概念早在1925年即被提出，1934年Ziedesdes plantes發明了膠片減影的方法，1978年Winsconsin大學課題組織設計出數字影像處理器［1］。1980年數字影像的奠基人Mistretta宣告了數字減影血管造影（Digit Subtraction Angiography,DSA）研究成功。DSA這一表述為自身進行確切定義的的同時也含露出其應用的缺憾――它不能減影並分離出血管以外的組織影像，如從軟組織中分離骨組織影像。這一難題啟動了雙能量減影技術的研究，它的技術核心是應用兩種X射線光量子進行攝影，該技術早在1983年與胸片數字化技術研究的同時就進行了臨床應用研究。但這時的數字化X射線攝影由於其影像空間解析度低下，限定了減影技術的臨床應用的范圍。進入新世紀以來，伴隨著非晶 硒 （aSe）平板探測器DR的發明，雙能量減影技術臨床應用研究正在其深度和廣度上煥然一新［2~4］。
1 非晶曬平板探測器DR原理
非晶曬（aSe）平板探測器DR克服了前一代空間解析度低的弊端，這種技術利用光導半導體材料俘獲入射的X線光子，直接將接收到的X線光子轉換成電荷，再由薄膜晶體管（TFT）陣列將產生的電信號讀出即可獲得數字化的X射線影像［5］，這種工作方式的最大優點是完全克服了非直接轉換技術探測器由增感屏或閃爍體中的光線散射造成的圖像模糊效應，因而有非常高的空間解析度。
當入射人體的X線光子受到不同組織的吸收衰減，最後作用於電子暗合的 硒 層上，由於X線強弱不同，祥好肢 硒 層光導體按吸收X線能量的大小產生成比例的正負電荷對，頂層電極與積電矩陣間的高電壓在 硒 層產生電場，使正負電荷相分離，正電荷移向積電矩陣直至儲存於薄膜晶體管內的電容器，矩陣電容器所存的電荷與X線強度成正比，這些電荷信號被存儲在TFT的極間電容上。每個TFT和電容就形成一個像素單元，每個像素區內有一個場效應管，在讀出該像素單元電信號時起開關作用。從而保證掃描電路按順序逐一讀取每個矩陣電容單元的電荷，並將電信號轉換為數字信號進一步形成圖像。直接轉換技術徹底避免了非直接轉換技術中可見光散射效應。
2 雙能量減影技術原理
診斷性X線攝片所使用的是低能X線束，它在穿行人體組織的過程中，主要發生光電吸收效應和康普頓散射效應，光電吸收效應的強度與被照射物質的原子謹世量呈正相關，是鈣、骨骼、碘造影劑等高密度物質衰減X線光子能量的主要方式。康普頓散射效應與被照射物質的原子量無關，與襪改組織的電子密度呈函數關系，主要發生於軟組織。常規X線攝片所得到的圖像中包含上述兩種衰減效應的綜合信息。雙能量減影攝片利用了骨與軟組織對X線光子的能量衰減方式不同，以及不同原子量的物質的光電吸收效應差別，這種衰減和吸收的差異在不同能量的X線束的衰減強度變化中反映更為強烈，而康普頓散射效應的強度在很能大范圍內與入射X線的能量無關可忽略不計，利用數字攝影將兩種吸收效應的信息進行分離，選擇性去除骨或軟組織的衰減信息，進而獲得能夠體現組織化學成分的組織特性圖像――純粹的軟組織像和骨組織像，即為雙能量減影機制。
3 雙能量減影攝片方法
31 兩次曝光法 兩次曝光法指用不同的X線輸出能量（kVp）對被攝物體進行兩次獨立曝光，得到兩幅圖像或數據，將其進行圖像減影或數據分離整合分別重建為軟組織密度像、骨密度像和普通胸片的方法［4~7］。所採用的低能X線峰值在60~85 kVp，高能X線峰值為120~140 kVp。胸部雙能量減影的研究是從兩次曝光法開始的［5，6］，後來應用於膠片增感屏系統、掃描投影攝片系統（scanned projection radiography,SPR）、計算機胸片系統（computed radiography,CR）和數字化胸片系統（digital radiography,DR），但大多隻是研究性質的報道，基本上沒有用於臨床，主要受限於兩次曝光時間差難以縮短至所需范圍，難以消除兩次曝光間被攝物體運動位移所導致兩圖像間的誤編碼［4~7］。直到直接數字化胸片系統（direct digital radiography,DDR）問世後這一問題才得到有效解決。由於該系統使用高速數字化平板探測器（digital flat panel detector,DFP），兩次曝光間的時間差可縮短到200 ms，病人一次屏氣可完成檢查，在很大程度上減少了誤編碼，同時由於該系統量子檢測效率（detectable quantum efficiency,DQE）高，能量分離的范圍大，在不降低質量的前提下，低能及高能X線輸出量降為60~80 kVp和110~150 kVp。特別是DFP將採集的信息直接變成可視圖像，因而成為胸部X線攝片便捷有效的檢查方法［8］。
32 一次曝光法雙能量減影攝片 一次曝光法是對穿過被曝光物體後剩餘的X光子進行能量分離，得出兩幅能量不同的圖像。該方法最初是為了消除兩次曝光法的誤編碼問題，由Speller等在1983年首次提出，他們是在特製的暗盒內迭放兩套膠片增感屏系統，兩者之間用銅濾板分隔，較低能量的X線在前方的膠片成像，而較高能量的X線穿過濾板成像於後方的膠片，從而實現能量分離［2］。Barnes等和Ishigakei等分別將一次曝光法應用於各種CR胸部攝片系統，用雙層影像板取代雙膠片增感屏系統，其信息的後處理功能使圖像質量提高［9，10］。在而後20年間一次曝光法在DR胸部攝影的應用有了長足發展，各種形式的能量探測器陸續應用於臨床［11］。