‘壹’ 数字摄影双能量减影的原理与发展及其在胸部检查中的应用
数字摄影双能量减影的原理与发展及其在胸部检查中的应用
作者：邢学玲 马永强 李琳 秦东京
【关键词】 数字化X射线摄影；胸片；肺结节
【关键词】 数字化X射线摄影；胸片；肺结节
数字化X射线摄影（Digital Radiography,DR）是由探测器、扫描控制器、系统控制器、系统控制器、影像监示器组成的X线数字化采集系统。广义上的DR包括数字化X线机、基于增感屏+CCD的DR、基于平板探测器（Plat Panel Detector,PPD）的DR、基于线阵扫描的DR等等。根据探测技术不同DR系统分为直接数字化摄影系统（Direct Digit Radiography,DDR)和间接数字化摄影系统（Indirect Digit Radiography,IDR）。DDR是指采用平板探测器技术直接将X线光子转换为数字信息的摄影系统，这是狭义的数字化X射线摄影技术。数字摄影双能量减影（Dual Energy Subtraction,DES）就是基于这一技术实现的。
减影（Subtraction Image,SI）的概念早在1925年即被提出，1934年Ziedesdes plantes发明了胶片减影的方法，1978年Winsconsin大学课题组织设计出数字影像处理器［1］。1980年数字影像的奠基人Mistretta宣告了数字减影血管造影（Digit Subtraction Angiography,DSA）研究成功。DSA这一表述为自身进行确切定义的的同时也含露出其应用的缺憾――它不能减影并分离出血管以外的组织影像，如从软组织中分离骨组织影像。这一难题启动了双能量减影技术的研究，它的技术核心是应用两种X射线光量子进行摄影，该技术早在1983年与胸片数字化技术研究的同时就进行了临床应用研究。但这时的数字化X射线摄影由于其影像空间分辨率低下，限定了减影技术的临床应用的范围。进入新世纪以来，伴随着非晶 硒 （aSe）平板探测器DR的发明，双能量减影技术临床应用研究正在其深度和广度上焕然一新［2~4］。
1 非晶晒平板探测器DR原理
非晶晒（aSe）平板探测器DR克服了前一代空间分辨率低的弊端，这种技术利用光导半导体材料俘获入射的X线光子，直接将接收到的X线光子转换成电荷，再由薄膜晶体管（TFT）阵列将产生的电信号读出即可获得数字化的X射线影像［5］，这种工作方式的最大优点是完全克服了非直接转换技术探测器由增感屏或闪烁体中的光线散射造成的图像模糊效应，因而有非常高的空间分辨率。
当入射人体的X线光子受到不同组织的吸收衰减，最后作用于电子暗合的 硒 层上，由于X线强弱不同，祥好肢 硒 层光导体按吸收X线能量的大小产生成比例的正负电荷对，顶层电极与积电矩阵间的高电压在 硒 层产生电场，使正负电荷相分离，正电荷移向积电矩阵直至储存于薄膜晶体管内的电容器，矩阵电容器所存的电荷与X线强度成正比，这些电荷信号被存储在TFT的极间电容上。每个TFT和电容就形成一个像素单元，每个像素区内有一个场效应管，在读出该像素单元电信号时起开关作用。从而保证扫描电路按顺序逐一读取每个矩阵电容单元的电荷，并将电信号转换为数字信号进一步形成图像。直接转换技术彻底避免了非直接转换技术中可见光散射效应。
2 双能量减影技术原理
诊断性X线摄片所使用的是低能X线束，它在穿行人体组织的过程中，主要发生光电吸收效应和康普顿散射效应，光电吸收效应的强度与被照射物质的原子谨世量呈正相关，是钙、骨骼、碘造影剂等高密度物质衰减X线光子能量的主要方式。康普顿散射效应与被照射物质的原子量无关，与袜改组织的电子密度呈函数关系，主要发生于软组织。常规X线摄片所得到的图像中包含上述两种衰减效应的综合信息。双能量减影摄片利用了骨与软组织对X线光子的能量衰减方式不同，以及不同原子量的物质的光电吸收效应差别，这种衰减和吸收的差异在不同能量的X线束的衰减强度变化中反映更为强烈，而康普顿散射效应的强度在很能大范围内与入射X线的能量无关可忽略不计，利用数字摄影将两种吸收效应的信息进行分离，选择性去除骨或软组织的衰减信息，进而获得能够体现组织化学成分的组织特性图像――纯粹的软组织像和骨组织像，即为双能量减影机制。
3 双能量减影摄片方法
31 两次曝光法 两次曝光法指用不同的X线输出能量（kVp）对被摄物体进行两次独立曝光，得到两幅图像或数据，将其进行图像减影或数据分离整合分别重建为软组织密度像、骨密度像和普通胸片的方法［4~7］。所采用的低能X线峰值在60~85 kVp，高能X线峰值为120~140 kVp。胸部双能量减影的研究是从两次曝光法开始的［5，6］，后来应用于胶片增感屏系统、扫描投影摄片系统（scanned projection radiography,SPR）、计算机胸片系统（computed radiography,CR）和数字化胸片系统（digital radiography,DR），但大多只是研究性质的报道，基本上没有用于临床，主要受限于两次曝光时间差难以缩短至所需范围，难以消除两次曝光间被摄物体运动位移所导致两图像间的误编码［4~7］。直到直接数字化胸片系统（direct digital radiography,DDR）问世后这一问题才得到有效解决。由于该系统使用高速数字化平板探测器（digital flat panel detector,DFP），两次曝光间的时间差可缩短到200 ms，病人一次屏气可完成检查，在很大程度上减少了误编码，同时由于该系统量子检测效率（detectable quantum efficiency,DQE）高，能量分离的范围大，在不降低质量的前提下，低能及高能X线输出量降为60~80 kVp和110~150 kVp。特别是DFP将采集的信息直接变成可视图像，因而成为胸部X线摄片便捷有效的检查方法［8］。
32 一次曝光法双能量减影摄片 一次曝光法是对穿过被曝光物体后剩余的X光子进行能量分离，得出两幅能量不同的图像。该方法最初是为了消除两次曝光法的误编码问题，由Speller等在1983年首次提出，他们是在特制的暗盒内迭放两套胶片增感屏系统，两者之间用铜滤板分隔，较低能量的X线在前方的胶片成像，而较高能量的X线穿过滤板成像于后方的胶片，从而实现能量分离［2］。Barnes等和Ishigakei等分别将一次曝光法应用于各种CR胸部摄片系统，用双层影像板取代双胶片增感屏系统，其信息的后处理功能使图像质量提高［9，10］。在而后20年间一次曝光法在DR胸部摄影的应用有了长足发展，各种形式的能量探测器陆续应用于临床［11］。