數(shù)字攝影雙能量減影的原理與發(fā)展及其在胸部檢查中的應(yīng)用

                                      作者：邢學(xué)玲 馬永強 李琳 秦東京

【關(guān)鍵詞】  數(shù)字化X射線攝影；胸片；肺結(jié)節(jié)
　　【關(guān)鍵詞】  數(shù)字化X射線攝影；胸片；肺結(jié)節(jié)
　　數(shù)字化X射線攝影（Digital Radiography,DR）是由探測器、掃描控制器、系統(tǒng)控制器、系統(tǒng)控制器、影像監(jiān)示器組成的X線數(shù)字化采集系統(tǒng)。廣義上的DR包括數(shù)字化X線機、基于增感屏+CCD的DR、基于平板探測器（Plat Panel Detector,PPD）的DR、基于線陣掃描的DR等等。根據(jù)探測技術(shù)不同DR系統(tǒng)分為直接數(shù)字化攝影系統(tǒng)（Direct Digit Radiography,DDR)和間接數(shù)字化攝影系統(tǒng)（Indirect Digit Radiography,IDR）。DDR是指采用平板探測器技術(shù)直接將X線光子轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息的攝影系統(tǒng)，這是狹義的數(shù)字化X射線攝影技術(shù)。數(shù)字攝影雙能量減影（Dual Energy Subtraction,DES）就是基于這一技術(shù)實現(xiàn)的。
　　減影（Subtraction Image,SI）的概念早在1925年即被提出，1934年Ziedesdes plantes發(fā)明了膠片減影的方法，1978年Winsconsin大學(xué)課題組織設(shè)計出數(shù)字影像處理器［1］。1980年數(shù)字影像的奠基人Mistretta宣告了數(shù)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(yīng)用的缺憾――它不能減影并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(shù)的研究，它的技術(shù)核心是應(yīng)用兩種X射線光量子進行攝影，該技術(shù)早在1983年與胸片數(shù)字化技術(shù)研究的同時就進行了臨床應(yīng)用研究。但這時的數(shù)字化X射線攝影由于其影像空間分辨率低下，限定了減影技術(shù)的臨床應(yīng)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(fā)明，雙能量減影技術(shù)臨床應(yīng)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克服了前一代空間分辨率低的弊端，這種技術(shù)利用光導(dǎo)半導(dǎo)體材料俘獲入射的X線光子，直接將接收到的X線光子轉(zhuǎn)換成電荷，再由薄膜晶體管（TFT）陣列將產(chǎn)生的電信號讀出即可獲得數(shù)字化的X射線影像［5］，這種工作方式的最大優(yōu)點是完全克服了非直接轉(zhuǎn)換技術(shù)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(yīng)，因而有非常高的空間分辨率。
　　當入射人體的X線光子受到不同組織的吸收衰減，最后作用于電子暗合的硒層上，由于X線強弱不同，硒層光導(dǎo)體按吸收X線能量的大小產(chǎn)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(chǎn)生電場，使正負電荷相分離，正電荷移向積電矩陣直至儲存于薄膜晶體管內(nèi)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(qū)內(nèi)有一個場效應(yīng)管，在讀出該像素單元電信號時起開關(guān)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，并將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進一步形成圖像。直接轉(zhuǎn)換技術(shù)徹底避免了非直接轉(zhuǎn)換技術(shù)中可見光散射效應(yīng)。
　　2  雙能量減影技術(shù)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(fā)生光電吸收效應(yīng)和康普頓散射效應(yīng)，光電吸收效應(yīng)的強度與被照射物質(zhì)的原子量呈正相關(guān)，是鈣、骨骼、碘造影劑等高密度物質(zhì)衰減X線光子能量的主要方式�？灯疹D散射效應(yīng)與被照射物質(zhì)的原子量無關(guān)，與組織的電子密度呈函數(shù)關(guān)系，主要發(fā)生于軟組織。常規(guī)X線攝片所得到的圖像中包含上述兩種衰減效應(yīng)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(zhì)的光電吸收效應(yīng)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(yīng)的強度在很能大范圍內(nèi)與入射X線的能量無關(guān)可忽略不計，利用數(shù)字攝影將兩種吸收效應(yīng)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(xiàn)組織化學(xué)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(shù)據(jù)，將其進行圖像減影或數(shù)據(jù)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］。所采用的低能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］，后來應(yīng)用于膠片增感屏系統(tǒng)、掃描投影攝片系統(tǒng)（scanned projection radiography,SPR）、計算機胸片系統(tǒng)（computed radiography,CR）和數(shù)字化胸片系統(tǒng)（digital radiography,DR），但大多只是研究性質(zhì)的報道，基本上沒有用于臨床，主要受限于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(dǎo)致兩圖像間的誤編碼［4~7］。直到直接數(shù)字化胸片系統(tǒng)（direct digital radiography,DDR）問世后這一問題才得到有效解決。由于該系統(tǒng)使用高速數(shù)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，同時由于該系統(tǒng)量子檢測效率（detectable quantum efficiency,DQE）高，能量分離的范圍大，在不降低質(zhì)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將采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后剩余的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，他們是在特制的暗盒內(nèi)迭放兩套膠片增感屏系統(tǒng)，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線穿過濾板成像于后方的膠片，從而實現(xiàn)能量分離［2］。Barnes等和Ishigakei等分別將一次曝光法應(yīng)用于各種CR胸部攝片系統(tǒng)，用雙層影像板取代雙膠片增感屏系統(tǒng)，其信息的后處理功能使圖像質(zhì)量提高［9，10］。在而后20年間一次曝光法在DR胸部攝影的應(yīng)用有了長足發(fā)展，各種形式的能量探測器陸續(xù)應(yīng)用于臨床［11］。
　　33  兩次曝光法與一次曝光法的比較  兩次曝光法的優(yōu)點是能量差大、所產(chǎn)生的雙能量減影圖像上殘留的組織對比好、圖像信噪比高，但兩次曝光之間因呼吸、心跳、移位等導(dǎo)致誤編碼是其最大的弱點，此外短時間內(nèi)交替輸出高、低兩種能量X線束對球管要求高、損耗也大、病人的輻射量亦有所增加。一次曝光法雖然沒有圖像錯位的誤編碼問題，但能量分離效果遠不如兩次曝光法，所獲圖像殘留的組織對比差、信噪比低。雖然在理論上增加曝光條件可提高能量分離的幅度、減少量子噪聲斑點，但當曝光量增大至一定程度后，影像板的噪聲與曝光量不再相關(guān)，而且曝光條件過高還會增加散射所致的雜影。有的研究者推斷，如果使一次曝光法雙能減影圖像的信噪比與兩次曝光法的相當，其X線曝光量需提高16倍［4］。物理學(xué)家Ho等的研究表明，在共有條件一致的前提下，140 kVp一次曝光法的能量分離幅度只有70/140 kVp兩次曝光法的50%，所得減影圖像的殘留組織對比度只有后者的50%左右，圖像的信噪比只為后者的43%［7］。Barnes等的研究也得出類似的結(jié)論［9］。

4  雙能量減影數(shù)字化胸片的臨床價值
　　41  提高檢出鈣化的敏感性和準確性  眾所周知，檢出鈣化是診斷肺良性結(jié)節(jié)的可靠影像學(xué)征象之一。有鈣化的結(jié)節(jié)在雙能減影的骨像上呈現(xiàn)影像，而在軟組織像上全部或部分消失；不含鈣化的結(jié)節(jié)在軟組織像上清楚顯示，而在骨像上消失。Kruger等經(jīng)理論推導(dǎo)和實驗印證指出，雙能量減影所獲的骨像對相當厚度（至少是116 cm）軟組織的變化不敏感，而檢出鈣化的敏感性和準確性卻非常高，能檢出125mg/cm3以上的含鈣量。Fraser等報道用雙能減影法檢出鈣化性肺結(jié)節(jié)13例和12例，其中分別有8例和3例在常規(guī)胸片上不能判斷有無鈣化［11，12］，他們對其中的2例進行了手術(shù)切除標本浸泡化學(xué)分析，所得出的鈣含量與在雙能減影骨像上測量換算出的鈣含量非常相近［12］。Kelcz等的研究表明，雙能減影胸片能使醫(yī)生們肯定或否定肺結(jié)節(jié)含有鈣化的信心大為增加，將使經(jīng)驗不足的青年醫(yī)師獲益［1］。
　　42  增高肺結(jié)節(jié)的檢出率  胸片是早期檢出肺結(jié)節(jié)的基本影像手段，但常規(guī)胸片對單發(fā)肺結(jié)節(jié)（solitary pulmonary nodule,SPN）的假陰性率高達18%~32%，且近30年來無明顯改善［13］。雙能量減影由于去除了骨性胸廓的干擾，對肺結(jié)節(jié)的檢出率較普通胸片有所提高，實驗?zāi)Ｐ秃团R床病例研究都表明其差別有顯著的統(tǒng)計學(xué)意義［1，13］。Kelcz等還觀察到，位于與肋骨無重疊的肺野內(nèi)的個別小結(jié)節(jié)，在減影后軟組織像上的可辨認性不如常規(guī)胸片，認為是由于減影使殘留軟組織對比度減低所致，提示閱讀能量減影片時要注意與普通胸片相結(jié)合［1］。最近的報道亦指出雙能量減影胸片，尤其是與機算機輔助診斷系統(tǒng)（computeraided diagnosis,CAD）相結(jié)合時，對肺結(jié)節(jié)的檢出率增高，但應(yīng)注意與常規(guī)的胸片的結(jié)合，以減少假陰性發(fā)生［14~17］，還有作者提出在檢出低對比度的肺結(jié)節(jié)（非鈣化密度淺淡的結(jié)節(jié)）時，雙能減影胸片應(yīng)與常規(guī)胸片相引證［18］。
　　雙能量減影胸部攝片是一種在近二十余年來不斷發(fā)展和完善的技術(shù)，近幾年廣泛應(yīng)用于臨床。作為胸片的另一種形式，有效提高肺內(nèi)小結(jié)節(jié)的檢出率并增加了鑒別診斷可信度；作為胸片診斷的載體開始與計算機輔助診斷相結(jié)合；有的研究者前瞻性推測利用能量減影對不同組織分離的可行性。當然對這一技術(shù)的價格/性能比，以及與其它影像學(xué)檢查的互補性評估，還有待設(shè)計更完善的臨床研究方法予以證實�？傊�，能量減影這一課題將伴隨著新技術(shù)發(fā)展賦予更新鮮的內(nèi)容。
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