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

1、<p>　　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</p><p>　　作者：邢學(xué)玲 馬永強 李琳 秦東京 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】 數(shù)字化X射線攝影；胸片；肺結(jié)節(jié) </p><p>　　【關(guān)鍵詞】 數(shù)字化X射線攝影；胸片；肺結(jié)節(jié) </p><p>　　數(shù)字化X射線攝影（Digital Radiograph

2、y,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）。D

3、DR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。 </p><p>　　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)

4、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

5、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］。 </p><p>　　1 非晶曬平板探測器DR原理 </p><p>　　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

6、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。 </p><p>　　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

7、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)。 &

8、lt;/p><p>　　2 雙能量減影技術(shù)原理 </p><p>　　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

9、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。 <

10、/p><p>　　3 雙能量減影攝片方法 </p><p>　　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

11、］，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)（dire

12、ct 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</p><p>　　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S

13、peller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

14、續(xù)應(yīng)用于臨床［11］。 </p><p>　　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、

15、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

16、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］。 </p><p>　　4 雙能量減影數(shù)字化胸片的臨床價值 </p><p>　　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

17、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］。Ke

18、lcz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］。 </p><p>　　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

19、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)

20、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］。 </p><p>　　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

21、。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芰繙p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。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　1Kelcz F,Zink FE,Peppler WW,et al.Conventional chest radiography vs

22、 dualenergy computed radiography in the detection and characterization of pulmonary nodules ［J］.AJR,1994,162(2):271 </p><p>　　2Hickey NM,Niklason LT,Sabbagh E,et al.Dualenergy digital radiographic quantific

23、ation of calcium in simulated pulmonary nodules［J］.AJR Am J Roentgenol，1987,148(1):18 </p><p>　　3Speller RD,Ensell GJ,Wallis C,et al.A system for dualenergy radiography［Ｊ］.BJR，1983,56:461 </p><p&g

24、t;　　4Hartman TE.Dualenergy radiography［J］.Semin in Roentgenology，1997,32:45 </p><p>　　5Brody WR,Butt G,Hall A,et al.A method for selective tissue and bone visualization using dual energy scanned projection r

25、adiography［J］.Med Phys，1981 ，8(3):353 </p><p>　　6Lehmann LA,Alvarez RE,Macovske A,et al.Generalized image combinations in dual KVP digital radiogray［J］.Med Phys，1981,8:659 </p><p>　　7Ho JT,Kruge

26、r RA,Sorenson JA.Comparison of dual and single exposure techniques in dualenergy chest radiography［J］.Med Phys,1989,16(2):202 </p><p>　　8Sabol JM,Avinash GB,Nicolas F,et al.The development and characterizati

27、on of a dualenergy subtraction imaging system for chest radiograpahy based on Csl:TⅠ amorphous silicon flatpanel technology［J］.Proceedings of SPIE，2001,4320:399 </p><p>　　9Ishigaki T,Sakuma S,Horikawa Y,et

28、al.Oneshot dualenery subtraction imaging［Ｊ］.Radiology,1986,16:1271 </p><p>　　10Barnes GT,Sones PA,Tesic MM,et al.Detector for dualenergy digital radiograbhy［J］.Radiology，1985,156(2):537 </p><p>

29、　　11Fraser RG,Barnes GF,Hickey NM,et al.Potential value of digital radiography:preliminary observations on the use of dualenergy subtraction in the evaluation of pulmonary nodules［J］.Chest ，1986,89(S):249S </p>&l

30、t;p>　　12Fraser RG,Hickey NM,Niklason LT,et al.Calcification in pulmonary nodules:detection with dualenergy digital radiography［J］.Radiology，1986,160:595 </p><p>　　13Niklason LT,Hickey NM,Chakraborty DP,et

31、 al.Simulated pulmonary nodules:detection with dualenergy digital versus conventional radiography［J］.Radiology，1986,160(3):586 </p><p>　　14Kido S,Kuriyama K,Kuroda C,et al.Detection of simulated pulmonary no

32、dules by singleesposure dualenergy computed radiography of the chest:effect of a computeraided diagnosis system(Part 2)［J］.Eur J Radiol，2002,44(3):205 </p><p>　　15Kido S,Nakamura H,Ito W,et al.Computerized d

33、etection of pulmonary nodules by singleexposure dualenergy computed radiography of the chest(part 1)［J］.Eur J Radiol，2002,44(3):198 </p><p>　　16Whitman GJ,Niklason LT,Pandit M,et al.Dualenergy digital subtra

34、ction chest radiography:technical considerations［J］.Curr Probl Diagn Radiol，2002,31(2)：48 </p><p>　　17Kido S,Kuriyama K,Hosomi N,et al.Lowcost softcopy display accuracy in the detection of pulmonary nodules

35、by singleexposure dualenergy subtraction:comparison with hardcopy viewing［Ｊ］.J Digit Imaging,2000,13(1):33 </p><p>　　18KimmeSmith C,Davis DL,McNittGray M,et al.Computed radiography dual energy subtraction:pe