數字化X射線攝影技術

    雖然受到9.11恐怖事件的影響,參加RSNA 2001年會的人數有所減少,但是大家對各種技術的關心不減,會場里照樣熙熙攘攘,人頭攢動。雖然還是2001年,但會上一句口號“Leading Medicine’s Digital Transfomation RSNA 2002”格外令人注目,足見放射醫學數字化的重要性。DR仍是人們關注的一個熱點,一個關于平板檢測器原理的繼續教育講座的會場里座無虛席。本次RSNA技術展覽會上仍然可以看到不少新的數字化技術和應用領域。數字化已不僅僅是為了實現PACS和無膠片化放射科的需要,而是為X射線攝影開拓了新的診斷領域,特別是它為計算機輔助診斷——CAD(Computer Assisted  Diagnosis)提供了條件。另一方面傳統X射線檢查數字化所采用的技術和器件品目繁多,名稱各異,令人眼花繚亂,并且沒有一個標準的分類。因此本文將就DR的命名和分類、新的技術和應用以及數字化和CAD三個方面介紹本次會議的所見以及個人的一些看法。

一、DR的命名和分類
DR的分類還是不很統一,歸納起來目前大致有以下幾種方式:
1. 按讀出方式分類
  讀出方式是指從X射線曝光到圖像的顯示過程,可以分為直接讀出方式(Direct Readout)和非直接讀出方式(Nondirect Readout)。直接讀出方式是指從X射線曝光到圖像的顯示過程沒有更多的人為干預,病人經過X射線曝光后,醫生即可在顯示器上觀察到圖像。這一技術最先提出的是瑞士Swissray公司,它的產品稱為dDR,其中d的含義即為直接讀出(Direct Readout)的意思。dDR有別于日本Fuji公司的CR(Computed Radiography),因為后者需用成像板(Imaging Plate,簡稱IP板)進行X射線曝光,之后IP板需要用讀出器(Reader)去掃,再在顯示器上顯示,因此是一種非直接讀出方式。

2. 按轉換方式分類
  可以分為直接轉換方式(Direct Convert)和間接轉換方式(Indirect Covert)。最早是杜邦公司的產品,命名為DR-Direct RayTM,其所謂的Direct (直接)就是指直接轉換方式。這一方式采用的器件在經過X射線曝光后,X射線光子直接轉換為電信號,而不像間接轉換方式的器件先要將X射線光子轉變為可見光,然后再轉換為電信號。
  這兩種轉換方式的技術所采用的器件有平板檢測器(Flat Pannel Detector,簡稱FPD),也有采用其他器件和結構的。當然兩種方式所采用的FPD結構是不同的。

3. 按工作方式分類
  傳統放射科工作分為透視和照相兩大部分,因此人們將數字化技術也分為透視和照相兩類,即數字化透視(Digital Fluorography簡稱DF或DSI,DSF)和數字化照相(Digital Radiography簡稱DR)。數字化透視有用影像增強器(I.I.)加上攝像機采集信號和用FPD采集信號兩類。數字化照相則分為直接轉換方式(DDR,Direct Digital Radiography)和間接轉換方式(IDR,Indirect Digital Radiography)。直接方式采用的器件有用直接方式的FPD和電離室、硒鼓等; 間接方式采用的器件有用間接方式的FPD和其他器件如CR的IP板、電荷耦合器件(Charge Coupling Device,CCD)、互補型金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)等。
  從以上的各種分類方法來看DR應該是一個泛指的、廣義的名詞,它包括了各類數字化X射線攝影(Digital Radiography)技術。單從DR這一名稱,無法了解設備的技術和性能,并且常常會被由其帶來的一些模糊概念所混淆。因此應從技術的角度了解其技術基礎和實現這一技術所采用的器件才能對設備有正確的了解。以下簡單地介紹目前采用各類技術的有關公司,以便了解各公司產品所采用的技術。

1. 成像板技術(IP Technique)
  即CR(Computed Radiography)。CR是用類似增感屏的IP板經X射線曝光后,再經讀出器用激光掃描并光電轉換后獲得電信號,后者再經A/D轉換、處理、形成數字圖像。雖然CR也屬于DR范疇,不過多年來已成為一特定的名詞,因此已不陌生也不會為人們所混淆。目前采用此技術的公司有三類: 其一是各膠片制造商,如Fuji,柯達,Agfa,Konica公司等; 第二類是X射線主機生產廠,如西門子(機型為DLR,DIGISCAN 3),飛利浦(機型為PCR,AC 500,AC 5000)公司等,第三類是有些數字化儀(Digitizer)生產廠或小公司如Lumisys,Angstrom,PhorMax,Orex公司等。

2. 平板檢測器技術(FPD Technique)
  FPD可分為直接和間接兩類。
  直接FPD的結構主要是由非晶硒層(amorphous Selemium,a-Se)加薄膜半導體陣列(Thin Film Transistor array,TFT)構成的平板檢測器。由于非晶硒是一種光電導材料,因此經X射線曝光后由于電導率的改變就形成圖像電信號,通過TFT檢測陣列,再經A/D轉換、處理獲得數字化圖像在顯示器上顯示。采用這一技術的有DRC,東芝,島津,AnRad公司等。
  間接FPD的結構主要是由閃爍體或熒光體層加具有光電二極管作用的非晶硅層(amorphous Silicom,a-Si)再加TFT陣列構成的平板檢測器。此類平板的閃爍體或熒光體層經X射線曝光后,可以將X射線光子轉換為可見光,而后由具有光電二極管作用的非晶硅層變為圖像電信號,經過TFT陣列其后的過程則與直接FPD相似,最后獲得數字圖像。間接FPD由于有可見光的轉換過程,因此會有光的散射問題,而影響圖像的分辨率。閃爍體目前主要有碘化銫(CsI),熒光體則有硫氧化釓(GdSO,GdSO一般用的是柯達公司的Lanex增感屏),采用CsI+a-Si+TFT結構的有Trixell和GE公司等,而采用GdSO+a-Si+TFT有Canon和瓦里安公司等。

3. 其他技術
  包括采用CCD或CMOS器件以及線掃描技術等。其中采用CCD和CMOS器件的結構,包括可見光轉換屏,光學系統和CCD或CMOS。X射線是先通過由閃爍體或熒光體構成的可見光轉換屏,將X射線光子變為可見光圖像,而后通過光學系統由CCD或CMOS采集轉換為圖像電信號。它所用的可見光轉換屏同樣有用CsI和GdSO兩類材料之分。采用CsI+CCD有Swissray(4片CCD元件),Wuestec(2片CCD元件),AID(1片CCD元件),Apelem,Trex等公司。采用GdSO+CCD有Raysis公司(1片CCD元件),在CCD和閃爍體層之間則有光學系統—透鏡或光導纖維連接。采用CsI+CMOS的有Cares built公司(400片CMOS電路),GdSO+CMOS的有Tradix公司(16片CMOS電路)等公司。而采用線掃描技術則有Fisher公司(條狀CCD結構,用線掃描的方式掠過被照體),以及我國的航天中興公司的LDRD (電離室技術) 等。
  研制生產以上這些技術和器件的公司除了有的自行生產數字X射線攝影X射線整機外,還以OEM方式將FPD提供給其他X射線整機生產廠。DRC公司的直接FPD除了提供給Hologic,Lorad,柯達公司外,我國的東健公司、友通公司也采用DRC的FPD配套生產數字化X射線整機。Trixell公司的間接FPD提供給西門子,飛利浦以及我國的東軟公司等。瓦里安公司的FPD提供給瓦里安,皮克,及我國的東軟、萬東等公司。GE公司的血管機和DR機則采用其自行生產的間接FPD。Canon公司的間接FPD提供給Canon,Trex等公司。
  這幾年來在市場并購、重組的形勢下許多公司已經消失和更名了。如生產CR的Lumisys公司為柯達兼并,生產直接FPD的Dupont公司幾經變化從Sterling到DRC,前年又為Hologic公司所兼并,生產間接FPD的EG & G公司也已為GE公司所兼并,dpiX公司被瓦里安公司兼并,這種模式已是目前市場經濟發展的趨勢,從技術的壟斷直到達到市場壟斷的目的。

二、新的技術和應用
  1. 數字化X射線透視(DF)方面
  目前有兩個趨向,一是從沿用多年的攝像管(Pickup Tube)技術向CCD攝像機轉換,目前大多數的血管機和多功能數字化R/F機均已采用了CCD攝像機,今年RSNA會上西門子公司宣布其血管機Axion系列已全部改用了CCD攝像機,這當然與CCD技術的成熟和性能的提高分不開。目前1K×1K,12 bits的CCD是主流。在今年的會上日本的日立公司也重點介紹了他們今年推出的采用2K×2K,12bits CCD的高圖像質量Clavis多功能胃腸機。數字化透視的第二個趨向是影像增強器(I.I.)終究會被FPD所取代。這個趨勢今年是明顯可見的,主要的原因是動態FPD有了長足的進展,除了已經商品化的GE公司的Innova 2000心血管機已采用了FPD取代I.I.外; 東芝、島津、瓦里安的動態FPD都有進展。去年東芝和島津公司的直接轉換方式的動態FPD展示的僅僅是模型或動物試驗,而今年已有人體應用的圖片。東芝公司展示了FPD與機器配套的裝置,島津公司也預言兩年內所有的I.I.將被FPD所取代,他們并且已為目前多功能機做了升級的準備。瓦里安公司在會上展出了30cm×40cm的大尺寸間接方式的動態FPD,日立公司也采用了瓦里安的間接方式動態FPD裝在多功能透視機上,目前正在東京的國立癌中心進行I.I.和FPD的臨床對照試驗。預言1~2年即可投放市場。這些都預示著FPD取代沿用40余年的I.I.技術的日子將會很快到來。

2. 數字化X射線攝影(DR)方面
  重點介紹幾個公司今年發布或展出的一些新技術。
a. Fuji公司
  Fuji公司是CR的創始者,今年它在以往100m乳腺CR的基礎上,又推出了50m乳腺CR,較大程度地改善了圖像質量,為了提高DQE又采取了雙面掃描讀出器,并且在暗盒結構上也作了改進,新的暗盒只有三面有邊框,一面沒有邊框以便使IP板更好地貼近胸壁,能更多的包括乳腺組織,以免遺漏病灶(圖4)。他們在乳腺CAD方面也進行了研究工作。另外為了解決脊柱側彎的手術測量需要,開發了用兩個裝有IP板暗盒同時曝光和再進行圖像拼接技術解決了脊柱全長攝影,另外此次也展出了用IP板的CR方式X射線攝影床。
  在新的功能方面他們開發了CR能量減影(Energy Subtraction)和時間減影(Tempolar Subtraction)(去年這一技術尚為WIP)。由于胸部X射線片大約有40%的病灶被肋骨重疊,特別有時一些小的結節病灶往往被肋骨重疊而漏診,因此很多公司均在數字化圖像的基礎上開發能量減影技術,用高能量曝光獲得的肋骨片與標準片相減,把標準片上的肋骨重疊影去除,而使被遮蓋的小病灶得以顯示。Fuji公司在能量減影方面采用了在兩片IP之間加一片0.3mm Cu的濾過板(圖6),裝入暗盒,一次曝光可以得到三幅圖像,一是普通標準胸片,一幅高能量胸片(主要是骨結構),另一幅減影后的肺組織片。由于是一次曝光,所以它的減影效果比較好。時間減影則是將不同時間的兩幅數字化胸片相減以盡早發現病變或可以進行病灶的隨訪比較。由于兩幅不同時間的照片位置難免有錯位,在處理時會發生定位錯誤(Missregistration),Fuji公司采用的是在一張照片上采用周邊4個點和中央一點的參考點校正方法,與別的公司有所不同。

b. DRC公司
  DRC公司是最先發明直接轉換方式平板檢測器技術的公司,今年宣布采用非晶硒技術直接方式的70m乳腺FPD已研制成功,并和Lorad公司合作生產了新一代數字化乳腺機,并進行了臨床的試用,其圖像質量與Lorad公司采用通常的CCD方式的數字化乳腺機相比較有明顯的提高。目前正等待美國FDA的批準。另方面為了提高直接方式FPD的DQE指標,DRC公司正在進行硒板的摻雜工作,摻雜的元素有Cl,As等。至于動態的直接方式FPD也在研究中。

c. Fisher Imaging公司
  在本次展會上Fisher公司展出了SenoScan數字化乳腺機。它是采用條狀探測器,用線掃描技術得到數字化乳腺圖像,條狀探測器是由將X光子轉換為可見光的閃爍體和四片CCD構成,掃描范圍21cm×29cm。它的特點是由于是采用窄縫曝光線掃描,因此大大減少了散亂線(圖9),也減少了乳腺的皮膚劑量和提高了分辨率。其圖像象素在高分辨率模式時可以達到25mm,標準分辨率圖像的象素則為50mm。但是由于是線掃描因此曝光時間較長,整個曝光時間約5s(250ms/cm),另外球管的熱容量要高,所以它的X射線管的陽極是采用錸鎢合金靶。

d. Cares Built公司
  Cares Built公司是生產以CMOS器件為基礎的平板檢測器公司,其FPD用了400片CMOS,它的矩陣可達7K,象素為70mm,是目前較少的幾個象素小于100mm的公司之一。幾年來深為大家所關注,今年在會上宣布它已得到美國FDA的批準。并且配套生產了整機。

e. 瓦里安公司
  瓦里安公司在兼并了dip X公司以后,在后者的基礎上對平板檢測器繼續進行研究,在今年會上展示了大面積的間接方式的動態FPD。其結構為GdSO+ a-Silicon+TFT,面積達到30×40cm,速度可達30f/s。日本日立公司正在應用這一動態平板檢測器配合多功能胃腸機進行平板檢測器和影像增強器的對比試驗,估計1~2年內將會推向市場。

f. Trex enterprises公司
  Trex enterprises公司在會上推出了便攜式數字化X射線機(Portable Digital X-ray System)型號為PDX 2000(圖10)。它所采用的器件是日本Canon公司CXDI-22間接方式平板檢測器,其象素為160mm,而新一代平板檢測器的象素則已經可以達到100mm。這是便攜式數字化X射線機的一個先例,目前是用于軍用,是否也可以用于床旁照相值得關注。

g. GE公司
  GE公司是生產醫學影像設備的一個大公司,它既有生產X射線整機的能力又具備自行生產間接方式平板檢測器的能力,因此它在DR技術發展是迅速的。它的數字化多功能機、心血管機、數字化X射線攝影機均已推出多年,去年又推出具有動態FPD的心血管專用機Innova 2000(圖11)。在此基礎上它在數字化技術的應用方面也進行了大量的工作,為X射線應用開拓新的領域。在這些方面有能量減影(Energy Subtraction)、時間減影(Temporal Subtraction)、斷層合成(Tomosynthesis)、組織均衡化(Tissue Equalization)、數字減影乳腺攝影(Digital Subtraction Mammography)等,其中有些技術已較成熟并開始臨床使用,大部分則尚屬處在研究開發中(WIP)。GE的能量減影與前述Fuji公司有所不同,它是兩次分別用不同的能量(kV)進行曝光,分別獲得一幅高能圖像和一幅標準圖像,再將兩者相減得到減影圖像。由于兩次曝光之間時間相隔僅為200ms,因此一般情況不會由于呼吸或其他運動影響減影圖像的質量。它的時間減影則將圖像分割為許多小區,采取多個參考點糾正的方法。
  會上發布和展出的內容很多,由于時間的限制以及個人認識的局限性,因此掛一漏萬在所難免,只能重點介紹以上一些,以饗讀者。

三、DR和CAD
  每年RSNA開幕式的大會上都會安排一個主題的學術報告,今年開幕式的主題學術報告為計算機輔助診斷(CAD),共有兩個報告分別是美國芝加哥Heber MacMahon的胸部成像的計算機輔助診斷(Computer-assisted Diagnosis in Chest Imaging)和紐約Robert A.Schmidt的乳腺成像的計算機輔助診斷(Computer-assisted Diagnosis in Mammography)。MacMahon介紹了CAD的理論、人工神經網絡(Artificial Neural Network,ANN)和在胸部病變的應用,特別是能量減影和時間減影的應用,目前在胸部除了結節病灶外還用于肺的間質病變、氣胸以及心臟擴大等方面。Schmidt介紹了乳腺計算機輔助診斷,采用了計算機對乳腺癌診斷無論是敏感性或特異性均有提高。并且談到目前廣泛采用的基于膠片數字化儀的信息采集方式可以提高檢測的敏感性,對特異性也不會有明顯的降低,但是假如采用了數字化乳腺攝影則將有助于診斷結果的更進一步提高。這些論點是一個重要的信號,它提示我們CAD將是人們應該關注的一個熱點。

  計算機輔助診斷可以追溯到上一個世紀70年代,當時是醫生從病人的X線照片讀取診斷信息,借助從經驗獲得和積累了大量診斷信息的數據庫,利用統計學的原理,通過計算機處理獲得最后的診斷。當時用來進行診斷的病種局限在某些具有明顯診斷特征的病種,如乳腺癌、先天性心臟病、某些骨腫瘤等。這一方法信息的采集是依靠醫生的雙眼,這就必然地受到醫生的經驗,主觀意識的干擾以及膠片質量等等的影響,而最終影響診斷的結果。因此在70到80年代之間計算機輔助診斷的進展不是很快。但是人們總在設想,會有一天機器能代替人眼,擺脫一切干擾的因素,獲得正確的診斷結果。

  到上一個世紀90年代由于數字化儀(Digitizer)的問世,人們可以把X線膠片的模擬圖像轉變為數字化圖像,代替肉眼采集診斷信息。而后進行計算機處理,試圖得到疾病的診斷。也就實現了計算機輔助診斷,但是研究的對象也還是局限于一些具有特殊診斷特征的病種如乳腺癌、肺部結節病灶等。

  用數字化儀來采集診斷信息,比起醫生肉眼觀察圖像已有了很大的進步,但是也還存在一定的缺點,就是其結果會受照片質量的影響,特別是膠片處理過程中的影響。因此要達到人們的初衷,即達到診斷的目的還是有一定的距離,因此更多的是把CAD中的D-Diagnosis診斷改寫為Detection——檢測,Computer Aided Detection(計算機輔助檢測)。也就是代替人眼發現某些由于人眼的疲勞、疏忽等原因而遺漏的診斷信息。在這方面具有大量經驗的R2公司介紹了1083例包括乳腺癌在內的乳腺篩選照片,顯微鈣化的發現率可達到98.3%,腫塊可達85.7%。在今年的展會上,盡管大多數開發CAD的公司仍然采用數字化儀來采集圖像,但是已有不少開發DR的公司如GE,Fuji等公司也在同時開發CAD,或者和開發CAD的公司合作,直接用從DR采集獲得的數字圖像來進行CAD的開發研究。這無疑能使CAD從信息的采集開始直到分析、診斷基本上可以脫離人為的干預而達到計算機輔助診斷的目的。當然計算機輔助診斷的基礎還是脫離不了必需依靠大量的醫生經驗積累的信息數據庫,軟件的開發需要人的智慧以及需要人對機器的“訓練”等等。沒有人的思維,機器再智能也是無法完成的,因此計算機永遠也只能是輔助診斷。

  盡管目前CAD的敏感性和特異性還不盡人意,各種疾病、各個作者報告的結果也不一致,進展也還不是很快。但是DR的出現無疑給CAD提供了技術上強有力的支持,當會加速其進程,這將是值得我們關注的熱點技術之一。


四、小結
  DR是一個泛指的、廣義的名詞,它包括了各類數字化X射線攝影技術。目前的重要性已不僅僅是為了提供實現PACS和無膠片化放射科所必需的數字化X射線圖像,而且由于DR的出現,拓展了放射診斷應用的范圍,也為CAD創造了條件。它的出現給今天的放射科創造了一個嶄新的園地。

信息來源:《世界醫療器械》 
 
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