DR技术的发展和临床应用问题

DR技术的发展和应用问题

友通科技有限公司邹鲁民

前言

自七十年代以来，数字影像，如CT、超声、核医学影像等相继问世。八十年代又出现了核磁共振成像（MRI）、数字减影（DSA）等，形成了医学影像的数字化趋势，而且进展相当快。

然而，占临床影像检查70％以上的X射线摄影检查的数字化步伐却进展不快。从80年代FUJI公司推出第一种数字化X线摄影系统—CR(Computed Radiography)产品后的十余年后，绝大部分的X线摄影检查仍然是由传统的增感屏－胶片( Screen - Film )方式摄取的。CR的发明未能带来X线摄影的全面数字化，这种状况是由二方面的原因造成的，一方[1]

面当时的价格太高；更为重要的原因是CR的性能不能满足临床的要求，图像质量在某些方面还不及胶片，也未能改变传统X线摄影检查的工作流程。这些使得CR不能被医院所广泛接受。要实现放射医学影像的全面数字化，解决常规X射线摄影的数字化问题是最关键的一环；也是无片化( Filmless ) 影像部门必须解决的问题。

因此很多影像厂商和研究机构开始了新型数字化X射线摄影系统的研制工作，这就是后来诞生的DR(Digital Radiography)系统，并在90年代后期取得了突破性的进展，开始出现实用化的多种类型的平面X射线摄影探测器（FPD, Flat Panel Detector），使用这类探测器的数字化X射线摄影系统也开始迅速进入市场。DR技术的出现可以称得上医学X射线摄影技术的一场革命[2]。

DR技术的分类与发展

DR从X线探测器成像原理方面可以分为非直接转换( Indirect Conversion )技术与直接转换( Direct Conversion )技术二大类。

非直接转换技术是最早开发的DR技术，最早期的非直接转换采用的是增感屏加光学镜头耦合的CCD（电荷耦合器）来获取数字化X线图像的，有点类似影像增强器加CCD 的工作方式，这种技术被认为是第一代DR技术。但是由于CCD系统采用增感屏作为其X 线交互介质，它的MTF(传递调制函数)和DQE（量子捕获效率）都不会超过增感屏。另外，由于增感屏被X线激发的荧光，通常只有﹤1%能够通过镜头进入CCD，因此系统的转换效率很低。[3]在工艺方面，由于单片CCD的面积难以做大，所以通常都需要多片才能获得足

够的尺寸。这就带来了图像拼接的问题，并导致系统复杂度的增高与可靠性降低。图一显示了一个4片式CCD探测器系统的结构和原理。

图一：基于CCD的DR系统结构和原理

鉴于CCD技术的这些固有缺陷，使主流影像厂商很快放弃了基于CCD技术DR系统的发展，而将注意力转向基于薄膜晶体管(TFT)的X线平面探测器的发展。最先开发基于TFT 的X线平面探测器的是施乐( Xerox )公司PARC研究中心，他们发展了在TFT基板上制造光电二极管的工艺技术，最终导致了Dpix公司的成立，并推出了第一种基于TFT的平面X 线探测器，这就是后来瓦里安公司的4030探测器的前身。图二是这种探测器的结构和工作原理[4]。

图二：4030探测器像素单元结构

然而这种探测也采用增感屏作为X线交互介质，从而也带来了X线激发的荧光散射所造成的图像模糊；受增感屏的厚度限制，它的X线吸收率也不高，所以这种探测器的整体性能不太高。为了克服增感屏的弱点，一些非直接转换技术DR系统开发商采用了碘化铯(CsI)晶体膜来作为X线交互介质，CsI晶体是呈针状排列的晶体，如图三所示。

图三：碘化铯晶体电镜照片

CsI晶体的针状结构可以有效地抑制光线的散射，并有较高的X线吸收率。从而改善了探测器的MTF和DQE特性，不过仍然不能完全克服散射效应。同时由于生长大面积无缺陷的CsI晶体膜非常困难，使产品的合格率难以提高，从而导致成本高昂。但是经过多年的努力，采用CsI技术的非直接转换技术探测器已进入实用化阶段。图四是法国Trixell公司生产的Pixuim 4600碘化铯非直接转换探测器，是目前性能最好的碘化铯非直接转换探测器。目前西门子、飞利浦和其他多家公司都采用了这种探测器来构建它们的DR系统。

图四：法国Trixell公司生产的Pixuim 4600碘化铯非直接转换探测器

由于非直接转换DR技术的弱点，一些厂商发展了直接转换技术（Direct Conversion ），直接转换技术X线探测器与非直接转换X线技术探测器一样也是基于TFT的，所不同的是直接转换技术X线探测器没有X线荧光转换层，也不需要光电转换单元。它的X射线交互层是由光导半导体(Photo-Conductor)材料构成，目前常用的材料有非晶硒(a-Se)、碲砷镉(CeZnTe)、碘化铅(PbI)和碘化汞(HgI)，已经商品化的直接转换技术X线探测器则都是采用非晶硒。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，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，有非常高的空间分辨率。图五显示了一个基于非晶硒的直接转换技术X线探测器的结构：

图五：基于非晶硒的直接转换技术X线探测器结构

当入射的X线光子在非晶硒层激发出电子—空穴对时，电子和空穴在外加电场作用下反向运动，产生电流，电流的大小与入射X线光子的数量成正比，这些电流信号被存储在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。直接转换技术彻底克服了非直接换技术中不可避免的可见光散射效应，使它的MTF特性非常好。图六可以看出直接转换技术的MTF特性比非直接转换技术高得多[5]，所以有人把直接转换X线探测器称为第三代DR探测器。

图六：胶片及各种不同类型成像系统的MTF曲线示意图

非晶硒直接转换探测器与碘化铯非直接转换探测器的比较

从理论上讲，由于直接转换技术是直接将入射X线转换成电信号，所以直接转换技术有很高的转换效率、宽广的动态范围(104-105)、非常高的空间分辩率。由于消除了散射效应，从而获得了极佳的MTF特性，图像的锐利度好。非晶硒直接转换探测器与碘化铯非直接转换探测器的X线转换方式及输出响应曲线如图七所示。从图中可以看出，直接转换技术的响应曲线非常陡峭。

图七：非晶硒直接转换探测器与碘化铯非直接转换探测器X线转换方式及输出响应曲

线示意图

而非直接转换技术需要把X线（不可见光）先经荧光介质材料转换成可见光，再由光敏元件将可见光信号转换成电信号（光电转换），最后再将光敏元件产生的模拟电信号经A/D(模数转换器)转换成数字信号。由于经过多次转换，而每次转换过程中都会造成能量、信息损失和引入噪声及非线性失真，所以碘化铯非直接转换探测器的动态范围和密度分辨率相对比较低。另一方面由于散射效应导致MTF特性下降，图像的锐利程度不如直接转换技术。不过由于非晶硒的原子序数较低，它的X线吸收率低于原子序数较高的碘，所以在低分辨率区的DQE比采用碘化铯作为闪烁体的非直接转换探测器低，但是值得注意的是在空间分辨率较高时，非晶硒直接转换探测器的DQE仍然比碘化铯非直接转换探测器高，这是由于在高分辨率的情况下非直接转换检测器的散射效应的影响更大，导致高分辨率时的信噪比下降，而DQE直接与信噪比相关。图八给出了非晶硒直接转换探测器与碘化铯非直接转换探测器和其他几种成像系统DQE的比较。

图八：非晶硒直接转换探测器与碘化铯非直接转换探测器的DQE比较虽然经过了十多年的发展，但是DR技术的发展潜力仍然很大，随着工艺技术的进步，计算机、微电子和材料技术的发展，DR技术还将不断前进。几个主要的研究方向是进一步

提高成像的精度和速度；降低成像所需的辐射剂量；改善软件性能；拓宽应用范围。但是这并不意味DR技术还不成熟，衡量一项新的医学影像技术是否成熟有如下几点：是否具有临床接受的图像质量；系统是否稳定可靠；价格能否为用户接受；而DR技术已经完全满足了这些条件。未来几年DR技术发展的重点是数字化乳腺摄影、实时成像和平板CT。[7]在探测器技术路线方面，直接转换技术正在成为主流，新加入DR探测器发展行列的公司，大多数都选择了直接转换技术，如日本东芝、岛津，加拿大和以色列的一些公司，充分反映了这样一种趋势。

市场上现有成熟的DR平板探测器主要有法国Trixell公司生产的Pixuim 4600碘化铯非直接转换探测器、GE的碘化铯非直接转换探测器（PerkinElmer公司制造）、美国Hologic 公司的DirectRay 1000非晶硒直接转换探测器、V erian公司的2520和4030系列探测器。它们中除GE的产品外，都超过了3 线对/毫米的空间分辨率（GE是2.5线对/毫米），MTF和DQE也都达到或超过了胶片的水平，已经完全能满足高质量临床X线摄影检查的图像质量要求。

DR系统的软件

目前国内的部份用户对DR系统的认识存在一个误区，认为DR系统就是简单地用一个探测器+ X光机组成，而没有认识到软件在DR系统中的巨大作用。实际上DR系统最终得到的图像质量如何、系统应用是否方便、好用，很大程度上取决于软件水平的高低，尤其是图像质图更严重依赖软件的性能，例如图像校正软件的差异可以导致图像噪声成倍增加，从而导致成像所需幅射剂量也成倍增加[8]。笔者曾经做过比较，与友通公司同样采用美国HOLOGIC公司探测器的一些其它DR系统拍摄胸片所需的剂量要比友通公司的系统高出很多。友通公司DR系统拍摄胸部正位片在115kV时，毫安秒视体形不同在1.6 ~ 5mAs之间，而其它系统则高达4~8mAs。

DR系统软件大体上可以分成二大块，图像处理和系统管理/控制。其中图像处理部分主要是图像前处理功能，例如图像校正和不同解剖部位的预设影调处理参数（Body Parts和LUT）。这部分的参数与体形有关，也是为什么许多国外著名品牌的DR系统在国内的图像质量不如它们在国外的表现的原因，因为在他们的系统中仍然使用的是按国外的体形参数设置的影调处理参数。也有部份厂商把一些图像后处理功能放到DR系统的操作台上，例如动态范围控制（组织均衡）和一些影像增强功能等，但是这样的做法存在一些问题。首先，由拍片技师进行图像后处理，会造成拍摄每个病人所需时间大为增加，使病人流通量显著降低。这在病人很多的中国医院将带来病人排长队等待检查的严重问题。其次，技师处理的结果可能不一定是阅片医生想要的效果。另一方面从法律上讲，PACS系统中必须存贮原始图像，而不能是做过后处理的图像。因此，图像的后处理功能应该放在诊断工作站上较为合理。

DR系统软件的管理功能也非常重要，因为DR与CR和胶片相比的一大优势是工作流顺畅。但是如果没有相应软件的支持，就不能实现工作流程管理，要完成工作流程管理，DR系统的软件至少需要支持DICOM任务清单、MPPS。

DR系统的的应用问题

DR系统的设计目标就是为了在PACS环境中应用，因此DR系统要获得良好的应用效果，还需要其它应用系统的支持，例如病人注册登记系统，诊断工作站等的配合。其中的诊断工作站尤为重要，因为DR图像的动态范围非常大，包含了比传统X光片丰富得多的图

像信息，只有采用软拷贝阅读（Softcopy Reading）才能充分利用这些信息，最好地发挥DR 系统的技术性能。图九是未经后处理的原始DR图像与经软组织增强后的图像比较，经过后处理的图像上皮肤中的异物清晰可见，而在原始图像上则无法看到异物。可以看出图像后处理在DR应用中的重要作用，国内外的文献资料都显示采用诊断工作站阅片可以明显提高DR影像的诊断工作效能。如果在诊断工作站上增加计算机辅助诊断软件，还能进一步提高影像诊断水平[8]。

图九：原始图像与经软组织增强后的图像比较

在DR系统应用中另一个重要问题是病人信息录入，如果系统不支持工作流管理，需要技师从系统操作台键入病人信息资料，在病人流量很高的时候会造成很大麻烦，因为在录入病人信息时，不能同时拍片。而录入一个病人的信息可能长达一分钟，每天如果拍摄120位病人，就将占用系统2小时不能拍片，从而大大降低了系统的工作速度。数据重复录入，还增加了产生错误的机会和技师的工作量，因此在高病人流量的环境中必须考虑这一问题，在建立DR应用系统时一定要保证DR系统能直接从HIS/RIS中直接获取病人信息。

然而目前国内的许多单位在引进DR系统还没有注意到上述问题，相当数量的单位只是购买了裸机，简单地配一台激光相机，以打印胶片的方式工作。这是非常不合理的应用方式，极大的限制了DR系统性能的发挥。但是这种现象应该会随着国内用户对DR技术了解的加深而逐步得到克服。

结束语

DR技术历经十多年的发展，目前已经进入成熟阶段，无论从产品的技术性能，还是价格都达到了能够普遍应用的水平。

在可以预见的将来，DR系统将会完全取代传统的各种X射线摄影系统，X射线摄影数字化的时代已经到来。

可喜的是我国已经跻身世界上为数不多的几个DR系统生产国之列，自1999年友通科技公司推出我国第一套具有自主知识产权的商品化DR系统，短短几年已经能生产达到国际先进技术水平的全系列DR产品，友通科技有限公司的DR产品已经在国内市场占有很大的市场份额并已经开始进军国际市场。考虑到中国拥有全球最大的X光机装机量，我国成为DR系统的生产大国将只是一个时间问题，中国DR的春天即将到来。