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.doc

1、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 Radiog

2、raphy,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

3、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24 。 1 非晶晒

4、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，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

5、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量呈正相关，是钙、骨骼、碘造影剂等高

6、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。

7、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47 。所采用的低能 X 线峰值在 6085 kVp，高能 X 线峰值为 120140 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,

8、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47 。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

9、质量的前提下，低能及高能 X 线输出量降为 6080 kVp 和 110150 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

10、 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 。 33 两次曝光法与一次曝光法的比较 两次曝光法的优点是能量差大、所产生的双能量减影图像上残留的组织对比好、图像信噪比高，但两次曝光之间因呼吸、心跳、移位等导致误编码是其最大的弱点，此外短时间内交替输出高、低两种能量 X 线束对球管要求高、损耗也大、病人的辐射量亦有所增加。一次曝光法虽然没有图像错位的误编码问题，但能量分离效果远不如两次曝光法，所获图像残留的组织

11、对比差、信噪比低。虽然在理论上增加曝光条件可提高能量分离的幅度、减少量子噪声斑点，但当曝光量增大至一定程度后，影像板的噪声与曝光量不再相关，而且曝光条件过高还会增加散射所致的杂影。有的研究者推断，如果使一次曝光法双能减影图像的信噪比与两次曝光法的相当，其 X 线曝光量需提高 16 倍4 。物理学家 Ho 等的研究表明，在共有条件一致的前提下，140 kVp 一次曝光法的能量分离幅度只有 70/140 kVp 两次曝光法的 50%，所得减影图像的残留组织对比度只有后者的 50%左右，图像的信噪比只为后者的 43%7 。Barnes 等的研究也得出类似的结论9 。 4 双能量减影数字化胸片的临床价

12、值 41 提高检出钙化的敏感性和准确性 众所周知，检出钙化是诊断肺良性结节的可靠影像学征象之一。有钙化的结节在双能减影的骨像上呈现影像，而在软组织像上全部或部分消失；不含钙化的结节在软组织像上清楚显示，而在骨像上消失。Kruger 等经理论推导和实验印证指出，双能量减影所获的骨像对相当厚度（至少是 116 cm）软组织的变化不敏感，而检出钙化的敏感性和准确性却非常高，能检出 125mg/cm3 以上的含钙量。Fraser 等报道用双能减影法检出钙化性肺结节 13 例和 12 例，其中分别有 8 例和 3 例在常规胸片上不能判断有无钙化11，12 ，他们对其中的 2 例进行了手术切除标本浸泡化学

13、分析，所得出的钙含量与在双能减影骨像上测量换算出的钙含量非常相近12 。Kelcz 等的研究表明，双能减影胸片能使医生们肯定或否定肺结节含有钙化的信心大为增加，将使经验不足的青年医师获益1 。 42 增高肺结节的检出率 胸片是早期检出肺结节的基本影像手段，但常规胸片对单发肺结节（solitary pulmonary nodule,SPN）的假阴性率高达 18%32%，且近 30 年来无明显改善13 。双能量减影由于去除了骨性胸廓的干扰，对肺结节的检出率较普通胸片有所提高，实验模型和临床病例研究都表明其差别有显著的统计学意义1，13 。Kelcz 等还观察到，位于与肋骨无重叠的肺野内的个别小结节

14、，在减影后软组织像上的可辨认性不如常规胸片，认为是由于减影使残留软组织对比度减低所致，提示阅读能量减影片时要注意与普通胸片相结合1 。最近的报道亦指出双能量减影胸片，尤其是与机算机辅助诊断系统（computeraided diagnosis,CAD）相结合时，对肺结节的检出率增高，但应注意与常规的胸片的结合，以减少假阴性发生1417 ，还有作者提出在检出低对比度的肺结节（非钙化密度浅淡的结节）时，双能减影胸片应与常规胸片相引证18 。 双能量减影胸部摄片是一种在近二十余年来不断发展和完善的技术，近几年广泛应用于临床。作为胸片的另一种形式，有效提高肺内小结节的检出率并增加了鉴别诊断可信度；作为胸

15、片诊断的载体开始与计算机辅助诊断相结合；有的研究者前瞻性推测利用能量减影对不同组织分离的可行性。当然对这一技术的价格/性能比，以及与其它影像学检查的互补性评估，还有待设计更完善的临床研究方法予以证实。总之，能量减影这一课题将伴随着新技术发展赋予更新鲜的内容。 参考文献 1Kelcz F,Zink FE,Peppler WW,et al.Conventional chest radiography vs dualenergy computed radiography in the detection and characterization of pulmonary nodules J.AJR,

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