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编号:10280649
数字化X线影像技术
http://www.100md.com 《中国医疗器械杂志》 1999年第1期
     作者:曹厚德

    单位:上海市静安区中心医院 (200041)

    关键词:

    中国医疗器械杂志990108 由于医学信息及相关知识的积累速度远较利用它的速度快,因此“信息爆炸”在医学这门信息密集型学科中显得尤为突出。另外一个不争的事实是,医学影像学的信息又占据医学信息中很大的比例。1997年在美国芝加哥召开的第83届北美放射学会年会上,很多刊物在评论及总结本届会议时惊呼影像就是一切(Image is everything)。

    1 X线影像的数字化

    在评价本世纪X线影像的成就时,许多资深专家均认为影像的数字化是最新、最热门及最重要的进展。医学影像的数字化主要是指医学影像以数字方式输出,使这些影像数据得以直接利用计算机强大的高速运算处理能力,方便、快速地进行存储、处理、传输、显示。医学影像中以计算机断层扫描技术为基础而发展的X线机断层扫描(X-CT)、磁共振成像(MRI)、正电子计算机断层(PET)及单光子计算机断层(SPECT)等装置分别以X线或其它激发源激发出带有人体内信息的信号(投影)进行数字化采集和处理,用投影-卷积-反投影方法,根据投影数据单准则或多准则来重建图像。这一类图像属本质上的数字图像。但是,在医院内应用最广的传统X线摄影尚未完全进入数字化成像家族。如何使这一伦琴发现X线以来最古老的方法尽快进入医学影像数字化的大家庭,自然成为影像技术界及相关领域专家共同致力研究的课题。
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    以物理概念而言,将原始的连续呈缓慢变化的密度转换为一系列离散的灰阶等级的过程即为数字化。迄今为止,X线透射成像的数字化,由于受到高分辨率、实时动态及辐射剂量限制这三个因素的制约;此外还受到技术和经济可行性的限制。目前实施X线影像数字化的方式有:

    1.1 影像增强器-电荷耦合器件(或摄像管)-电视-模/数转换链(I.I+CCD+TV+A/D)数字化系统。

    习惯上将这种数字化方式称为Digital Radiography-DR,它是由影像增强管将作为信息载体的X线转换成可见光,再由CCD或光电摄像管将可见光转换成视频信号,然后经图像卡进行模/数转换成数字化矩阵图像。近年来CCD摄像机在提高空间分辨率和改善信噪比、减少伪像等方面均有长足的进步;另外还具有使用寿命长、便于安装、易于校正和维修等优点,再加上图像卡的性能也有明显的提高;从而使DR系统的采样矩阵可达4096×4096像素,灰度分辨率可达12比特,采样速度已达64帧/秒。
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    1.2 计算机X线摄影系统(Computed Radiography-CR)

    由于该系统是日本富士公司最早申请专利的,所以又称FCR。该装置用成像板(Image plate-IP)作为X线影像载体。IP受X线照射形成的潜像以光致发光的物理过程读出(用激光扫描IP上的像素,使像素发出可见光)。读出器使用直径为50μm~100μm的氦氖激光束扫描。当激光束扫描过每一像素后,发出的可见光经由光纤传导到光电倍增管转变成电信号并进行放大。光电管输出的模拟信号经模/数转换后成为数字信号,然后进行存储和处理。

    1.3 数字化仪(Digitizer)

    这类装置主要用于将传统X线照片上记录的模拟信息数字化,所以实际上是回顾性的后处理技术,常用于解决库存档案片的数字化问题。目前常用的数字化仪有激光扫描方式及CCD摄像方式两种。

    1.3.1 激光数字化仪
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    利用激光原理对X线照片进行逐点扫描,再通过计算机将各点的灰度值转换成数字并按一定的格式组织成数字文件,存入存储装置。其图像分辨率可在1k×1k~4k×6k之间选用,灰度级可达12位(4096)。

    1.3.2 CCD数字化仪

    应用CCD作为微电子固体摄像元件将光能转换成电信号。元件可在很小的面积内集成10万个以上的像素,经图像处理电路后可在显示器上直接显示视频图像。同时也可通过图像处理模块与计算机接口,经视频处理器对图像进一步处理,显示在计算机显示器上或以一定的格式组成数据文件。

    1.4 直接数字化X线摄影

    1.41 直接X线摄影探测器(Direct Radio-graphy Detector-DRD)

    此项技术最早由Sterling公司申请专利,现已进入商品化阶段。其基本原理为应用非晶态硒涂覆于薄膜晶体管(TFT)阵列上,使用时产生正比于入射X线强度的电荷,然后用电子设备将其读出,经14比特A/D转换后产生数字化的电信号。每个TFT单元(像素)的尺寸为139μm×139μm,也即每毫米内有7个点。在常用的14″×17″胶片面积内的单元数有2560×3072,可满足几乎所有诊断的需要。表1是这种摄影与传统的增感屏/胶片系统摄影的影像调制传递函数(MTF)的比较。
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    表1 常用诊断空间频率范围的MTF值比较 成像器件

    空间频率(LP/mm)

    1

    2

    3

    DRD

    0.97

    0.90

    0.72

    感度为100的屏/片系统

    0.84

    0.60
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    0.35

    感度为200的屏/片系统

    0.77

    0.44

    0.28

    感度为400的屏/片系统

    0.65

    0.33

    0.22

    1.4.2 平板探测器(Flat Panel Detector-FPD)

    此项技术由Trexell公司研制成功。其基本原理为应用掺铊的碘化铯闪烁发光晶体涂覆于由薄膜非晶态氧化硅制成的光电二极管阵列上。使用时X线入射到闪烁发光晶体层,X线光子能量转换成电信号并形成储存电荷,然后用电子设备读出储存电荷,经14比特A/D转换后形成数字化电信号。每个像素尺寸为143μm×143μm,在17″×17″胶片面积内的单元数为3120×3120,与前述DRD有近似的成像质量。
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    最近美国Evergreen Dignostic公司推出的皇家数字RD-7000系统是由400枚高分辨率CCD与平板固态探测器组合成数字采集系统,分辨率可高达7000×7000×16(4900万个像素)。

    2 传统X线成像的缺陷和数字化成像的主要优点

    2.1 传统X线摄影以胶片作为介质,集图像采集、显示、存储和传递功能于一体,因此限制了其中某单一功能的改进。数字成像技术则将这些功能分解成不同的独立部分,从而可对每一功能进行单独优化。

    2.2 传统X线成像方式对于X线能量的利用率不高。其量子检测效率(Quatum Detection Efficiency-QDE)仅为 20~30%,而数字化成像系统可达60%以上。因此后者成像所需的辐射剂量可大幅度降低。

    2.3 传统X线成像的动态范围远较数字化成像狭窄。从传统X线成像(增感屏/胶片组合)与数字化成像的“曝射量-反应曲线”中可看出,前者仅在曲线中的2个数量级呈线性变化,而后者则可在5个数量级中保持线性变化。此即数字化成像可以获得较高的密度分辨率及较大的曝射宽容度的原因。
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    2.4 传统X线成像所得的图像不能进行成像后处理。若图像质量由于种种原因达不到诊断要求,因不能进行改善图像的处理而只能重复检查。为了增加诊断信息,数字化成像则可进行窗宽窗位调节、边缘增强、灰阶变换等一系列后处理技术。例如在胃肠道双对比造影检查中,通过边缘增强处理后,使胃肠道的轮廓线、粘膜皱襞、胃小区及胃小沟等图像细节显示更清晰。

    2.5 传统X线成像所得的图像为模拟图像,它必须经过模/数转换(A/D转换),成为数字图像后方能进入“图像存储与传输系统”(Picture Archiving and Communicating System-PACS)实施联网。

    2.6 数字化成像获得影像数据的时间短,一般的数字化成像装置的图像获取率可达8帧/秒。用于心血管造影的专用装置可达50~60帧/秒。其速度大大超过结构复杂、价格昂贵的快速换片机。此外,由于曝射时间短,消除了因器官活动所致的运动性模糊现象。
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    2.7 使用至今已逾一个世纪的传统X线成像,其图像的获取-处理-管理,仍以沿用的:肉眼直接观察图像-原始的处理-传统的管理,这个陈旧的模式,以胶片作为影像的载体及媒介物存储大量的影像资料,显然是远不能满足需要的。它至少存在下列缺陷:

    (1) 每个医院随着存在时间的增长,保存的照片日益增多。它的保存、管理,查找都得花去大量的人力与物力。即使一个管理制度十分完善的医院,经多次查阅、借出、会诊等,其丢失率也会在10%左右。

    (2) 保存日久的照片会逐渐变质,使影像质量下降。

    (3) 每张胶片的单价虽然不高,但从1994年我国X线胶片消耗量达1283万m2这个数字来看,耗资显然是十分巨大的。

    (4) 各种影像设备获取的图像都分别保管,在急需诊治的危重病例作紧急处理时,需快速查找和及时递送图像照片困难较大,特别是约请外院或异地专家会诊,递送则更为困难。
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    (5) 需要将各种影像检查的图片集在一起参比时,由于照片记录的一般均为某一固定窗宽、窗位下的图像,不能根据需要变换。

    数字化成像可利用大容量磁、光盘存储技术,以数字化的电子方式存储、管理、传送、显示医学影像及相关信息,使临床医学摆脱对传统硬拷贝技术的依赖,更为高效、低耗及省时、省地、省力地观察、存储、回溯和传送医学图像。

    3 两种技术方式的性能比较(见表2)表2 传统X线技术与数字化技术对比 性能评估项目

    技术方式

    传统X线技术(荧屏/胶片成像)

    数字化技术(DF/DR成像)

    1. 剂量

    相对较高
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    可降低30~70%

    2. 空间分辨率

    透视影像分辨率1LP/mm

    像素1024×1024~2LP/mm

    3. 密度分辨率

    26灰阶

    可达210~12灰阶

    4. 图像状况

    观察透视影像需持续曝射

    脉冲透视可中止曝射,并有“末幅图像冻结”(LIH)功能,可选择最佳时机冻结图像,可在无X线曝射的情况下观察、分析图像。
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    图像状态不能改变

    图像可进行窗宽窗位调整、边缘处理、正反灰度切换、对比度增强、灰阶变换、降噪及锐化等后处理。又可采用搜寻、电影回放、缩放、漫游(pan)等多种显示方法。

    利用各种处理功能,可在一次曝射中得到的图像处理出原先需改变曝射参数,多次曝射得到的结果,在提高效率的同时,减少剂量。

    图像动态范围小,胸部检查不能显示

    纵膈前和心后肺野的病变

    图像动态范围大。胸部检查能在同一图像中清晰显示肺野和纵膈。

    曝射宽容度有限

    曝射宽容度大,无需自动曝射控制,且可避免因参数选择失当而致的重拍。
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    5. 图像保存

    大量的照片贮藏、保管、查找困难

    实现无胶片化保管,用电子数字介质保存资料,体积小而不必担心变质。

    6. 联网

    不能与外围设备联网

    通过标准接口可与其它图像设备联网,形成综合图像存档和通讯系统(PACS),在部门或异地之间实现影像资料共享,快速会诊等。

    7. 互参性

    多种影像手段互参困难

    与其它诊断技术所获得的图像可同时显示、互参互补乃至合并处理。

    8. 功能扩展
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    功能不能扩展,局限性大

    可扩展数字减影(DSA)、峰值停留及造影剂追踪等功能。

    9. 报告

    影像注释需手写

    可直接显示于屏幕及照片上或打印在病史记录上。

    4 数字化实施方式的点评

    4.1 CR作为新一代的X线数字化影像接收载体,其感度是传统增感屏/胶片组合的数十倍,且有较大的宽容度。CR系统当前的不足之处主要为时间分辨率较差,不能满足动态器官和结构的显示。同时,成像板发光机制虽与一般荧光屏略有不同,除产生能级跃迁的物理过程外,同时产生色包中心俘获等各种物理过程,但其荧光体将入射的X线光子能量转换成可见光时,同样由于荧光漫射现象会导致细节失锐,使空间分辨率下降。由于CR的潜像读出装置的结构复杂,所以价格也较为昂贵。
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    4.2 DR虽然由于X线影像增强器具有较严重的枕形失真和多次能量转换过程中叠加的噪声。DR系统较传统检查方式有较多的优点,但也有其不足的一面。

    优点:

    DR系统数字化具有和X线电透下定位点片相同的操作方式与优点。并可进行多种后处理而改善图像质量。因此,该类型的机器除了特别适用于胃肠检查外,用于泌尿系统、胆系检查等效果也很好。该类机器如兼有数字减影血管造影(Digital Subtraction Angiography-DSA)功能,则为开展介入放射学提供了非常有力的武器。基层医疗机构用该类型的数字化X线机可作为开展介入放射学的基本装备。I.I+CCD+TV+A/D方式的最大优势为即时性(造影过程的显影即时确认、即时采集)和连续性(1~8帧/秒速度进行),已超过80年代尚在广泛应用的Puck、AOT型快速换片机,操作简便,条件自动设定,不必担心因摄影条件设置错误而引起的重摄,提高了检查成功率又缩短检查时间,使机器设备的利用率提高。
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    缺点:

    ① 图像的视野受I.I尺寸限制,一幅图像不能全包全尿路,静脉肾盂造影检查不小于12″,因12″的影像视野可同时包括双肾,便于对比观察。

    ② 肠腔气体的干扰较常规方法严重。

    ③ 噪声较明显,尤其在调整不当或边缘强化过高时尤为突出,有待于进一步提高信噪比。

    进入九十年代中期后,国外已推出多种新型的数字化X线摄影装置,目前在世界市场上数字化X线摄影装置已占X线摄影装置的70%;近年来,传统X线摄影装置中的X线乳腺摄影装置也已数字化,至此,X线诊断的数字化已全部完成。数字化的X线摄影成像装置将逐步成为市场的主宰,并将使21世纪的X线诊断发生重大变化。, 百拇医药