数字化X射线摄影技术

    虽然受到9.11恐怖事件的影响,参加RSNA 2001年会的人数有所减少,但是大家对各种技术的关心不减,会场里照样熙熙攘攘,人头攒动。虽然还是2001年,但会上一句口号“Leading Medicine’s Digital Transfomation RSNA 2002”格外令人注目,足见放射医学数字化的重要性。DR仍是人们关注的一个热点,一个关于平板检测器原理的继续教育讲座的会场里座无虚席。本次RSNA技术展览会上仍然可以看到不少新的数字化技术和应用领域。数字化已不仅仅是为了实现PACS和无胶片化放射科的需要,而是为X射线摄影开拓了新的诊断领域,特别是它为计算机辅助诊断——CAD(Computer Assisted  Diagnosis)提供了条件。另一方面传统X射线检查数字化所采用的技术和器件品目繁多,名称各异,令人眼花缭乱,并且没有一个标准的分类。因此本文将就DR的命名和分类、新的技术和应用以及数字化和CAD三个方面介绍本次会议的所见以及个人的一些看法。

一、DR的命名和分类
DR的分类还是不很统一,归纳起来目前大致有以下几种方式:
1. 按读出方式分类
  读出方式是指从X射线曝光到图像的显示过程,可以分为直接读出方式(Direct Readout)和非直接读出方式(Nondirect Readout)。直接读出方式是指从X射线曝光到图像的显示过程没有更多的人为干预,病人经过X射线曝光后,医生即可在显示器上观察到图像。这一技术最先提出的是瑞士Swissray公司,它的产品称为dDR,其中d的含义即为直接读出(Direct Readout)的意思。dDR有别于日本Fuji公司的CR(Computed Radiography),因为后者需用成像板(Imaging Plate,简称IP板)进行X射线曝光,之后IP板需要用读出器(Reader)去扫,再在显示器上显示,因此是一种非直接读出方式。

2. 按转换方式分类
  可以分为直接转换方式(Direct Convert)和间接转换方式(Indirect Covert)。最早是杜邦公司的产品,命名为DR-Direct RayTM,其所谓的Direct (直接)就是指直接转换方式。这一方式采用的器件在经过X射线曝光后,X射线光子直接转换为电信号,而不像间接转换方式的器件先要将X射线光子转变为可见光,然后再转换为电信号。
  这两种转换方式的技术所采用的器件有平板检测器(Flat Pannel Detector,简称FPD),也有采用其他器件和结构的。当然两种方式所采用的FPD结构是不同的。

3. 按工作方式分类
  传统放射科工作分为透视和照相两大部分,因此人们将数字化技术也分为透视和照相两类,即数字化透视(Digital Fluorography简称DF或DSI,DSF)和数字化照相(Digital Radiography简称DR)。数字化透视有用影像增强器(I.I.)加上摄像机采集信号和用FPD采集信号两类。数字化照相则分为直接转换方式(DDR,Direct Digital Radiography)和间接转换方式(IDR,Indirect Digital Radiography)。直接方式采用的器件有用直接方式的FPD和电离室、硒鼓等; 间接方式采用的器件有用间接方式的FPD和其他器件如CR的IP板、电荷耦合器件(Charge Coupling Device,CCD)、互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)等。
  从以上的各种分类方法来看DR应该是一个泛指的、广义的名词,它包括了各类数字化X射线摄影(Digital Radiography)技术。单从DR这一名称,无法了解设备的技术和性能,并且常常会被由其带来的一些模糊概念所混淆。因此应从技术的角度了解其技术基础和实现这一技术所采用的器件才能对设备有正确的了解。以下简单地介绍目前采用各类技术的有关公司,以便了解各公司产品所采用的技术。

1. 成像板技术(IP Technique)
  即CR(Computed Radiography)。CR是用类似增感屏的IP板经X射线曝光后,再经读出器用激光扫描并光电转换后获得电信号,后者再经A/D转换、处理、形成数字图像。虽然CR也属于DR范畴,不过多年来已成为一特定的名词,因此已不陌生也不会为人们所混淆。目前采用此技术的公司有三类: 其一是各胶片制造商,如Fuji,柯达,Agfa,Konica公司等; 第二类是X射线主机生产厂,如西门子(机型为DLR,DIGISCAN 3),飞利浦(机型为PCR,AC 500,AC 5000)公司等,第三类是有些数字化仪(Digitizer)生产厂或小公司如Lumisys,Angstrom,PhorMax,Orex公司等。

2. 平板检测器技术(FPD Technique)
  FPD可分为直接和间接两类。
  直接FPD的结构主要是由非晶硒层(amorphous Selemium,a-Se)加薄膜半导体阵列(Thin Film Transistor array,TFT)构成的平板检测器。由于非晶硒是一种光电导材料,因此经X射线曝光后由于电导率的改变就形成图像电信号,通过TFT检测阵列,再经A/D转换、处理获得数字化图像在显示器上显示。采用这一技术的有DRC,东芝,岛津,AnRad公司等。
  间接FPD的结构主要是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非晶硅层(amorphous Silicom,a-Si)再加TFT阵列构成的平板检测器。此类平板的闪烁体或荧光体层经X射线曝光后,可以将X射线光子转换为可见光,而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号,经过TFT阵列其后的过程则与直接FPD相似,最后获得数字图像。间接FPD由于有可见光的转换过程,因此会有光的散射问题,而影响图像的分辨率。闪烁体目前主要有碘化铯(CsI),荧光体则有硫氧化钆(GdSO,GdSO一般用的是柯达公司的Lanex增感屏),采用CsI+a-Si+TFT结构的有Trixell和GE公司等,而采用GdSO+a-Si+TFT有Canon和瓦里安公司等。

3. 其他技术
  包括采用CCD或CMOS器件以及线扫描技术等。其中采用CCD和CMOS器件的结构,包括可见光转换屏,光学系统和CCD或CMOS。X射线是先通过由闪烁体或荧光体构成的可见光转换屏,将X射线光子变为可见光图像,而后通过光学系统由CCD或CMOS采集转换为图像电信号。它所用的可见光转换屏同样有用CsI和GdSO两类材料之分。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和闪烁体层之间则有光学系统—透镜或光导纤维连接。采用CsI+CMOS的有Cares built公司(400片CMOS电路),GdSO+CMOS的有Tradix公司(16片CMOS电路)等公司。而采用线扫描技术则有Fisher公司(条状CCD结构,用线扫描的方式掠过被照体),以及我国的航天中兴公司的LDRD (电离室技术) 等。
  研制生产以上这些技术和器件的公司除了有的自行生产数字X射线摄影X射线整机外,还以OEM方式将FPD提供给其他X射线整机生产厂。DRC公司的直接FPD除了提供给Hologic,Lorad,柯达公司外,我国的东健公司、友通公司也采用DRC的FPD配套生产数字化X射线整机。Trixell公司的间接FPD提供给西门子,飞利浦以及我国的东软公司等。瓦里安公司的FPD提供给瓦里安,皮克,及我国的东软、万东等公司。GE公司的血管机和DR机则采用其自行生产的间接FPD。Canon公司的间接FPD提供给Canon,Trex等公司。
  这几年来在市场并购、重组的形势下许多公司已经消失和更名了。如生产CR的Lumisys公司为柯达兼并,生产直接FPD的Dupont公司几经变化从Sterling到DRC,前年又为Hologic公司所兼并,生产间接FPD的EG & G公司也已为GE公司所兼并,dpiX公司被瓦里安公司兼并,这种模式已是目前市场经济发展的趋势,从技术的垄断直到达到市场垄断的目的。

二、新的技术和应用
  1. 数字化X射线透视(DF)方面
  目前有两个趋向,一是从沿用多年的摄像管(Pickup Tube)技术向CCD摄像机转换,目前大多数的血管机和多功能数字化R/F机均已采用了CCD摄像机,今年RSNA会上西门子公司宣布其血管机Axion系列已全部改用了CCD摄像机,这当然与CCD技术的成熟和性能的提高分不开。目前1K×1K,12 bits的CCD是主流。在今年的会上日本的日立公司也重点介绍了他们今年推出的采用2K×2K,12bits CCD的高图像质量Clavis多功能胃肠机。数字化透视的第二个趋向是影像增强器(I.I.)终究会被FPD所取代。这个趋势今年是明显可见的,主要的原因是动态FPD有了长足的进展,除了已经商品化的GE公司的Innova 2000心血管机已采用了FPD取代I.I.外; 东芝、岛津、瓦里安的动态FPD都有进展。去年东芝和岛津公司的直接转换方式的动态FPD展示的仅仅是模型或动物试验,而今年已有人体应用的图片。东芝公司展示了FPD与机器配套的装置,岛津公司也预言两年内所有的I.I.将被FPD所取代,他们并且已为目前多功能机做了升级的准备。瓦里安公司在会上展出了30cm×40cm的大尺寸间接方式的动态FPD,日立公司也采用了瓦里安的间接方式动态FPD装在多功能透视机上,目前正在东京的国立癌中心进行I.I.和FPD的临床对照试验。预言1~2年即可投放市场。这些都预示着FPD取代沿用40余年的I.I.技术的日子将会很快到来。

2. 数字化X射线摄影(DR)方面
  重点介绍几个公司今年发布或展出的一些新技术。
a. Fuji公司
  Fuji公司是CR的创始者,今年它在以往100m乳腺CR的基础上,又推出了50m乳腺CR,较大程度地改善了图像质量,为了提高DQE又采取了双面扫描读出器,并且在暗盒结构上也作了改进,新的暗盒只有三面有边框,一面没有边框以便使IP板更好地贴近胸壁,能更多的包括乳腺组织,以免遗漏病灶(图4)。他们在乳腺CAD方面也进行了研究工作。另外为了解决脊柱侧弯的手术测量需要,开发了用两个装有IP板暗盒同时曝光和再进行图像拼接技术解决了脊柱全长摄影,另外此次也展出了用IP板的CR方式X射线摄影床。
  在新的功能方面他们开发了CR能量减影(Energy Subtraction)和时间减影(Tempolar Subtraction)(去年这一技术尚为WIP)。由于胸部X射线片大约有40%的病灶被肋骨重叠,特别有时一些小的结节病灶往往被肋骨重叠而漏诊,因此很多公司均在数字化图像的基础上开发能量减影技术,用高能量曝光获得的肋骨片与标准片相减,把标准片上的肋骨重叠影去除,而使被遮盖的小病灶得以显示。Fuji公司在能量减影方面采用了在两片IP之间加一片0.3mm Cu的滤过板(图6),装入暗盒,一次曝光可以得到三幅图像,一是普通标准胸片,一幅高能量胸片(主要是骨结构),另一幅减影后的肺组织片。由于是一次曝光,所以它的减影效果比较好。时间减影则是将不同时间的两幅数字化胸片相减以尽早发现病变或可以进行病灶的随访比较。由于两幅不同时间的照片位置难免有错位,在处理时会发生定位错误(Missregistration),Fuji公司采用的是在一张照片上采用周边4个点和中央一点的参考点校正方法,与别的公司有所不同。

b. DRC公司
  DRC公司是最先发明直接转换方式平板检测器技术的公司,今年宣布采用非晶硒技术直接方式的70m乳腺FPD已研制成功,并和Lorad公司合作生产了新一代数字化乳腺机,并进行了临床的试用,其图像质量与Lorad公司采用通常的CCD方式的数字化乳腺机相比较有明显的提高。目前正等待美国FDA的批准。另方面为了提高直接方式FPD的DQE指标,DRC公司正在进行硒板的掺杂工作,掺杂的元素有Cl,As等。至于动态的直接方式FPD也在研究中。

c. Fisher Imaging公司
  在本次展会上Fisher公司展出了SenoScan数字化乳腺机。它是采用条状探测器,用线扫描技术得到数字化乳腺图像,条状探测器是由将X光子转换为可见光的闪烁体和四片CCD构成,扫描范围21cm×29cm。它的特点是由于是采用窄缝曝光线扫描,因此大大减少了散乱线(图9),也减少了乳腺的皮肤剂量和提高了分辨率。其图像象素在高分辨率模式时可以达到25mm,标准分辨率图像的象素则为50mm。但是由于是线扫描因此曝光时间较长,整个曝光时间约5s(250ms/cm),另外球管的热容量要高,所以它的X射线管的阳极是采用铼钨合金靶。

d. Cares Built公司
  Cares Built公司是生产以CMOS器件为基础的平板检测器公司,其FPD用了400片CMOS,它的矩阵可达7K,象素为70mm,是目前较少的几个象素小于100mm的公司之一。几年来深为大家所关注,今年在会上宣布它已得到美国FDA的批准。并且配套生产了整机。

e. 瓦里安公司
  瓦里安公司在兼并了dip X公司以后,在后者的基础上对平板检测器继续进行研究,在今年会上展示了大面积的间接方式的动态FPD。其结构为GdSO+ a-Silicon+TFT,面积达到30×40cm,速度可达30f/s。日本日立公司正在应用这一动态平板检测器配合多功能胃肠机进行平板检测器和影像增强器的对比试验,估计1~2年内将会推向市场。

f. Trex enterprises公司
  Trex enterprises公司在会上推出了便携式数字化X射线机(Portable Digital X-ray System)型号为PDX 2000(图10)。它所采用的器件是日本Canon公司CXDI-22间接方式平板检测器,其象素为160mm,而新一代平板检测器的象素则已经可以达到100mm。这是便携式数字化X射线机的一个先例,目前是用于军用,是否也可以用于床旁照相值得关注。

g. GE公司
  GE公司是生产医学影像设备的一个大公司,它既有生产X射线整机的能力又具备自行生产间接方式平板检测器的能力,因此它在DR技术发展是迅速的。它的数字化多功能机、心血管机、数字化X射线摄影机均已推出多年,去年又推出具有动态FPD的心血管专用机Innova 2000(图11)。在此基础上它在数字化技术的应用方面也进行了大量的工作,为X射线应用开拓新的领域。在这些方面有能量减影(Energy Subtraction)、时间减影(Temporal Subtraction)、断层合成(Tomosynthesis)、组织均衡化(Tissue Equalization)、数字减影乳腺摄影(Digital Subtraction Mammography)等,其中有些技术已较成熟并开始临床使用,大部分则尚属处在研究开发中(WIP)。GE的能量减影与前述Fuji公司有所不同,它是两次分别用不同的能量(kV)进行曝光,分别获得一幅高能图像和一幅标准图像,再将两者相减得到减影图像。由于两次曝光之间时间相隔仅为200ms,因此一般情况不会由于呼吸或其他运动影响减影图像的质量。它的时间减影则将图像分割为许多小区,采取多个参考点纠正的方法。
  会上发布和展出的内容很多,由于时间的限制以及个人认识的局限性,因此挂一漏万在所难免,只能重点介绍以上一些,以飨读者。

三、DR和CAD
  每年RSNA开幕式的大会上都会安排一个主题的学术报告,今年开幕式的主题学术报告为计算机辅助诊断(CAD),共有两个报告分别是美国芝加哥Heber MacMahon的胸部成像的计算机辅助诊断(Computer-assisted Diagnosis in Chest Imaging)和纽约Robert A.Schmidt的乳腺成像的计算机辅助诊断(Computer-assisted Diagnosis in Mammography)。MacMahon介绍了CAD的理论、人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)和在胸部病变的应用,特别是能量减影和时间减影的应用,目前在胸部除了结节病灶外还用于肺的间质病变、气胸以及心脏扩大等方面。Schmidt介绍了乳腺计算机辅助诊断,采用了计算机对乳腺癌诊断无论是敏感性或特异性均有提高。并且谈到目前广泛采用的基于胶片数字化仪的信息采集方式可以提高检测的敏感性,对特异性也不会有明显的降低,但是假如采用了数字化乳腺摄影则将有助于诊断结果的更进一步提高。这些论点是一个重要的信号,它提示我们CAD将是人们应该关注的一个热点。

  计算机辅助诊断可以追溯到上一个世纪70年代,当时是医生从病人的X线照片读取诊断信息,借助从经验获得和积累了大量诊断信息的数据库,利用统计学的原理,通过计算机处理获得最后的诊断。当时用来进行诊断的病种局限在某些具有明显诊断特征的病种,如乳腺癌、先天性心脏病、某些骨肿瘤等。这一方法信息的采集是依靠医生的双眼,这就必然地受到医生的经验,主观意识的干扰以及胶片质量等等的影响,而最终影响诊断的结果。因此在70到80年代之间计算机辅助诊断的进展不是很快。但是人们总在设想,会有一天机器能代替人眼,摆脱一切干扰的因素,获得正确的诊断结果。

  到上一个世纪90年代由于数字化仪(Digitizer)的问世,人们可以把X线胶片的模拟图像转变为数字化图像,代替肉眼采集诊断信息。而后进行计算机处理,试图得到疾病的诊断。也就实现了计算机辅助诊断,但是研究的对象也还是局限于一些具有特殊诊断特征的病种如乳腺癌、肺部结节病灶等。

  用数字化仪来采集诊断信息,比起医生肉眼观察图像已有了很大的进步,但是也还存在一定的缺点,就是其结果会受照片质量的影响,特别是胶片处理过程中的影响。因此要达到人们的初衷,即达到诊断的目的还是有一定的距离,因此更多的是把CAD中的D-Diagnosis诊断改写为Detection——检测,Computer Aided Detection(计算机辅助检测)。也就是代替人眼发现某些由于人眼的疲劳、疏忽等原因而遗漏的诊断信息。在这方面具有大量经验的R2公司介绍了1083例包括乳腺癌在内的乳腺筛选照片,显微钙化的发现率可达到98.3%,肿块可达85.7%。在今年的展会上,尽管大多数开发CAD的公司仍然采用数字化仪来采集图像,但是已有不少开发DR的公司如GE,Fuji等公司也在同时开发CAD,或者和开发CAD的公司合作,直接用从DR采集获得的数字图像来进行CAD的开发研究。这无疑能使CAD从信息的采集开始直到分析、诊断基本上可以脱离人为的干预而达到计算机辅助诊断的目的。当然计算机辅助诊断的基础还是脱离不了必需依靠大量的医生经验积累的信息数据库,软件的开发需要人的智慧以及需要人对机器的“训练”等等。没有人的思维,机器再智能也是无法完成的,因此计算机永远也只能是辅助诊断。

  尽管目前CAD的敏感性和特异性还不尽人意,各种疾病、各个作者报告的结果也不一致,进展也还不是很快。但是DR的出现无疑给CAD提供了技术上强有力的支持,当会加速其进程,这将是值得我们关注的热点技术之一。


四、小结
  DR是一个泛指的、广义的名词,它包括了各类数字化X射线摄影技术。目前的重要性已不仅仅是为了提供实现PACS和无胶片化放射科所必需的数字化X射线图像,而且由于DR的出现,拓展了放射诊断应用的范围,也为CAD创造了条件。它的出现给今天的放射科创造了一个崭新的园地。

信息来源:《世界医疗器械》 
 
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