數字攝影雙能量減影的原理與發展及其在胸部檢查中的應用
作者：邢學玲 馬永強 李琳 秦東京
【關鍵詞】 數字化X射線攝影；胸片；肺結節
【關鍵詞】 數字化X射線攝影；胸片；肺結節
數字化X射線攝影（Digital Radiography,DR）是由探測器、掃描控制器、系統控制器、系統控制器、影像監示器組成的X線數字化采集系統。廣義上的DR包括數字化X線機、基于增感屏+CCD的DR、基于平板探測器（Plat Panel Detector,PPD）的DR、基于線陣掃描的DR等等。根據探測技術不同DR系統分為直接數字化攝影系統（Direct Digit Radiography,DDR)和間接數字化攝影系統（Indirect Digit Radiography,IDR）。DDR是指采用平板探測器技術直接將X線光子轉換為數字信息的攝影系統，這是狹義的數字化X射線攝影技術。數字攝影雙能量減影（Dual Energy Subtraction,DES）就是基于這一技術實現的。
減影（Subtraction Image,SI）的概念早在1925年即被提出，1934年Ziedesdes plantes發明了膠片減影的方法，1978年Winsconsin大學課題組織設計出數字影像處理器［1］。1980年數字影像的奠基人Mistretta宣告了數字減影血管造影（Digit Subtraction Angiography,DSA）研究成功。DSA這一表述為自身進行確切定義的的同時也含露出其應用的缺憾――它不能減影并分離出血管以外的組織影像，如從軟組織中分離骨組織影像。這一難題啟動了雙能量減影技術的研究，它的技術核心是應用兩種X射線光量子進行攝影，該技術早在1983年與胸片數字化技術研究的同時就進行了臨床應用研究。但這時的數字化X射線攝影由于其影像空間分辨率低下，限定了減影技術的臨床應用的范圍。進入新世紀以來，伴隨著非晶硒（aSe）平板探測器DR的發明，雙能量減影技術臨床應用研究正在其深度和廣度上煥然一新［2~4］。
1 非晶曬平板探測器DR原理
非晶曬（aSe）平板探測器DR克服了前一代空間分辨率低的弊端，這種技術利用光導半導體材料俘獲入射的X線光子，直接將接收到的X線光子轉換成電荷，再由薄膜晶體管（TFT）陣列將產生的電信號讀出即可獲得數字化的X射線影像［5］，這種工作方式的最大優點是完全克服了非直接轉換技術探測器由增感屏或閃爍體中的光線散射造成的圖像模糊效應，因而有非常高的空間分辨率。
當入射人體的X線光子受到不同組織的吸收衰減，最后作用于電子暗合的硒層上，由于X線強弱不同，硒層光導體按吸收X線能量的大小產生成比例的正負電荷對，頂層電極與積電矩陣間的高電壓在硒層產生電場，使正負電荷相分離，正電荷移向積電矩陣直至儲存于薄膜晶體管內的電容器，矩陣電容器所存的電荷與X線強度成正比，這些電荷信號被存儲在TFT的極間電容上。每個TFT和電容就形成一個像素單元，每個像素區內有一個場效應管，在讀出該像素單元電信號時起開關作用。從而保證掃描電路按順序逐一讀取每個矩陣電容單元的電荷，并將電信號轉換為數字信號進一步形成圖像。直接轉換技術徹底避免了非直接轉換技術中可見光散射效應。
2 雙能量減影技術原理
診斷性X線攝片所使用的是低能X線束，它在穿行人體組織的過程中，主要發生光電吸收效應和康普頓散射效應，光電吸收效應的強度與被照射物質的原子量呈正相關，是鈣、骨骼、碘造影劑等高密度物質衰減X線光子能量的主要方式。康普頓散射效應與被照射物質的原子量無關，與組織的電子密度呈函數關系，主要發生于軟組織。常規X線攝片所得到的圖像中包含上述兩種衰減效應的綜合信息。雙能量減影攝片利用了骨與軟組織對X線光子的能量衰減方式不同，以及不同原子量的物質的光電吸收效應差別，這種衰減和吸收的差異在不同能量的X線束的衰減強度變化中反映更為強烈，而康普頓散射效應的強度在很能大范圍內與入射X線的能量無關可忽略不計，利用數字攝影將兩種吸收效應的信息進行分離，選擇性去除骨或軟組織的衰減信息，進而獲得能夠體現組織化學成分的組織特性圖像――純粹的軟組織像和骨組織像，即為雙能量減影機制。
3 雙能量減影攝片方法
31 兩次曝光法 兩次曝光法指用不同的X線輸出能量（kVp）對被攝物體進行兩次獨立曝光，得到兩幅圖像或數據，將其進行圖像減影或數據分離整合分別重建為軟組織密度像、骨密度像和普通胸片的方法［4~7］。所采用的低能X線峰值在60~85 kVp，高能X線峰值為120~140 kVp。胸部雙能量減影的研究是從兩次曝光法開始的［5，6］，后來應用于膠片增感屏系統、掃描投影攝片系統（scanned projection radiography,SPR）、計算機胸片系統（computed radiography,CR）和數字化胸片系統（digital radiography,DR），但大多只是研究性質的報道，基本上沒有用于臨床，主要受限于兩次曝光時間差難以縮短至所需范圍，難以消除兩次曝光間被攝物體運動位移所導致兩圖像間的誤編碼［4~7］。直到直接數字化胸片系統（direct digital radiography,DDR）問世后這一問題才得到有效解決。由于該系統使用高速數字化平板探測器（digital flat panel detector,DFP），兩次曝光間的時間差可縮短到200 ms，病人一次屏氣可完成檢查，在很大程度上減少了誤編碼，同時由于該系統量子檢測效率（detectable quantum efficiency,DQE）高，能量分離的范圍大，在不降低質量的前提下，低能及高能X線輸出量降為60~80 kVp和110~150 kVp。特別是DFP將采集的信息直接變成可視圖像，因而成為胸部X線攝片便捷有效的檢查方法［8］。
32 一次曝光法雙能量減影攝片 一次曝光法是對穿過被曝光物體后剩余的X光子進行能量分離，得出兩幅能量不同的圖像。該方法最初是為了消除兩次曝光法的誤編碼問題，由Speller等在1983年首次提出，他們是在特制的暗盒內迭放兩套膠片增感屏系統，兩者之間用銅濾板分隔，較低能量的X線在前方的膠片成像，而較高能量的X線穿過濾板成像于后方的膠片，從而實現能量分離［2］。Barnes等和Ishigakei等分別將一次曝光法應用于各種CR胸部攝片系統，用雙層影像板取代雙膠片增感屏系統，其信息的后處理功能使圖像質量提高［9，10］。在而后20年間一次曝光法在DR胸部攝影的應用有了長足發展，各種形式的能量探測器陸續應用于臨床［11］。
33 兩次曝光法與一次曝光法的比較 兩次曝光法的優點是能量差大、所產生的雙能量減影圖像上殘留的組織對比好、圖像信噪比高，但兩次曝光之間因呼吸、心跳、移位等導致誤編碼是其最大的弱點，此外短時間內交替輸出高、低兩種能量X線束對球管要求高、損耗也大、病人的輻射量亦有所增加。一次曝光法雖然沒有圖像錯位的誤編碼問題，但能量分離效果遠不如兩次曝光法，所獲圖像殘留的組織對比差、信噪比低。雖然在理論上增加曝光條件可提高能量分離的幅度、減少量子噪聲斑點，但當曝光量增大至一定程度后，影像板的噪聲與曝光量不再相關，而且曝光條件過高還會增加散射所致的雜影。有的研究者推斷，如果使一次曝光法雙能減影圖像的信噪比與兩次曝光法的相當，其X線曝光量需提高16倍［4］。物理學家Ho等的研究表明，在共有條件一致的前提下，140 kVp一次曝光法的能量分離幅度只有70/140 kVp兩次曝光法的50%，所得減影圖像的殘留組織對比度只有后者的50%左右，圖像的信噪比只為后者的43%［7］。Barnes等的研究也得出類似的結論［9］。
41 提高檢出鈣化的敏感性和準確性 眾所周知，檢出鈣化是診斷肺良性結節的可靠影像學征象之一。有鈣化的結節在雙能減影的骨像上呈現影像，而在軟組織像上全部或部分消失；不含鈣化的結節在軟組織像上清楚顯示，而在骨像上消失。Kruger等經理論推導和實驗印證指出，雙能量減影所獲的骨像對相當厚度（至少是116 cm）軟組織的變化不敏感，而檢出鈣化的敏感性和準確性卻非常高，能檢出125mg/cm3以上的含鈣量。Fraser等報道用雙能減影法檢出鈣化性肺結節13例和12例，其中分別有8例和3例在常規胸片上不能判斷有無鈣化［11，12］，他們對其中的2例進行了手術切除標本浸泡化學分析，所得出的鈣含量與在雙能減影骨像上測量換算出的鈣含量非常相近［12］。Kelcz等的研究表明，雙能減影胸片能使醫生們肯定或否定肺結節含有鈣化的信心大為增加，將使經驗不足的青年醫師獲益［1］。
42 增高肺結節的檢出率 胸片是早期檢出肺結節的基本影像手段，但常規胸片對單發肺結節（solitary pulmonary nodule,SPN）的假陰性率高達18%~32%，且近30年來無明顯改善［13］。雙能量減影由于去除了骨性胸廓的干擾，對肺結節的檢出率較普通胸片有所提高，實驗模型和臨床病例研究都表明其差別有顯著的統計學意義［1，13］。Kelcz等還觀察到，位于與肋骨無重疊的肺野內的個別小結節，在減影后軟組織像上的可辨認性不如常規胸片，認為是由于減影使殘留軟組織對比度減低所致，提示閱讀能量減影片時要注意與普通胸片相結合［1］。最近的報道亦指出雙能量減影胸片，尤其是與機算機輔助診斷系統（computeraided diagnosis,CAD）相結合時，對肺結節的檢出率增高，但應注意與常規的胸片的結合，以減少假陰性發生［14~17］，還有作者提出在檢出低對比度的肺結節（非鈣化密度淺淡的結節）時，雙能減影胸片應與常規胸片相引證［18］。
雙能量減影胸部攝片是一種在近二十余年來不斷發展和完善的技術，近幾年廣泛應用于臨床。作為胸片的另一種形式，有效提高肺內小結節的檢出率并增加了鑒別診斷可信度；作為胸片診斷的載體開始與計算機輔助診斷相結合；有的研究者前瞻性推測利用能量減影對不同組織分離的可行性。當然對這一技術的價格/性能比，以及與其它影像學檢查的互補性評估，還有待設計更完善的臨床研究方法予以證實。總之，能量減影這一課題將伴隨著新技術發展賦予更新鮮的內容。
參考文獻
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