DR双能减影和组织均衡技术及其
临床应用
华中科技大学同济医学院附属
协和医院放射科
余建明
平板探测器（FPD）技术的分类间接转换型：闪烁体+非晶硅+TFT阵列闪烁体：CsIGdOS非晶硅：光电二极管的作用直接转换型：非晶硒+TFT阵列顶电极a-Se 转换层探测器由顶层电极、绝缘层、X线半导体层（非晶硒）、电子封闭层、电荷收集电极、电荷放大器、薄膜晶体管、信号存储电容器、玻璃衬底，以及读出电路组成。DR的类型z
根据DR成像技术的不同，可分为直接数字化X线成像（非晶硒）、间接数字化X线成像（非晶硅）、CCD X线成像、多丝正比电离室（multi-wire proportional chamber,MWPC）成像。z
z直接数字化X线成像（非晶硒）z
DR系统最重要的部件是平板探测器，直接数字化X线成像的平板探测器是利用非晶硒的光电导性，将信息X线直接转换成电信号来形成数字化影像。z
成像原理z
当入射的X线照射到平板探测器的非晶硒层时，由于导电特性激发出非晶硒层的电子-空穴对，电子-空穴对在偏置高电压的电场作用下被分离并反向运动，形成信息电流。电流的大小与入射X线光子的数量成正比，这些电流信号被存贮在TFT的极间电容上。X-ray探测元阵列单元X线转换单元(非晶硒)电容器TFT号信址数字影像传输单元地影像数据高速信号处理单元z基本结构z
非晶硅平板探测器其基本结构为碘化铯闪烁体层、非晶硅光电二极管阵列、行驱动电路以及图像信号读取电路四部分。与非晶硒平板探测器的主要区别在于荧光材料层和探测元阵列层的不同，其信号读出、放大、A/D转换和输出等部分基本相同。z
每个TFT形成一个采集图像的最小单元，即像素。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。在读出控制信号的控制下，开关导通，把存储于电容内的像素信号逐一按顺序读出、放大，送到A/D转换器，从而将对应的像素电荷转化为数字化图像信号。z信号读出后，扫描电路自动清除硒层中的潜影和电容存储的电荷，为下一次的曝光和转换做准备。z
间接数字化X线成像（非晶硅）z
非晶硅平板探测器，是一种以非晶硅光电二极管阵列为核心的X线影像探测器。z
目前的闪烁体层的介质主要有碘化铯和硫氧化轧两种类型，而使用最多的是碘化铯平板探测器,它是利用碘化铯(CsI)的特性, 将入射后的X线光子转换成可见光，再由具有光电二极管作用的非晶硅阵列变为电信号，通过外围电路检出及A/D变换，从而获得数字化图像。z
由于经历了X线—可见光—电荷图像—数字图像的成像过程，通常被称作间接转换型平板探测器。z
成像原理z
位于探测器顶层的碘化铯闪烁晶体将入射的X线转换为可见光。可见光激发碘化铯层下的非晶硅光电二极管阵列，使光电二极管产生电流，从而将可见光转换为电信号，在光电二极管自身的电容上形成储存电荷。z
每一像素电荷量的变化与入射X线的强弱成正比，同时该阵列还将空间上连续的X线图像转换为一定数量的行和列构成的总阵式图像。点阵的密度决定了图像的空间分辩率。z在时序控制器的统一控制下，居于行方向的行驱动电路与居于列方向的读取电路将电荷信号逐行取出，转换为串行脉冲序列并量化为数字信号。z获取的数字信号经通信接口电路传至图像处理器从而形成X线数字图像。DR双能量减影及其临床应用z双能量减影的原理z
双能减影是在间隔很短的时间内用两种不同的X线能量进行曝光，使成像区域内人体的不同密度组织形成不同的影像，利用影像间的差别通过计算机进行减影处理，最后获得软组织影像和骨组织影像。z
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双能量减影通过对穿透人体不同组织，经不同强度的光电吸收和康普顿效应衰减后的X线信号进行分离采集处理，从而选择性消除骨组织或软组织成分，得出单一的软组织图像或骨组织图像。z由此可见，能量减的理论基础是物质的光电效应和康普顿效应。非晶硅数字平板探测器的工作原理光子CsI闪烁体吸收X线光子，并将碘化铯(CsI)其转换成可见光可见光器低噪声光电二极管阵列吸收可见测非晶硅片光，并将其转换成一个电荷... (光电二极管/晶体管阵列)每个光电二极管代表一个像素探电子... 读出电路在每一像素的电荷被低噪声电子电路读出，并转换成数字化数据，然后传送到影像处理器数字化数据zz
人体的不同组织对X线的吸收是有差别的，它是X线能量的函数。DR的双能减影利用这个机理，用低kV和高kV分别作低能量和高能量两次曝光，探测器接受不同信号后,通过能量减影软件包将人体的组织分为软组织和骨软组织，然后进行减影处理。z
双能减影的应用评价z
双能量减影主要用于胸部,对于早期肺结节性病变，双能量减影由于去除了软组织与骨密度的互相干扰，无论对钙化或非钙化性肺结节，其检出率均较普通胸片都有所提高，对肋骨外伤病变和骨质病变有较大意义,对显示骨性胸廓和气道的病变、辨认正常或变异解剖(尤其对骨性胸廓畸形患者)也有帮助。zz
目前胸部X线检查中，20%～40%的误诊和漏诊是由于骨骼遮挡造成的，80%的肺内孤立性小结节由于肋骨和锁骨的遮挡而漏诊。胸部DR双能减影后仅留下胸廓骨组织，有利于观察肋骨破坏性病变；z有利于观察外伤性和病理性肋骨骨折；有利于区别胸部钙化是位于肺组织还是位于肋骨上；有利于观察膈下肋骨和心后肋骨；有利于观察肋骨的骨质改变,同时也清晰地显示锁骨和肩胛骨。本组病例除了9例由于病人屏气不佳而使肋骨稍显模糊，其余191例其胸廓的骨骼均显示清晰；50肋骨钙化在胸部像中与肺组织重叠，双能减影后钙化仅位于肋骨上；有3例肋骨破坏，在胸部像中只见肺内一个密度增高的肿块影，肿块重叠的肋骨难以分辨，双能减影后肿块处的肋骨破坏清晰可见；有5例肋骨骨折，在胸部像中难以显示，双能减影放大后清晰展示；特别是对膈下肋，胸部像中几乎无法观察，而在双能减影的胸廓像中全部展示。本人的120例研究中，发现肺纹理病变86例，其中62例肺外带的肺纹理病变在DR的普通胸部图像上表现不明显，而在软组织减影的胸部图像上清晰可见；12例心区肺纹理病变，仅在软组织减影图像上才可见。本研究有8例小结节病变位于心后缘，6例小结节病变与锁骨相重，8例小结节病变与肺外带的肋骨相重，10例小结节病变与肺内中带肋骨相重，在DR的普通胸片上很难辨认，而在软组织减影的肺部图像清晰可见。z
z双能减影对胸廓肋骨病变的诊断价值z
本人对200例双能减影的肋骨像与普通胸部成像的肋骨像作过比较，无论是在显示肋骨范围、肋骨的成像质量，还是在显示肋骨病变方面，双能减影的肋骨成像质量明显优于胸部像中的肋骨成像，两者相比，其成像质量具有统计学意义。z
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双能减影对胸部软组织病变的诊断价值z
本人用DR双能减影的软组织减影图像与DR的普通图像作过比较。结果表明，双能减影的软组织减影图像对胸部小结节性病变，肺纹理病变，特别是位于肺肋骨、锁骨重叠处小结节性病变，肺外带、心区和膈下肺纹理，以及肺门结构的清晰显示率明显高于DR的普通图像。z
这主要是减影区的肺部软组织图像除去了骨骼等重叠因素的影响，对于肋骨，锁骨相重叠的病灶显示清晰，这对于肋软骨钙化较多的患者更为有益。另外，减影区的软组织图像本身经过数字化处理，对密度细微改变的显示也优于DR的普通图像。本研究有6例肋软骨的钙化酷似肺内小结节病变，双能减影后的软组织肺部图像却未见异常。本研究的16例肺部小结节病变在双能减影的普通胸部图像和软组织减影的胸部图像上均可见，这是由于DR图像宽容度大，图像通过窗口技术调节反映出的层次丰富。z
由此可见，DR双能减影中的软组织影像可以提高肺部小结节性病变的检出率，同时提高了转移性肺癌的早期检出率和敏感性，降低DR普通胸片的漏诊率和误诊率，对胸部细小病变的诊断明显优于DR的普通图像。z有的学者使用双能减影胸片与常规DR胸片对不同肺野区域内结节性病变的检出率进行比较。结果发现，双能减影胸片对双上肺及中肺野外带的的结节性病变的检出率明显高于常规DR胸片。z
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双能减影可有效地除去肋骨，锁骨及肩胛骨阴影的遮挡，获得单一的软组织图像，并通过影像后处理技术能将气胸线清晰地显示出来，能提高少量气胸地检出率。z但是，有些患者由于原发病和胸膜粘连，致使局限性的少量气胸与肺部病变或粘连地胸膜相互重叠，双能减影同样不易发现。z
影响双能减影成像质量的因素z1.X线发生装置的性能z双能减影要求X线管的管电压瞬间进行切换，输出两种能量差别较大的管电压，即150-110KV和80-60KV。并且两次曝光时间尽可能短（60-70ms），以防止两次曝光中病人的部位出现移动。这就要求X线管的性能好，有较好滤过散射线装置.z双能减影对气胸的诊断价值z
有的学者利用双能减影对气胸进行研究，将经CT及临床证实的气胸患者进行DR双能减影检查，并与患者的常规DR胸片作对比研究。z结果表明,常规DR胸片对于大。中等量的气胸一般都能诊断，但气胸量较少或气胸线(被压缩地肺边缘)与肋骨、锁骨重叠时，常规DR胸片常常显示不清或不能显示，易漏诊。z同时由于多数患者病情急重，在摄影时难以配合，肩胛骨未能完全拉开，部分重叠于肺内，从而影响气胸的显示。z双能减影对腹部的应用评价z
有的学者应用双能减影技术对腹部疾病的检出率进行了研究，由于腹部的组织密度差远远小于胸部组织的密度差，双能减影后得到的减影图像无论是软组织像还是骨像，图像的信息量与清晰度都低于常规DR的图像。z
虽然双能减影对泌尿系阳性结石有一定的诊断价值，但普通的KUB平片也能显示。至于对腹部其他的病变使用双能减影检查，其影像的质量和效果远远不如普通KUB平片，如胃肠道穿孔，肠梗阻等。研究结果表明，DR双能减影对腹部检查意义不大。z
2.数字平板探测器的量子检出率（DQE）z
DR双能减影的探测器采用的是碘化铯数字平板探测器，要求它对X线信息的细小差别有高度分辩率的转化能力，且线性度好。z
3.病人状态z
在胸部DR的双能减影中，胸廓诸骨是否清晰显示，主要取决于病人的屏气程度。若在两次曝光（60~70ms）之间病人摄影部位出现移动，高能摄影像与低能摄影无法精确重叠，就会产生减影不完全，出现运动性伪影，使胸廓的诸骨显示模糊或双影。z
本组有9例在曝光摄影中，病人屏气不好，减影的胸廓像出现肋骨显示模糊。双能减影过程中，心脏两侧的肋骨由于心跳的影响，往往成像欠清晰。因此，DR双能减影时要训练病人屏气，且嘱咐病人曝光时完全屏气，这一步骤尤为重要。实践中观察到，同一病人的呼吸运动，肋骨对运动的敏感性明显高于肺组织。DR组织均衡技术可以针对上述现象，在保持主要区域的适当对比度的前提下，利用图像后处理软件，根据特定的数学算法，依据成像区域内组织高低密度和均衡强度的范围，将厚度大密度高的成像区域，与密度低厚度薄的成像区域分割开来，分别赋予各自的灰阶值，使得厚薄和高低密度组织的部位均形成清晰的对比图像，然后叠加在一起。以philip的DR机为例说明组织均衡技术的参数技术参数取值范围意义密度（density）0.5～2.5 数值大小的变化导致图像从黑到亮的变化非线性灰度系数0.5～8.0 数值大小的变化导致图像从层次少（gamma）到层次丰富细节对比增强0～6.0 数值大小的变化导致图像从细节少（detail contrast enhancement）到细节多噪声抑制0～1.0数值大小的变化导致图像噪声多少（noise compensation）非锐利蒙片0～6.0 范围在数值大小的变化导致图像从（unsharpmasking）层次少到层次丰富变化非锐利蒙片核心3～151 数值大小的变化导致图像从对比度(UnsharpMasking Kernel) 大、噪声大到对比度小、层次多z
组织均衡技术应用的缘由z
DR为数字化的X线摄影，具有较大曝光条件的取值范围和较高的量子检测力(DQE），以及层次丰富的图像质量。z
但是,人眼所能分辨的影像灰阶有限，在同一曝光区域，若要观察低密度组织，则势必丢失高密度组织;反之，若要观察高密度组织，则必然损失低密度组织。对于密度差或和厚度差较大的成像区域，常规的DR摄影会出现曝光不足或曝光过度现象。经计算机组织均衡软件重建处理，得到新的图像数据，产生一幅组织均衡的图像，使高密度组织与低密度组织在一幅图像上同时显示出来,最后得到一幅层次丰富的图像，避免了成像区域曝光不足或过度曝光导致的影像显示不清。在增加图像信息的同时，不损失图像的对比度。当然，运用组织均衡技术处理图像除了选择恰当的组织均衡技术参数外，还需足够的曝光剂量，以便得到丰富的图像层次。如GE公司生产的DR机的组织均衡技术参数是：(1)边缘锐度(Edege),亮度（Brightness）,对比度(Contrast),均衡强度(Stength),均衡面积(Area)。具体操作是：先在DR采集工作站的工具菜单中，选择图像处理指令，再选择摄影的解剖部位和体位，最后选择组织均衡的技术参数。如胸腰椎体侧位摄影的组织均衡技术参数：边缘锐度(Edege)为1.5，亮度（Brightness）为1.2，对比度(Contrast)为0.4，均衡强度(Stength)为0.8，均衡面积(Area)为0.5。一旦相应的摄影部位的组织均衡技术参数设置后，曝光后的图像就均为组织均衡图像。z
此时，只有应用DR的特殊处理的组织均衡技术，才能使这些特殊的成像部位产生满足诊断的优质图像。z在股骨颈侧位摄影中，常规DR成像的质量在标准以下的就占40/50，没有优质图像产生；而应用了DR组织均衡技术后，优质图像占38/50，标准以下的图像质量没有。经统计学分析，DR股骨颈侧位摄影的两种成像方法具有显著性差异。若将密度取较小值或较大值，就会出现图像太亮或太黑，缺乏组织层次；若将灰度系数取较小值或较大值，就会出现图像变灰或对比度过大，缺乏图像细节；若将细节对比增强取较小值或较大值，也会出现图像变灰或对比度过大；噪声抑制若取较小值，则图像的噪声变大；平滑和中心平滑常取最小值，否则图像的对比增大，无影像细节。组织均衡技术的应用评价z
组织均衡技术在股骨颈侧位摄影中的应用z
DR组织均衡技术主要应用在成像部位厚薄和高低密度差较大的区域，以使其成像区域的影像形成良好的对比度，提高图像质量。z本人应用组织均衡技术对50例股骨颈侧位摄影进行了研究, 在股骨颈侧位摄影时，因股骨头和股骨颈处的厚度和组织密度均较股骨上中段大，加之摄影对侧的臀部组织部分重叠在成像区域，加重了成像区域的厚度和密度。即使大动态范围成像的DR摄影，以及数字化的窗口技术调节，也难以使成像区域产生良好的对比度。DR组织均衡技术应用实质是其技术参数的调整及其相互配对。通过50例股骨颈侧位的DR摄影，作者体会到要想获得满意的符X线诊断的股骨颈侧位图像，组织均衡技术参数的密度范围可在0.9~1.2；非线性灰阶度系数可在1.5~2.0；细节对比度增强可在1.8~2.2；噪声抑制可在0.8左右；平滑可置于最小值0；中心平滑也置于最小值3。本组实验表明,组织均衡技术参数的密度在0.6以下或2.0以上；灰度系数在1.0以下或5.0以上；细节对比度增强0.5~0.8或4.0~5.0；噪声抑制在0.5~0.6；平滑在2.0~3.0；中心平滑在15~30，均得不到可诊断股骨颈侧位图像。而密度在0.6~0.7或1.5~2.0；灰度系数在1.0~1.3或3.0~5.0；细节对比度增强在0.8~1.6或4.0~3.0；噪声抑制在0.6~0.7；平滑在1.0~2.0；中心平滑在10~15，才能得到基本符合诊断的股骨颈侧图像。可见DR组织均衡技术的参数调整对良好地显示股骨颈侧位图像尤为重要。在后处理股骨颈侧位影像时，常将平滑和中心平滑取最小值，噪声抑制取值0.8左右，细节对比增强取值2.0左右，灰度系数取值0.6左右，密度取值0.8左右。z
在研究中发现,在胸腰段正位摄影中，常规DR影像与经DR组织均衡技术处理的影像均可获得较好的图像质量，二者比较没有统计学意义。z但在胸腰段椎体侧位摄影中，常规DR摄影的图像质量的优及平均以上所占的比重少，分别为2/80（2.5%）和6/80（7.5%）；而经DR组织均衡技术处理后的图像质量优和平均以上所占的比重大，分别为72/80(90%)和7/80(8.7%)，二者经统计学分析具有显著性意义。本组有37例胸腰段侧位DR摄影病人，第10、11、12胸椎影像太黑，在窗宽窗位调节后下段胸椎影像可见，但腰椎影像太亮，骨纹理不可见，后经DR组织均衡后处理技术，使得胸腰段椎体均清晰可见。本组有3例第9胸椎体压缩性骨折的病人，常规DR摄制胸腰段侧位像时，第10胸椎太黑，第11胸椎椎体骨折难以分辨，经组织均衡技术处理后，第9胸椎椎体的压缩性骨折清晰可见。z
组织均衡技术在胸腰段椎体摄影中的应用z本人应用组织均衡技术对80的胸腰段摄影进行了研究, 由于腰椎区域密度和厚度大，胸椎区域相对来说密度和厚度小，常规DR摄影的动态范围难以满足成像区域内密度和厚度的差异，以致出现了胸椎段过度曝光，影像太黑，而腰椎段曝光不足，影像太淡。z结果在胸腰椎体侧位常规DR摄影时出现胸椎下段的病变难以辩认。在胸腰椎体侧位摄影中，胸椎下段与含空气的肺组织相重，且椎体较小；而腰椎上段与组织密度大的肌肉组织相重，且椎体较大，即使是用较大动态范围的DR摄影，以及数字化窗口技术进行图像的后处理，也难以使胸椎下段与腰椎上段在同一照片上均产生优良的对比度。此时，只有应用DR的组织均衡技术进行特殊处理，才能使胸腰段侧位椎体的影像产生满足诊断和临床需要的图像。DR组织均衡技术应用的实质是其技术参数的调整及其相互配对。通过本组80例胸腰段椎体正侧位的DR摄影，作者体会到：要想获得满意的符合X线诊断的胸腰椎侧位DR影像，Density的范围可在0.9~1.2；Gamma的范围可在1.5~2.0；Detail Contrast Enhancement可在1.8~2.2；Noise Compensation可在0.8左右；UnsharpMasking 可取最小值0;Unsharp Masking Kernel也取最小值3。若上述参数设置不当，就会出现影像细节少，对比度过大，或影像太黑太淡，图像不能满足诊断要求。由此可见，DR组织均衡技术参数的调整对清晰地显示胸腰段椎体侧位影像至关重要。z
组织均衡技术在跟骨轴位摄影中的应用z在常规的DR摄影中，跟骨轴位常因跟骨头端与跟距关节端的组织密度相差太大，而摄影时又使用了倾斜X线，在成像的区域出现跟骨头端影像太黑，跟距关节太亮，关节显示不清。z本人运用了philipDR机的组织均衡技术对50例病人进行了研究，结果表明是否运用组织均衡技术摄影对跟骨摄影的图像质量具有统计学意义。z组织均衡技术在颈胸段椎体摄影中的应用z
在常规的DR摄影中，颈椎的下段及胸椎的上段的侧位影像常常难以显示清晰，特别是侧卧位摄影由于肩关节的遮挡颈椎的下段更难显示。z本人运用GE的DR机的组织均衡技术对80例颈胸段椎体的侧位摄影进行了研究，通过常规DR影像与组织均衡技术的DR影像对比,结果表明使用了组织均衡技术的颈椎下端和胸椎上端的侧位影像的椎体和椎间隙均清晰可见。z
影响组织均衡技术成像质量的因素z摄影的曝光条件，需用高的KV。z组织均衡技术的成像参数运用合理。z
恰当运用DR图像后处理技术。
