数字放射摄影成像技术

摘要：在医学影像领域中，断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）等已经进入了数字化时代，可是作为最早出现，且使用也最普遍的X射线摄影成像技术，却还停留在传统的方式上，这一传统方式已远远不能满足现在数字化时代的要求。为了实现X摄像信息直接进入图像存储与传输系统（PACS）以及远程医学系统，一种新的数字X射线摄影技术应运而生。

关键词：传统X射线摄影、数字X射线摄影、X射线探测器

随着医疗卫生事业的发展，以胶片为显示、存储、传递为主要方式的传统X射线摄像技术已不能满足临床诊断和治疗发展的需求。医疗设备的数字化要求日益强烈，全数字化放射学、图像导引和远程放射医学将是放射医学影像发展的必然趋势。

一、传统医疗摄影成像技术与数字摄影成像技术

传统X射线摄影以胶片或感光屏为媒体，以二维成像方式，利用X射线的穿透作用、荧光效应和化学作用，使得穿过人体后发生不同衰减的X射线在胶片或感光屏上呈现不同密度的影像。传统X射线摄影应用广泛，占基层医院工作量的70%左右。但由于胶片溴化银分子决定胶片影像的分辨率，所以其分辨率只能达到分子颗粒级。传统摄影在观察透视影像时需连续曝光，增加了受检查的辐射量，降低了X射线使用效率。

数字X射线摄影是利用计算机技术，使作用于人体后的X射线不再作用于胶片或感光屏，而是经过探测器将光信号转换为数字号，并以矩阵形式交由计算机处理重新成像。其分辨率主要由电子探测器决定，可达数百微米，高于传统的增感屏—胶片系统。数字X摄摄影得到的图像可以进行各种后处理，影像的显示、调阅和存贮可实现数字网络化，它为提高图像质量，实现无胶片放射科室以及使放射医学摄像进入PACS（图像存档和通信系统）提供了美好的前景。

二、数字X射线摄影的分类

1.DF数字化透视和DSA数字化血管减影类。

这类机器的图像处理主要由影像增强器、电荷耦合器（或摄像管）以及模/数转换部分来完成。影像增强器或电荷耦合器首先将X射线影像信息转换为可见光影像（视频信号），然后再经模拟数字转换成为数字信号。这类数字化装置具有与X射线透视方式下定位点片摄影相近的操作方式及优点，能进行多种后处理，空间分辨率可达2K（2048×2048）或4K数字图像水平。数字化胃肠检查机、遥控数字化多功能机已成为这类机器的主流。DSA设备也成为基层医院开展介入放射学的基本设备。此类设备的优点在于低剂量，实时性，具有较好的性能价格比。

2.CR计算机X射线摄影装置类。

CR是电子探测器被应用于X射线摄影之前的一个转换阶段。它以IP板（成像板）截取X射线影像信息，经激光读出器读出后，再形成数字化影像。此类产品的动态特性和空间分辨率传统增感屏———胶片系统相比有明显提高。在数字X射线机的市场上占有相当的份额。但其价格较贵，而且其成像原理和过程仍为间接数字放射摄影，所以最终将成为一种过度类型，不是数字X射线摄影的发展方向。

3.DDR直接数字放射摄影类。

此类设备以平板型探测器为X射线影像信息的转换载体。以TFT薄膜晶体管阵列做探测器的平板系统，因方法不同又分为两种类型：其一是由非晶硒和TFT构成阵列板，其二是闪烁体、非晶硅和TFT构成阵列板，两者均可以直接读出数字信号。DDR成像系统使用全固体化的X射线影像载体，彻底避免了影像增强器中固有的缺点，可与原有的X射线机使用，直接显示图像，成像速度快，图像的空间分辨率和密度分辨率都很高。1996年开始，国外就已经开始将此类产品投放市场。GE、岛津、西门子、DR等公司均有自己独特的产品，并在不断的开发中，此类产品是目前X射线影像数字化研究发展的主要方向。

三、数字X射线摄影成像原理及成像过程

1.间接数字影像转换

间接数字放射摄影系统（IDR）的成像主要原理：它是由CsI等物质构成X射线的转换屏幕，或称为闪烁体。X射线到达闪烁体后，激发出可见光子。生成的光子用一个灵敏矩阵阵列检测，它的每一个像素具有一个光电二极管和薄膜晶体管开关。可见光传递给下面的光电二极管，光电二极管触发薄膜晶体管产生输出信号。

2.直接数字影像转换

直接数字放射摄影系统（DDR）成像主要原理：它是由非晶硒和薄膜晶体管构成的阵列板，阵列板的每一个单元包含一个存储电容和非晶硅的场效应晶体管。由于非晶硒是一种光电导材料，照相前先给阵列板一个1～5Kv的电压，电压加在接触板上使非晶硒层带上一层电荷，接受X射线像时由于非晶硒的光电导效应导致电阻发生改变，使其下面的薄膜晶体管层的电容充电，相应产生电荷的变化，从而得到图像信号电流，进而形成数字化图像。

3.直接和间接数字影像转换方式的比较

直接数字影像转换方式使用光导材料非晶硒不产生可见光，只是电子的传导，可避免散射线的产生，这对提高图像清晰度是有好处的。它有潜力提供比基于闪烁体的间接影像转换方式更高分辨率的图像，甚至那些使用结构化CsI晶体的系统。间接数字影像转换方式在空间低频部分有很高的量子效率DQE，而在空间高频部分的量子效率DQE却很低。直接数字影像转换方式和间接数字影像转换方式的信噪比在像素较大的情况下，因为两者的X射线到电荷的转换增益是相同（假设间接方式是CsI和α-Si，直接方式是转换增益为10V/μm的α-Se），所以本质上是相同的。但是，当像素的尺度减小时，直接方式可以保持100%的填充因子（也即电荷的收集效率）。而在间接方式中，离散的电极间存在间隙，光线的吸收效率急剧下降。这样在与其他因素的共同作用的情况下，影响了间接方式的图像质量。直接方式就可以极大地减少相邻像素之间的干扰，而且因为没有闪烁体的缘故，也就避免了余辉的存在。

直接数字影像转换方式比数字影像转换方式的制造工艺更简单。首先直接方式只需要一层统一的光导层，而不是结构化的CsI晶体层。其次，因为X射线在光导层被直接转换光子，每个像素就不必像间接方式那样要求有对应的光电二极管，因此灵敏矩阵阵列就不再那么复杂了。以上两点保证了直接数字放射摄影探测器的制造更经济。直接数字影像转换方式具有以下缺点，表现在被激活的α-Se层需要非常高的电压，高压就有可能破坏矩阵阵列的灵敏区。即存在安全可靠性问题。这在光导器件和半导体器件两者中选择必须要考虑的因素。

四、总论

医学影像数字化及其计算机处理，从根本上改变了医学图像的采集、显示、存储、变换方式和手段，为逐步或完全取代胶片，建立无胶片医学图像系统创造了条件。直接数字成像系统DDR，作为PACS的一个关键环节，必将成为医院的首选。数字化、网络化、无胶片的影像科，是21世纪放射医学影像发展的必然趋势。

参考文献：

[1]张平.数字X线摄影技术[J].医疗设备，2001（10）.

[2]李保伟.数字化放射医学影像技术[J].医疗设备，2001（5）.