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【摘要】 本文讨论了目前几种已经使用和正在研发的数字化X线摄影技术，并分别简要地介绍了这些数字化X线摄影技术的工作原理与新的进展概况。
【关键词】 数字化X线摄影；计算机X线摄影；平板探测器；线扫描成像；乳腺X线摄影
当我们驾着时代的列车在信息高速公路上奔向21世纪时，迎来了数字化革命，医学影像技术也借其东风发生了根本性地变化，医用X线摄影数字成像技术正在飞速发展，从而，为放射诊断影像全数字化及数字化医院提供了良好的机遇。医用X线摄影数字成像技术主要有直接数字X线摄影（direct digital radiography，DDR）、间接数字X线摄影（indirect digital radiography，IDR）两大类［1，2］。它们的成像技术有一个共同的特点，都是借助人体组织和器官对X线的吸收差异，通过探测穿透人体后的剩余射线将模拟信息变为光电数字信号，通过计算机处理让人体组织和器官变成可以观察的影像。都是以计算机为基础，将所获取的图像信息数字化，从而使其按人们的要求对图像信息进行后处理。利用它可以给放射学家提供高质量的诊断X线图像。随着计算机和新技术、新材料地迅猛发展，数字X线摄影技术无论在探测器的材料、制作技术、加工工艺还是在图像处理软件上都有了很大的进步。本文从以下6个方面来讨论。
1 CR数字摄影的进展
CR数字摄影系统问世已经20多年了［3］，它是目前一种十分成熟的数字化X线成像技术。近年来在成像板（imaging plate，IP）结构和扫描方式方面有了重大的改进。
1.1 成像板的改进 IP是成像链中与图像质量密切相关的而且是非常重要的部件。由于新感光材料的出现，各厂家相继在其结构上做了改进，目前大多数用针状结构的荧光物质作为闪射体，使得将荧光散射现象大大地降低，灵敏度增加。因而，所获取的图像的锐利度及细节分辨能力大为提高，图像质量得到了明显地改善。近年有些厂家推出双面读出IP，采用透明基板，双面都有读出探测器，扫描时，双面读出器同时同步读取图像信息，称为透明双面读出技术（parented dual-sided reading technology）。该技术可使NEQ(noise equivalent quanta)提高30%～40%［4］。目前只有FUJI与AGFA使用这种技术。
1.2 扫描方式的改进 当今所使用的所有商业CR扫描器都是采用飞点扫描的原理，它是用一束紧密聚焦的激光束激发移动存储荧光体屏（IP）中的潜影，在整个屏面上每次只激励一个点，通过适当的光学收集器、捕获从每个点发射出的光，由光电探测器将其转换成模拟电信号，而后，经过取样和量化产生数字图像（工作原理如图1所示）。产生和偏转激光束所需要的硬件以及收集和发射光并将光转换成电信号所需要的部件都需要一定的空间，所以无定限地减小飞点扫描器物理尺寸是很难做到的，此外，这些分离部件还会增加成本和复杂性。
为了克服飞点扫描器的上述诸多限制，AGFA和FUJI研制并推出了新的扫描技术，该技术是一次在IP上扫描1行，实际上，由飞点扫描部件引起的尺寸限制已不再十分相关了，而且在流通量和图像质量上均有很大的优势。扫描时间比飞点扫描器的扫描时间短许多，事实上，采用新的基于CsBr:Eu2+针状存储荧光体和新的扫描装置，能够获得与新近的基于CsI:Tl和a-Si平面阵列平板DR系统相媲美的图像质量。 图1 飞点扫描阅读器工作原理示意图 略
它们是第二次激发光光源与图像信息收集器为一体，称为扫描头（AGFA的样机为ScanHead○R）。图像信息收集器为CCD，第二次激发光光源与CCD器件分别做成1×n个阵列［5，6］。有两种扫描形式：一种是扫描时IP移动，扫描头固定不动，每次读出1行图像信息，并直接成为数字信号。所以，整个读出速度比飞点扫描方式快（工作原理如图2所示）。另一种为扫描时扫描头移动（或激光源与接收器同步移动），IP固定不动，每次读出1行图像信息，AGFA采用透明IP，第二次激发光光源与图像信息收集器分别装配在IP的对面（工作原理如图3所示）。还有一种是FUJI研发的采用透明IP，双面读出的扫描器。
线扫描阅读器IP固定扫描头移动（或激光源与接收器同步移动）工作原理示意图这种新型扫描的CR FUJI已有产品推出（如VELOCITY U），AGFA还在研制实验中，应用到临床需要一段时间，在不久的将来就可推向市场。它的推出，将会使CR与平板DR类似地操作，流通量也将大为提高。图2 － 图3 略
1.3 后处理软件 后处理软件随着计算机技术的发展和处理算法的改进，各厂家相继推出了许多软件，其中最主要的是在组织均衡方面下了很大的工夫，另外，还有诸多专用处理软件。
组织均衡的处理软件像AGFA的MUSICA（multi scale image contrast amplification）；KODAK的EVP(enhanced visualization image processing)；FUJI的MFP(multi-frequency processing)；PHILIPS的NIQUE(unified image quality enhancement)。它们的共同特点是：根据不同部位自动地使每幅图像最优化（始终如一的高质量图像），也就是消除原曝光图像中过亮及过黑的区域，降低细节损失，从而提供高细节对比度、显示更佳解剖结构的、协调的图像。
专用处理软件有FNC（flexible noise control）自动噪声控制；GPR（grid pattern removal）栅格消除；EDR(exposure data recognizer)曝光数据识别；DRC（dynamic range control）动态范围控制；全腿/全脊拼接(Full Leg /Full Spine)；乳腺(mammography)；放疗(radiotherapy)；小儿(pediatric)；dental (orthopantomogram, cephalogram,scanogram single/stereo,sinography)牙科；泌尿/断层(uro/tomo)；能量减影(energy subtraction)；自动质量控制(auto QC)等。
1.4 系统空间分辨率进一步提高 由于IP的结构改进、阅读器扫描精度的提高、处理软件的改善，从而使系统的空间分辨率得到了比较明显地提高。现在通用机的空间分辨率可以达到5～7LP/mm，乳腺可达10LP/mm。各厂家根据不同用户和不同用途推出了不同类型的阅读器。如单通道（单槽）立式和台式两种；多通道（多槽）；卧位浮动平床式；胸部专用式等。随着新的扫描方式的出现，在不久的将来，CR也会像平板数字化X线系统一样成为固定一体化式的各种用途的摄影装置，与平板探测器和CCD等其他探测器数字成像系统共分天下。
2 非晶硅和非晶硒平板探测器数字成像的进展
非晶硅和非晶硒平板探测器数字成像系统就探测器［7，8］ (两者的结构示意图和工作原理如图4所示)本身而言，目前还没有什么新的进展，主要是在系统结构与处理软件上有一些新的改进。从2年前的双板结构、U或C形架结构、悬吊式X线管组件和立式胸片架组合结构、遥控多功能诊视床组合结构、胸部专用式结构到新型单板多功能系统结构。
图4 非晶硅和非晶硒平板探测器结构和工作原理示意图（左是非晶硅，右是非晶硒）略
这种新型单板多功能系统为悬吊式X线管组件和落地式多轴探测器架组合或双悬吊组合结构，配单端固定升降浮动式平床；另一种为可移动单板探测器双向结构（配浮动摄影床和立式胸部摄影架），完成单板多用，可以实现全身各个部位的数字摄影。床旁移动平板数字X线摄影现在也可以实现了。这些系统如SIEMENS的Aristos FX；PHILIPS的Digital Diagnost VM；KODAK的DirectView DR 7500；Primax（France）的EIDOS3000；Hologic的RADEX；北京万东的新东方1000；SIEMENS的AXIOM Multix M；SIEMENS的MOBILETT XP Digital和SHIMADZU的MobileDaRt等。
软件方面除了常规处理软件外，与CR一样各厂家有专用和组织均衡图像处理软件。如KODAK的EVP(enhanced visualization image processing)；PHILIPS的NIQUE (unified image quality enhancement)；SIEMENS的Harmonization；GE的Tissue Equalization等。专用软件有：能量减影、拼接处理软件等。
3 CMOS平板探测器数字成像的进展
CMOS(complimentary metal oxide semi-conductor，互补金属氧化物半导体)平面探测器是Cares Built公司研制的，像素尺寸为76μm，空间分辨率达到6.1LP/mm［9］，是目前空间分辨率最高的探测器（探测器结构示意图与工作原理如图5所示）。但系统成像速度比较慢，生成1幅预览图像需要18s，生成1幅能诊断图像从曝光到处理完成需要120s的时间，探测器成像有效尺寸为17″×16.6″。目前国内还没有这类数字摄影系统。
图5 CMOS平板探测器结构与工作原理示意图 略
CMOS平板探测器工作原理是这样的，当X线穿过被照体时，形成强弱不同的X线束，该X线束入射到探测器荧光层，产生与入射X线束相对应的荧光。由光学系统将这些荧光耦合到CMOS芯片上。再由CMOS芯片光信号转换成电信号，并将这些电信号储存起来，从而捕获到所需要的图像信息。所捕获到的图像信息经放大与读出电路读出并送到图像处理系统进行处理。
4 CCD数字成像的进展
CCD(charge coupled devices)平面传感器成像方式是先把入射X线经闪烁器（如荧光屏）转换为可见光，经反光镜反射由组合镜头或由组合镜头直接耦合到CCD芯片上，由CCD芯片将可见光信号转换成电信号，再由计算机把电信号变为数字信号（结构示意图与工作原理如图6所示）［1］。CCD平面数字成像技术在20世纪90年代中期就推入市场，是一种比较成熟的技术，但由于受诸多条件的限制，图像质量不理想。进入21世纪后，很多新技术的引入（如材料、结构、图像处理等），使该成像技术有了长足地进步。CCD平面数字成像技术主要有以下3个方面的改进和提高：
图6 CCD平面传感器结构和工作原理示意图 略
其一是与碘化铯+非晶硅平板探测器一样，X线闪烁体采用了针状结构的碘化铯(Tl:CsI或GdSO:Tb及GdSO:Eu)，减少了光散射，提高了图像的锐利度和清晰度；其二是光学组合镜的改进，采用了航天高清晰高倍组合镜，有的还采用了Hubble望远镜技术，提高了灵敏度和可靠性；其三是采用充填系数为100%的CCD芯片，像素尺寸减小（现有＜100μm的）、接受面积增大，从而使获取的图像信噪比增加、分辨率提高。
5 线扫描数字成像的进展
系统由扫描机架(有立式、遥控岛屿式、多功能及全身扫描式)［10］，机架上安装X射线球管、X射线探测器及前端电子学系统；X射线发生装置及电气控制系统；计算机处理系统，包括操作工作站及医生工作站等组成（结构示意图与工作原理如图7所示）。线扫描数字成像的探测器种类很多，目前实际应用的主要有3种。
图7 线扫描数字成像系统的结构和工作原理示意图 略
5.1 多丝正比室探测器 目前对多丝正比室探测器的制作工艺进行了改进，改进的探测器采用微带加工工艺在绝缘板上蒸发出阳极收集极，解决了金属丝的排列间距问题，达到1024通道，系统空间分辨率已达到1.6LP/mm；采用该工艺，阳极通道间距最小可做到35μm，所以已推出了2048通道的探测器，系统空间分辨率可达到2.5～3.2LP/mm，并且在不久的将来会出现4096通道多线阵新型探测器，系统空间分辨率将达到5.0～6.20LP/mm［11，12］。目前只能制作单线阵的探测器。
5.2 光电二极管探测器 光电二极管探测器是近几年研发的固态半导体探测器，是以ADANI（NTB’s digital linescan x-ray camera）DRS系列为主的探测器，其结构由X线/光转换层［一般用硫氧化钆（GdOS2）+锌镉（PR）光电转换层］、读出电路组成［13］。目前可以制作多线阵（常用的有8线阵和16线阵）。
5.3 CCD+CMOS探测器 与光电二极管探测器一样由X线转换层、光电转换层、读出电路（CMOS）3部分组成。有单线阵和多线阵（如8线阵或16线阵）。
6 乳腺数字成像的进展
真正应用于临床乳腺X线成像方式主要有3种，它们是胶片成像、间接数字化成像和直接数字化成像。虽然前者是作为诊断乳腺疾病的金标准，但由于它的图像质量受诸多因素的影响［14,15］，所以终究由后两种取代。目前正在开发应用与实验研究的成像方法有如下几种。
6.1 双能量减影（dual-energy subtraction） 由于钙化组织相对正常软组织对低能量X线吸收率要高，而对高能量X线的吸收两者没有明显的差异，所以这样两幅图像进行减影处理可以使软组织完全被减除掉，从而获得钙化组织的图像信息，有助于早期乳腺癌的诊断［13］。
6.2 数字断层合成技术（digital tomosynthesis） 这种断层与常规断层不同，只是X线组件做弧形运动（弧形角度20°～30°），探测器不动，一般对感兴趣区采集8～10幅图像，通过数据重建技术获得每一层面的图像，每一层面只有几毫米。同时可以采用三维重建技术，获得感兴趣区的三维图像，从而可更好地观察到病灶与准确定位，有助于提高乳腺疾病诊断的准确率和手术定位准确率［15］。
6.3 基于硅微带探测器（silicon microstrip detector） 数字乳腺成像技术硅微带探测器，是一种采用硅半导体技术的固体探测器。它是间距非常小的P-N结半导体排，在反向偏压作用下，P-N结的载流子被耗尽，在耗尽区域的每一个光子反应产生一个可以被检测到的电流脉冲，由读出电路读取其电流脉冲。读出电路是由前置放大器与鉴别器和16bit的计数器组成。当放大的信号超过鉴别器的设定的阈值时，计数器加1，即计数一个电流脉冲［16,17］。它的电子学部分的结构与多丝正比室(multi-wire proportional chamber, MWPC)线扫描系统的基本相同，图像处理系统也基本类似。
6.4 锥束乳腺成像技术（cone beam volume breast imaging） 由于传统的乳腺X线摄影技术是投影在X线胶片上成像的，因此二维图像上叠加了三维空间中不同的组织结构，使得很难检测出来小的乳腺癌病变（特别是尺寸＜几个毫米的情况）。为了提高乳腺癌早期检测的效率，Rochester大学的Ruola Ning教授等开展了乳腺锥束三维成像的研究。通过引入锥束CT成像技术以及平面图像检测器技术，他们提出了一套基于平面检测器的锥束乳腺成像技术。在该研究中，通过锥束体积CT原型系统，他们对模型和乳腺癌的样本进行了成像分析。结果表明，该项技术不但成功的解决了不同组织的叠加问题，还提高了对于小的乳腺肿瘤的检测能力。更为重要的是：为检测直径小于5mm的乳腺肿瘤，X线剂量少于传统的X线乳腺摄影技术。因此，基于平面检测器的乳腺锥束成像技术具有很大的应用前景［18,19］。
6.5 计算机辅助探测或诊断（computer-aided detection or computer-aided diagnosis，CAD） 计算机辅助探测（诊断）CAD技术是20世纪90年代中期开始开发的新技术，最初是将普通X线乳腺胶片上的图像借助专用图像扫描仪进行扫描并送入计算机数字化，由计算机辅助诊断软件帮助放射学医生在乳腺图像中探寻更多的乳腺疾病信息，它相当第二对眼睛，当某一放射学医生做出初步判断后，再由CAD帮助探寻，如果计算机软件在图像的感兴区探测到任何异常时，就在该感兴区做上标记，放射学医生再反复观察原来胶片上图像的相应感兴区，确定所感兴区是否有可疑病变以及是否用其他检查方式予以确诊［20］。数字化乳腺X线摄影推出后，CAD技术得到了广泛地应用，并成了帮助放射学医生诊断乳腺疾病的有力助手。
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作者单位： 710032 陕西西安，第四军医大学西京医院放射科
（编辑：唐 城）