双能量减影数字化胸部摄片的发展

双能量减影数字化胸部摄片的发展
中国医学科学院　中国协和医科大学 肿瘤医院影像诊断科 www.yxyxjs.com' X% r! m0 e+ O) n. j; Z8 ~# h* z& I8 [
罗斗强　石木兰　陈达伟　刘金启　徐锋　杨奉常　吴宁　周纯武 嵊泗,沈海龙,海龙,海龙王,医学影像技术论坛,医学影像技术网,专业影像技术行业网站,医学影像,医学影像技术,医学影像技术学,放射技术,X线技术,CT,B超,彩超,MRI,DR,CR,PACS,ECT,PET,SPECT,TTM,RIS,计算机摄影,数諼线摄影,X光,x-ray,诊断,超声,US,radiology,medical,DSA,3D图片,医疗耗材,介入器材,胶片,医用软件- J% ^4 D, e, _& P# Y: ^+ |' g

双能量减影的概念在1925年即被提出，至70年代才被应用于临床，如血管造影透视时分离碘对比剂、消除时高密度物体在CT扫描中所产生的硬化效应、测量骨密度等，80年代基本上与胸片数学化技术同步开始了在胸部摄片中的应用研究。
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双能量减影摄片的原理 1 X' S5 O* {  W; |
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诊断性X线摄片所使用的是低能X线束，它在穿过人体组织的过程中，主要发生光电吸收效应和康普顿散射效应而衰减，光电吸收效应的强度与被曝物质的原子量呈正相关，是钙、骨骼、碘造影剂等高密度物质衰减X线光子能量的主要方式，而康普顿散射效应与物质的原子量无关，与组织的电子密度呈函数关系，主要发生于软组织。常规X线摄片所得到的图像中包含上述两种衰减效应的综合信息。双能量减影摄片利用骨与软组织对X线光子的能量衰减方式不同，以及不同原子量的物质的光电吸收效应的差别将在对不同能量的X线束的衰减强度的变化中更强烈地反映出来，而康普顿散射效应的强度在很能大范围内与入射X线的能量无关，可忽略不计的特点，将两种效应的信息进行分离，选择性去除骨或软组织的衰减信息，得出能够体现组织化学成分的所谓组织特性图像——即纯粹的软组织像和骨像。
双能量减影摄片方法 4 q# l1 ^& a. r. d
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双能量减影摄片可通过两次曝光法和一次曝光法来实现。
（一）两次曝光法 ' x( Q3 H! P; B, J# b
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两次曝光法指以不同的X线球管输出能量(kVp)对被摄物体进行两次独立曝光，得到两幅图像或数据，将其进行图象减影或数据分离整合分别生成软组织密度像、骨密度像和/或普通胸片的方法。所采用的低能X线峰值在60kVp~85kVp、高能X线峰值为120 kVp ~140kVp范围之内。胸部双能量减影摄片的研究最初是从两次曝光法入手的，虽然曾被用于胶片增感屏系统、扫描投影摄片系统（scanned projection radiography，SPR）、计算机化胸片系统（computed radiography，CR）和数字化胸片系统（digital radiography，DR），但大多只是实验室研究性质的报道，基本上没有用于临床，主要是因为两次曝光间的时间差难以缩短至满意的范围，不能有效地消除两次曝光间被曝物体的运动位移所导致的两图像间的误编码。直到GE公司的直接数字化胸片系统（direct digital radiography，DDR），即Revolution? XQ/I（GEMedical Systems，USA）问世，因为使用高速数字化单片式平板探测器（digital flat panel detector，DFP），两次曝光间的时间差可缩短到200ms，病人一次摒气可完成检查，在很大程度上减少了误编码，而且由于DFP可探测量子效率（detectable quantum efficiency，DQE）高，能量分离的效率高，且宽容度大，在不牺牲质量的前提下，球管输出能量可相应降低，低能及高能X线输出量分别为60~80kVp和110~150kVp，而且DFP将采集的信息直接变成可视图像，自动后处理速度快，在数分钟内即得出三幅图象——普通数字胸片、软组织像及骨像，因而可成为胸部X线摄片的常规附加检查。 www.yxyxjs.com* B$ ?! K7 J# h: x1 @
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（二） 一次曝光法双能量减影摄片 # G$ ]" }5 J* G
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一次曝光法是对经被曝物体衰减后所输出的X光子进行能量分离，得出两幅能量不同的图像。该方法最初是为了消除两次曝光法的误编码问题由Speller等在1983年首次提出的，他们在特制的暗盒内迭放两套胶片增感屏系统，两者之间用铜滤板分隔，较低能量的X线在前方的胶片成象，而较高能量的X线穿过滤板成象于后方的胶片，从而实现能量分离。 Barnes 等和Ishigaki等分别将一次曝光法应用于各种CR胸部摄片系统，用双层影像板取代双胶片增感屏系统，其信息的后处理功能使图象质量提高[13，14]。随后的20余年，一次曝光法在DR胸片机的应用不断改进，能量敏感探测器阵列的版本多种多样。 医学影像技术论坛* x- O$ x& h- F! |  _* `
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（三） 两次曝光法与一次曝光法的比较
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两次曝光法的优点是能量差大、所产生的双能量减影的图像上残留的组织对比好、图象信噪比高、且，但两次曝光之间因呼吸、心跳、移位等导致误编码是其最大的弱点，此外短时间内交替输出高、低两种能量X线线束对球管要求高、损耗也大、病人的辐射量亦有所增加。一次曝光法虽然没有图像错位的误编码问题，但能量分离远不如两次曝光法理想、所获图像的残留的组织对比差、信噪比低，虽然在理论上增加曝光条件可提高能量分离的幅度、减少量子斑点噪声，但当曝光量增大至一定程度后，影像板的噪声与曝光量不再相关，而且曝光条件过高还会增加散射所致的杂影。有作者推测如果要使一次曝光法的双能减影图象的信噪比与两次曝光法的相当，其X线曝光量需提高16倍。物理学家Ho等的研究表明，在其它条件基本一致的前提下， 140kVp一次曝光法的能量分离幅度只有70/140kVP两次曝光法的50%（分别为21.6keV和42.6keV），所得减影图像的残留组织对比度只有后者的50%左右，图象的信噪比只是后者的43%。Barnes等的研究也得出相似的数据。尽管如此，在上个世纪末的20余年，双能量减影技术的的学术焦点多集中在改进一次曝光法上。近年来，由于DDR的探测器能将X线信号直接转变为可视信号，且速度快，成象及图象撤除速率迅速，不必在两次曝光间更换或使用前后重迭的影像板，从根本上解决了两次曝光法的曝光间隔过长难以产生两幅完美重合的图像这一致命弱点。今后两次曝光法可能将因其固有的优势将而得到更广泛的应用。

（四）其它

除了两次曝光法，还有的是在两张重叠的IP中间夹上一张金属滤过板，使两块IP所捕获的量子信号有所不同，获得两幅图像，再进行减影处理，同样可以得到减影图像。目前我所知CR减影处理只有富士CR有成品技术和商业产品

能量减影数字胸片的临床意义
（一）提高检出钙化的敏感性和准确性
众所周知，检出钙化是诊断肺良性结节的最可靠的影像学征象之一。有钙化的结节在双能减影的骨像上呈影，在软组织像上全部或部分消失；不含钙化的结节在软组织像上清楚显示，而在骨像上消失。Kruger等经理论推导和实验印证指出，双能量减影所获的骨像对相当厚度范围（至少是11.6CM）的软组织变化不敏感，而检出钙化的敏感性和准确性都非常高，能检出125mg/cm3 以上的含钙量。Hickey等的人体模型实验表明，钙的检出与含钙浓度有关，凡钙含量大于35mg/cm2的结节均能在减影后骨像上辨认，其含钙浓度与减影图像上的光密度呈直线相关，认为在减影图像上肉眼判断有、无钙化非常可靠，不必再行测量。Fraser等连续两篇报道中，分别由双能减影胸片检出钙化的13、12例肺结节中，有8例、3例在常规胸片上不能判断有无钙化，对其中的2例进行了手术切除标本浸泡化学分析，所得出的钙含量与在双能减影骨像上测量换算出的钙含量非常相近。Kelcz等的研究表明，双能减影胸片能使医生们肯定或否定肺结节含有钙化的信心大大增加，对经验不丰富者帮助更大。 医学影像技术论坛# C1 W* R8 |( Q6 j: o* _; r
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（二）增加肺结节的检出率 －－医学影像技术工作者共同的家园！: ^0 _( k. j: `  b8 V
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胸片是早期检出肺结节的基本影像手段，但常规胸片对单发肺结节（solitary pulmonary nodule，SPN）的假阴性率高达18%~32%，且近30年来无明显改善。双能量减影由于去除了骨性胸廓的干扰，对肺结节的检出率较普通胸片有所提高，实验模型和临床病例组研究都表明其差别有显著的统计学意义。Kelcz等还观察到，位于与肋骨无重迭的肺野内的个别小结节，在减影后的软组织像上的可辨认性不如常规胸片，认为是由于减影使残留软组织对比度减低所致，提示阅读能量减影片时要注意与普通胸片相结合。最近的报道亦指出双能量减影胸片，尤其是与机算机辅助诊断系统（computer-aided diagnosis，CAD）相结合时，对肺结节的检出率增高，但应注意与常规的胸片相结合，以减少假阳性，还有作者提出在检出低对比度的肺结节(非钙化密度浅淡的结节)时，双能减影胸片不能取代常规胸片。 医学影像技术论坛) l2 ^# Q1 ~1 K, A" r: l

（三） 其它 www.yxyxjs.com+ Y0 H/ t- ?( r1 e6 d" w
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文献还指出双能减影对显示骨性胸廓和中央气道的病变，如骨转移瘤、大气道肿瘤、刀鞘样气管等；辨认正常解剖、提高对胸片的解象能力，如骨性胸廓畸形、正常骨岛、骨质增生所致类结节等均有帮助。Ishigaki等报道双能减影摄片能较普通胸片增加15%的信息。一些作者还利用双能减影摄片可量化钙含量的优点来诊断骨质疏松、检出晚期肾功能衰竭所致的心、肺转移性钙化等。 6 a4 E+ N! Z# m6 S) `1 P7 s0 X$ \! o

结语
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双能量减影胸部摄片是一个在近二十余年来不断发展和完善的技术，最近几年来才开始较大范围内可为临床的需要服务。过去十分有限的临床应用报道基本都是使用一次曝光法，揭示出双能减影作为胸片的辅助手段，能有效提高肺内小结节的检出率并增加鉴别诊断信心。更新更好的DDR使两次曝光法易于实行，且能提高质量，其临床应用的前景将更为广阔。然而，对它的价格－临床效益比、与普通胸片或CT的互补性价值的评估，还有待设计更完善的前瞻性临床应用研究。 , X. c' t  U( H8 a$ s

附：这种技术的影像我在５０届全国医疗器械展览会上ＧＥ的展台上看到过了，的确很新鲜，展台上展示的是ＫＵＢ（腹部平片）采用这样的技术把腹腔的肠内气体和大便影印减掉了，使输尿管结石显示得相当清晰