数字X线技术及其发展--数字X线成像系统(3)

          （三）不同类型探测器性能比较
          X射线探测器的技术参数较多，对不同探测器进行比较不仅可以在选择探测器时有所帮助，而且也是进一步了解探测器的一种方法。

          l. II+CCD、CCD - DR与平板DR探测器的比较
          表2-4是不同平板探测器主要技术指标的比较。总之，II+CCD方式的探测器在 图像质量方面、曝光剂量、曝光宽容度、抗干扰方面明显不如DR探测器，但在宴时性、成本等方面有其自身的优势。而CCD - DR在价格上介于DR与II+ CCD之间，而 在剂量上及图像质量E的性能指标不如DR。

          2.非晶硒与非晶硅平板探测器比较
          根据文献，可以从以下几个方面对两者进行比较。

          (l)图像质量一量子转化效率。量子探测效率DQE测量了探测器对入射到探测器 表面的x光光子的吸收能力(%)。具有较高的量子探测效率DOE的成像系统能够以更低的剂量获得更的图像质量。虽然目前DQE的测量方法在业界还未达成统一， 但有一共识足，DOE的测量值受到多种因素的影响，如射线kV值、过滤片的厚度及材料、空间频率值以及具体的测量方法等。国际权威研究机构测量了不同系统在 70kVp、21mm铝滤斤条件下的DQE值。从表2-5中可以看出，随着空间频率的增加，

          DQE呈下降趋势；空问频率较低时，菲晶硅平板探测器的DOE高；在空间频率较高 时，非晶硒平板探测器的DQE高。

          (2)实时性。同前只有非晶硅形式的DR可以做到准实时，已有非晶硅DR的X线 血管介入治疗装备应用于临床。

          (3)储存条件。非晶硒DR对存储有较高的要求，否则将会导致不可逆的损害。 而非晶硅的存储条件是较为宽松。

          (4)成本。目前非晶硅DR与怍晶硒DR的成本大致相当。 
          3.线阵扫描与DR比较
          线扫DR的探测器有多丝正比室、多通道电离室、半导体单线阵、半导体多线阵、 CMOS、CCD不同形式，但发展地看，线扫形式DR所采用的探测器逐渐与面阵形式DR探测器正逐渐趋于一致，因此比较两种形式的DR主要应当从成像方式以及由此引入 的差异方面进行考虑。

          (1)成本。在平板DR中，探测器的成本是系统成本的绝大部分，而在线扫DR中，这一部分大大减小，而且这一部分的减小并不是简单意义上的与几何面积成比例 地减小。平板探测器的成品率只有IO%，但如果减小探测器的面积，则成品率会大幅度地提高，这就可以使成本降到相当低。

          (2)成像质量与辐射剂懂。由于采用了狭缝式的结构，X射线的入射与信号采集在空问上呈对应的线状，波有处于成像区域的组织因没有受到射线的照射，也自然不 会有散射产生，而在平板探测器中，每一探测器单元探测到的射线中还有来自其他部 位的散射X光，这些散射光的比例在高电压_F甚至可以达到入射x线的80 qo，它们对成像是严重的干扰，因此不得不通过滤线栅或加大剂量以提高信噪比，所以相对而言， 线扫DR改善了成像质量，或者说在同样的成像质量下减小了患者的辐射剂量。

          (3)成像时间。线扫DR的成像过程需要有一定的时间，这一时间主要由机械结构决定，在工程上存在极小值，因此不可能做到实时成像，此外，在这一成像时间过 程中身体中器官的运动会导致图像的时间不一致性。面阵式DR在时间上的一致性高， 非晶硅DR的成像时间更短，甚至可以达到实时的要求。

          (4)易维护性。线扫DR的易维护性更好，平板DR板如果一旦损坏，则不得不更 换整板，这就导致其更换成本过高，但线扫DR则可以方便的更换部件，甚至逐条更 换线阵式探测器，更换成本低了许多。

          4. CR与DR的特点比较

          可以从系统与应用、技术性能二个方面对CR和DR进行比较。见表2-6和表2-7。

          5.数字化探测器的生产厂家

          回顾X射线100余年的发展历史，可以清楚地看出，在X射线进入广泛的临床应用以来，主导其发展的是市场中为活越的成份一企业。因此脱离了公司去谈X射线技术并不现实，但是介绍厂家存在着是否全面、公正、科学及时效性的问题，也正因如此一般的相关书籍对此讳莫如深。本节将尽量站在客观的角度对X射线探测器的主 要生产厂家进行简略的介绍，因资料的收集有时间上的差异，以及资料和实际的区别，因此尽管去除了资料中宣传意义上的辞藻，但也仍只能作为有限的参考。

          (1) CR厂商。拥有此类技术的公司有三类：其一是胶片制造商，如Fuji、柯达、 Agfa、Konica公司等；第二类是X射线主机生产厂，如西门子，飞利浦公司等；第三类是有些数字化仪生产厂或小公司如Lumisys，Agstrom，PhorMax，Orex公司等。

          (2)Ⅱ十CCD。CCD是通用性器件，因此影像增强器是这类装备中的关键部件。 生产影像增强器技术经过数十年的发展已经基本成热，加之其生产条件要求较高，因 此，经过多年来的竞争目前市场上的主流厂家只有法国Thomson和日本东芝等。

          （3)平板检测器技术①非晶硅DR板厂商：1997年Siemens和Philips与拥有影像 增强器生产能力的法国Thomson公司共同组建了Trixell公司，专门研发、生产非晶硅平板探测器，在政府的资助下，公司如今已成为非晶硅的主流生产厂家，在向Siemens和Plips供货的同时也面向世界提供产品。CE公司则拥有两条生产线，一条是与 PerkinElmer公司阐合生产大型平板探测器的，另一条生产小型平板探测器。Varian、 Canon公司也生产非晶硅平板探测器。

          ②非晶硒DR板厂商：Hologic公司先后兼并Flu-oroscan Sterling和Trex等公司，进入平板探测器生产领域中。主要生产硒层和非晶硒平板探测器。另外采用这一技术的还有DRC、东芝、岛津，AnRad公司等。③CCD - DR厂商：采用CsI+CCD有Swissray（4片CCD元件）、Wuetec（2片CCD元件）、AID(1片CCD元件)，此外还有Apelem，Trex等公司。Swissray公司除自己生产外，还与日直 公司合作。采用GdSO十CCD有Raysis公司（1片CCD元件），在CCD和闪烁体层之间 则有光学系统一透镜或光导纤维连接。

          ④CMOS - DR厂商：采用CsI+ CMOS的有Caresbuilt公司(400片CMOS电路)，GdSO十CMOS的有Tradix公司（16片CMOS电路）等公司。

          ⑤线扫DR厂商：采用线扫描技术则有Fisher公司（条状CCD结构，用线扫描 的方式掠过被照体）、Rogean公司以及我国的航天中必公司的LDRD等。 新技术在走向市场的过程qi，其发展总要经历从技术主导向市场、品牌主导的过 度，于是会出现频繁的并贿与重组，在数字探测技术发展的历程中可以看到正是在这 一总的趋势下许多公司已经消失和更名了。如生产CR的Lumisys公司为柯达兼并；生 产直接FPD的Dupont公司几经变化从Sterling到DRC，后又为Hologic公司所兼并；生产间接FPD的EC＆G公司也已为CE公司所兼并；dpiX公司被瓦里安公司兼并，这种 模式已是目前市场经济发展的趋势，从技术的垄断直到达到市场垄断的目的。

          （四）高压发生器高压发生器是数字X线主机中关键部件，由它产生高压电并为X线管提供高压电 熊的装置，主要由高压变压嚣、灯丝变压器、高压整流器等构成。初的X线机使用的高压发生器多为工频高压发生器，随着电子技术发展，高压发生器达到中频和高频水平，目前在X线机上使用的高压发生器主要是中、高频的高压发生器。国内中高频高压发生器的真正发展始于本世纪，此前主要以进口为主；国外生产高压发生器厂家 有美国的CPI公司、日本的Shimadzu和西班牙的Sedecal公司，国内企业起步较晚，2000年以后国内有一些厂家自开始自主开发中高频高压发器，如北京万东、航天中兴、 广西俊龙等公司；但国内企业高压发生器功率较之国外产品要低许多，此外，国外高 频高压产品的工作频率已经可以达到100kHz以上，远高于国内的产品。

          1.中频高压发生器的发展进入20世纪80年代中期出现了中、高频X射线机，在这之前X射线机都用传统 的50Hz工频机。中高频高压发生器即通过逆变技术使其高压电源和灯丝加热电源的工作频率均处于中频段，其频率范围为400Hz~20kHz，有的高达100kHz。出于对中频X线机的工作频率的不同认识，世界上不同的X线机厂家对中、高频X线机的定义也有 所不同，但一般认为，当X射线机的功率很大时，工作频率在400Hz - 20kHz的则称为中频X射线机，工作频率在20kHz以上(30 - 100kHz)的则称为高频X射线机，由于工作原理类似，本书中将经过变频后工作频率在数百}k以上的x射线机则都称为中频 x线机（简称中频机）。

          2.中频机的优势
          中频机从工频机发展而来，它克服了工频机的许多不足，改变了工频机的传统结构模式，应用现代科技的晟新成果，具有一系列独特的优点，具有的优势。

          (1)输出高质缱的X射线。中频机的X射线频谱单色化即提商了X射线质的平均强度（半价层）或感光有效成分
          1.高J玉输出的脉动世非常小，近似直流，因此皮肤接 受的剂量低，曝光时间短，图像质量高。中频机相对工频机来说，谱线单色化程度大大加强，确保了成像质量进一步提高。

          (2)输出剂量大。由于中频机输出的X线潜线中高能成分大大增多，在获得胶片黑化度相同的情况下，中频机的mAs是工频机的60%，减少了患者接受X线照射量。 如果曝光时间相同，中频机使用300mA提供的X线剂量与工频机使用500mA捉供的X线剂量相同。

          (3)实时控制，控制精度高。中频机中kV和mA都是由微机管理的，采取闭环控制。根据实际检测值进行跟踪调整，实现丁实时控制，控制精度很高。而在工频机中都是采用预调的办法，不可能实现实时控制。

          (4)X线输出稳定、重复性好。中频机巾都是采取闭环控制，由于中频机的曝光参数的设定值可以做得很精确，检测电路可以做得很稳定，所以不论影响kV和mA值 的因素有多少，只要它们变化在某一允许范围内，则中频机每次曝光的输出量都可以 保持一致。由于闭环控制具有实时性，所以中频机不需要kV补偿电路和空问电荷等补 偿电路。

          (5)实现了结构小型化。根据变压器原理，电压／（频率×匝数×铁芯截面积）=常数，中频机在功率不减小的前提下，发生器可以制作的很小，实现了结构小型化。 大容量的组合式管球制作也成为可能。大容量的组合式管球在CT机上也有非常重要的 应用，为滑环CT机的应用提供了的提。

          (6)有利于向智能化发展。巾频机已全部电子化，很容易与计算机进行配合，计算机技术的应用将使X线机的陛能（降落负载、宴时控制、状态监测、故障报警与诊 断、自动化处理、系统控制等）提高到一个数字化的崭新水平。

          (7)可直接用点流供电。中频逆变是从直流逆变而米的，所以许多中频机，nr直 接用直流供电，这意味着可利用储能器件解决电源条件的难题，对于缺少交流电或电源条件差的场所，如边远地区、地质和野战等恶劣条件下，具有特殊意义。

 

          图2 - 16给出工频机和中频机的电压特性比较，表2-8给出工频机和中频机的性 能比较，二者中的数据能说明其中的主要优缺点。 综上，中频机与工频机从安全性、有效性和价格三方面综合比较看，中频机使患者接受荆喂低，影像质量好，对农村电源适应能力强，自动化程度和曝光参数准确性 高，虽然价格较贵些，从长远发展看有可能要低于工频机（因为工频机所需要矽钢、 铜、铁材料较多）。 国际上发达国家早已淘汰工频机，许多国家已立法禁用。我国中频机技术也正趋成熟，目前至少已有5家能生产200mA巾频X射线机，而且每公司年生产能力为800 -1000台，其所生产的中频X射线机在某些性能方面已与国外进口设备相当。 
          3.中频高压发生器的结构原理
          (l)主电路方框图。中频机的KV和灯丝加热电压都是由中频提供的，从工频到中 频的转换是由镪流器+逆变器来实现的。其曝光参数的调节和控制广泛采用了闭环控制，具有实时性，省去了 KV、空间电荷等补偿电路，自动化程度大大提高。以下是主 电路框图如图2- 17。

          (2)中频逆变的基本原理。通常所说的逆变电源是指可将低睢直流经交流化而升至高压直流的部件，如果交流化过程中工作于中频有时也称之为巾频逆变器。实际的逆变过程中，要经过了由工频转换为直流、又由直流转换为中频交流的两个阶段，所以，中频逆变器由直流电源、直流逆变和逆变控制三部分组成。其中：中频机由工频交流经整流滤波后变为苣流电源；将直流电压转换为中频交流电压的过程，称为直流 逆变；逆变控制，中频机的高压逆盎器通常采用RLC串联谐振的桥式可控硅逆变器。 近年来大功率器件的发展使逆变器的技术指标有了银大的提高，可控硅方式越来越少， 而更多地采用VMOS、IGBT、IPM等功率模块。

          4.高频高压发生器

          (1)高频高压发生器及其发展。加世纪80年代以来，X射线发生装置的原理，制 作工艺，关键原材料等，都发生了巨大的变化，高频高压发生器产品出现，使医用X射线诊断机及治疗设备快速发展，并进入新的阶段，数字化X线机阶段。作为X射线装置的“源头”，X射线发生装置主要经历了的工频机、中频机、高频机、数字次级控制等几个发展阶段，虽然国外公司早就在20世纪90年代就已有r高频高压发生装置产品，但国产50kW大功率高频高压发生装置产品的出现还是近两年的事，经过临床试用，证明该产品技术先进，制作工艺稳定．产品质量可靠，可以很好的满足医院的临床需求。作为我国几十万台工频X射线发生装置的换代产品和出口第三世界国家的 中、低档X射线诊断装置的核心部件
          我国本土研发的高频X射线发生装置有着巨大的应用前景。尤其足，X射线发生装越的发展已不仅局限于高压波形的控制与稳定， 它在X射线诊断装置系统中，体现一个核心的控制作用，为图像系统提供各种辐射剂 量，为各种配套设备提供接口电路，大限度的实现自动控制功能，适应我国医生的 要求和习惯，简化医生的操作，保证全系统的正常有效的工作。因此，随着技术的进 步，相关部件的发展，医用X诊断、发备的快速发展，我国本土研发的高频X射线发生装置也将有更加广阔的发展空间。

          (2)高压发生装置构成。高频高压发生装置主要由控制系统（系统电源、HT控制CPU板、调整板、灯丝驱动板、低速启动板、IPM驱动板、主逆变、放电板、采样板、 接口板、LCD控制CPU板、按键显示、保护系统、监控系统、与其他系统之间的通讯与配合）、高压变压器（单相整流、三相整流、高频整流的关键困难点）等组成。图2 - 18为高压变压器整流过程示意图，凰2- 19为高频高压发生装置工作流程图。

          (3)数字化X射线发生装置。表2-9到出国内外高频高压发生装置技术指标对比，从表中数据看出，X射线发生装置国内厂家产品与国外还有一定的差距。
          (4)高频高压发生装置技术发展趋势。高频化、全数字化、智能化是高频高压发生装置发展的熏要趋势。在近年的北美放射学年会上，影像学全面数字化变革得到了 充分体现，与此相应地，X射线高压发生器的智能化、数字化已成为技术发展的主流。 如今借助数字化技术、高频高压发生装竹的智能化程度越来越高，不仅可以完成传统X线高压发生装置无法完成的控制任务，而且还可以完成自我诊断、报警、处置等一系列动作（功能）。此外不仅弱电部分实现了数字化，其功率部件也采用了数字化模 块，全数字化高频发生装咒已成为现实。另一方面，高频高压发生器频率越来越高， 体积越来越小，重量越来越轻，VMOSFET、1GBT、IPM的应用不仅大大地提高了工作 频率，同时也提高了可靠性。

          （五）数字化X射线机辅助系统

          1. X射线装置巾的FI动控制 随着电子技术的迅猛发展，巨用设备的自动化程度越来越高，附加功能也越来越多，例如遥控的拍片床、x线照射野的门动控制、拍片条件的白动控制、采集影像实时自动优化处理等，其中采集影像实时自动优化处理技术对影像质毓起着较为直接、 关键的作用。 采集影像实时自动优化处理技术包括两方面的内存：一是对实时连续透视影像进 行自动优化处理，主要是降低噪声处理和适当的边缘增强处理，以尽可能透视剂量获 得比较好的影像质量；二是针对数字化影像设备的曝光采集髟像进行自动优化处理， 其与透视影像处理的差别是其瞬间曝光剂量大，所以需要结合自动曝光控制技术 (AEC)控制好整个影像链的动态范Ⅲ睢配，在曝光时间很短的一个周期内只能获得有 限的几幅影像，要利用这有限的几幅影像进行降低噪声处理和适当的边缘增强处理，显示时要进行影像均衡处理，结合显示器的特性优化图像的动态范围和效果。采集影像实时自动优化处理技术不单是软件问题，它的实现必须结合X线的产生技术、影像 的同步采集技术等，需要进行综合考虑。

          2. X射线临床应用中的参数选择
          X线没符在临床应用中需要设置的设备参数很多，巳不同类、甚至同类不同厂家 的设备其需要设定参数也不尽相同，一般需要选择的参数可分以下四类：x线管装置的产生X线的参数、高压发生装置为X线管提供管电压灯丝电压的参数、控制装嚣的控制X线发牛的时间参数、各种辅助装皿装备的应用参数。 但各个X线设备有几个参数是临床应用中必须选择的，它们是：x线源的kV值、 mA值、曝光时间、照射野大小尺寸、X线源与接收器的距离、接收器的特性参数（如 胶片摄影中的滤线器栅格比、滤线器栅格密度、胶片类型、增感衅类型、片盒类型 等）。这几个参数的选择足决定影像源质艟的圭要因素。

          3.自动曝光控制技术( AFC)
          AEC是经典的X线控制技术，几乎所有的进几设备无论档次高、低都具有自动曝光控制功能，但国产设备一直欠缺。实现AEC的关键技术是X线剂量传感器，它主要有光电倍增管、电离室、半导体二种，在x线摄影机中电离室探测器用的较为广泛。 AEC功能足提高放射科影像质量、减少忠者曝光剂水平的重要手段。

          4. X射线装置的软件

          数字X线机都具有控制台（影像采集操作台），它足操作、控制和处理功能的软件的硬件设备，一般由操作控制计算机、图像处理计算机、监视器、局域网络、UPS电源和条码认读器组成。 这套殴备，通过控制处理软件司以实现以下的主要功能：

          ①病人信息数据的获取与传输；

          ②X线摄影条件既可以手动调节，也可以程序预设；

          ③图像的获取与处理， 可针对不同部位进行图像预览和预处理；

          ④数字图像管理一设定图像输出顺序和打印 参数，管理内存数据库和保护病人文字信息和l到像信息，并能校准、QC测试等；

          ⑤ 机器故障自动诊断一警告提示、操作错误提示、故障自动显示。

          (1)X射线装置中的软件构成。X射线装置中的软件可根据其主要功能分为：控制图像采集的数字影像采集、处理软件；系统控制软件（系统监控程序）；图像处理软件，针对性处理、图像后处理；标准接口软件等。但通常各生产厂家会将其中几个功能的软件合并为一个，具有多种功能，以简化管理，提高系统的集成一降和兼容性。血数字影像采集、处理软件、系统控制软件（系统监控程序）、图像后处理软件常常会被编制在一起，合并为一个软件。

          (2)数字影像采集、处理软件。作力获得原始影像的软什，在设备中起着关键作 用，如果没有一个好的原始图像，任何一种功能强大的图像处理技术也只能“望罔兴叹”。对于数字影像采集、处理软件，各个厂家设计的操作界面差异很大，但其作用和 功能基本是一致的，主要有：

          ①预约、登记和诊断报告。如输入病人信息如姓名、性 别、年龄、ID号、住院号等。

          ②控制图像采集系统状态，获取和处理图像。主要是控 制图像采集系统的状态，如探测器状态参数设置、图像数据准备采集、开始采集、结束采集、数据读出、存储、数据擦除、数据校正等。

          ③控制X线发生装置状态，曝光拍片。如控制高频X线机发生器，设定曝光条件、大mA，高kV、启动旋转阳极、 曝光f¨=始、曝光结束等。

          ④控制x线机辅助装置状态，配合拍片。如控制多功能摄影 机架与移动式摄影平床，调节焦片距，旋转横臂球管和BUCKY，以适应多部位的摄影要求；选择正确的投照条件，尽量减少噪声。

          ⑤显示、接收、发送、存储和刻录图像。 如进行图像预处理后，如果图像达到满意要求，就将图像信息储存、硅示、通过网线传递至图像后处理工作站。

          ⑥病人查询和统计分析。

          (3)系统控制软件（系统监控程序）。监测图像采集系统状态、X线发生装置和辅 助诊晰设备的各种运转状态，显示故障代码，进行辅助故障诊断等，有的还具有自动质量控制系统。定期对图像采集系统进行校准，保证设备处于正常的运行状态。

          (4)图像处理软件，针对性处理、罔像后处理软件。对由数字影像采集软件获取 的影像进行后期的图像处理，主要包括：

          ①调整ESA曲线，使图像达到满意的效果；
          ②剪辑图像（感兴趣区），即把图像进行裁剪，对不满意或对病变没关系的部分去除；
          ③根据临床需要进行各种图像处理，如窗宽、商他调节，箍图的放大和缩小及局部的
放大、黑白反转，进行距离、面积和角度的测量，图像拼接等处理；

          ④图像既可放大 也可缩小，所以为了更好的观片和确定病变的实际大小，拍摄胶片时一般都将比例尺
打印到胶片上；

          ⑤显示、接收、发送、存储和刻录图像。如进行图像处理后，如果图 像达到满意要求，就将图像信息储存、显示、通过网线传递至PACS系统。医生可进 行“软阅读”，渗断结果能区接由电脑打印报告；
          ⑥病人查询和统计分析。由于数字化x线机的曝光剂量宽容度大干普通平片，所以量子榆出效率DOE高，X线剂量利用率高，图像密度分辨率高，渗断信息量大，充分发挥计算机对图像的后处理功能，可以 大大提高诊断信息的使用效率。

          (5)标准接口软件。主要实现图像、文字信息的输出，如胶片打印、网络传输等。 
          目前，系统一般使用的是DICOM 30标准，可与PACS系统相连和与其他影像设备连成网络，做到资源共享和异地远程会诊。 
          5.操作平台和工作流程的发展图像扫描、数据采集、传输、后处理重建等使影像系统面临庞大的数据流的挑战。 尤其是在64层CT，上千幅图像成为常规。从当初的SCI平台、Windows NT平台、 Xtream平台等，各公司都在追求稳定性、安余性、便捷性。如何加强有效数据的管理是提高诊断医生的工作效率，减轻操作医生负担的关键。采用新技术使数据采集、重建和后处理一体化是各厂家追求的目标，也足广大临床医生的迫切需求。CE借用IBM“深蓝”理念推出丁崭新的“深蓝平台”，得益下其容积萤建加速引擎该平台在扫描的同时就能获得直接二维和直接三维的图像，突破了传统以横断位浏览图像的模式。数据向PACS和工作站定向传输时，事先就根据系统部位的不同进行了专业分组，从而 解决了网络拥堵，实现了数据分流。
          此外，在后处理软件上整体融合CAD智能诊 断并实现定性定量诊断，突破了从前单一定性诊断和啦凭经验诊断的模式。西门子推 出的SYNGO平台将软件插件化并统一了多种医学影像装备的人机界面。这些技术上的 进步不仅有利于临床应用，而且也有利于提高开发的效率。