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数字X线技术及其发展--数字X射线技术发展现状及趋势

文章来源:www.3618med.com发布日期:2013-07-15浏览次数:27222

         从现代医学影像学的发展以及医院信息管理来讲,21廿纪初将实现医院信息一体 化的格局它将由病人信息系统(patient information system,PIS)、医院信息系统(hos-pital information system,HIS)、放射科信息系统(radiological information system,RIS)以及尉像存储传输系统(picturerchive and conmunicstion system,PACS)枸成。在此医学影像 的采集、显示、存储、传输的数字化,将成为实现医院信息一体化的基础。 回顾医学影像学发展的历程,正如中国工程院刘玉清院士指出的:从1895年伦琴 发现X线到1972年,77年基本上处于传统X线诊断领域,到20世纪90年代中期则形成了现代医学影像学体系,其问以每2-3年出现一个新技术的频率发展,而这些新技术无一不是以数字影像为基础。到了20世纪束期则向占60% - 709'o的X线摄影检查的数字化冲击,相继出现了CR和DR。

         (一)目前数字影像的获取方式与比较

         1.数字影像的特点

         数字影像,指的是完全以一种有规则的数字量的集合来表现的物理图案。数字影像的特点是:灰阶动态范围大;密度分辨率相对较高;线性好;层次丰富;可进行后处理;辐射剂量小。而模拟影像,是一种直观的物理茸来连续地、形象地表现出另一种物理特性的图案。它的特点是:连续、直观、获取方便;图像表现具有概观性与实 时动态获取等特点。但是,模拟影像重复性较差,一旦成像无法再改变或进行后处理, 灰阶动态范围小。

         2.数字影像获取的方式

         如表2-10,X线数字影像可通过以下四种方式获取或转换:

         ①胶片数字化仪;

         ② 计算机X线摄影;

         ③非直接转换技术;

         ④直接转换技术。 
         3.目前数字影像信息获取方式的比较

         (1)腔片数字化仪。价格低廉;适用于原有照片库的数字化;图像质量受原始照 片的限制;有信息丢失的危险;网络连接能力低。这种方式属于模拟图像的再数字化, 是两个完全独立的过程,因此严格来讲并不应当算做X射线数字的范畴。

         (2)计算机X线摄影(CR)。CR与屏一片成像系统相比有更好地动态范围及线 性;网络连接能力强;可充分利用现有X线设备,不改变工作流程。特别是在急诊、 ICU、CCU床边摄影有独特的功能,是DR所不能替代的。此外成本相对较低。但是,CR的大问题是不能做动态采集;CR静态采集需要手工操作,采集速度较慢(一般 在30s);成像板易出现划痕和人工伪影;病人受照剂量大。

         (3)电荷藕合器件(CCD)。利用电荷耦合器件将模拟影像转换成数字影像有三种 技术路线:光学透镜式、狭缝扫描式及光纤圆锥式。CCD开发容易,技术成熟,成本相对较低。图像质量将随其矩阵大小而改变,且它是由许多小的CCD拼接而成(砖面 设计),结构复杂。与DR相比,X线量子检出率及噪音等效氆子数较低,且采集速度较DR慢(一般在20s左右)。

         (4)数字X线摄影(DR)。数字X线摄影的核心技术是探测器,它分为直接转换式探测器和间接转换探测器两种。DR在图像质量、辐射剂量、临床应用等方面均优于 屏一片成像系统。当然,在网络功能上更是屏一片成像系统所不能及。

         ①数字影像质 量的评价要素是信噪比(si~pal to noise ratio,SNR),它通过调制传递函数(modulation
Transfer funmction,MTF)、量子榆出率(DQE)、噪音等效量子数(NEQ)进行评价。从这三项指标看,DR全面优于屏一片系统及CCD转换系统。

         ②DR系统的量子检出率
         ( DQE)性能比屏一片系统高一倍,这就意味着在相同剂量下,影像质量(DQE)可以提高50%;或在相同影像质量下,剂量减少一半。

         ③DR系统的动态范围大,线性好。 根据临床应用采用不同的对比成像,影像层次丰寓、信息茸大。

         ④采集速度快,可进行动态检查(限于平板探测器,30帧/秒)。从采集到显示可做到5s,工作效率与屏一
片系统相比可提高30% - 60%。

         ⑤与网络产品形成一体化,可立即进行网络传输或远程会诊。

         ⑥DR系统的高速成像及低剂量高影像质量特点,为临床应周的发展提供 了平台。

         ⑦但是,DR系统电存在发展中的问题,成本比CR、CCD岛,平板探测器技术的临床应用时间尚短,有待进一步完善提高。

         ⑧直接转换式探测器的调制传递函数 (MTF)及噪声等效量子数(NEQ)高;结构相对简单,制造费用略低;间接转换式探测器易于作成大块整体平板,量子检出率( DQE)高于前者;开发成本及制造费用高。

         (二)数字X射线机技术的未来发展
         l. X射线技术应用方面的展望
         X射线机今后发展的主旋律将呈以下几个方面:数字化;低剂量;低成本。 数字化放射医学是放射医学发展的必然趋势。数字化X射线机是网络放射J襄学的 基础,是传统x射线机的更新换代产品,具有广阔的市场发展前景。

         美国放射界有名的市场调查公司IMV近的关于美国DR市场的报告指出:近年来美国DR市场连续快速增长,美国在2005年交付的X光机中50%已经是DR系统, 日前在美国的4860家医院中,X光机的平均拥有量为3 4台,其中62%的医院拥有 DR或是CR,只有38%的医院仍然只有常规胶片系统,美周的4860家医院X光机的装机总量高达16500套,2006年71%的影像设备采购是DR系统。 国际上众多医疗设备公司如:美国GE公司、Varian岔司、Hologic公司、Dpix公 司、德国西门子公司、法国Trixell公司、荷兰Philip公司、Odelft公司、MMC公司、日本东芝公司等纷纷投人巨资开展数宁化X射线拍片机的研究工作。中国政府在“十五”和“十一五”的规划中,对数字化的医用设备都给予了大力支持,随着国内对数字化医用设备关键技术的掌握和创新,完全国产的数字化医用设备正在展露头脚,以其高性价比优势,替代进口产品,提高基层医疗装备水平。

         X射线机至今仍然是应用广的医学影像设备,低剂量、低成本的要求始终贯穿 着射线机的发展历程。伦琴发现X射线已有100多年历史,X射线机在全世界范围广泛应用,并成为医院的常规检查设备,几乎每家医院都有1台以上的X射线机,仅我国用于常规检查的透视机和拍片机就有9万台左右。遥远远大于MRI、CT、B超的市 场保有量,即便在大医院,X光成像仍占医学影像巾的大比例,在广大的基层医院情况更是如此,可以说X射线机在国民健康之中的作用不可替代。X射线机这种广覆 盖特性及其氏时间形成的广泛应用基础决定了对其低成本的要求。另一方面x射线对 人体的损害日益受到重视,这意味着x射线机在广泛应用的同时低剂量将成为永恒的追求,包括新型探测器、高频高压发生器等有利刊雌低实际辐射剂量的技术将广泛地 应用在未来的x射线系统上。

         2.未来x射线技术发展总趋势

         从医学影像技术学的角度讲,其未来发展将集中体现叫个特点:

         ①医学影像技术 的数字化;

         ②医学影像技术的网络化;

         ③医学影像技术的融合化(不同设备、不同图像、不同专业人员瑚曰的融合);

         ④数据库与智能化的渗透。

         在数字化及网络化这样一个大技术背景下,医学影像毫无疑问也将逐步走向数字化与网络化。回顾过去一个时期以来的技术发展,可以看到不仅在产品层面上更多地 使用f数字化技术,而且还形成为相关的标准,如DICOM及HL7。 广义的医学影像技术融合指各种医学影像技术间及与相关专业技术的综合运用, 不仅包括了功能图像与解剖图像、CT与MRI、超声与X线影像的融合等,还包插了手 术引导技术、分子成像等,这些已经远远地超出了原有的单一专业范畴,需要在物理、 丁程、医学之间融合性地进行深入研究。它不仅将提供更加丰富的信息,而且还将为 更深入在物理与医学屡而上探究病理过程,进而为提高正确率和早期诊断创造条件。 
         医学影像技术的发展使临床诊断的参考信息大世地增加,纵向地看这些发展无异 于信息爆炸,过去的发展有一种倾向,即在一定程度}将这些信息孤立地看待,形成 了个人层面与医院层面上的信息孤岛,如何从速些信息中挖掘更多的诊断信息,这是 一个应当与开发诊断设备同样重要的工作,在未来的发展中这些将日益受到重视。与此相对应,已初见端倪的计算机辅助诊断( CAD)将受益于此的新兴技术,而且,日益丰富的数据库不仅可以提供统计意义上的诊断标准,还可基于个人医学信息的纵向 比较对健康进行早期干预,完成从关注医疗向关注健康的转化。

         3.未来X射线机技术潜在的突破点

         未来的技术可“从工程、应用、方法学三个层面来考虑进行突破。

         (1)工程层面。

         ①X射线探测器的材料将有所突破,探测器的发展从早期的钨酸 镉晶体探测器( CdW04)过渡到闪烁晶体探测器(GOS)及高压氙气探测器(Xenon), 目前为稀土陶瓷探测器替化。稀土陶瓷探测器稳定性好、光输出率高、余辉短暂、光电转换率是钨酸镉晶体的两倍、X射线利用率町达99%。有些探测器材料正处于开发 之中,其中,Pbl2、Hg12、CdZnTe是几个较有前景的探测器材料,尽管这些材料在工艺、质量、特性卜距离应用还有一定距离,但其表现出性能F的优势让人们看到了未来。

         ②探测器的技术性能将进一步提高,如尺寸更大、实时性更好、量子检出率高的探测器。

         ③探测器的成本将进一步下降,尽管这种下降不会遵循计算机行业中的摩尔 定律,但仍将以较快速度下降。

         (2)应用层面。

         ①更多的平板DR专用机出现,平板DR乳腺机、平板DR胃肠、 齿科线扫DR、动态DR介入X射线机等将成为专业机中的技术发展主流。

         ②DR技术 将被应用于CT。

         ③集成度更高的高频高压发生器将向下辐射应用于普通X光射线机。

         ④DR与其他技术的融合,如与机器人结合用于手术导航等。

         (3)方法学层面。

         ①X光相位检测方法。利用X光的相位进行检测是一种正在探索的检测方法,其在医学上的应用将为临床提供更加丰富的诊断信息。众所周知,描述光的物理量有光强、频率、相位,传统X光成像利用的是光强,也即通过测量人体对X光强度的改变而得到人体的相关信息。X光的频率也正在为人们所利用,双能量X光机利用人体对不同频率X光反应的差异性不同而给出有意义的信息。但至今X光 的相位仍未能有效地利用,不过此前的探索是令人鼓舞的。利用同步加速器揭示出:软组织的分辨率提高、空问分辨率提高、较之传统X光检测的剂量低了很多。因此这种相位对比X光检测被誉为将是X - CT之后医用X光大的进展。但遗憾的是这种技术的临床应用遇到了技术上的门槛,其X光发生器以及探测器都需要达到新的技术极限。

         ②时间飞逝法应用于X射线成像。非常快的数字化技术使得散射可以通过时间飞 逝法受到抑制,进而可以捉高信噪比。

         ③利用X光散射得到更多的组织信息。如同安检装备上的应用一样,也有人提出可以利用散射得到组织的图像,从而得到组织的X光散射信息,相关的工作还处于探索之中。