X线成像技术考点及其解析三.docx
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X线成像技术考点及其解析三
X线成像技术考点及其解析（三）
【考点16】相位对比（PCM）乳腺摄影技术
1．概述
相位对比乳腺摄影系统（phasecontrastmammographysystem，PCM），是近几年X线摄影诊断技术上的一项新技术。
它采用相位对比技术，弥补X线吸收系数相近的组织间对比度的不足，将相位对比技术和传统的吸收对比技术组合起来，获得边缘增强效应，使乳腺肿瘤和周围组织之间、肿瘤组织内部、以及周围正常组织之间的边缘都得到强化勾勒，最终图像精度可达25μm，为发现更微小的肿瘤及钙化提供可能。
1895年伦琴发现X线后研究了X线的许多特性。
但是，始终没有认识到如何利用X线具有折射的特性。
正是由于折射特性的发现，使之成为今天“相位对比技术”的理论基础。
虽然在X线被发现后一个多世纪的历程中，X线衍射分析技术已广泛应用。
但是，X线作为波动特性之一的相位特性，并未应用于成像技术，直至PCM的诞生才首次将X线的相位对比成功地运用到影像诊断当中。
相位对比成像技术的研发历史，以采用不同的辐射源而划分成两个阶段：
第一阶段：
经同步加速器产生X线。
1991年，研究发现，X线的折射能够增强原本对X线吸收微弱的物体所形成的影像对比度。
由于经同步加速器产生的相位对比技术无法走出实验室，仍未应用于临床医学中。
第二阶段：
经医用X线机产生X线。
自2000年起，相继出现了有关使用医用X线机所产生X线的相位对比成像研究的报道。
2004年、2005年分别报道了应用医学X线机进行相位对比技术的临床测试结果。
2．相位对比成像原理
X线作为一种波，具有波的两种特性，当其穿透物体时，会发生强度（振幅）衰减和相位移动。
X线穿透物体时，由于光电效应及康普顿散射导致X线强度的衰减变化。
当X线穿透不同物质时强度的衰减变化是不同的，这种因衰减而带来的强度变化的对比称为X线的吸收对比，所形成的图像称为“吸收对比成像”。
需要注意的是，X线穿透物体时，除了形成上面所说的强度变化以外，与此同时，X线还发生折射、干扰，形成相位的位移。
当X线穿透不同物质时所产生的相位位移是不同的，这种因相位位移的不同所形成的对比称为X线的相位对比，根据相位位移变化所形成的图像称为“相位对比成像”。
PCM系统就是在原有的吸收对比成像基础上，加上相位对比成像，从而在两种不同物质邻界处达到边缘增强的效果。
3．相位对比技术在X线诊断上的运用
（1）X线的折射是相位对比技术的基本要素
X线穿透物体时会发生轻微折射。
需注意的是，其折射方向和可见光正好相反（图4-17）。
（2）相位对比带来边缘增强效应
当X线穿透相邻不同物质时，会发生强度衰减的对比，即吸收对比；同时还会发生相位位移的对比，即相位对比。
由于吸收对比，凭借物体对X线的吸收差异可获得图像对比度。
因此，对于高吸收（高原子序数）的结构（如骨骼）与周围低吸收（低原子序数）物质会形成良好的对比，被视觉所感知。
但是，对于具有相似吸收系数的物体图像对比度就很差，甚至低于视觉阈值而无法被感知。
而相位对比，与物体对X线的吸收强度无直接关系，它是利用相位位移的差异，在两种不同物质的邻界处增强对比度，达到边缘增强的效果，从而有利于视觉的感知。
当X线穿过相邻不同组织的边界时发生轻微折射，出现相位移动。
如果选择适当尺寸的焦点，使用合适的放大比率、以及适当的CR读取精度等，使折射线和正好通过边界的直射线在成像板上得以重合，该边界处的投影就能得到更多的剂量，从而使边界得到强化（图4-18）。
需要强调的是，这里说的边缘增强，不仅仅是肿瘤组织和正常组织之间的边缘，还包括肿瘤组织内部细微结构的描述，以及正常组织之间边界的勾勒。
（3）PCM在乳腺X线诊断的意义
乳腺结构比较特殊，是由几种不同种类的软组织组成的，包括乳腺腺体组织、脂肪组织和皮肤。
这些正常的软组织和肿瘤组织相比，它们X线的吸收系数是很接近的。
在吸收系数如此接近的情况下，如果仅仅利用X线的吸收对比，往往很难描述细微差别，而相位对比恰好能够弥补这个不足。
因此，在X线诊断领域中，相位对比技术首先被运用于乳腺。
仅仅依靠X线的吸收对比，很难将整个乳房内部细微之处勾勒清晰。
在吸收对比基础上，加上相位对比技术，而后者和物体对X线的吸收系数是无关的，这样就能强化勾勒原本对X线吸收系数差比较小的组织的边界，从而不仅能够弥补单纯吸收对比的不足，而且还能从成像过程中获得边缘增强效果，大大提高图像的鲜锐度。
（4）合理运用于乳腺X线诊断的几个重要环节
相位对比技术只有在选择使用适当尺寸的X线焦点、适当比例的放大摄影（调整好源物距和物像距的比例）、适当的放大倍数、适当的读取精度、适当的放大再还原程序以及适当的高精度打印（硬拷贝阅读时）的情况下，才能被合理有效的运用与乳腺X线诊断。
根据目前的研究结果显示，以下几个参数是最合适的：
·X线焦点尺寸=100μm
·SID（sourceimagedistance）=114cm
·STD（sourcetabledistance）：
全乳片=65cm；点片=78cm
·放大倍数：
1.75
·读取精度：
43.75μm
·适当的还原程序
·打印精度：
25μm
自测题-117关于相位对比成像原理下列说法错误的是（ ）
A．X线作为一种波，当其穿透物体时，会发生强度（振幅）衰减
B．X线作为一种波，当其穿透物体时，会发生相位移动
C．X线穿透物体时，由于光电效应及康普顿散射导致X线强度的衰减变化
D．因衰减而带来的强度变化的对比称为相位对比
E．根据相位位移变化所形成的图像称为相位对比成像
答：
D
自测题-118相位对比技术的基本要素是（ ）
A．X线的直线传播
B．X线的光电效应
C．X线的康普顿效应
D．X线的折射
E．X线的反射
答：
D
自测题-119相位对比可产生的效应是（ ）
A．边缘增强效应
B．光电效应
C．散射效应
D．斜射效应
E．感光效应
答：
A
自测题-120PCM在乳腺X线诊断中的意义不包括（ ）
A．肿瘤组织与腺体组织之间的边缘增强
B．肿瘤组织与皮肤之间的边缘增强
C．肿瘤组织与脂肪组织之间的边缘增强
D．肿瘤组织与肌肉组织之间的边缘增强
E．肿瘤组织内部细微结构的边缘增强
答：
D
【考点17】数字平板探测器
1．电荷耦合器
从概念上讲，基于电荷耦合器（charge-coupleddevice，CCD）技术的数字摄影（DR）系统结构比较简单。
CCD传感器对覆盖荧光体层所产生的可见光输出进行成像。
当前所有应用CCD技术的DR系统都是间接转换形式。
由于临床荧光体成像区域与当前可用的CCD有效区域之间存在物理尺寸的差异，必须使用包括反射镜、透镜或光纤组件的不同技术，使得荧光体输出影像的尺寸缩小到CCD的成像区域。
这种缩小效应的一个主要问题是对荧光体可见光采集效率偏低（可能<0.1%），从而引起所谓的成像链中二次量子降低，尤其是对于透镜耦合式的ccd探测器。
这种不可避免的局限性导致了影像质量的下降。
在临床相关条件下的量化测试显示，这些系统的性能低于传统的屏/片系统和CR系统。
此外，影像缩小光学系统需要一定的物理空间，从而增加探测器外壳的厚度。
当使用这些探测器对现存系统进行改型时会存在问题。
CCD对X线敏感，故产品要避免辐射损伤。
CCD的另一个技术问题是需要冷却以减少噪声。
故有可能发生水污染和停机故障。
CCD已经开发了几种数字探测器类型。
一般尺寸较小，CCD广泛用于视频图像的采集。
由于尺寸小，使得它难以显示较大面积的临床图像。
为了改善CCD小成像区域引起的性能局限，开发了使用多个CCD的系统。
一种商品化的产品类型采用四个高性能的CCD与四个高质量的透镜排列相组合，对输入荧光体的四个重叠象限进行信号采集。
2．非晶硅平板探测器
最早的数字乳腺摄影系统使用的是间接转换探测器。
非晶硅平板探测器属于间接转换型平板探测器，它主要分为两类：
碘化铯+非晶硅、荧光体（硫氧化钆/铽）+非晶硅。
由于荧光的散射效应在Gd2O2S荧光体上更为明显，而碘化铯晶体具有的柱状结构可有效降低散射，因此，目前常见的非晶硅平板探测器多为碘化铯+非晶硅型。
（1）非晶硅探测器的工作原理
碘化铯（[CsI（Tl）]）闪烁晶体受到X线照射后，将入射的X线光子转换为可见光。
可见光激发碘化铯层下方的非晶硅光电二极管阵列，使光电二极管产生电流，从而将可见光转换为电信号，在光电二极管自身的电容上形成储存电荷（图4-19）。
每一像素电荷量的变化与入射X线的强弱成正比，同时，读出阵列还将空间上连续的X线图像转换为一定数量的行和列构成的总阵列图像。
点阵的密度决定了图像的空间分辨率。
在中央时序控制器的统一控制下，居于行方向的行驱动电路与居于列方向的读取电路将电荷信号逐行取出，量化为数字信号。
获取的数字信号经通信接口电路传至图像处理器，从而形成X线数字图像。
（2）碘化铯的特点
使用碘化铯层和光电二极管的非晶硅平板探测器中，碘化铯层不同于其它闪烁体，它的晶体直接生长在基板上。
这种生长方式使得闪烁体与平板能达到比较理想的结合（图4-20）。
碘化铯针状结构的通道，使吸收的X线直接到达探测器表面，比传统的闪烁体明显减少了X线的伪影。
因此，在碘化铯探测器上，X线吸收和伪影之间的折衷相比于传统的闪烁体已几乎不是问题。
另外，碘化铯能很好地吸收X线，并且在数字图像产生之前瞬间产生光学图像，这种方式被称为间接转换。
碘化铯/非晶硅平板探测器的X线探测、图像采集和读出都是相互独立的过程。
因此，探测器元素可以独立地优化而不影响整个探测器的性能。
例如，碘化铯层可以做得很厚，用来保证最大的X线吸收；光电二极管转换可以设计得很薄，使暗电流和图像持留时间减少。
（3）碘化铯/非晶硅平板探测器的分辨率
各种数字平板探测器的图像质量可以通过DQE来衡量。
因为，DQE综合了图像MTF、噪声和对比度的诸多因素。
人们对数字成像系统中哪一种是最适宜的像素大小，目前的意见还不一致。
如果像素太小，电子噪声会降低图像质量；如果像素太大，分辨率的降低同样造成图像质量下降。
这表明乳腺成像必须需要选择一个恰当的像素大小。
像素的大小同时还会影响到图像的存储、传输时间、图像显示和存档。
与屏/片系统相似，荧光散射会影响图像质量，而且在空间分辨率和辐射敏感度之间有性能折衷。
当闪烁体制作得较厚时，光传播增加，可导致分辨率降低。
由于其针状（或称柱状）结构，CsI（Tl）碘化铯不会像其它屏那样产生太多光散射。
然而，分辨率和敏感度之间的折衷依然存在。
间接转换数字探测器的闪烁体放置比屏/片系统的问题更多。
对于屏/片系统而言，更多的X线是在靠近增感屏荧光体层的入射面被吸收，而不是在射出面被吸收。
光电二极管/晶体管阵列不能透射X线。
所以，该阵列需放置在闪烁体的射出表面上。
与屏/片系统相比，这可会导致空间分辨率的下降。
3．非晶硒平板探测器
直接转换探测器使用了光电导材料，能将所吸收的光子转换成电荷，典型材料为非晶硒（a-Se）。
非晶体硒本身具有很好的固有空间分辨力，
透过被照体的X线照射到平板探测器的非晶硒层时，由于非晶硒的导电特性被激发出电子-空穴对，即一对正负电子。
该电子-空穴对在外加偏置电压形成的电场作用下被分离并反向运动，负电子跑向偏压的正极，正电子跑向偏压的负极，于是形成电流。
电流的大小与入射X线光子的数量成正比，这些电流信号被存储在薄膜晶体管（thinfilmtransistor，TFT）的极间电容上。
由于电子和空穴是沿着电场线运动的。
所以，它们在运动过程中没有横向电荷散布。
这产生了一种异常狭窄的点扩散响应约1μm。
每个薄膜晶体管（TFT）形成一个采集图像的最小单元，即像素。
每个像素区内有一个场效应管，在读出该像素单元电信号时起开关作用。
在读出控制信号的控制下，开关导通，把存储于电容内的像素信号逐一按顺序读出、放大，送到A／D转换器，从而将对应的像素电荷转化为数字图像信号。
信号读出后，扫描电路自动清除硒层中的潜影和电容存储的电荷，为下一次的曝光和转换做准备。
当非晶硒被X线撞击以后，产生的光子和电子空穴对在外加电场的作用下直接到达光电导体的表面，由于强大的电场以及采用了减少电荷运动的措施，几乎没有信号丢失。
数字读出设备就和碘化铯/非晶硅系统的相似，只是用电极取代了光电二极管。
其填充因子的效果远高于几何学填充因子（像素的电极部分），甚至接近100％。
像素尺寸可达100μm×100μm以下，却没有减少有效填充因子的麻烦。
非晶硒平板探测器的非晶硒层直接将X线转换成电信号，平板探测器收集电子信号并读出得到图像。
这种探测器也被称作“直接”探测器，因为非晶硒层直接将X线转变成数字图像信号而不是可见光图像。
探测器两侧添加的2500伏特的电压可减少X线散射带来的模糊。
因为在电荷充盈过程中很少有伪影，非晶硒层可变得很厚。
但是，太厚的非晶硒会导致其他的伪影产生。
非晶硒层存在的局限性包括：
吸收X线后非晶硒层产生的K-edgeX线，会偏离原来被吸收的位置而造成伪影。
伪影的程度取决于X线被吸收前在非晶硒内前行的距离。
图像持留时间，限制了图像的采集速度，这对全自动曝光技术带来了负面效应。
探测器的设计必须在X线捕获和电子信号产生之间折衷。
例如，为了增加X线吸收而增加非晶硒的厚度，这样就需要提高探测器两侧的电压来维持信号水平。
同样的道理，带来更好X线吸收的厚非晶硒层设计与低持留时间和低暗电流要求的薄层设计相冲突。
4．探测器的主要性能指标
（1）调制传递函数（MTF）
调制传递函数（modulationtransferfunction，MTF）和探测量子效率（detectivequantumefficiency，DQE）为成像性能提供了定量测量方法。
MTF可测量空间分辨率，而DQE则是信噪比、对比分辨率和剂量效率的测量单位。
通过查看相应的MTF和DQE曲线可以最好地反映成像系统的特点。
然而，这不能用一个数字以单次空间频率适当地进行描述。
可以用这些测量法去确定系统在一个空间频率范围内获取信息的好坏程度。
调制传递函数（MTF）是在一个空间频率范围内信号传递的度量标准，并且可对空间分辨率进行量化。
任何系统的分辨率极限都是通过其像素尺寸加以确定的。
例如，一个100μm像素的系统不能充分解析5lp/mm以上的空间频率。
间接转换法可以使光散射数个像素，这进一步限制了系统的有效分辨率。
直接转换系统不受这一限制。
如图4-21所示，直接转换硒探测器的MTF优于屏/片和间接转换探测器的MTF。
直接转换硒探测器的内在空间分辨率比那些使用间接转换闪烁体的探测器的内在空间分辨率要高。
当间接转换探测器的MTF在较高空间频率上显著降低时，直接转换硒探测器的MTF可在一个更大的空间频率范围内保持高水平。
利用硒材料，通过光导元件的电荷不会有横向运动，而且其MTF与硒的厚度无关。
因此，硒探测器在采集X线并转换为电信号方面效率颇高。
（2）量子检出效率（DQE）
在高空间频率条件下，即使有较高的MTF，小物体也会消失在系统的噪声中（图4-22）。
解决这一问题的方法是通过信号增强和噪声减弱来增强细微结构的可见度。
量子检出效率（DQE）度量的与空间频率成函数关系系统信噪传输，而且可以很好的衡量剂量效率。
DQE受几个因素的影响，包括X线吸收量、信号曲线（由MTF测量）的幅度或强度以及噪声。
量子检出效率（DQE）是综合评价数字摄影系统性能的重要指标。
图4-23显示数字平板探测器的DQE明显高于屏/片、CR系统。
宏观来讲，DQE与影像质量成正比，与辐射剂量成反比。
也就是说，当剂量相同时，影像质量优化；在相同的影像质量下，辐射剂量可以减半（图4-24）。
（3）动态范围
屏/片系统的动态范围是有限的，数字摄影技术提高了被照体成像对动态范围改善的需要。
数字探测器可提供大为改善的动态性能。
对于没有固有探测器噪声的理想探测器而言，在典型的乳腺摄影图像上，3100灰度水平是可以辨别的。
这样，可以提供至少14位动态范围的系统不会使下层的信息降质。
数字X线影像在不同的曝光条件和被照体厚度的条件下具有一致的品质。
动态范围的扩大就意味着可以检测和记录下更多的影像信息。
现在，我们用一种对比度细节测量模体分别检测胶片系统和平板探测器系统，其结果如图4-25所示。
左边的影像由胶片系统形成，右边影像是在相同技术下用碘化铯/非晶硅探测器形成。
在模体的每一个方格的中心和一个角上各有一个点，所有的点都具有与背景不同的对比度。
正如我们观察到的，平板探测器系统中的点更容易探测到。
自测题-121关于电荷耦合器（CCD）技术的数字摄影（DR）系统，错误的说法是（ ）
A．当前所有应用CCD技术的DR系统都是间接转换形式
B．临床荧光体成像区域与可用的CCD有效区域之间存在物理尺寸的差异
C．透镜耦合式的CCD探测器不可避免地会导致影像质量的下降
D．CCD对X线敏感，故产品要避免辐射损伤
E．CCD广泛用于显示较大面积的临床图像
答：
E
自测题-122数字摄影（DR）表示的英文单词是（ ）
A．datarecognizer
B．dynamicrange
C．digitalradiography
D．datareader
E．degreeofradiation
答：
C
自测题-123关于非晶硅平板探测器的叙述，下列错误的是（ ）
A．属于间接转换型平板探测器
B．常见的多为碘化铯+非晶硅型
C．碘化铯层的晶体直接生长在基板上
D．碘化铯针状结构明显增加了X线的伪影
E．X线探测、图像采集和读出都是相互独立的过程
答：
D
自测题-124对间接转换型数字平板探测器的分辨率下降关系最小的是（ ）
A．碘化铯的其针状（或称柱状）结构
B．闪烁体层制作得较厚
C．像素太小
D．像素太大
E．光电二极管/晶体管阵列放置在闪烁体的射出表面上
答：
A
自测题-125关于非晶硅探测器的工作原理，下列正确的是（ ）
A．X线光子→闪烁晶体→可见光→非晶硅光电二极管阵列→电信号→逐行取出，量化为数字信号→X线数字图像
B．X线光子→非晶硅光电二极管阵列→闪烁晶体→可见光→电信号→逐行取出，量化为数字信号→X线数字图像
C．X线光子→非晶硅光电二极管阵列→可见光→闪烁晶体→电信号→逐行取出，量化为数字信号→X线数字图像
D．X线光子→可见光→非晶硅光电二极管阵列→闪烁晶体→电信号→逐行取出，量化为数字信号→X线数字图像
E．X线光子→电信号→非晶硅光电二极管阵列→闪烁晶体→可见光→逐行取出，量化为数字信号→X线数字图像
答：
A
自测题-126应用非晶硒和薄膜晶体管阵列技术制成的探测器是（ ）
A．CCD检测器
B．IP成像转换器
C.直接转换平板探测器
D．间接转换平板探测器
E．多丝正比室检测器
答：
C
自测题-127直接转换技术的DR，应用的转换介质是（ ）
A．影像板
B．增感屏
C．碘化铯
D．非晶硒
E．非晶硅
答：
D
自测题-128关于非晶硒平板探测器的叙述，下列错误的是（ ）
A．使用了光电导材料，能将所吸收的光子转换成电荷
B．典型材料为非晶硒（a-Se）
C．每个薄膜晶体管（TFT）形成一个采集图像的最小单元
D．非晶硒层直接将X线转换成电信号
E．与非晶硅探测器的工作原理相同
答：
E
考点18】数字平板探测器的高级临床应用
数字平板探测器的DR系统，特别是间接转换型平板探测器的DR系统，它为其后高级临床应用的扩展提供了一个重要的平台。
现在已经或正在研发的临床应用项目有：
计算机辅助诊断（Computer-aideddetection，CAD）
远程放射学（Tele－Radiology）
体层合成（Tomosynthesis）
双能量减影（Dual－EnergySubtraction）
数字减影血管造影（DigitalSubtractionAngiography）
低剂量透视摆位（Low－DoseFluoroscopicPositioning）
立体/计算机辅助定位（Stereo/ComputerAidedLocalization）
多模式立体成像（Multi－modalityImaging）
时间减影（TemporalSubtraction）
图像无缝衔接（ImagePasting）
骨密度测量（BoneMineralDensitometry,BMD）等。
在此就一些很有前景的高级临床应用加以介绍。
1．双能量减影（Dual－EnergySubtraction）
（1）单曝光能量减影
目前，双能量减影临床应用价值已广为肯定。
双能量成像方法有两种：
一种是将两张胶片或CR的成像板（IP）叠放在一起，中间放置一块铜板作为能量滤过板。
然后，用X线管曝光一次，你就会在第一块IP上得到一幅常规影像，在第二块IP上得到一幅高能影像。
我们称之为单曝光能量减影。
在单摄能量减影中，铜滤过板分离的两个成像板（IP）同时曝光。
第一块成像板记录整个能谱及常规方法中的标准图像。
因此，标准图像的质量不受减影过程的影响。
X线束的低能部分被第一块板和铜滤过板选择性滤过，以致第二块板中的图像主要由高能光子形成。
因此，第二块板中的图像在几个方面与第一块板中的有所不同。
首先，它是一种“高电压X线摄影”，这样就缩减了骨和钙的影像对比度。
同样，图像仅由通过了第一块板和铜滤过板的光子成份形成。
所以，与标准图像相比，它具有固有噪音，而且第二块板的总体曝光水平明显低于第一块板。
为了产生可用于临床的减影图像，需要放大第二块板的信号，并在已减影的图像上完成噪音缩减。
进行加权减影，借此在减影前加强第二个（高能）图像中软组织成份的信号以与第一个（低能）图像中的软组织信号相匹配。
产生的减影图像包括残留的骨骼和钙结构。
对于软组织减影图像，其过程是相反的，减影前，使两个图像中的骨骼和钙的信号相等，生成的图像中留下了软组织成份。
由于每一个减影图像仅仅由形成标准图像的光子成份形成，虽然应用了噪音缩减技术，但与标准图像相比，减影图像仍具有更多噪音。
尽管如此，人们将减影图像设计成与标准图像相结合，并提供补充信息。
虽然低峰值能量和高总体曝光水平对最佳图像质量是有利的。
但时，在临床应用中，CR的标准曝光参数在110kVp及5mAs范围时，能够对正常体格的成人产生良好效果。
（2）双曝光能量减影
现在我们可以使用数字平板探测器和高频发生器来完成双能量成像。
但是，其前提是探测器的刷新速度必须十分迅速，你可以变换发生器的kV值，从而快速得到两幅影像。
目前GE数字平板探测器的刷新速度可达?
0.2S。
这两方法各有优势，当你运用两张成像板（IP）进行一次曝光时，两幅影像之间不会有任何运动。
但同时你不能实现能量水平的较大差异。
如果你可以在一次屏息内运用平板探测器快速地获取两幅影像，你就可以得到较好的结果，其原因是平板探测器具有比成像板较高的DQE和较低的噪声，以及能量谁的更大分离。
通过双能量减影，我们可以分别获得显示软组织和骨骼的影像。
当你去掉骨骼之后，就会更容易地在软组织的影像中发现病灶。
在胸部、乳腺摄影中，双能量在发现微细钙化灶上具有重要意义。
总之，双能量减影可以快速获得“高”和“低”能量影像；从骨骼和钙化结构中分离软组织；有助于识别肺结节中的钙化；有助于识别微小的钙化灶
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