基于平板探測器DR升級方案中量子探測效率檢測的應用*

趙慶軍

基于平板探測器DR升級方案中量子探測效率檢測的應用*

趙慶軍①

目的：探討在基于平板探測器DR升級方案中量子探測效率(DQE)檢測方法及其應用價值。方法：檢測量子探測效率時，將入射X射線劑量與平板探測器產(chǎn)生的圖像聯(lián)系起來，根據(jù)國際電工委員會(IEC)制定的IEC 62220-1標準方法對刃鎢模體圖像進行分析，并結合平板探測器入射X射線空氣比釋動能的線性關系，利用DQEPro設備及軟件計算得出3種不同類型平板探測器升級方案的DQE測試數(shù)據(jù)。結果：實驗證明，通過DQE檢測可明確了解DR升級方案中平板探測器的基本性能，DQE檢測能反映不同類型的平板探測器的成像性能的優(yōu)劣。結論：基于平板探測器的DR系統(tǒng)的升級方案中DQE檢測，更好地為數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)計量性能檢定提供技術依據(jù)，確保DR升級后在診斷中的成像質(zhì)量。

DR系統(tǒng)；平板探測器；升級；量子探測效率

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.08.006

[First-author’s address] The Institute for Drug and Instrument Control, Health Department GLD of PLA, Beijing 100071, China.

目前，直接數(shù)字攝影(digital radiography，DR)在成像性能、市場成熟程度及應用技術研究等方面均取得了較大的進展。其中平板探測器作為核心部件，隨著其使用年限的增加使得原有DR系統(tǒng)的成像性能下降，可能會造成影像診斷的誤診及漏診。在數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)的性能檢測過程中，需要將管球產(chǎn)生的X射線與平板探測器中產(chǎn)生的圖像聯(lián)系起來考慮，方能解決基于平板探測器的DR升級檢測過程中存在的問題。在國際上，通常使用量子探測效率(detective quantum efficiency，DQE)作為評價X射線轉(zhuǎn)換成有效圖像信息能力的客觀物理量。為此，本研究探討基于平板探測器DR升級方案中DQE檢測的方法及其應用價值，充分利用已有的設備資源實現(xiàn)資產(chǎn)的重復利用率，提高影像質(zhì)量和工作效率，尤其是能夠降低材料損耗和購置機器成本，避免造成重復投資和資源浪費，以滿足臨床應用的要求[1-2]。

1 基于平板探測器的DR升級方案

1.1 DR升級系統(tǒng)配置

MECALL PLURIAMTD X射線攝影系統(tǒng)，其中高頻發(fā)生器為加拿大CPI公司Indico100 RAD，最大功率80 kW，最大管電流630 mA。X射線管Varian A-192，大、小焦點分別為0.6 mm和1.2 mm。

1.2 平板探測器的轉(zhuǎn)換材料

目前，平板探測器采用3種不同材料。廣泛使用的平板探測器主要采用非晶硒(amorphous Selenium，a-Se)、碘化銫(Cesium Iodide，CsI)和硫氧化釓(Gd2O2S，GOS)作為轉(zhuǎn)換材料。將閃爍體(GOS或CsI)與非晶硅光電二極管以及TFT耦合起來構成非直接轉(zhuǎn)換平板探測器，將a-Se直接與TFT耦合起來構成直接轉(zhuǎn)換平板探測器。

閃爍體涂層的材料和工藝會影響X射線的轉(zhuǎn)換性能。GOS通過摻雜不同的稀土離子(如Tb3+)，在X射線的激發(fā)下能夠發(fā)出540～560 nm的綠光[3]。傳統(tǒng)膠片所用的高速增感屏是利用GOS特性制作而成。使用GOS做涂層的探測器成本和轉(zhuǎn)換效率較低，CsI技術則采用大面積針狀晶體結構能提高轉(zhuǎn)換性能。

采用a-Se轉(zhuǎn)換技術的平板探測器在X射線的作用下使硒層產(chǎn)生電子空穴對，外加電場迅速將其分開并分別帶到像素電極和上電極兩個相反的表面。在傳輸速度上未給電荷的橫向擴散提供時間，故空間分辨率極高。

2 DQE測試方法

2.1 DQE測試公式

用DQE來描述DR系統(tǒng)對入射X射線光子數(shù)探測的效率，是成像系統(tǒng)從輸入到輸出的轉(zhuǎn)換效率的表達方式，反映了DR系統(tǒng)對其所產(chǎn)生的X射線穿過人體被探測器轉(zhuǎn)換成有用圖像信息的能力[4]。其數(shù)學式可表示為公式1：

式中μ，ν分別代表平板探測器輸出圖像在X、Y方向的空間分辨率；SNRin為輸入信號的信噪比；SNRout為輸出信號的信噪比。

測試中通常采用IEC 62220-1標準[5]規(guī)定的序號為RQ5輻射質(zhì)的SNR2值，見表1。

表1 IEC 62220-1標準規(guī)定的序號為RQ5輻射質(zhì)的參數(shù)表

2.2 測試裝置結構

實驗測試裝置結構如圖1所示[5]。

圖1 測試裝置結構示圖

圖1顯示，在B1限束器下的插槽內(nèi)放置21 mm鋁板作為附加過濾。在測量平板探測器的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function，MTF)(μ，ν)時要將刃鎢模板置于平板探測器表面。B2、B3限束器其作用為消除散射對測量結果的影響。

3 DQE測試結果

平板探測器在入射X射線能量譜固定的情況下，要求圖像像素值與入射X射線在平板探測器表面產(chǎn)生的光子數(shù)呈線性。平板探測器的這種特性決定了在臨床運用中，可以通過適當增加曝光劑量來觀測對比度較低的細節(jié)信息，當平板探測器的線性特性遭到破壞時，圖像像素值的大小隨著曝光劑量的增加而增加很少，在觀測對比度較低的細節(jié)信息時則需要增加患者的受照劑量。本研究對3種不同的DR升級方案做了平板探測器的DQE結果測量，使用的設備為加拿大DQE Instruments公司研制的DQEPro設備[6]，測試結果如圖2所示。

圖2 DQE測量結果曲線圖

根據(jù)圖中的DQE測試結果，對應3種不同材料探測器的DQE指標有差異，表明在不同DR升級方案中有多種選擇，如何得到臨床上滿意的圖像結果，在DR升級中需要對客觀指標進行評價。由于DQE反映了入射X射線光子轉(zhuǎn)換為有用圖像信息的效率，因此具有較高的DQE的成像系統(tǒng)能夠以更低的劑量獲得更優(yōu)秀的圖像質(zhì)量，減少病灶識別假陽性與假陰性，使圖像的信息利用率得到提高。

4 結論

目前，實行成像性能檢測一方面由于受到測試模體的限制，只能反映出最基本的成像性能，而不能反映出數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)的真實成像性能；另一方面由于采取的是主觀指標，受到測試者主觀影響較大。這種成像性能檢測只能定性判斷而不能定量測試，因此無法保障DR升級后為醫(yī)生診斷提供可靠依據(jù)以及減少假陽性與假陰性的概率。

DQE指標具備評價X射線傳換成圖像信息的能力，利用該指標可以綜合評價基于平板探測器DR升級方案的質(zhì)量[7-9]。國際電工委員會(IEC)制定了一個標準來統(tǒng)一量子轉(zhuǎn)換效率的測量過程，即IEC 62220-1標準，其對應國內(nèi)醫(yī)藥標準為YY/T 0590.1-2005。DQE反映了一定劑量的X射線所產(chǎn)生的光子數(shù)經(jīng)過數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)所成的圖像有用信息與入射光子數(shù)的比例關系[10-11]。具有較高DQE的成像系統(tǒng)能夠以更低的劑量獲得更優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。DQE和高空間效率的高MTF一樣，會因系統(tǒng)噪聲而看不到小目標。系統(tǒng)若能加強信號并降低噪聲則可增加小組織的可見度。DQE值越高，X射線的轉(zhuǎn)化效率越高，圖像的信息利用率相應越高[12-13]。較高的DQE表現(xiàn)了DR系統(tǒng)在低入射劑量條件下獲得高質(zhì)量影像的能力，其涉及到DR探測器的靈敏度、線性、噪聲劑量及MTF等多項參數(shù)，使用DQE作為DR升級以及數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)檢測方法，可將數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)的整個過程考慮成一個有機的整體，綜合評估數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)，并能夠真實客觀地反映數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)，解決現(xiàn)行檢定過程中所遇到的問題[14-15]。

目前，對于DR升級方案中針對不同平板探測器的性能檢測，尚缺乏統(tǒng)一的客觀評價指標。DQE檢測結果可作為國內(nèi)關于數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)計量檢測中的客觀性指標。利用DQE檢測的數(shù)據(jù)可為各大醫(yī)院DR升級后的質(zhì)量控制提供同種產(chǎn)品不同時間周期以及不同產(chǎn)品同一時間周期的數(shù)據(jù)比較。這些比較數(shù)據(jù)不僅可為各大醫(yī)院現(xiàn)存的DR升級以及以后購置數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)提供參考，還可為醫(yī)院數(shù)字化X射線攝影的質(zhì)量控制提供技術依據(jù)。

國內(nèi)醫(yī)用普通攝影數(shù)字化X射線影像探測器的醫(yī)藥標準YY/T 0933-2014已制定，同時可作為國內(nèi)外DR生產(chǎn)廠商準入市場的檢測標準，指導醫(yī)療器械質(zhì)量控制體系對醫(yī)院DR設備的日常維護檢測。DQE檢測不僅能夠監(jiān)測在用數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)工作狀況，為醫(yī)院質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支持，而且有助于發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)制造廠商與國外制造商之間的技術差距，為國產(chǎn)數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術支持。

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The application of testing DQE in upgrading of DR based on flat panel detector

ZHAOQing-jun
China Medical Equipment,2015,12(8)∶17-20.

Objective∶ To discuss the test methods and the application value of detective quantum efficiency (DQE) in upgrading of DR based on flat panel detector(FPD). Methods∶Combining the dose of incident X-rays with the image brought by flat panel detector. According to the international electrotechnical commission IEC 62220-1 standard method, the tungsten imaging,and combined with the relationship between the FPD and incident X-ray air kerma, using DQEPro equipment and software to calculate the result of the three different types of FPD. Results∶ The experiment proves that the basic performance of flat panel detector is known definitely by testing the DQE. DQE can reflect the quality of imaging performance in different types of flat-panel detector. Conclusion∶ The upgrading of DR based on flat panel detector and the DQE testing can be a better technical basis for DR measurement performance, then it can be ensure the quality of DR upgraded in diagnostic imaging.

DR system; Flat panel detector; Upgrade; Detective quantum efficiency

1672-8270(2015)08-0017-04

R197.39

A

趙慶軍,男,(1965- ),碩士，高級工程師。總后勤部衛(wèi)生部藥品儀器檢驗所放射儀器檢測室主任、全軍大型醫(yī)療設備應用質(zhì)量檢測與研究中心主任，從事大型醫(yī)療設備質(zhì)量管理與控制及衛(wèi)生裝備研制工作。

2015-04-09

軍事醫(yī)學計量科研專項(2011-JL3-016)“軍隊大型醫(yī)療設備遠程監(jiān)督管理系統(tǒng)研究”

①總后勤部衛(wèi)生部藥品儀器檢驗所放射儀器檢測室 北京 100071