膠片與紙介質(zhì)應用于醫(yī)學影像記錄的評析

馬力，曹厚德

1.上海市普陀區(qū)中心醫(yī)院 設備科，上海 200062；2.復旦大學附屬華山醫(yī)院靜安分院 影像科，上海 200003

膠片與紙介質(zhì)應用于醫(yī)學影像記錄的評析

馬力1，曹厚德2

1.上海市普陀區(qū)中心醫(yī)院 設備科，上海 200062；2.復旦大學附屬華山醫(yī)院靜安分院 影像科，上海 200003

隨著醫(yī)學信息技術的快速發(fā)展，部分醫(yī)療機構開始應用紙介質(zhì)取代原有的膠片作為醫(yī)學影像記錄介質(zhì)。本文以兩種介質(zhì)的成像原理、硬拷貝的圖像質(zhì)量評價與分析為出發(fā)點，綜合分析了兩種方式的技術特點、成像水平，為臨床應用提供參考。

記錄介質(zhì)；硬拷貝；醫(yī)用膠片；紙質(zhì)介質(zhì)

硬拷貝醫(yī)療影像的記錄方式還將在臨床工作中廣泛使用一段時間，目前硬拷貝的記錄介質(zhì)主要包括傳統(tǒng)的膠片介質(zhì)和新興的紙質(zhì)介質(zhì)。本文從技術原理方面對兩種介質(zhì)進行對比分析與介紹，以便臨床工作中更好的選擇和使用合適的介質(zhì)。

硬拷貝照相機是指利用成像系統(tǒng)提供的輸入信號，在“材料片”上產(chǎn)生不可擦除圖像的裝置，此“材料片”在影像技術學中稱為記錄介質(zhì)。硬拷貝照相機的主要評價指標是空間分辨率和對比度分辨率（閾值對比度）[1-3]。空間分辨率指將點源圖像的計數(shù)密度分布集中到一點的能力，在醫(yī)療影像領域，空間分辨率指影像設備在給定背景和對比度水平下所能檢測到最小細節(jié)的能力。對比度分辨率（閾值對比度）指在圖像的整個動態(tài)范圍內(nèi)，給定尺寸細節(jié)結構的被檢物體和背景產(chǎn)生明顯差異的最小對比度水平，用于低對比結構影像測定。

1 膠片和紙介質(zhì)成像技術原理

醫(yī)用膠片的記錄方式已被應用了100多年，它以X射線作為采集影像信息的信息源，以增感屏/感光膠片作為記錄影像信息的媒介，通過化學沖洗加工放大潛影，獲得模擬影像。近十幾年，隨著數(shù)字化和成像技術的進步，影像信息記錄介質(zhì)也發(fā)生了新的變化，除了常用的醫(yī)用膠片介質(zhì)外，紙質(zhì)介質(zhì)也逐步在醫(yī)療中獲得應用,這兩種記錄方式在成像方式和原理上有很大區(qū)別[4]。

1.1 醫(yī)用膠片成像技術原理

在醫(yī)療影像設備中，常用的干式成像技術輸出的圖像是連續(xù)色調(diào)圖像，即每一個輸出點均可以根據(jù)圖像的灰階值輸出不同的密度值[5]。連續(xù)色調(diào)圖像指圖像的色調(diào)在變化過程中可以連續(xù)的變化，包括深淺變化與顏色變化，圖像中每個點都能正確地再現(xiàn)景物的階調(diào)層次與色彩，在表現(xiàn)層次的變化時沒有間隙。在醫(yī)療影像領域，目前的醫(yī)用膠片打印機即是連續(xù)色調(diào)圖像的輸出設備，每一個打印點（Dot）均可以顯示4096級灰階中的任何一種灰階度，換言之，一個像素數(shù)目（ppi）由一個每英寸打印點數(shù)（dpi）所表現(xiàn)。連續(xù)色調(diào)圖像色調(diào)變化的濃淡或深淺是由單位面積成像物質(zhì)顆粒密度構成的。醫(yī)用膠片的連續(xù)色調(diào)，是在單位面積內(nèi)由金屬銀顆粒密度構成的，連續(xù)色調(diào)圖像的深淺變化是無級的。

目前在醫(yī)療影像中，醫(yī)用膠片輸出設備主要包括光敏熱成像（Photothermographic，PTG）和非光敏性成像（Thermographic，TG）兩種，即通常所說的激光熱成像技術與直接式熱敏成像技術。PTG成像技術以羧酸銀和鹵化銀為成像物質(zhì)基礎，TG成像技術以羧酸銀為成像物質(zhì)基礎。羧酸銀本身不感光，但它在直接加熱的情況下可以發(fā)生還原反應并根據(jù)溫度的差異而形成不同密度。在PTG成像技術中，羧酸銀是形成PTG材料銀影像的銀離子供應源，約占涂層銀量的90%左右。目前最常用的羧酸銀為山崳酸銀，此外還有硬脂酸銀、花生酸銀等。

羧酸銀中研究最多的是硬脂酸銀。研究發(fā)現(xiàn)，硬脂酸銀是一種八元環(huán)的二聚體單元結構，[Ag(O2CXH2X-1)]2單元內(nèi)的兩個硬脂酸銀分子之間通過共用銀離子與羧酸離子成鍵后形成八元環(huán)的二聚體結構，Ag-O間是共價鍵；二聚體單元間通過較弱的Ag-O配位鍵相連形成長鏈的（聚合型）晶體，具有二維平面結構；形成的長鏈聚合體的鏈與鏈之間又通過范德華力的作用，使有機酸銀中長鏈烷基彼此靠近，形成多層結構，最終形成一種具有板狀結構的有機羧酸銀晶體。羧酸銀一般熱分解溫度在200 ℃以上，但由于晶體缺陷、雜質(zhì)和碳鏈長度變化等原因，分解溫度相對要低于此溫度，約為150 ℃，熱分解產(chǎn)物是游離脂肪酸和金屬銀。羧酸銀二聚體[Ag(O2CXH2X-1)]2的熱穩(wěn)定性是鏈長的函數(shù)，即隨鏈長的增加其分解溫度提高。羧酸銀在常溫下為結晶體，在110～120 ℃附近發(fā)生非晶質(zhì)狀態(tài)相變，這種特性使硬脂酸銀在熱顯影溫度下能夠成為銀離子供體，而在常溫條件下適合保存。

1.2 紙質(zhì)介質(zhì)成像技術原理

紙質(zhì)介質(zhì)成像技術是近年發(fā)展起來的技術，從臨床應用開始，該技術就存在很大爭議。紙質(zhì)介質(zhì)為半色調(diào)輸出，通過調(diào)頻和調(diào)幅來完成[6-7]。半色調(diào)是按照加網(wǎng)的方法，網(wǎng)點分為調(diào)幅網(wǎng)點（Amplitude Modulation Screening）和調(diào)頻網(wǎng)點（Frequency Modulation Screening）。

調(diào)幅網(wǎng)點是以點的大小改變來表現(xiàn)圖像的層次，點間距固定；調(diào)頻網(wǎng)點以點的疏密來表現(xiàn)圖像的層次。調(diào)幅加網(wǎng)技術是以網(wǎng)格中心元素為基礎，相鄰兩網(wǎng)點的中心距離不變，網(wǎng)點的排列遵循一定的規(guī)律，網(wǎng)點形狀是人為設計的。像素值的大小控制著網(wǎng)點面積的大小，它在加網(wǎng)網(wǎng)點數(shù)目不變的情況下，以改變網(wǎng)點的大小來表達圖像層次的深和淺。調(diào)頻加網(wǎng)的網(wǎng)點大小是固定的，當輸出設備的分辨率為2400 dpi時，最小網(wǎng)點的直徑約為10.5 μm（1/2400 inch）。

半色調(diào)圖像表現(xiàn)的色調(diào)遠小于連續(xù)色調(diào)圖像，其通過網(wǎng)點的大小或疏密表達圖像層次與色彩的變化。由于網(wǎng)點在空間上呈離散型分布，具有一定的距離，并且由于加網(wǎng)的級數(shù)總有一定的限制，半色調(diào)圖像不能像連續(xù)色調(diào)圖像一樣實現(xiàn)無級變化。目前的非連續(xù)色調(diào)打印機，包括彩色噴墨打印機、家用激光打印機等，所打印的每一個最小點并不能表現(xiàn)出完整的灰階層次，也即一個ppi由多個dpi所表現(xiàn)。

2 硬拷貝的圖像質(zhì)量評價與分析

硬拷貝的影像質(zhì)量可以從多方面進行評估，其中最重要的參數(shù)是圖像空間分辨率和對比度分辨率[8-10]。

2.1 醫(yī)用膠片輸出設備的空間分辨率和對比度分辨率

醫(yī)用膠片輸出設備所生產(chǎn)的圖像是連續(xù)調(diào)色圖像，每一個輸出點均可以根據(jù)實際的像素灰階值生成相對應的密度值。即每一個點都可以表現(xiàn)從0到4095的任一灰階值，因此在膠片輸出設備中，dpi等同于ppi。

目前的醫(yī)療膠片輸出設備一般分為為320 dpi（ppi）、325 dpi（ppi）、508 dpi（ppi）和650 dpi（ppi）四種。以空間分辨率最低的320 dpi（ppi）為例，其每個點的像素尺寸為79 μm，即其可以達到的極限空間分辨率為79 μm（6.33 LP/mm）。

2.2 醫(yī)療紙質(zhì)輸出設備的空間分辨率和對比度分辨率

醫(yī)療紙質(zhì)輸出設備所產(chǎn)生的圖像是半色調(diào)圖像，是通過調(diào)頻調(diào)幅來生成圖像的，因此需要相應數(shù)量的點來表現(xiàn)不同的密度和對比度。換言之，根據(jù)不同的灰階輸出需求，需要相應數(shù)量的“點”來表現(xiàn)。例如，當需要表現(xiàn)出4096級灰階時，就至少需要4095個點來表現(xiàn)，即64×64的點矩陣僅表現(xiàn)出一個像素。

從上述分析可見，如需同時表現(xiàn)出320 ppi和4096級灰階的輸出要求，就需要達到320×64即20480 dpi，目前的設備遠無法達到如此高的dpi。目前主流的醫(yī)療紙質(zhì)輸出設備的dpi一般在2400左右。如果要滿足每個像素4096級灰階的輸出要求，實際ppi通過以上分析進行計算：每一個像素需要64×64的點矩陣完成顯示，那么實際ppi=2400÷64≈38。接下來再計算實際的分辨率，實際的像素分辨率=2.54 in÷38=668 μm。核算成近似的線對數(shù)：線對數(shù)=1000 μm÷668 μm÷2=0.75 LP/mm，遠遠無法滿足醫(yī)療的需求。在實際工作中，圖像的表現(xiàn)比計算結果要好很多，其原因為：由于人眼對灰度的分辨率一般為64級，一般目前的醫(yī)療紙質(zhì)輸出設備采用的也是這種輸出灰度級，即僅用8×8的矩陣（64級灰階）就顯示了一個4096級灰階的像素。這樣它的分辨率為2400÷8=300 ppi，即每個像素尺寸為84.7 μm，相應的空間分辨率為1000 μm÷84.7 μm÷2=5.92 LP/mm。這接近于醫(yī)療膠片輸出設備的空間分辨率，但是這種輸出方式試圖應用64級灰階表現(xiàn)4096級灰階，實際上失去了約90%以上的圖像信息。

另外也有一些廠商采用了256級灰階的輸出方式，即16×16的點矩陣，試圖達到灰階和空間分辨率間的平衡。這樣它的分辨率為2400÷16=150 ppi，即每個像素尺寸為169 μm，相應的空間分辨率為1000 μm÷169 μm÷2=2.96LP/mm。這樣實際上是應用256級灰階表現(xiàn)了4096級灰階，同時的空間分辨率為2.96 LP/mm，同樣也丟失了大量的信息。

2.3 動態(tài)范圍

動態(tài)范圍表示所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。動態(tài)范圍越大，所能表現(xiàn)的層次越豐富，同時記錄的暗部細節(jié)和亮度細節(jié)越豐富。膠片和紙介質(zhì)的動態(tài)范圍對比，見圖1。通過對比可知膠片影像輸出的動態(tài)范圍遠大于紙介質(zhì)輸出，可提供更多影像信息。

圖1 紙介質(zhì)與膠片的輸出特性曲線

膠片的最大光學密度值（Dmax）一般大于3.0，乳腺專用膠片的輸出密度可達3.5以上。膠片的最小光學密度值（Dmin）一般在0.2左右，可以顯示更細微的組織結構。紙質(zhì)輸出介質(zhì)（高光相紙）的Dmax一般在2.0～2.3，Dmin一般在0.3～0.4。

由此可以看出，與紙質(zhì)輸出介質(zhì)相比較，膠片具有更大的密度空間顯示，即更大的動態(tài)范圍，可以顯示更多的醫(yī)療組織結構信息。這意味著，膠片介質(zhì)影像可以達到更大的圖像對比度，顯示更多的組織特異性。

3 總結

綜上所述，通過兩種記錄介質(zhì)的不同特性（如動態(tài)范圍、灰度信息、對比度等）對比發(fā)現(xiàn)，記錄醫(yī)療診斷影像信息的最佳介質(zhì)為連續(xù)色調(diào)輸出的膠片。目前紙介質(zhì)輸出設備無論在空間分辨率還是對比度分辨率上，均無法達到醫(yī)療膠片輸出設備的影像質(zhì)量水平，因此在實際應用中需密切注意信息丟失和分辨率低下所引起的漏診和誤診[11-12]。紙介質(zhì)迄今為止尚不能用于精細診斷（原始診斷），只能用于影像參考及病人的信息分享。但隨著圖像重建技術的發(fā)展和三維重組可視化彩色圖像應用的普及，紙介質(zhì)應用于醫(yī)學影像學記錄會發(fā)揮更大價值[13-15]。

[1] Schueller G,Kaindl E,Matzek WK,et al.Image Quality of a Wet Laser Printer Versus a Paper Printer for Full-Field Digital Mammograms[J].AJR,2006,186(1):38-43.

[2] Liang Z,Du X,Guo X,et al.Comparison of dry laser printer versus paper printer in full-field digital mammography[J].Acta Radiol,2010,51(3):235-239.

[3] Bley TA,Kotter E,Saueressig U,et al.Using Receiver Operating Characteristic Methodology to Evaluate the Diagnostic Quality of Radiography on Paper Prints Versus Film[J].AJR,2004,181(6):1487-1490.

[4] 晏磊,周雅,張飛舟.數(shù)字成像技術的歷史、現(xiàn)狀與展望-數(shù)字成像技術進展(一)[J].影像技術,2001,(3):1-6.

[5] 趙書臣,孫曉紅,張風雷,等.干式激光打印機在放射科數(shù)字化影像中的應用體會[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(4):383-384.

[6] 胡寅進,鄭芳,何勝洪,等.醫(yī)學影像紙介質(zhì)膠片打印系統(tǒng)的軟件功能與應用分析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2014,35(2):72-75.

[7] 劉虹,Cathy.DICOM紙質(zhì)醫(yī)療影像輸出方案的應用前景及效益分析[J].醫(yī)學綜述,2007,13(2):150-153.

[8] 王軍清,宋云彩,李志平,等.應用傳統(tǒng)相紙代替部分醫(yī)用X線膠片的探討[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2013,34(3):70-71.

[9] 孟占軍,王洪澤,馬超.醫(yī)用數(shù)字化圖像噴墨打印成像系統(tǒng)[J].信息記錄材料,2015,16(2):41-44.

[10] 胡寅進,鄭芳,何勝洪,等.醫(yī)學影像紙介質(zhì)打印系統(tǒng)原理與應用[J].中國醫(yī)療設備,2013,28(5):63-65.

[11] Choi Y,Kim JK,Lee HS,et al.Influence of intravenous contrast agent on dose calculations of intensity modulated radiation therapy plans for head and neck cancer[J].Radiother Oncol,2006,81(2):158-162.

[12] Buhr E,Gunther-Kohfahl S,Neitzel U.Simple method for modulation transfer function determination of digital imaging detectors from edge images[J].Proceeding of SPIE,2003,6(21):51-56.

[13] McMenamin PG,Quayle MR,McHenry CR,et al.The production of anatomical teaching resources using three-dimensional(3D) printing technology[J].AnatSci Educ,2014,7(6):479-486.

[14] Schmauss D,Haeberle S,Hagl C,et al.Three-dimensional printing in cardiac surgery and interventional cardiology:a single-center experience[J].Eur J Cardiothorac Surg,2015, 47(6):1044-1052.

[15] Bertassoni LE,Cecconi M,Manoharan V,et al.Hydrogel bioprinted microchannel networks for vascularization of tissue engineering constructs[J].Lab Chip,2014,14(13):2202-2211.

Evaluation of Medical Image Recording Using Film or Paper

MA Li1, CAO Hou-de2
1.Department of Equipment, Central Hospital of Shanghai Putuo District, Shanghai 200062, China; 2.Department of Imaging, Jingan Branch of Huashan Hospital Affliated to Fudan University, Shanghai 200003, China

With the rapid development of medical information technology, some medical institutions began to use paper to replace flm as a recording medium. The evaluation of technical characteristics and imaging level of the two kinds of recording media was made in this paper from perspectives of imaging principle and hard copy image quality, which provided good reference for clinical application.

recording medium; hard copy; medical flm; paper media

R445

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.021

1674-1633(2016)06-0084-03

2016-03-01

2016-04-28

作者郵箱：force_ma@163.com