不同DR探測器技術臨床應用價值的分析與探討

畢帆，李斌，曹厚德，涂文勇

1. 上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院 口腔頜面-頭頸腫瘤科，上海 200011；2. 上海交通大學附屬第六人民醫院 醫學裝備處，上海 200233；3. 復旦大學附屬華山醫院 靜安分院 放射科，上海 200040

引言

自1896年德國物理學家倫琴發現X射線以來，人類開始利用人體組織臟器組成和密度的不同，對X射線的吸收效應不同導致的X光穿透量不同來成像。數字化X線攝影技術（Digital Radiography，DR）是近年來醫學影像技術中發展最為迅速且成效最為顯著的技術成就之一，該技術的發展使X線攝影技術進入了一個新的歷史階段。數字化X線攝影技術相較于傳統的X線攝影技術具有較好的圖像質量、較低的輻射劑量、便捷的工作流程和方便靈活的圖像后處理等優勢[1-3]，近年來得到極大發展。DR技術的主要原理是采用探測器將X線直接轉換為數字圖像并進行存儲，后期在工作站上可以根據臨床需求進行各種處理，顯示器上的圖像可直接供醫師進行診斷、會診和報告打印等[4]。該技術的出現使醫院和放射科的數字化進程大大加快，進而降低工作強度、優化工作流程，對實現普通X線攝影的數字化意義重大。

DR系統主要是由高壓發生器、X線球管及支架、平板探測器和系統控制臺等部分組成的。在DR系統中X線轉換成光信號是通過平板探測器來實現的，替代了傳統的屏膠系統，實現了X線信號的數字化，故探測器的類型對圖像的成像質量起著決定性的作用，直接影響DR設備的性能[5-6]。因此探討不同DR探測器技術的臨床應用價值對設備的選型規劃、優勢應用和配置決策都具有重要意義。本文首先探討了DR系統發展至今的各類探測器的基本原理和應用，為了定量定性的判斷不同探測器的臨床應用價值，邀請多領域專家共同參與評估不同DR探測器臨床應用價值，最終以圖形化的方式從不同維度展現了各探測器的臨床應用價值，以期對未來DR設備的臨床應用指導、選型規劃配置和技術研發熱點提供參考。

1 各探測器的原理

1.1 CCD探測器

CCD（Charge Coupled Device）是電荷耦合元件，它是一種半導體材料，可將光學影像轉化為數字信號，廣泛用于各種光電信息處理系統[7]。DR中使用的CCD探測器主要是由閃爍體、光學系統、CCD攝像器及輔助器件組成[8]。閃爍體是由針狀結構的碘化銫晶體板構成的，因為碘化銫的特殊結構可以保證光的垂直傳播和不擴散，且碘化銫是將X線轉換成可見光的最佳物質，這對于采集效率和分辨率的提高具有關鍵性的作用。

CCD探測器具有成像速度快，曝光劑量少等優勢，且對環境溫度要求不高，DR設備的準備時間較短。CCD探測器技術相對非晶硅平板探測器和非晶硒平板探測器出現較早，因而技術較為成熟。醫學影像的形成主要分為兩步，首先是X射線通過閃爍體或熒光體構成的可見光轉換屏產生可見光，然后可見透鏡或光導纖維將可見光圖像送至光學系統，由CCD采集轉換為圖像電信號，最后由A/D轉換器把模擬電信號變為數字信號，輸入計算機進行處理。它的主要技術難點是光能損失和光學鏡頭的幾何失真。CCD探測器區別于平板探測器最大的區別是分立型的結構，專家普遍認為大面積平板采像CCD技術不具有優勢，且CCD設備在圖像質量上較非晶硅/非晶硒平板有一定的差距，但存在一定的價格優勢和較低的售后維修成本[9]。

1.2 多絲正比線掃描探測器

多絲正比線掃描方式的探測器是由中國和俄羅斯科學家共同研究發明的，它的全稱是“多絲正比室一維線掃描技術”，它采用的是狹縫式線掃描技術和高靈敏度的線陣探測器，分辨率可達到2.8 LP/mm，該探測器由X線管、水平狹縫準直板、多絲正比室、機械掃描裝置和圖像存儲處理器組成。其原理是由球管發出的平面扇形X線束穿過人體到達探測器得到一行數據，然后球管和探測器平行自上而下勻速移動，逐行進行掃描，將得到的每一行數據經過計算機處理和重建得到一幅平面的數字圖像。該技術的缺點是曝光時間過長，像素矩陣、空間分辨率等指標都不高。

1.3 非晶硒（直接耦合）平板探測器

非晶硒平板探測器技術[10]又稱直接耦合探測技術，該平板探測器主要是由非晶硒層（amorphous Selenium，a-Se）加上薄膜半導體陣列（Thin Film Transistor Array，TFT）構成的平板檢測器。非晶硒材料是穩定絕緣體，有利于遏制熱載流子噪聲的產生，具有較高的光電吸收系數，可制成大面積均勻的厚膜[11]。該平板探測器的成像原理[12]是X線照射到人體，產生不同程度的衰減。硒層光導體按照吸收X線能量的大小比例產生電子空穴對，在外加偏壓電場的作用下電子和空穴對向相反的方向移動形成電流，電流在薄膜晶體管中形成儲存電荷，電荷量對應X光子的數量和能量。薄膜晶體管負責采集像素，每個像素內包含一個場效應管，該管起開關作用，在控制電路的觸發下讀出像素儲存電荷并按順序傳送到外電路中，最終經A/D轉換獲得數字化圖像。直接耦合平板探測器在根本上避免了間接轉換方式中可見光散射導致的圖像分辨率的下降問題[13]。TFT的尺寸決定了探測器最小像素尺寸的大小，從而決定了圖像空間分辨率的高低。在14”×17”的范圍內像素矩陣為256×3072，每個像素的大小為 139 μm×139 μm[14]。非晶硒平板探測器的制造和使用溫度等環境要求較為苛刻，由于其物理穩定性低，容易被凍出壞點，且成像時間速度較慢。

1.4 非晶硅（間接耦合）平板探測器

非晶硅的平板探測器主要有兩種材料，一種是硫氧化釓（Gd2O2S），另一種是碘化銫（CsI）加上非晶硅薄膜光電二極管再加上薄膜晶體管陣列組成。該平板探測器是間接耦合的平板探測器。其成像原理[15]是當帶人體信號的X線入射到CsI閃爍發光晶體層或Gd2O2S熒光體層，X線光子能量轉化為可見光光子。可見光激發非晶硅薄膜光電二極管產生電荷并儲存在薄膜晶體管陣列電容上，電荷量和與之對應范圍內的入射X線光子能量與數量成正比。最后由掃描控制器讀取電路，將模擬電信號轉為數字信號，獲得數字圖像。該類探測器經歷了X射線-可見光-電荷圖像-數字圖像的成像過程，也被稱為間接轉換型平板探測器。目前主要的生產廠商有法國Trixell、美國GE和Varian公司等。

2 臨床應用價值分析

經過文獻調查法、專家咨詢法和百分權重法建立了由5個一級指標和12個二級指標構成的數字化X線攝影技術的臨床應用價值評價指標體系（表1）。一級指標分別為圖像質量指標、安全性指標、易用性指標、經濟性指標和社會性指標。

表1 DR技術臨床應用價值評價體系

數字化X線攝影技術作為醫學成像的重要組成部分，判斷其應用價值主要是看其圖像質量，決定圖像質量的不僅是平板探測器采用的技術類型，同時還有平板的探測量子效率（Detective Quantum Efficiency，DQE）、采集矩陣、采集灰階、空間分辨率、最小像素尺寸等因素，上述因素對成像質量均很重要。如在相同的圖像尺寸下，采集矩陣越大，像素尺寸越小，圖像分辨率也就越高，細小的組織結構才能更好顯示。平板探測器的有效尺寸將決定受試者是否可以一次曝光成像，如果尺寸過小有可能需要進行兩次曝光，這樣會增加病人的射線輻射量和操作者的勞動強度。以上各項參數對于平板探測器的成像效果都很重要，但在評估探測器的臨床應用價值時應該有一個較為全面的評價模式。如何將平板探測器的物理特性轉換為臨床方面的評價模式成為評價探測器臨床應用價值的一個難點。

為了定量的表示出上述四種探測器技術的臨床應用價值，邀請18名專家對各種探測器技術按照評價體系進行評分，專業領域覆蓋放射技術、醫療器械行業市場、醫學工程技術和廠家技術研發等多領域，專家專業領域覆蓋面較廣，專家結構合理。專家評分采取Likert 5級量表法，保留1位小數。利用Microsoft Office Excel 2016進行統計分析，根據專家對不同DR探測器技術的各項指標評分，對數據進行歸一化加權處理，得到每項技術的綜合評分，分別為：CCD探測器技術3.32分，多絲正比線掃描探測器技術2.72分，非晶硒平板探測器技術3.76分，非晶硅平板探測器技術4.21分。由此制成不同DR探測器技術臨床應用價值的多維度專家評分雷達圖（圖1）。

圖1 不同探測器技術臨床應用價值雷達圖

從總體臨床應用價值來看，平板探測器技術打分較高，非晶硒平板探測器技術和非晶硅平板探測器技術綜合評分分別為3.76和4.21，而多絲正比線掃描探測器技術得到相對較低，僅為2.72。而從圖1所示按照臨床應用價值的12個評價指標雷達圖來看，也可佐證上述觀點，非晶硒平板探測器和非晶硅平板探測器的臨床應用價值較高，CCD探測器的臨床應用價值其次，最低的是多絲正比線掃描探測器。在圖像質量的一級指標所包含的4個二級指標：提高靈敏度（0.069）、提高時間分辨能力（0.075）、提高對比度分辨能力（0.073）和提高空間分辨能力（0.081），平板探測器（非晶硒/非晶硅）的臨床應用價值均優于CCD探測器和多絲正比線掃描探測器技術。

非晶硅平板探測器和非晶硒平板探測器臨床應用價值相當，而CCD探測器技術和多絲正比線掃描技術總體的臨床應用價值較低，特別是多絲正比線掃描技術應用價值最低[16]。這是由該技術的技術特點決定的，多絲正比線掃描技術曝光時間長，空間分辨率低且X線利用效率低，造成病人輻射受照量加大。從其他單個維度來看，圖像質量指標中的四個維度差別較大，其中提高靈敏度維度中非晶硅平板探測器的靈敏度相對較高，多絲正比線掃描探測器靈敏度最低。提高空間分辨能力這一項非晶硒平板探測器和非晶硅平板探測器的評分要明顯高于其他兩者，這也滿足平板探測器具有較好的空間分辨率和密度分辨率。在工程學上評價一款平板探測器的好壞主要是用調制傳遞函數和量子轉換效率來衡量的。如果兩者值均很高，則代表該平板探測器的成像質量能達到較好的空間分辨率和密度分辨率。在易用性指標和社會性指標中，上述四種探測器差別不大。

綜合上述圖表并結合臨床應用，平板探測器技術作為DR技術中較為成熟的技術，自出現以來得到快速發展，其性能高低直接影響成像質量和X線輻射劑量的大小。

3 結論

平板探測器作為DR系統的核心部件，其技術性能直接決定了DR系統的優劣。平板探測器集成度和精密度高，但不同類型的平板探測器由于材料、結構和制造工藝的不同造成DQE和空間分辨率的差異，市場上目前還沒有一款將DQE和空間分辨率都做得很高的平板探測器。故在實際工作中應根據檢查部位的不同來選擇合適類型的平板探測器。對于胸部攝影來說，臨床上主要是觀察和區別不同組織的密度，對密度分辨率要求比較高，故適宜采用非晶硅平板探測器；對于四肢關節和乳腺攝影來說，對細節展示有較高的要求，對空間分辨率要求很好，宜采用非晶硒平板探測器。故當前市場上絕大多數的乳腺專用機均采用非晶硒平板探測器。故在DR設備的選型購置中應根據設備的具體使用部位來選擇探測器，達到優化配置的作用。