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影像学与特种医学

2021-02-04 11:36:23教学总结
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数字化X线摄影双能量减影技术在喉部肿瘤中的应用

作者:朱银民 唐 震 施玲华 龚海艇【摘要】? 目的 探讨数字化X线摄影中双能量减影技术检查喉部肿瘤的价值。结论 常规DR由于受周围骨组织及软组织遮挡对喉部病变显示较差,初次检查时极易误漏诊病变,从而延误病情,双能量减影技术可以有效地去除骨组织及软组织的影响,并通过多种后处理技术使病变更清晰显示,这项技术的应用有望提高普通放射学对喉部肿瘤的初查诊断率,有利于临床进一步检查和治疗

因为胸部X射线摄影价格低、辐射量少,所以它仍然是放射诊断学中最常用的工具。然而,胸部X射线摄影在肺部小结节的检测中敏感性相对较差。以前有作者指出覆盖于其上的骨骼结构会使肺部病变显示不清[1,2]。运用双能(DE)技术可能降低解剖噪音来源。双能技术采用两套不同效应的能源。由于在高能和低能曝光水平之间骨骼及软组织弱化中存在的相对差异,那么有可能计算出已经消除了骨骼及软组织的图像。

众多研究组织已发展评估了以下两种方法:单一曝光技术及双曝光技术。在单一曝光技术中,采用一次X射线曝光去照射两个叠加的探测器,中间可由一个滤波器隔开。而在双曝光技术中-如本研究中所描述的那样,是采用两套独立的曝光水平:对同一探测器先后使用高能和低能曝光[3]。

在以前的研究中,已证实使用运用了存储荧光板或荧光/光电二极管探测器的DE技术检测单个肺部结节和胸部钙化灶具有优势[2、4、5]。尽管结果喜人,但由于其图像质量不一或处理加工图像不易,这些系统还没有得到广泛认同[4、5、6]。

  数字化X射线摄影(Digital Radiography,DR)是由探测器、扫描控制器、系统控制器、系统控制器、影像监示器组成的X线数字化采集系统。广义上的DR包括数字化X线机、基于增感屏+CCD的DR、基于平板探测器(Plat Panel Detector,PPD)的DR、基于线阵扫描的DR等等。根据探测技术不同DR系统分为直接数字化摄影系统(Direct Digit Radiography,DDR)和间接数字化摄影系统(Indirect Digit Radiography,IDR)。DDR是指采用平板探测器技术直接将X线光子转换为数字信息的摄影系统,这是狭义的数字化X射线摄影技术。数字摄影双能量减影(Dual Energy Subtraction,DES)就是基于这一技术实现的。

  减影(Subtraction Image,SI)的概念早在1925年即被提出,1934年Ziedesdes plantes发明了胶片减影的方法,1978年Winsconsin大学课题组织设计出数字影像处理器[1]。1980年数字影像的奠基人Mistretta宣告了数字减影血管造影(Digit Subtraction Angiography,DSA)研究成功。DSA这一表述为自身进行确切定义的的同时也含露出其应用的缺憾――它不能减影并分离出血管以外的组织影像,如从软组织中分离骨组织影像。这一难题启动了双能量减影技术的研究,它的技术核心是应用两种X射线光量子进行摄影,该技术早在1983年与胸片数字化技术研究的同时就进行了临床应用研究。但这时的数字化X射线摄影由于其影像空间分辨率低下,限定了减影技术的临床应用的范围。进入新世纪以来,伴随着非晶硒(aSe)平板探测器DR的发明,双能量减影技术临床应用研究正在其深度和广度上焕然一新[2~4]。

  1? 非晶晒平板探测器DR原理

  非晶晒(aSe)平板探测器DR克服了前一代空间分辨率低的弊端,这种技术利用光导半导体材料俘获入射的X线光子,直接将接收到的X线光子转换成电荷,再由薄膜晶体管(TFT)阵列将产生的电信号读出即可获得数字化的X射线影像[5],这种工作方式的最大优点是完全克服了非直接转换技术探测器由增感屏或闪烁体中的光线散射造成的图像模糊效应,因而有非常高的空间分辨率。

  当入射人体的X线光子受到不同组织的吸收衰减,最后作用于电子暗合的硒层上,由于X线强弱不同,硒层光导体按吸收X线能量的大小产生成比例的正负电荷对,顶层电极与积电矩阵间的高电压在硒层产生电场,使正负电荷相分离,正电荷移向积电矩阵直至储存于薄膜晶体管内的电容器,矩阵电容器所存的电荷与X线强度成正比,这些电荷信号被存储在TFT的极间电容上。每个TFT和电容就形成一个像素单元,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。从而保证扫描电路按顺序逐一读取每个矩阵电容单元的电荷,并将电信号转换为数字信号进一步形成图像。直接转换技术彻底避免了非直接转换技术中可见光散射效应。

  2? 双能量减影技术原理

  诊断性X线摄片所使用的是低能X线束,它在穿行人体组织的过程中,主要发生光电吸收效应和康普顿散射效应,光电吸收效应的强度与被照射物质的原子量呈正相关,是钙、骨骼、碘造影剂等高密度物质衰减X线光子能量的主要方式。康普顿散射效应与被照射物质的原子量无关,与组织的电子密度呈函数关系,主要发生于软组织。常规X线摄片所得到的图像中包含上述两种衰减效应的综合信息。双能量减影摄片利用了骨与软组织对X线光子的能量衰减方式不同,以及不同原子量的物质的光电吸收效应差别,这种衰减和吸收的差异在不同能量的X线束的衰减强度变化中反映更为强烈,而康普顿散射效应的强度在很能大范围内与入射X线的能量无关可忽略不计,利用数字摄影将两种吸收效应的信息进行分离,选择性去除骨或软组织的衰减信息,进而获得能够体现组织化学成分的组织特性图像――纯粹的软组织像和骨组织像,即为双能量减影机制。

  3? 双能量减影摄片方法

  31? 两次曝光法? 两次曝光法指用不同的X线输出能量(kVp)对被摄物体进行两次独立曝光,得到两幅图像或数据,将其进行图像减影或数据分离整合分别重建为软组织密度像、骨密度像和普通胸片的方法[4~7]。所采用的低能X线峰值在60~85 kVp,高能X线峰值为120~140 kVp。胸部双能量减影的研究是从两次曝光法开始的[5,6],后来应用于胶片增感屏系统、扫描投影摄片系统(scanned projection radiography,SPR)、计算机胸片系统(computed radiography,CR)和数字化胸片系统(digital radiography,DR),但大多只是研究性质的报道,基本上没有用于临床,主要受限于两次曝光时间差难以缩短至所需范围,难以消除两次曝光间被摄物体运动位移所导致两图像间的误编码[4~7]。直到直接数字化胸片系统(direct digital radiography,DDR)问世后这一问题才得到有效解决。由于该系统使用高速数字化平板探测器(digital flat panel detector,DFP),两次曝光间的时间差可缩短到200 ms,病人一次屏气可完成检查,在很大程度上减少了误编码,同时由于该系统量子检测效率(detectable quantum efficiency,DQE)高,能量分离的范围大,在不降低质量的前提下,低能及高能X线输出量降为60~80 kVp和110~150 kVp。特别是DFP将采集的信息直接变成可视图像,因而成为胸部X线摄片便捷有效的检查方法[8]。

  32? 一次曝光法双能量减影摄片? 一次曝光法是对穿过被曝光物体后剩余的X光子进行能量分离,得出两幅能量不同的图像。该方法最初是为了消除两次曝光法的误编码问题,由Speller等在1983年首次提出,他们是在特制的暗盒内迭放两套胶片增感屏系统,两者之间用铜滤板分隔,较低能量的X线在前方的胶片成像,而较高能量的X线穿过滤板成像于后方的胶片,从而实现能量分离[2]。Barnes等和Ishigakei等分别将一次曝光法应用于各种CR胸部摄片系统,用双层影像板取代双胶片增感屏系统,其信息的后处理功能使图像质量提高[9,10]。在而后20年间一次曝光法在DR胸部摄影的应用有了长足发展,各种形式的能量探测器陆续应用于临床[11]。

  33? 两次曝光法与一次曝光法的比较? 两次曝光法的优点是能量差大、所产生的双能量减影图像上残留的组织对比好、图像信噪比高,但两次曝光之间因呼吸、心跳、移位等导致误编码是其最大的弱点,此外短时间内交替输出高、低两种能量X线束对球管要求高、损耗也大、病人的辐射量亦有所增加。一次曝光法虽然没有图像错位的误编码问题,但能量分离效果远不如两次曝光法,所获图像残留的组织对比差、信噪比低。虽然在理论上增加曝光条件可提高能量分离的幅度、减少量子噪声斑点,但当曝光量增大至一定程度后,影像板的噪声与曝光量不再相关,而且曝光条件过高还会增加散射所致的杂影。有的研究者推断,如果使一次曝光法双能减影图像的信噪比与两次曝光法的相当,其X线曝光量需提高16倍[4]。物理学家Ho等的研究表明,在共有条件一致的前提下,140 kVp一次曝光法的能量分离幅度只有70/140 kVp两次曝光法的50%,所得减影图像的残留组织对比度只有后者的50%左右,图像的信噪比只为后者的43%[7]。Barnes等的研究也得出类似的结论[9]。

  4? 双能量减影数字化胸片的临床价值

  41? 提高检出钙化的敏感性和准确性? 众所周知,检出钙化是诊断肺良性结节的可*影像学征象之一。有钙化的结节在双能减影的骨像上呈现影像,而在软组织像上全部或部分消失;不含钙化的结节在软组织像上清楚显示,而在骨像上消失。Kruger等经理论推导和实验印证指出,双能量减影所获的骨像对相当厚度(至少是116 cm)软组织的变化不敏感,而检出钙化的敏感性和准确性却非常高,能检出125mg/cm3以上的含钙量。Fraser等报道用双能减影法检出钙化性肺结节13例和12例,其中分别有8例和3例在常规胸片上不能判断有无钙化[11,12],他们对其中的2例进行了手术切除标本浸泡化学分析,所得出的钙含量与在双能减影骨像上测量换算出的钙含量非常相近[12]。Kelcz等的研究表明,双能减影胸片能使医生们肯定或否定肺结节含有钙化的信心大为增加,将使经验不足的青年医师获益[1]。

  42? 增高肺结节的检出率? 胸片是早期检出肺结节的基本影像手段,但常规胸片对单发肺结节(solitary pulmonary nodule,SPN)的假阴性率高达18%~32%,且近30年来无明显改善[13]。双能量减影由于去除了骨性胸廓的干扰,对肺结节的检出率较普通胸片有所提高,实验模型和临床病例研究都表明其差别有显著的统计学意义[1,13]。Kelcz等还观察到,位于与肋骨无重叠的肺野内的个别小结节,在减影后软组织像上的可辨认性不如常规胸片,认为是由于减影使残留软组织对比度减低所致,提示阅读能量减影片时要注意与普通胸片相结合[1]。最近的报道亦指出双能量减影胸片,尤其是与机算机辅助诊断系统(computeraided diagnosis,CAD)相结合时,对肺结节的检出率增高,但应注意与常规的胸片的结合,以减少假阴性发生[14~17],还有作者提出在检出低对比度的肺结节(非钙化密度浅淡的结节)时,双能减影胸片应与常规胸片相引证[18]。

  双能量减影胸部摄片是一种在近二十余年来不断发展和完善的技术,近几年广泛应用于临床。作为胸片的另一种形式,有效提高肺内小结节的检出率并增加了鉴别诊断可信度;作为胸片诊断的载体开始与计算机辅助诊断相结合;有的研究者前瞻性推测利用能量减影对不同组织分离的可行性。当然对这一技术的价格/性能比,以及与其它影像学检查的互补性评估,还有待设计更完善的临床研究方法予以证实。总之,能量减影这一课题将伴随着新技术发展赋予更新鲜的内容。

  双能量减影摄影技术(DE)是一种较为先进的X线检查方法,核心技术主要是在数字减影血管造影(DSA)检查中,用于普通的胸腹部摄影的一种新的检查技术。

 只经过一次采集,两次曝光,即得出三幅不同的“骨肉分离”图像,其优势在于能发现微细结节、钙化等病变,对于肺内结节性病变及气道病变等定性定位,腹部检查去除重叠的肠气及内容物干扰,从而提高病变检出率。是一种方便、快捷且很有应用价值的新的X线检查方法。

DE的基本原理:

DE以往主要在DSA系统中使用,是利用碘在33kV能级时对衰减曲线发生跃变,衰减系数突然变大,而软组织衰减曲线则是连续的,且能量越大,衰减系数越小。若将一块含骨、软组织、空气和微量碘的组织分别用能量略低于和略高于33kV 的X线曝光,则后一影像比前一副影像的碘信号大约减少80%,骨信号大约减少40%,软组织信号减少约25%,气体则在2 个能级上几乎不衰减。若将这两幅影像相减,所得的影像将有效地消除气体影,保留少量软组织影及明显的骨影和碘信号。

 若将130kV 时采集的影像用约1.33的系数加权再减影,能很好地消除软组织和气体影,仅留下较少的骨信号及明显的碘信号。DR能量减影用于胸部摄影是近来一种新的检查技术,在200ms内分别以低千伏和高千伏(分别为70kV 和130kV)2次曝光,根据人体体型及被检查部位厚度不同,高千伏可以选择范围为110~150kVp(峰值 kV),低千伏可以选择范

围为60~80kVp。

 通过后处理同时提供三幅影像(标准影像、软组织影像、骨骼影像),所以俗称“骨肉分离技术”。骨骼影像适用于肋骨骨折以及肺部结节内钙化的显示,软组织影像可去除肋骨等骨性结构,使肺实变和结节影得以更好地显现。从原理上看,能量减影是一种较好的减影方法,但在实施中要求管电压能在两种能量之间进行高速切换,增加了X线机的复杂性,普通X线机不能采用这种方法。

DE技术诊断价值:

(1)软组织图像,增加肺结节的检出率,更好地显示气管支气管异常,颈部软组织图像信息丰富,对不透线的上呼吸道异物提高了检测率;更好地显示肺部血管异常,提高病灶检查的敏感性。

(2)骨组织图像,显示钙化灶以鉴别结节的良恶性,更好地显示肋骨病变及骨转移灶,提高了病灶检查的特异性。

(3)DR检查加DE检查技术,具有明显的技术优势,DR检查影像清晰、层次丰富、解剖细节显示好、成像速度快,大平板探测器(43cm × 43cm),直观腹平片包含的泌尿系统全貌图像,各项都能满足各种体型患者需要。

DE的检查技术:

(1)检查时应注意向患者交代检查中的注意事项,并进行深吸气后屏气训练,同时还要注意一下几个方面。

 ①选择适当的体型参数;②选择适当的千伏与毫安秒值;③曝光时不能移动或呼吸。DE摄影需要在200ms内先后用低千伏和高千伏两次分别曝光,要求两幅图像尽可能一致才能达到满意的减影效果。另外技术人员相对固定可提高DE摄影的影像质量。

(2)目前正提倡低剂量检查,以尽量减少对患者的辐射,并不提倡将DE检查技术作为常规检查要求,但对于疑似病例应用此项新检查技术,为医生提供更丰富的诊断信息,增强

诊断信心,可实现广泛的临床应用价值

 双能量减影摄影技术(dual engerge subtraction,DE)是一种较为先进的X线检查方法,核心技术主要是在数字减影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)检查中,用于普通的胸腹部摄影的一种新的检查技术,仅见用于胸部检查的个别报道[1]。只经过一次采集,两次曝光,即得出三幅不同的“骨肉分离”图像,其优势在于能发现微细结节、钙化等病变,对于肺内结节性病变及气道病变等定性定位,腹部检查去除重叠的肠气及内容物干扰,从而提高病变检出率。是一种方便、快捷且很有应用价值的新的X线检查方法。

1. DE的基本原理:DE以往主要在DSA系统中使用,是利用碘在33 kV能级时对衰减曲线发生跃变,衰减系数突然变大,而软组织衰减曲线则是连续的,且能量越大,衰减系数越小。若将一块含骨、软组织、空气和微量碘的组织分别用能量略低于和略高于33 kV的X线曝光,则后一影像比前一副影像的碘信号大约减少80%,骨信号大约减少40%,软组织信号减少约25%,气体则在2个能级上几乎不衰减。若将这两幅影像相减,所得的影像将有效地消除气体影,保留少量软组织影及明显的骨影和碘信号。若将130 kV时采集的影像用约1.33的系数加权后再减影,能很好地消除软组织和气体影,仅留下较少的骨信号及明显的碘信号[3-4]。

 DR能量减影用于胸部摄影是近来一种新的检查技术,在200 ms内分别以低千伏和高千伏(分别为70 kV 和130 kV)2次曝光,根据人体体型及被检查部位厚度不同,高千伏可以选择范围为110~150 kVp(峰值kV),低千伏可以选择范围为60~80 kVp。通过后处理同时提供三幅影像(标准影像、软组织影像、骨骼影像),所以俗称“骨肉分离技术”。骨骼影像适用于肋骨骨折以及肺部结节内钙化的显示,软组织影像可去除肋骨等骨性结构,使肺实变和结节影得以更好地显现。从原理上看,能量减影是一种较好的减影方法,但在实施中要求管电压能在两种能量之间进行高速切换,增加了X线机的复杂性,普通X线机不能采用这种方法。

  2. DE技术诊断价值:(1)软组织图像,增加肺结节的检出率,更好地显示气管支气管异常,颈部软组织图像信息丰富,对不透线的上呼吸道异物提高了检测率;更好地显示肺部血管异常,提高病灶检查的敏感性。(2)骨组织图像,显示钙化灶以鉴别结节的良恶性,更好地显示肋骨病变及骨转移灶,提高了病灶检查的特异性。(3)DR检查加DE检查技术,具有明显的技术优势,DR检查影像清晰、层次丰富、解剖细节显示好、成像速度快,大平板探测器(43 cm×43 cm),直观腹平片包含的泌尿系统全貌图像,各项都能满足各种体型患者需要[5-6]。