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直接数字化放射摄影系统(DR)发展及技术

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直接数字化放射摄影系统(DR)发展及技术

发布日期:2018-03-27 作者:大发快三计划 点击:

直接数字化放射摄影系统(DR)发展及技术 

  依据探测器的构成材料和工作原理,DR主要分为三大技术:CCD、一线扫描、非晶体平板 (非晶硒、非晶硅+碘化铯/非晶硅+氧化钆)。


一、CCD:由于物理局限性,专家们普遍认为大面积平板采像 CCD 技术不胜任,而且CCD设备在图像质量上较非晶硅/硒平板设备有一定差距,但是相对有价格优势;世界上还有几个厂家用此技术如 Swissray。


二、一线扫描:也称一维线扫描技术,由俄罗斯科学院核物理研究所发明,也就是国内中兴航天在生产的DR;有受照剂量低、设备造价相对平板技术更低廉的优点,但也存在成像时间长(数秒)、空间分辨率低(刚推出时是1mm/lp)以及X线使用效率低的致命缺陷;成像质量较差而且病人会接受大量不必要的辐射。


三、非晶平板:非晶硒/非晶硅;主要由非晶硒层(a-Se)/非晶硅层(a-Si)加薄膜半导体阵列 (TFT)构成。

1.a-Si (非晶硅平板探测器) -- 两步数字转换技术,X-光子先变成可见光然后用光电管探测而转化为数字信号。主流厂商包括飞利浦、西门子、 GE等。因为涂层技术不同又分为非晶硅+碘化铯平板和非晶硅+氧化钆平板。

2.a-Se (非晶硒平板探测器) -- 一种所谓直接探测技术,X-光子在硒涂料层变成电信号被探测而直接转化为数字信号。目前世界上只有美国Hologic公司拥有此技术的核心,柯达,国内友通等厂家的DR就使用这种探测器。

DR的技术进步是紧紧与影像板技术的发展相联系的。平板的技术发展体现在两个方面:尺寸的大小及动态反应时间。碘化铯/非晶硅型平板在这两方面都具有其他技术不可比拟的优势,是目前最成熟最主流的技术,目前世界上主要领先厂家都用这种技术。


*碘化铯/非晶硅 ( CsI ) + a-Si + TFT : X 射线入射到 CsI 闪烁发光晶体层时,X 射线光子能量转化为可见光子发射,可见光激发光电二极管产生电流,这电流就在光电二极管自身的电容上积分形成储存电荷;每个象素的储存电荷量和与之对应范围内的入射 X 射线光子能量与数量成正比;成像速度、影像质量、工作效率等综合水平教高。


*氧化钆/非晶硅(Gd2O2S) + a-Si + TFT :工作过程与上相似,只是碘化铯被氧化钆取代;由于技术原因其原始图像为12 Bit/4096灰阶,A/D转换为14Bit;工艺成本较低,但综合技术水平比碘化铯板差。


*非晶硒a-Se+TFT:入射的X 射线光子在硒层中产生电子空穴对,在外加偏压电场作用下,电子和空穴对向相反的方向移动形成电流,电流在薄膜晶体管中积分成为储存电荷;每一个晶体管的储存电荷量对应于入射的 X 射线光子的能量与数量;工艺成本较低,但对入射X线吸收不佳,成像速度及稳定性等综合技术水平较非晶硅平板差。

目前,世界相关专家普遍认可成熟的非晶硅+碘化铯平板探测器技术; Trixell公司生产的平板探测器,因其稳定优秀的成像特质和良好的环境适应性成为DR设备的首选;由于采用世界最佳的平板探测器技术,辅以高质量球管和出色机械性能,加上功能强大的专业级后处理工作站,飞利浦/西门子成为世界公认的DR系统顶级品牌。

1、探测器:对于直接数字化X射线摄影技术来讲,决定其图像质量不仅仅是平板所采用的技术类型,同时还有平板的DQE、采集矩阵、采集灰阶、空间分辨率、最小像素尺寸等重要因素,每个因素都很重要;在相同的图像尺寸时,采集矩阵越大,像素尺寸越小,图像分辨率越高,细小组织结构才能更好显示。

(1)材料/技术类型:碘化铯/非晶硅为主流;其中以Trixell平板为最佳。

(2)有效尺寸:主流为17×17in或14×17in;17×17in可满足99%的病人包扩体胖病人,可一次暴光成像;而14×17in有23%的病人不能满足,需二次曝光,增加病人射线损伤, 增加技术人员工作强度。

(3)像素矩阵:主流为2.5K×3K或3K×3K。

(4)像素尺寸:143μm/200μm;像素尺寸大小直接影响图像细腻度。

(5)空间分辨率:决定因素是探测器的尺寸和量子噪声,这从物理意义上是决定因素 (当然从软件上可以内插算法得到更小的像素数,但这不是真实的像的信号,是推算的结果);此外,射线的质量是一个不可忽视的因数。所有平板中Trixell平板尺寸最大,量子噪声最小。

(6)灰阶:主流是14 Bit/16,384灰阶,只有Canon等少数公司的探测板为原始图像为12 Bit/4096灰阶,A/D转换为14Bit。

(7)探测量子效率(DQE):是输入信号转导成输出信号的效率,高探测量子效率是潜在剂量降低的基础。数字平板探测板都具有的特性是相对于屏-片X线摄影都有较高的DQE。同等放射剂量下,非晶硒的DQE比非晶硅的低;非晶硅探测板在剂量降低上优于非晶硒探测板。

(8)外接装置:是否需要水冷装置或其他装置

2、球管:射线质量和寿命;

(1)焦点

(2)热容量

(3)高速旋转、阳级转速

(4)束光器

3、高压发生器:

(1)功率、频率

(2)输出范围

(3)KV 调节

(4)最短曝光时间

4、控制台:

(1)自动曝光控制、解剖部位摄影:一般都有。

(2)工作站屏幕:19in为主流;17in逐渐淘汰。

(3)操作系统:个人电脑级Windows系统或专业服务器级UNIX系统;对电脑稍有了解的人都明白,后者比前者有不可比拟的稳定性、高处理能力。

(4)硬盘:一般60~80G;有普通IDE硬盘和高速SCSI硬盘之分;后者有最快的响应速度和最长的寿命,尤其是涉及图像处理时更能显示出多通道高速度的优势。

(5)曝光到诊断图像显示时间:一般要求≤10s,少数能够达到5s以内;检验工作台计算机系统工作能力的一个很重要的指标。

(6)图像质量控制功能:或好或坏一般都有此功能。

(7)图像处理软件及升级:商家一般都提供在使用期限内免费升级服务;厂商针对医疗诊断实际需求而独家开发的图像处理软件尤显重要,也是判断DR设备档次高低的重要依据之一。

(8)DICOM3.0及功能:一般都有。

(9)外储设备:光盘刻录DVD或CD-RW。

(10)图像输出:以数字形式输出到相机及PACS系统

(11)网络传输速度:100m/ms或1000m/ms;后者有更快的传输速率。

5、球管支架及诊断床:要求人性化设计和符合临床需要。

(1)球管支架

(2)球管旋转

(3)自动电磁锁定及角度和距离显示功能

(4)诊断床要求

(5)滤线栅

6、售后服务:

(1)免费维修:整机一般一年保修。

(2)探测器保修:一般为二年保修。

(3)PACS系统连接及连接所需相关软、硬件:一般免费提供。

(4)操作维修手册:要求详尽。

(5)现场应用和维修培训服务:一般免费提供。

(6)开机率:一般要求95%以上。

(7)售后服务响应时间和保修期后维修年限:一般要求接维修通知后24小时内到达故障现场;保修期后提供超过10年的维修服务。

7、放射线安全防护

要求符合国际放射线安全防护标准,具有放射线安全防护检测证书或美国FDA或欧共体权威机构的认证;虽然市场上所有设备都有相关认证,但不同的平板技术和球管在这一点上相差悬殊,其中PHILIPS为最佳,是所有DR产品中曝光剂量最低的,能够给患者及工作人员最大限度保护。 


(三)DR系统设备的选购原则 


一、整体评价原则:DR的真正使命,是在保证影像质量的前提下,通过对平片工作流程的改变得到的革命性的高效率;用户对设备的评价,也应该基于此,考虑设备的可维护性,故障率、价格、总体成本及后期成本等实际因素。作为一台系统设备,需要综合整体评价,不为厂商标榜的某部件或某指标或某名词而迷惑;要综合考虑影像质量、工作效率、使用成本、售后服务等方面。 

1、影像质量:高质量高稳定的成像质量是我们购置DR设备的初衷之一,也是提高诊疗水平的物理基础;涉及放射影像的失真度、信噪比、分辩率、清晰度、细节显示等方面;主要由平板技术、球管射线质量、计算机及图像软件处理能力决定;其中平板技术是核心因素(材料类型、有效尺寸、像素矩阵、像素大小、灰阶、DQE、空间分辨率、稳定性等)。

2、工作效率:降低劳动强度、改变普放工作流程以提高效率是DR的最主要功能之一,更是购置此类设备的重要参考依据;涉及动态范围、成像速度、数据传输/处理速度等很多方面;因为省略了许多不必要的工作程序,正常产出率应该是传统屏/胶系统的2~3倍。

3、使用成本:最大的成本就是平板的维护使用成本;非晶硒平板的技术不成熟导致其平板报废率太高,维护成本昂贵;成像时间也较长,期间有太多的信息损耗,时间成本也较高。

4、售后服务:要求及时、完备;购置前一定要考虑其技术及品牌差异带来的售后服务质量差异;要尽可能地选择世界公认的大厂商主流成熟产品;非晶硒设备由于其技术的不成熟导致高维修频率是购置前必须考虑的因素。

二、实际需求:不被厂商所描绘或标榜的某部件的优异性能/某出色技术指标/某独有应用等迷惑,要以满足本院本科室实际需求为出发点,综合考虑设备的整体性能和图像质量及使用成本、售后服务等。

1、如果你们是当地较大规模的医院,病人流量很大,购买设备一向看重名牌品牌,技术上也倾向领先或超前的产品,那么建议飞利浦双板、西门子双板二者选一(当然这两个牌子的单板DR也是首选)。飞利浦全系列、西门子大部分都是使用Trixell 4600平板(17×17″碘化铯/非晶硅平板),是公认的顶级产品。

2、如果你们医院对设备价格相对敏感,但对技术方面又有一定追求,不妨考虑GE,还可以考虑除飞利浦、西门子之外其他使用碘化铯/非晶硅平板的厂家,如北京万东、上海中科、美国长青等。GE的板子也是碘化铯/非晶硅平板,14×17″,但不是Trixell的而是GE购买某工业板技术而自产的;其主要缺点是因板子发热量高,须水冷,故障率、量子噪声也会因此升高。

3、如果不是很在乎细节,只要平板DR即可,廉价最重要,那么佳能板(即硫氧化轧/非晶硅板)、非晶硒板也是很好的选择。采用佳能板的有日本各品牌(东芝、岛津等)、西门子部分型号;佳能板的缺点是参数稍低(图像稍差),优点是轻,所以床边型DR机一般用它。采用非晶硒板的厂家也很多:安科、柯达等;非晶硒板的缺点是返修率奇高,但成本比碘化铯/非晶硅板低些。

4、如果医院对性价比要求很高,那么强烈建议CCD-DR。所有类型DR当中,毋庸置疑,CCD-DR价格是最低的。CCD-DR的缺点主要有两个:图像存在几何失真(因有光学系统存在),此外摄片时X线剂量较高。最大的优点就是便宜。在不愿花太多钱又希望买DR的情况下,CCD-DR必作首选。生产CCD-DR的厂家有北京万东、Swissray、IMIX等。

二、追求最高性价比:低价格高质量是用户的最高追求。

三、 尽量选购专业大厂商的产品和服务,并进行前期调研考察。 


(四)DR系统设备市场各厂商及产品评价 


第一档次:飞利浦全系列DR、西门子高端DR(采用Trixell平板的为高端产品,为了细分市场需要西门子还有采用Canon平板的低端产品);是世界公认的DR大厂极品,平板技术、球管质量、机械性能、工作站处理能力等综合水平最高,图像质量、工作效率、使用成本、售后服务俱佳。

第二档次:GE全系列DR;其碘化铯/非晶硅平板是收购某工业板技术改为医用,有效尺寸略小为14×17″,像素尺寸、分辨率等技术指标也低,成像质量也差一些;平板发热量巨高,有损图像质量。

第三档次:其他使用碘化铯/非晶硅平板的DR产品,有泛太、长青、万东等;作为DR设备最主要部件,他们所用平板技术还是很好的,这也是列为第三档次的最主要原因;但由于其球管质量不高、机械性能不佳、操作及后处理工作站的水平低下等原因,他们的综合表现与前两档次无法同台较量。

第四档次:采用佳能板的西门子低端DR、岛津/东芝等日系DR;平板综合技术水平较差,成像质量不佳;多为诊断要求不高的床边机。

第五档次:采用Hologic非晶硒平板的柯达、安科、友通等DR;其平板制造成本较低但由于技术不过关而导致返修率特高;Hologic公司不得已逐步退出DR系统设备销售,柯达等以降低诊断要求为代价主攻低端中小医院。

第六档次:CCD平板的DR,目前生产厂商多为小型公司,由于其技术上的先天不足,其应用范围日益萎缩,必将被淘汰;但在诊所类医疗机构中还有一定市场空间。 

(五)DR系统设备的某些技术实质 

一、 某厂商的所谓能量减影

1、能量减影的本质是采用两种不同的曝光条件对同一物质进行分次曝光,分别得到较低密度和较高密度物质的单独影像。目前主要应用在胸部,试图克服平片上肋骨对部分肺组织的遮挡这个缺陷。

2、能量减影的最终目的,是希望看到被肋骨做遮盖的病变。那么,对什么样的患者这样做呢?由谁来做对患者进行两次曝光的决定呢?一个患者从临床医生办公室拿到检查申请单,到放射科拍片,涉及到的三个角色(患者、临床医师、技师)都没有这样的预见及决定能力,也没有这样的权力。

3、实际上,在常规平片工作流程最后的诊断环节,诊断医生面临三种可能:第一,肋骨后有软组织病变,但看不见,医生此时没理由让这样的患者进行第二次曝光;第二,肋骨后的确没有软组织病变,不需要进行第二次曝光;第三,肋骨后的软组织病变范围超出了肋骨的宽度,在肺组织的对比下可以看见,这时,就有了必须进一步进行详细检查的指征,但无论从定性、定量、定位还是技术实施的可能性(该技术要求在极短时间内进行两次曝光)看,显然已经超出了DR能力的范围,必须用CT及其他设备进行。

4、这个技术的提出,是受启发于临床上某个肺部的病变已经被CT证实为肋骨遮挡,平片没发现。因此技术提出者认为如果去掉肋骨,病变就能够显示出来了。这是一种典型的回顾性思维,只是冲着解决问题而去,却没注意问题发生的实际环境是否允许这样的解决方案。

二、某厂商的所谓组织均衡

1、组织均衡是使密度差别较大的组织在同一影像上显示;本质上就是分别在相对狭窄的灰度范围内分别观察低密度和高密度组织,在PACS诊断工作站上可以用调整灰度和对比度实现。这个所谓?先进技术?同前者一样同属文字游戏而几乎没有实际应用价值。

2、对使用诊断工作站的大夫来说,在显示器上调整灰度和对比度观察不同密度的组织是很自然的事情。

3、对没有诊断工作站的医院,由于他们面对的影像仍然是胶片,这个技术或许有用。但这个调整需要一定的时间,即使一个普通地市级医院,技术员的工作强度已经很大,根本没时间做这样的事情,其他流量更大的大型医院,实施这样的费时的后处理,可能性几乎没有。

4、总之,前两个所谓?新技术、新应用?只是迷惑人的文字游戏,其实质是突出自己与其他产品的区别,引起用户的注意。DR的数字影像只是为平片提供了进行后处理的可能;但数字平片后处理功能的开发,必须建立在一个可行及必要的基础上。(在现有医学影像设备上开展新技术都必须与能否最终解决临床实际问题相结合考虑,严格讲,在其公开宣传以前,必须有相关的前瞻性临床研究的证据支持。用户必须注意这些技术的含金量。)事实上,在患者到放射科进行影像检查的整个流程中,DR提供的平片只是一个初步筛查的工具,提供的影像是组织重叠像,其最重要的功能仍然和传统平片一样。如果病变密度与正常组织差别虽然小但仍然尚能在DR片子上用肉眼分辨出来的程度,最终诊断仍然需要进一步进行CT和其他检查。数字平片目前不能,以后也不能解决临床上对大多数病变定量、定性、定位的要求。DR的真正使命,是在保证影像质量的前提下通过对平片工作流程的改变得到的革命性的高效率,并不是而且也不可能取代CT或其他诊疗设备。

三、非直接数字放射摄影(IDR)和直接数字摄影(DDR)之分

1、非直接数字放射摄影(Indirect Digital Radiography,简称IDR),是一种硅半导体间接采集 X-粒子技术的数字摄影技术,采用两步数字转换过程,X-光粒子先变成可见光然后用光电管探测到转换为电信号。它是由Gd2O2S:Tb或Csl构成X射线的转换屏幕,或称为闪烁体,X射线穿过反射层到达闪烁体后,激发出可见光子;可见光传递下面光电二极管,光电二极管触发场效应三极管产生输出信号。这些转换过程中在物理上有或多或少的能量损失,但对X线吸收效率较高。

2、直接数字放射摄影系统(Direct Digital Radiography,简称DDR)是一种所谓直接X-粒子技术的数字摄影技术,X-光粒子在硒涂料层变成电信号被探测和转换;不产生可见光,而只是电子的传导,可避免散射线的产生,理论上没有光电转换的能量损失。但由于硒层吸收X线效率较差,成像时间长,实际转换效能并不好。

3、不论是什么技术类型的平板都是为了获得尽可能真实的诊断图像;就目前可行的生产工艺水平,非晶硅间接数字转化技术是生产平板的最佳选择,这也是PHILIPS、SIEMENS、GE等大型医疗设备厂商采用非晶硅平板的原因;尤其是Trixell平板的独特工艺,使其成像质量远高于非晶硒板,也高于其他非晶硅板。(Trixell平板CsI闪烁体层由于晶体结构的关系,在信号转换时也有少许光散射的发生,能量有少许损失,但对最终图像质量影像不大;其较高的量子检测效能(DQE)可在较低剂量曝光情况下获得高质量的图像;由于成像快,可用于透视及时间减影等领域,大大增加了X线检查的使用范围。)

4、放射影像的质量是由许多因素共同作用形成的,仅仅突出在单个转换过程中能量损失多少是无法保证高质量诊疗图像的,还得看实际转换效率和最终成像质量如何,不能光看某技术的单项理论值。

5、几乎所有世界级的专家学者都认可非晶硅板在成像质量稳定性上好于非晶硒板。

四、非晶硒平板所谓直接能量转换而没有能量损失

1、使用光导材料非晶硒的平板不产生可见光,而只是电子的传导,没有散、折射线产生的能量损失,对提高图像清晰度有好处。

2、理论上说,非晶硒平板没有光电转化过程中的能量损失,但并不代表其转化效果出色,更不代表其成像质量高;事实上低放射剂量时其成像质量是难以满足诊疗需求的;也就是说要想获得高质量的影像非晶硒板必需很高的放射剂量;其高剂量照射的成像质量才勉强与以Trixell平板为代表的非晶硅板在低剂量时的成像质量相当。这是与降低患者和工作人员辐射伤害的环保要求背道而驰的。

3、以硒作为光电导体可以直接将光信号转换为电信号,在理论上确实没有可见光转换为电子信号这一过程,避免了散射的发生;但是硒层对入射的X线吸收率很低会丢失了很多原始信息;所谓?直接转换?的过程速度也很慢,不仅影响工作效率而且信息丢失也很严重;因此在低剂量条件下图像质量无法保证,必须用很大的放射剂量才能得到有效诊断图像。通过分析其工作过程我们得知:所谓?非晶硒是直接转换没有能量损失?的说法纯属断章取义,只是避免了非晶硅类平板光电转换这一过程的能量损失,但绝对不是没有能量损失;相反由于其硒层对X线吸收率低、X光粒子转为电子的速度慢及最终成像速度慢而导致大量信息丢失,其影像质量比非晶硅平板(尤其是Trixell平板)是有很大差距的,不得已只能靠增加放射剂量来弥补其信息丢失过多的缺陷。另一个致命的缺点是硒层对于温度特别敏感,稳定可用性极差,使用条件受到很大限制,而且易坏易损,返修率很高。

4、非晶硒型平板第一个缺陷是需要比其他平板高得多的放射剂量才能得到符合诊断要求的影像质量;第二个缺陷是其硒层对温度非常敏感,稳定性差,使用条件受到很大限制,而且由于其对温度的极度敏感导致毁损率奇高。

5、总体看非晶硒平板技术是目前还很不成熟,具体表现为需要放射剂量较高


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