雙能量減影數字化胸部攝片的發展

雙能量減影數字化胸部攝片的發展
中國醫學科學院　中國協和醫科大學 腫瘤醫院影像診斷科 www.yxyxjs.com' X% r! m0 e+ O) n. j; Z8 ~# h* z& I8 [
羅鬥強　石木蘭　陳達偉　劉金啟　徐鋒　楊奉常　吳寧　周純武 嵊泗,瀋海龍,海龍,海龍王,醫學影像技術論壇,醫學影像技術網,專業影像技術行業網站,醫學影像,醫學影像技術,醫學影像技術學,放射技術,X線技術,CT,B超,彩超,MRI,DR,CR,PACS,ECT,PET,SPECT,TTM,RIS,電腦攝影,數諼線攝影,X光,x-ray,診斷,超聲,US,radiology,medical,DSA,3D圖片,醫學耗材,介入器材,膠片,醫用軟體- J% ^4 D, e, _& P# Y: ^+ |' g

雙能量減影的概念在1925年即被提出，至70年代才被應用於臨床，如血管造影透視時分離碘對比劑、消除時高密度物體在CT掃描中所產生的硬化效應、測量骨礦物質密度等，80年代基本上與胸片數學化技術同步開始了在胸部攝片中的應用研究。
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雙能量減影攝片的原理 1 X' S5 O* {  W; |
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診斷性X線攝片所使用的是低能X線束，它在穿過人體組織的過程中，主要發生光電吸收效應和康普頓散射效應而衰減，光電吸收效應的強度與被曝物質的原子量呈正相關，是鈣、骨骼、碘造影劑等高密度物質衰減X線光子能量的主要方式，而康普頓散射效應與物質的原子量無關，與組織的電子密度呈函數關係，主要發生於軟組織。常規X線攝片所得到的映像中包含上述兩種衰減效應的綜合資訊。雙能量減影攝片利用骨與軟組織對X線光子的能量衰減方式不同，以及不同原子量的物質的光電吸收效應的差別將在對不同能量的X線束的衰減強度的變化中更強烈地反映出來，而康普頓散射效應的強度在很能大範圍內與入射X線的能量無關，可忽略不計的特點，將兩種效應的資訊進行分離，選擇性去除骨或軟組織的衰減資訊，得出能夠體現組織化學成分的所謂組織特性映像——即純粹的軟組織像和骨像。
雙能量減影攝片方法 4 q# l1 ^& a. r. d
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雙能量減影攝片可通過兩次曝光法和一次曝光法來實現。
（一）兩次曝光法 ' x( Q3 H! P; B, J# b
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兩次曝光法指以不同的X線球管輸出能量(kVp)對被攝物體進行兩次獨立曝光，得到兩幅映像或資料，將其進行圖象減影或資料分離整合分別產生軟組織密度像、骨礦物質密度像和/或普通胸片的方法。所採用的低能X線峰值在60kVp~85kVp、高能X線峰值為120 kVp ~140kVp範圍之內。胸部雙能量減影攝片的研究最初是從兩次曝光法入手的，雖然曾被用於膠片增感屏系統、掃描投影攝片系統（scanned projection radiography，SPR）、電腦化胸片系統（computed radiography，CR）和數字化胸片系統（digital radiography，DR），但大多隻是實驗室研究性質的報道，基本上沒有用於臨床，主要是因為兩次曝光間的時間差難以縮短至滿意的範圍，不能有效地消除兩次曝光間被曝物體的運動位移所導致的兩映像間的誤編碼。直到GE公司的直接數字化胸片系統（direct digital radiography，DDR），即Revolution? XQ/I（GEMedical Systems，USA）問世，因為使用高速數字化單片式平板探測器（digital flat panel detector，DFP），兩次曝光間的時間差可縮短到200ms，病人一次摒氣可完成檢查，在很大程度上減少了誤編碼，而且由於DFP可探測量子效率（detectable quantum efficiency，DQE）高，能量分離的效率高，且寬容度大，在不犧牲品質的前提下，球管輸出能量可相應降低，低能及高能X線輸出量分別為60~80kVp和110~150kVp，而且DFP將採集的資訊直接變成可視映像，自動後處理速度快，在數分鐘內即得出三幅圖象——普通數字胸片、軟組織像及骨像，因而可成為胸部X線攝片的常規附加檢查。 www.yxyxjs.com* B$ ?! K7 J# h: x1 @
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（二） 一次曝光法雙能量減影攝片 # G$ ]" }5 J* G
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一次曝光法是對經被曝物體衰減後所輸出的X光子進行能量分離，得出兩幅能量不同的映像。該方法最初是為了消除兩次曝光法的誤編碼問題由Speller等在1983年首次提出的，他們在特製的暗盒內迭放兩套膠片增感屏系統，兩者之間用銅濾板分隔，較低能量的X線在前方的膠片成象，而較高能量的X線穿過濾板成象於後方的膠片，從而實現能量分離。 Barnes 等和Ishigaki等分別將一次曝光法應用於各種CR胸部攝片系統，用雙層影像板取代雙膠片增感屏系統，其資訊的後處理功能使圖象品質提高[13，14]。隨後的20餘年，一次曝光法在DR胸片機的應用不斷改進，能量敏感探測器陣列的版本多種多樣。 醫學影像技術論壇* x- O$ x& h- F! |  _* `
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（三） 兩次曝光法與一次曝光法的比較
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兩次曝光法的優點是能量差大、所產生的雙能量減影的映像上殘留的組織對比好、圖象信噪比高、且，但兩次曝光之間因呼吸、心跳、移位等導致誤編碼是其最大的弱點，此外短時間內交替輸出高、低兩種能量X線線束對球管要求高、損耗也大、病人的輻射量亦有所增加。一次曝光法雖然沒有映像錯位的誤編碼問題，但能量分離遠不如兩次曝光法理想、所獲映像的殘留的組織對比差、信噪比低，雖然在理論上增加曝光條件可提高能量分離的幅度、減少量子斑點雜訊，但當曝光量增大至一定程度後，影像板的雜訊與曝光量不再相關，而且曝光條件過高還會增加散射所致的雜影。有作者推測如果要使一次曝光法的雙能減影圖象的信噪比與兩次曝光法的相當，其X線曝光量需提高16倍。物理學家Ho等的研究表明，在其它條件基本一致的前提下， 140kVp一次曝光法的能量分離幅度只有70/140kVP兩次曝光法的50%（分別為21.6keV和42.6keV），所得減影映像的殘留組織對比只有後者的50%左右，圖象的信噪比只是後者的43%。Barnes等的研究也得出相似的資料。儘管如此，在上個世紀末的20餘年，雙能量減影技術的的學術焦點多集中在改進一次曝光法上。近年來，由於DDR的探測器能將X線訊號直接轉變為可視訊號，且速度快，成象及圖象撤除速率迅速，不必在兩次曝光間更換或使用前後重迭的影像板，從根本上解決了兩次曝光法的曝光間隔過長難以產生兩幅完美重合的映像這一致命弱點。今後兩次曝光法可能將因其固有的優勢將而得到更廣泛的應用。

（四）其它

除了兩次曝光法，還有的是在兩張重疊的IP中間夾上一張金屬濾過板，使兩塊IP所捕獲的量子訊號有所不同，獲得兩幅映像，再進行減影處理，同樣可以得到減影映像。目前我所知CR減影處理只有富士CR有成品技術和商業產品

能量減影數字胸片的臨床意義
（一）提高檢出鈣化的敏感性和準確性
眾所周知，檢出鈣化是診斷肺良性結節的最可靠的影像學徵象之一。有鈣化的結節在雙能減影的骨像上呈影，在軟組織像上全部或部分消失；不含鈣化的結節在軟組織像上清楚顯示，而在骨像上消失。Kruger等經理論推導和實驗印證指出，雙能量減影所獲的骨像對相當厚度範圍（至少是11.6CM）的軟組織變化不敏感，而檢出鈣化的敏感性和準確性都非常高，能檢出125mg/cm3 以上的含鈣量。Hickey等的人體模型實驗表明，鈣的檢出與含鈣濃度有關，凡鈣含量大於35mg/cm2的結節均能在減影后骨像上辨認，其含鈣濃度與減影映像上的光密度呈直線相關，認為在減影映像上肉眼判斷有、無鈣化非常可靠，不必再行測量。Fraser等連續兩篇報道中，分別由雙能減影胸片檢出鈣化的13、12例肺結節中，有8例、3例在常規胸片上不能判斷有無鈣化，對其中的2例進行了手術切除標本浸泡化學分析，所得出的鈣含量與在雙能減影骨像上測量換算出的鈣含量非常相近。Kelcz等的研究表明，雙能減影胸片能使醫生們肯定或否定肺結節含有鈣化的信心大大增加，對經驗不豐富者協助更大。 醫學影像技術論壇# C1 W* R8 |( Q6 j: o* _; r
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（二）增加肺結節的檢出率 －－醫學影像技術工作者共同的家園！: ^0 _( k. j: `  b8 V
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胸片是早期檢出肺結節的基本影像手段，但常規胸片對單發肺結節（solitary pulmonary nodule，SPN）的假陰性率高達18%~32%，且近30年來無明顯改善。雙能量減影由於去除了骨性胸廓的幹擾，對肺結節的檢出率較普通胸片有所提高，實驗模型和臨床病例組研究都表明其差別有顯著的統計學意義。Kelcz等還觀察到，位於與肋骨無重迭的肺野內的個別小結節，在減影后的軟組織像上的可辨認性不如常規胸片，認為是由於減影使殘留軟組織對比減低所致，提示閱讀能量減影片時要注意與普通胸片相結合。最近的報道亦指出雙能量減影胸片，尤其是與機算機輔助診斷系統（computer-aided diagnosis，CAD）相結合時，對肺結節的檢出率增高，但應注意與常規的胸片相結合，以減少假陽性，還有作者提出在檢出低對比的肺結節(非鈣化密度淺淡的結節)時，雙能減影胸片不能取代常規胸片。 醫學影像技術論壇) l2 ^# Q1 ~1 K, A" r: l

（三） 其它 www.yxyxjs.com+ Y0 H/ t- ?( r1 e6 d" w
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文獻還指出雙能減影對顯示骨性胸廓和中央氣道的病變，如骨轉移瘤、大氣道腫瘤、刀鞘樣氣管等；辨認正常解剖、提高對胸片的解象能力，如骨性胸廓畸形、正常骨島、骨質增生所致類結節等均有協助。Ishigaki等報道雙能減影攝片能較普通胸片增加15%的資訊。一些作者還利用雙能減影攝片可量化鈣含量的優點來診斷骨質疏鬆、檢出晚期腎功能衰竭所致的心、肺轉移性鈣化等。 6 a4 E+ N! Z# m6 S) `1 P7 s0 X$ \! o

結語
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雙能量減影胸部攝片是一個在近二十餘年來不斷髮展和完善的技術，最近幾年來才開始較大範圍內可為臨床的需要服務。過去十分有限的臨床應用報道基本都是使用一次曝光法，揭示出雙能減影作為胸片的輔助手段，能有效提高肺內小結節的檢出率並增加鑒別診斷信心。更新更好的DDR使兩次曝光法易於實行，且能提高品質，其臨床應用的前景將更為廣闊。然而，對它的價格－臨床效益比、與普通胸片或CT的互補性價值的評估，還有待設計更完善的前瞻性臨床應用研究。 , X. c' t  U( H8 a$ s

附：這種技術的影像我在５０屆全國醫學器械展覽會上ＧＥ的展台上看到過了，的確很新鮮，展台上展示的是ＫＵＢ（腹部平片）採用這樣的技術把腹腔的腸內氣體和大便影印減掉了，使輸尿管結石顯示得相當清晰