雙層平板探測(cè)的雙能成像檢測(cè)系統(tǒng)

藍(lán)重洲，王宗朋*，文敏儒

（1. 深圳市安健科技股份有限公司，廣東 深圳 518000；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引 言

數(shù)字X 射線成像系統(tǒng)（Digital radiography，DR）被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)無損檢測(cè)、天文觀測(cè)等領(lǐng)域［1-3］。醫(yī)用DR 主要用于胸部、骨骼等部位診斷，雙能成像技術(shù)為其較高端方案之一，該技術(shù)可提升圖中胸部、骨骼等組織的對(duì)比度［1］。此外雙能技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于CT 領(lǐng)域，西門子、飛利浦等廠家采用雙源、kVp 切換等方式可實(shí)現(xiàn)雙能成像，可實(shí)現(xiàn)多種診斷目的［4-5］。然而以上方案并未采用雙層平板探測(cè)技術(shù)，傳統(tǒng)的DR 雙能成像方案被稱為快速kVp 切換（kVp switching），即設(shè)定低、高管電壓通過兩次曝光獲取低能、高能圖像。對(duì)DR 獲取的雙能圖像減影可得到骨骼增強(qiáng)、骨骼抑制圖像，增強(qiáng)圖像可凸顯一些組織、病灶的對(duì)比度，從而提升醫(yī)生診斷時(shí)的視覺效果［6-7］。

然而該技術(shù)存在一定局限性，兩次曝光并非同時(shí)進(jìn)行且低能圖像所需曝光時(shí)間較長，拍攝胸部中心臟等運(yùn)動(dòng)物體時(shí)雙能圖像存在運(yùn)動(dòng)差異，導(dǎo)致增強(qiáng)圖像出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影；此外多次曝光采集圖像還存在劑量過高的情況。為此，本文研究一種使用雙層X 射線平板探測(cè)器單次曝光獲取雙能圖像，并實(shí)現(xiàn)雙能減影的檢測(cè)方法。首先介紹雙層平板成像原理，分析不同管電壓、濾過對(duì)射線能譜影響后分別使用kVp 切換、雙層平板方案獲得胸模雙能圖像并比較。針對(duì)雙層平板特性給出雙能圖像配準(zhǔn)方案，對(duì)兩種方案采集的胸模雙能圖像減影并評(píng)估減影圖像效果。

2 雙層平板成像原理及試驗(yàn)裝置

2.1 雙層平板成像原理

圖1（a）所示為單層X 射線平板探測(cè)器（Flat panel detector，F(xiàn)PD），X 射線經(jīng)閃爍體后轉(zhuǎn)換為可見光，經(jīng)感光層光電轉(zhuǎn)換后得到一幅單能圖像［8］。圖1（b）所示為雙層X 射線平板探測(cè)器，X射線經(jīng)上層平板探測(cè)器后得到低能圖像，X 射線經(jīng)上層平板、濾過層后通過下層平板探測(cè)器得到高能圖像，故通過雙層平板探測(cè)器可獲得雙能圖像。

圖1 平板探測(cè)器結(jié)構(gòu)Fig.1 FPD structure

2.2 試驗(yàn)裝置

圖2 所示為雙層X 射線探測(cè)成像系統(tǒng)，圖中左側(cè)為試驗(yàn)所用RSD-111T 胸部體模，主要用于X 射線成像系統(tǒng)的圖像評(píng)估。工作站給高壓設(shè)置一定的劑量，并給出曝光信號(hào)，球管工作并發(fā)出的X 射線，射線經(jīng)體模衰減后被雙層平板探測(cè)得到所述雙能圖像。圖2 右側(cè)所示為工作站采集的低能、高能圖像，兩幅圖像存在一定視覺差異，雙能圖像經(jīng)過圖像處理后呈現(xiàn)給醫(yī)生觀察診斷。

圖2 雙層X 射線探測(cè)成像系統(tǒng)Fig.2 Dual layer X-ray detection imaging system

3 雙能成像分析

首先分析不同管電壓下X 射線的能譜，再分析一定管電壓下不同厚度濾過后的能譜，分別以常用的kVp 切換、雙層平板探測(cè)方案采集對(duì)應(yīng)的雙能圖像并分析圖像效果。

3.1 X 射線能譜分析

圖3 所示為不同管電壓激勵(lì)下產(chǎn)生的X 射線能譜，橫軸表示射線能量，縱軸表示單位管電流激勵(lì)下，單位平方毫米內(nèi)搜集的光子數(shù)［9］。圖中實(shí)線表示60 kVp、虛線表示120 kVp 能量頻譜，可以看出，隨著kVp 升高，射線平均能量升高且光子數(shù)增多。

圖3 不同管電壓激勵(lì)下X 射線能譜Fig.3 X-ray spectrum excited by different tube voltages

3.2 濾過與能譜關(guān)系

圖4 所示為120 kVp 下產(chǎn)生的X 射線在不同濾過層下對(duì)應(yīng)的能譜，采用的濾過層分別為0.5 mm Cu，1 mm Cu，1 mm Cu+0.2 mm CsI?？梢钥闯?，隨著銅濾過厚度增加，低能軟射線被過濾，光子數(shù)下降，此外，再添加0.2 mm CsI 亦可達(dá)到類似效果。

圖4 120 kVp，不同濾過下X 射線能譜Fig.4 X-ray spectrum excited by 120 kVp with different filter

3.3 胸模雙能成像分析

3.3.1 kVp 切換

試驗(yàn)采用胸部體模，通過兩次曝光獲得胸模雙能圖像，曝光條件如表1 所示。經(jīng)圖像校正［10］后查看雙能圖像效果，圖5（a）所示為高能圖像經(jīng)圖像后處理的效果［11］，圖5（b）所示為高、低能圖像在圖5（a）白色虛線行的像素灰度分布E，圖5（c）所示為自然對(duì)數(shù)歸一化后的灰度分布e，其可由式（1）得到：

表1 kVp 切換曝光條件Tab.1 Exposure conditions of kVp switching

其中，Elung表示肺部高亮處灰度。由圖5（b）可知要使高、低能圖像膈肌處灰度趨于一致，低能需使用15 倍于高能的管電流，這是因?yàn)榈湍苘浬渚€易被組織吸收，查看肋骨、肺部灰度分布可發(fā)現(xiàn)低能圖像對(duì)比度高于高能圖像；由圖5（c）亦可發(fā)現(xiàn)高、低能圖像肋骨、肺部對(duì)比度差異，故kVp 切換采集的雙能圖像可表征人體不同部位對(duì)不同能譜射線的衰減差異。

圖5 kVp 切換雙能成像分析Fig.5 Dual energy imaging analysis of kVp switching

此外采集低能圖像所用曝光時(shí)間為250 ms，且低能、高能圖像并非同時(shí)曝光采集，故拍攝人體胸部時(shí)很難避免心臟跳動(dòng)帶來的運(yùn)動(dòng)偽影。

3.3.2 雙層平板探測(cè)

由3.2 節(jié)可知，無濾過的120 kVp 射線能譜中，光子能量集中位于50 keV 左右；經(jīng)1 mm Cu濾過后發(fā)現(xiàn)能譜中50 keV 以下的低能軟射線基本被過濾，光子數(shù)峰值位置升高至50 keV 以上，然而濾過后的整體光子數(shù)明顯下降。

表2 所示為雙層平板探測(cè)單次曝光所用條件，根據(jù)2.1 節(jié)介紹的成像原理，120 kVp 射線穿過人體后由上層平板探測(cè)得到低能圖像，射線再經(jīng)1 mm 厚Cu 濾過衰減后由下層平板探測(cè)得到高能圖像。故雙層平板單次曝光即可獲得雙能圖像。

表2 雙層平板探測(cè)曝光條件Tab.2 Exposure conditions of dual layer detection

圖6（a）和6（b）所示分別為雙層平板探測(cè)器采集的高、低能圖像經(jīng)圖像配準(zhǔn)后，在圖5（a）白色虛線行的像素灰度分布E、自然對(duì)數(shù)歸一化后的灰度分布e。由圖6（a）可知射線經(jīng)過1 mm Cu濾過后被衰減，高能圖像信號(hào)約為低能信號(hào)0.25倍；由圖6（b）虛線框中肋骨、肺部灰度分布可知低能圖像對(duì)比度亦高于低能圖像，故通過雙層平板采集的雙能圖像亦可表征人體不同部位對(duì)不同能譜射線的衰減差異。

圖6 雙層平板探測(cè)器雙能成像分析Fig.6 Dual energy imaging analysis of dual layer FPD

此外雙層平板采集雙能圖像時(shí)單次曝光時(shí)間為62.5 ms，曝光時(shí)間較kVp 切換中低能圖像曝光時(shí)間短，且雙能圖像同時(shí)采集故可避免運(yùn)動(dòng)偽影。雙層平板采集時(shí)劑量為20 mAs，低于kVp切換兩次采集所需的85.6 mAs，故雙層平板還存在劑量較低的優(yōu)勢(shì)。

4 雙層平板成像檢測(cè)

4.1 雙能圖像配準(zhǔn)

雙層平板裝配時(shí)存在剛性偏移，故需對(duì)雙能圖像配準(zhǔn)，其流程為［12］：（1）將分辨率測(cè)試卡放置于平板中央；（2）以一定劑量曝光獲取雙能圖像Elow，Ehigh；（3）截取雙能圖像分辨率測(cè)試卡區(qū)域；（4）圖像配準(zhǔn)，采用相位相關(guān)方法，令fl（x，y），fh（x，y）為截取的低、高能分辨率測(cè)試卡區(qū)域，其大小為M×N，x0、y0分別為在x，y方向的平移，其時(shí)頻域關(guān)系可由式（2），（3）給出：

其中：Fl（u，v）、Fh（u，v）分別為fl（x，y）、fh（x，y）的傅里葉變換，其能量互功率譜可由式（4）給出：

其中：Fl（*u，v）、Fh（*u，v）分別為F（lu，v）、F（hu，v）的復(fù)共軛，對(duì)P（u，v）做傅里葉逆變換、平移后可得到p（x，y），在p（x，y）中遍歷得到?jīng)_擊響應(yīng)δ（x0，y0）。雙層平板有一定的裝配精度，在x，y方向分別存在±k，±lpixels 內(nèi)的偏移，在p（x，y）中的［M/2-k，M/2+k］行，［N/2-l，N/2+l］列范圍內(nèi)搜索最大值δmax，并在此范圍內(nèi)獲得大于0.5×δmax的若干坐標(biāo)作為備選點(diǎn)。

通過備選點(diǎn)平移更新高能分辨率測(cè)試卡區(qū)域fh（x，y），根據(jù)式（5）計(jì)算fl（x，y），fh（x，y）相關(guān)性系數(shù)cc，令cc最大的備選點(diǎn)即高能所需平移x0，y0，將該平移量作為雙能圖像配準(zhǔn)依據(jù)［13］。

圖7（a）所示為雙能圖像分辨率測(cè)試卡區(qū)域配準(zhǔn)前融合效果，發(fā)現(xiàn)其邊緣有重影，且線對(duì)不清晰；圖7（b）所示為雙能圖像分辨率測(cè)試卡區(qū)域采用所提配準(zhǔn)方案后融合效果，發(fā)現(xiàn)其邊緣銳利，線對(duì)清晰。

圖7 分辨測(cè)試卡雙能圖像配準(zhǔn)前、后融合效果Fig.7 Dual energy images of resolution test card fused performance before and after registration

4.2 雙能減影效果

經(jīng)kVp 切換采集的雙能圖像經(jīng)雙能減影后可得到骨骼增強(qiáng)、骨骼抑制的兩幅圖像，減影后圖像可提升臨床醫(yī)師診斷骨骼、肺部等疾病的效率。低能、高能圖像經(jīng)式（6）做自然對(duì)數(shù)變換后，即可通過設(shè)定不同權(quán)重w，通過式（7）獲得骨骼增強(qiáng)、抑制圖像［14］。

圖8 為雙能減影圖像，圖8（a）所示為經(jīng)圖像后處理后的高能圖像，其黃色方框區(qū)域截取的肺部區(qū)域如圖8（d）所示，圖8（d）中上、下方框分別表示軟組織、骨骼區(qū)域。軟組織區(qū)域高、低能圖像經(jīng)式（7）減影后獲得IDE，經(jīng)式（8）計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)差σ1（w），迭代若干次找到令σ1（w）最小的w即為獲取骨骼增強(qiáng)圖像的最優(yōu)權(quán)重；類似地軟組織、骨骼雙能圖像經(jīng)式（7）分別得到IDE1，IDE2，再經(jīng)式（9）得到標(biāo)準(zhǔn)差σ2（w），迭代若干次找到令σ2（w）最小的w即為骨骼抑制圖像最優(yōu)權(quán)重。

圖8 雙能減影圖像效果Fig.8 Dual energy subtraction images performance

圖8（b）和8（c）分別為kVp 切換獲取的雙能圖像減影得到的骨骼增強(qiáng)、骨骼抑制圖像；圖8（e）和8（f）分別為雙層平板獲取的雙能圖像減影得到的骨骼增強(qiáng)、骨骼抑制圖像。對(duì)比圖8（b），8（e）效果可見骨骼與肺部軟組織之間對(duì)比度增強(qiáng)，骨骼清晰可見，心臟處對(duì)比度亦被一定程度抑制；再對(duì)比圖8（c），8（f）兩幅骨骼抑制圖像效果發(fā)現(xiàn)肺部肋骨信息被抑制，肺部被增強(qiáng)。該試驗(yàn)表明雙層平板獲取雙能圖像的方案亦可實(shí)現(xiàn)雙能減影。

射線經(jīng)濾過衰減后，雙層平板采集的高能圖像信號(hào)較弱，故容易受探測(cè)器電子噪聲干擾。目前雙層平板減影圖像隱約可見豎狀條紋偽影，該偽影后續(xù)可通過改進(jìn)電路去除［15］。

4.3 雙能減影圖像SDNR 對(duì)比

進(jìn)一步地，通過計(jì)算信號(hào)差噪聲比（Signal difference to noise ratio，SDNR）評(píng)估雙能減影圖像效果，SDNR計(jì)算方法如式（10）所示［16］：

其中：μb、μs、σb、σs分別表示圖8（d）中骨骼、軟組織區(qū)域均值、標(biāo)準(zhǔn)差。表3 為雙能減影SDNR 比較，可發(fā)現(xiàn)高能圖像SDNR 低于低能圖像，雙層平板高能圖像SDNR 高于kVp 切換高能圖像；雙能減影后骨骼增強(qiáng)圖像SDNR 升高，骨骼抑制圖像SDNR 降低，雙層平板骨骼增強(qiáng)SDNR 高于kVp 切 換，骨 骼 抑 制SDNR 低 于kVp 切 換，說 明雙層平板獲得的骨骼增強(qiáng)圖像對(duì)比度較高，骨骼抑制圖像對(duì)比度較低。

表3 雙能減影SDNR 比較Tab.3 SDNR comparison of dual energy subtraction images

5 結(jié) 論

本文研究了一種基于雙層平板探測(cè)器的醫(yī)用X 射線雙能成像方法，提出了雙層平板成像方案并分析了成像原理。通過試驗(yàn)獲得了雙層平板采集的雙能圖像，分析并對(duì)比kVp 切換采集的雙能圖像，發(fā)現(xiàn)雙層平板采集的雙能圖像可表征人體不同部位對(duì)不同能譜射線的衰減差異。此外，雙層平板方案較kVp 切換存在無運(yùn)動(dòng)偽影，劑量較低的優(yōu)勢(shì)。提出了雙層平板中高能、低能圖像配準(zhǔn)、減影方案，發(fā)現(xiàn)雙層平板采集的雙能圖像減影后，骨骼增強(qiáng)、骨骼抑制圖像視覺效果與kVp 切換方案效果接近，進(jìn)一步計(jì)算骨骼增強(qiáng)、抑制圖像SDNR 發(fā)現(xiàn)雙層平板骨骼增強(qiáng)圖像對(duì)比度較高，骨骼抑制圖像對(duì)比度較低。