難點介紹

可見光光譜由許多不同波長的電磁波組成，不同波長的電磁波被眼睛捕捉到，呈現出來不同的顏色，同樣的原理也適用于 X 光。雖然肉眼看不到，但這些不同波長或顏色的 X 射線可以被一些數字設備捕捉到。X 射線光子的行為取決于它們穿過的物質，傳統 X 射線能譜本身是一種連續譜，不同的材料(即使密度相同)對不同波長的阻擋或衰減是不同的，受制于探測器關鍵材料的限制，X 射線探測器主要依靠兩類能量轉換機制獲取信號，一類是直接轉換機制，將 X 射線直接轉換成電流信號，另一類是間接轉換機制，通過閃爍體將 X 射線轉化為可見光，可見光再通過光電二極管陣列等轉化成為電流信號。

這兩類能量轉換機制均存在著不少問題及挑戰：直接轉換機制中，常用的光電轉換材料為非晶硒，非晶硒 X 射線探測器中的活性層厚度比較薄，對 X 射線的吸收不高，量子探測效率低，且非晶態的硒制備困難，載流子傳輸特性較差，存在著器件制作成本和工作電壓高等問題，還有一種材料是碲鋅鎘或碲化鎘，這類半導體材料制備需要高溫環境及復雜的表面拋光、鈍化等工藝，制造工藝相對復雜且成本高，且不能直接大面積單晶成長，用于成像的有效像素數量偏少；間接轉換機制中，不同能量區間的 X 射線轟擊閃爍體發出各向同性的熒光，熒光被光電二極管轉化為積分電流，這種數據采集機制卻無法直接得到入射 X 射線的能量分辨率。

原則上，每個 X 射線光子被檢測，其能量或行為被確定，然后被分類成相應的能量進行計數，這種光子計數技術可以通過識別原子或分子成分，對身體的不同部位及其組成部分進行顏色編碼。但是，由于材料成本高、成像面積有限、芯片集成程度復雜并沒有大規模被普及，而通過濾過和能譜仿真將入射 X 射線的能量區間識別為高能區和低能區，對臨床胸部雙能成像做了定量分析，為射線探測器(強度探測、高清成像、能譜)的低成本、高效、原位集成提供了新的機遇。

技術優勢

市面上的雙源方案即通過兩套 X 射線球管系統和兩套探測器系統同時采集低、高能圖像，一般用于 CT，所需成本較大且數據采集很難實時同步。另外，快速 kVp 切換方案，即設定低、高 kVp 通過兩次曝光獲取低能、高能圖像然后通過雙能圖像減影可得到骨骼增強、骨骼抑制圖像，增強圖像可凸顯骨骼、肺部等軟組織病灶的對比度，從而提升醫生診斷效率。但是，這些技術方案存在一定局限性，兩次曝光并非同時進行且低能圖像所需曝光時間較長，拍攝胸部心臟等運動部位時雙能圖像存在運動差異，導致增強圖像出現運動偽影；該技術需切換 kVp 經兩次曝光獲取雙能圖像，其輻射劑量為雙層平板兩倍以上。

為此深圳市安健科技的 王宗朋 等人提出了一種使用雙層 X 射線平板探測器單次曝光獲取雙能圖像，并實現雙能減影的檢測方法，通過仿真分析不同 kVp, 相同 kVp 在不同濾過下 X 射線的能譜變化，進一步通過試驗分別探究了使用 kVp 切換, 雙層平板方案時胸部體模雙能成像特性，發現了雙層平板方案在表征人體軟組織、骨骼對低能、高能射線的衰減差異方面, 相比于 kVp 切換方案，具備高對比度成像，無運動偽影及輻射劑量較低的優勢。

同時，也提出了一種適用于雙層平板的雙能圖像配準方案，配準后的低、高能圖像經雙能減影后分別得到高對比度的骨骼增強、骨骼抑制圖像。試驗結果表明，雙層平板獲取的雙能減影圖像可提升診斷所需視覺效果，減影圖像對比度優于 kVp 切換方案且輻射劑量更低。

該研究成果以“雙層平板探測的雙能成像檢測系統” 為題發表在《光學 精密工程》（EI、Scopus、中文核心期刊、2021中國國際影響力優秀學術期刊）上。

試驗裝置

雙層 X 射線探測成像系統，如圖1 所示，圖1 左側為試驗所用 RSD-111T 胸部體模，該體模分別采用線性衰減系數與真實組織類似的復合材料模擬骨骼、軟組織，被廣泛應用于臨床教學及放射成像試驗。工作站給高壓設置一定的劑量 (kVp, mAs)，并給出曝光信號，球管工作并發出 X 射線，X 射線經體模衰減后被雙層平板探測得到所述雙能圖像。圖1 右側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，雙能圖像經過圖像處理后呈現給醫生觀察診斷。

圖1：雙能 X 射線探測成像系統

雙能成像分析

圖2 顯示了不同 kVp 激勵下產生的 X 射線能譜，橫軸表示光子能量，縱軸分別表示單位管電流激勵下，單位平方毫米內搜集的光子數以及 120 kVp 下產生的 X 射線在不同濾過層下對應的能譜，采用的濾過層分別為 0.5 mm Cu，1 mm Cu，1 mm Cu+0.2 mm CsI。可以看出，隨著銅濾過厚度增加，低能軟射線被過濾，光子數下降明顯。

圖2：不同  kVp 激勵下 X 射線能譜（左圖）和 120 kVp，不同濾過下 X 射線能譜（右圖）

試驗采用胸部體模，分別通過 kVp 切換方案和雙層平板探測方案獲得胸模雙能圖像，經圖像校正后查看雙能圖像效果，其中，圖3（a）所示為 kVp 切換方案的高能圖像經圖像后處理的效果，圖3（b）所示為高、低能圖像在圖3（a）白色虛線行的像素灰度分布 E。兩種試驗方案分別獲取的減影圖像的信號差噪聲比（Signal difference to noise ratio，SDNR）如表1 所示，可以看出，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圖像 SDNR 升高，骨骼抑制圖像 SDNR 降低，雙層平板骨骼增強 SDNR 高于 kVp 切換。

圖3：雙能成像分析

表1：雙能減影 SDNR 比較

圖像配準

雙層平板裝配時存在剛性偏移，故需對雙能圖像配準。采用相位相關方法計算相關性系數，將相關性系數最大的備選點作為雙能圖像配準依據，圖4 左側所示為雙能圖像分辨率測試卡區域配準前的融合效果，其邊緣有重影，且線對不清晰；圖4 右側所示為雙能圖像分辨率測試卡區域采用所提配準方案后的融合效果，其邊緣銳利，線對清晰。

圖4：配準前、后融合效果

減小輻射

雙層平板采集雙能圖像時單次曝光時間為 62. 5 ms，曝光時間較 kVp 切換中低能圖像曝光時間短，且雙能圖像在單次曝光的條件下支持同時采集數據，故可完全避免運動偽影。雙層平板采集時醫用診斷 X 射線管電荷量為 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勢。

前景應用

全球每年進行 3 億次 CT 掃描，每一次稍微改進都會產生巨大的健康影響，并使許多人受益。例如，CT 傳統上局限于每次掃描使用一種造影劑，雙能成像在不使用造影劑條件下可以獲取使用造影劑才能得到的高圖像對比度，不僅支持測量成像亮度(對應于密度)，還可以支持測量成像顏色(對應于材料成分的原子序數)，可以識別和量化低對比度材料(如脂質和水)到高對比度材料(包括鈣、釓和碘)。這樣的應用包括牙科應用，矯形植入物成像，多重對比成像，分子成像(癌癥、骨骼健康)，軟組織成像，傳染病成像，骨骼健康、關節健康、動脈粥樣硬化檢測等等。

通過量化造影劑以及脂質、骨骼和軟組織等內在標記物，可以更好地區分疾病的病理特征，例如動脈粥樣硬化斑塊的成分，或者肺部中的毛玻璃陰影等病灶。易損斑塊由鐵沉積、脂質核心和薄纖維帽識別。識別脆弱(易破裂)的動脈粥樣硬化斑塊對于避免嚴重的不良事件(如中風或心臟病發作)至關重要。

未來展望

下一步重點是使用人工智能結合雙能成像來更好地進行材料分析。例如，血管中斑塊的形成是衰老的正常部分。然而，當斑塊變得過大以至于破壞了正常的血液流動時，動脈粥樣硬化疾病就會發生，這有可能導致缺血性心臟病和中風——這是全球范圍內的兩大死亡原因。組成斑塊的不同成分或材料，如鐵和鈣，表明它容易破裂(并導致中風或死亡)。

利用雙能成像的光譜特性提高不同物質對比度和人工智能算法提取特征點并做感興趣區域分割，將可以快速表征并識別出來斑塊成分以幫助診斷和介入決策過程。這樣的技術結合同樣可以支持測量牙槽骨密度和身體骨密度，在牙種植手術的術前評估中，口腔 CT 對牙槽骨密度的量化測量也可以協助醫生準備診斷為牙周病治療后的預后評價提供更有利的依據，如圖5 所示

圖5：牙齒全景彩色 X 射線圖像

另外，從探測器技術本身角度來說，閃爍體材料的射線吸收系數、電荷載流子遷移率、電荷載流子壽命、閃爍體材料(熱、化學)穩定性、能隙、缺陷濃度等都是開發綜合光電性能優異的射線探測器的關鍵。該文提出的單次曝光雙能成像解決方案，對于提升探測器的檢測劑量、靈敏度、信噪比和穩定性等性能有借鑒意義，為射線探測器(強度探測、高清成像、能譜)的低成本、高效、原位集成提供了新的技術思路, 推進了射線探測器在醫學成像、安防安檢和環境放射性檢測等領域的深入應用。

| 論文信息 |

藍重洲,王宗朋,文敏儒.雙層平板探測的雙能成像檢測系統[J].光學精密工程,2022,30(04):372-379. 

https://ope.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/OPE.20223004.0372

閱讀原文