邹鲁民
珠海友通科技有限公司
前言
自1999年FDA批准平板探测器进入临床应用以来，数字化X线摄影（DR）技术的发展和应用已经有了近7年的历程。在国内，广州医学院第一附属医院2000年安装了珠海友通科技公司生产的DR系统，成为中国的第一个DR用户（图一），从那时算起中国的DR技术应用也有了6年的历史。而从1997年珠海友通科技公司开始DR系统的研发至今，DR技术在国内的发展则基本是与国外同步的。到今天中国已经成为全球最大的DR市场之一，国内DR用户已经发展到镇级医院，可以说DR技术在国内已经得到了较为广泛的应用，DR市场的增长速度远高于国外。而且中国正在成为DR系统的制造大国，目前已经能够生产全系列的DR系统产品，而且不仅在国内销售，目前珠海友通具有完全自主知识产权的的DR产品还已经开始批量出口至包括欧美在内的海外市场。作为中国最早从事DR技术和应用研究的科研人员，笔者对DR 技术的发展和应用有着亲身的体验和较为全面认识。本文以笔者在DR领域多年的研发和应用经验为基础，回顾了DR技术的发展和应用历程，并对DR技术在我国的发展和应用提出了一些思路。
图一：安装在广州医学院第一附属医院的中国第一台DR系统
DR技术的发展历史和趋势
DR技术历经多年的发展，目前已经发展到了第三代产品，最早出现的是基于CCD技术的DR系统；第二代的产品是采用平板探测器（FPD: Flat Panel Detector）的DR系统；第三代技术则是装备具有动态图像采集能力的平板探测器的DR系统；目前正在发展的是采用新 型X线交互介质材料和新工艺的探测器。
DR技术从X线探测器成像原理方面可以分为非直接转换( Indirect Conversion )技术与直接转换( Direct Conversion )技术二大类。
非直接转换技术是最早开发的DR技术，最早期的非直接转换技术采用的是增感屏加光学镜头耦合的CCD（电荷耦合器）来获取数字化X线图像的，这种技术被认为是第一代DR技术。但是由于采用增感屏作为其X线交互介质，它的MTF(传递调制函数)和DQE（量子捕获效率）都不会超过增感屏。另外，由于增感屏被X线激发产生的可见光光子，通常只有﹤1%的数量能够通过镜头进入CCD，因此系统的转换效率很低。图二显示了一个4片式CCD探测器系统的结构和原理。另外，由于CCD本身的噪声较大，通常要采用低温冷却来降低其噪声水平，也会导致系统的可靠性降低。
图一：基于CCD的DR系统结构和原理
鉴于CCD技术的这些固有缺陷，使主流影像厂商很快放弃了基于CCD技术DR系统的发展，而将注意力转向基于薄膜晶体管(TFT)的X线探测器的发展。最近连最早发展这种技术的Swissray公司在05年也开始转向平板探测器技术，在05年北美放射学会年会上推出了其基于Trixell 4600的DR系统产品。最先开发基于TFT的平面X线探测器的是施乐( Xerox )公司PARC研究中心，他们发展了在TFT基板上制造光电二极管的工艺技术，最终导致了Dpix公司的成立，并推出了第一种基于TFT的平面X线探测器，这就是后来瓦里安公司的4030探测器的前身。图三是这种探测器的结构和工作原理。
图三：4030探测器像素单元结构
然而这种探测也采用增感屏作为X线交互介质，从而也带来了X线激发的可见光散射所造成的图像模糊；受增感屏的厚度限制，它的X线吸收率也不高，所以这类探测器的整体性能不太高。为了克服增感屏的弱点，一些非直接转换技术X线探测器开发商采用了碘化铯(CsI)晶体膜来作为X线交互介质，CsI晶体是呈针状排列的晶体，如图四所示。
图四：碘化铯晶体电镜照片
CsI晶体的针状结构可以有效地抑制光线的散射，并有较高的X线吸收率，从而改善了探测器的MTF和DQE特性，不过仍然不能完全克服散射效应。图五是法国Trixell公司生产的Pixuim 4600碘化铯非直接转换探测器，是目前性能最好的碘化铯非直接转换探测器。目前西门子、飞利浦和其他多家公司都采用了这种探测器来构建它们的DR系统。
图五：法国Trixell公司生产的Pixuim 4600碘化铯非直接转换探测器
水箅由于非直接转换X线探测器的弱点，一些厂商发展了直接转换（Direct Conversion）技术。直接转换技术X线探测器没有X线荧光转换层，也不需要光电转换单元，它的X射线交互层是由光导半导体(Photo-Conductor)材料构成，目前常用的材料有非晶硒(a-Se)、碲砷镉(CeZnTe)、碘化铅(PbI)和(HgI)，已经商品化的直接转换技术X线探测器则都采用非晶硒。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，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，有非常高的空间分辨率。图六显示了一个基于非晶硒的直接转换技术X线探测器的结构：
图六：基于非晶硒的直接转换技术X线探测器结构
旋转装置直接转换技术彻底克服了非直接换技术中不可避免的可见光散射效应，使它的MTF特性非
侧安全气囊常好。但是由于硒的原子序数较低，对较高能量的X线吸收率较低，所以它在常规放射摄影能量段的DQE不如碘化铯高。不过在乳腺摄影用的低能X射线段，硒材料却有很高的吸收率，是目前最为理想的数字乳腺X线摄影探测器材料。
蓝牙天线在DR系统整机技术发展方面，早期许多厂商多是利用传统X光机的机械部分进行改型成为DR系统，在机型方面也有明显的传统X光机的痕迹，例如采用单球管双探测器配置的双板机型。而近年来多数厂商都开始转变为针对DR的技术特点和应用要求专门设计的单探测器多功能机型，Hologic/友通的EPEX是这类机型的第一种产品（图七）。其后西门子、飞利浦、意大利Mecall都推出了类似的产品，已经成为DR系统的主流机型和系统设计趋势。
图七 Hologic/友通 单探测器多功能DR系统 EPEX
另外一方面，随着越来越多的中小型医院开始采购DR系统，简单、实用的多功能机型也开始流行，例如由Hologic/友通最早开发的U型臂（图八）一类的机型也开始受到市场欢迎，西班牙的Sedecal公司的U型臂系统已经OEM给柯达等国内外的多家公司。
图八 Hologic/友通 U型臂多功能DR系统 RADEX智能卡制作
随着平板探测器技术的发展，体积的缩小、环境适应性的提高，使DR系统机型开发方面也有了更大的自由度，一些非传统机型也开始得到发展。例如，有西门子、东芝等利用日本
喷淋嘴佳能公司开发的便携式平板探测器发展了基于传统X光机的“会跑的DR”，使用单个探测器在床台和胸架之间通过手动方法移动，以实现全身摄影的需要，也用于普通X光机的改造。这种技术的成本低廉，但是功能受到限制，操作亦欠方便，探测器本身的保护方面也存在不足，一些用户发生过探测器在移动过程中坠落损坏的事故，似乎难以成为主流机型。
由于动态图像平板探测器的出现，采用平板探测器的遥控床和动态DR系统也开始进入临床应用，在这方面我国甚至走在了世界前列，友通公司开发的基于平板探测器的动态DR系统（图十）是全球第一种投入临床使用的同类机型。预计动态DR产品的出现将对未来的常规放射成像系统的应用模式和市场发生深远的影响。
图十 珠海友通公司基于平板探测器的动态DR系统
DR系统的的应用问题
DR技术在我国的临床应用时间已经超过六年时间，虽然在应用面方面取得了很大的进步，但是在应用水平方面却不尽人意。特别是大部分的读片工作仍然是以硬拷贝为主的方式，无法充分利用DR图像所包含比传统X线胶片获取的丰富得多的诊断信息，大大限制了DR系统诊断效能的发挥，使得应用水平难以提高。因为本来DR系统设计目标就是为了在数字环境中应用，因此DR系统要获得良好的应用效果，还需要其它应用系统的支持，例如病人注册登记系统、诊断工作站等的配合。其中的诊断工作站尤为重要，因为DR图像的动态范围非常大，包含了比胶片能纪录的范围大的多的图像信息，只有采用软拷贝阅读（Softcopy Reading）才能充分利用这些信息，最好地发挥DR系统的技术性能。图九是未经后处理的原始DR图像与经软组织增强后的图像比较，经过后处理的图像上皮肤中的异物清晰可见，而在原始图像上则无法看到异物。可以看出图像后处理在DR应用中的重要作用，国内外的文献资料都显示采用诊断工作站阅片可以明显提高DR影像的诊断工作效能。如果在诊断工作站上增加计算机辅助诊断软件，还能进一步提高影像诊断水平。
图九：原始图像与经软组织增强后的图像比较
另外一点值得注意的是，并不是所有的影像工作站都能很好的进行DR图像处理，事实上市场上大部分的PACS工作站产品都不能很好的支持DR图像的应用，缺乏非线性窗宽窗位调节和针对DR图像所需要的图像后处理功能，使这些产品不能很好的利用DR影像。图十给出了用友通公司的PACS工作站的交响乐软件包处理前后的头部侧位片对比，可以看出图像的差异非常大。
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