雙能量X射線成像技術(shù)的發(fā)展
X 光成像是一種非常常見(jiàn)的醫(yī)學(xué)診斷和醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。例如，傳統(tǒng) DR (Digital Radiography) 技術(shù)的基本幾何示意圖如下，X 射線光管發(fā)出光子束穿過(guò)患者，在平板探測(cè)器上產(chǎn)生二維圖像。但是由于軟組織和硬組織對(duì) X 射線的質(zhì)量衰減系數(shù)差異很大，導(dǎo)致 X 射線在組織識(shí)別上的能力受限。例如，為了評(píng)估肺部結(jié)構(gòu)而拍攝胸片，在獲得的圖像中不可避免地被肋骨阻塞。在這種情況下，肋骨是結(jié)構(gòu)噪聲的主要來(lái)源，因?yàn)樗鼈儾皇俏覀兏信d趣的結(jié)構(gòu)，如下圖。成像的組織模糊不清，通常會(huì)增大病灶誤判的概率。
早在 1976 年科學(xué)家就提出了利用雙能量 X 射線成像技術(shù)來(lái)降低結(jié)構(gòu)噪聲。先分別用低能光子和高能光子拍攝兩幅圖片，然后根據(jù)低能光子和高能光子在不同組織中的質(zhì)量衰減系數(shù)，通過(guò)巧妙的扣減算法將患者的投影分解為僅包含軟組織和硬組織的圖像，如下圖。雙能量成像最大的挑戰(zhàn)在于獲得兩幅獨(dú)立的低能(LE)和高能(HE)圖像。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，探測(cè)器吸收的 X 射線光譜應(yīng)該對(duì) LE 圖像中的低能量光子和 HE 圖像中的高能量光子進(jìn)行重加權(quán)。獲得這種分離的光譜可以通過(guò)兩種不同的方式來(lái)完成：雙發(fā)成像 (Double-shot Imaging)和單發(fā)成像 (Sing-shot Imaging)。
雙發(fā)成像是最直接的方法，通過(guò)改變 X 射線光管的加速電壓來(lái)拍攝兩幅不同能量段的圖像，可以在兩幅圖像之間實(shí)現(xiàn)出色的光譜分離，并最大限度地減少圖像光譜之間的重疊。但這種方法固有的時(shí)間分離會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)偽影出現(xiàn)在最后的圖像中。例如在改變加速電壓的過(guò)程中患者發(fā)生的心臟跳動(dòng)、呼吸和肌肉運(yùn)動(dòng)等等，都會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影。雖然可以使用雙光源系統(tǒng)來(lái)解決運(yùn)動(dòng)偽影的問(wèn)題，但也意味著更高的成本。此外，雙發(fā)成像不可避免的增大了輻照劑量，兩次曝光將使劑量至少增大 15%。而單發(fā)成像則采用雙層平板探測(cè)器的手段，探測(cè)器主要由上下兩個(gè)探測(cè)模塊構(gòu)成，上層探測(cè)模塊測(cè)低能光子，下層探測(cè)模塊探測(cè)高能光子，中間的金屬濾片則用于光譜分離，如下圖所示。在正常的劑量下，探測(cè)器可獲得兩幅光譜分離的圖片，且沒(méi)有運(yùn)動(dòng)偽影。但金屬濾片的光譜分離能力有限，而且它會(huì)吸收部分光子，從而使得 HE 圖像的信噪比較差。
近年來(lái)，加拿大滑鐵盧大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)的一款新興探測(cè)器 Reveal?35C 已經(jīng)克服了雙能量 X 射線成像的局限性。
Reveal?35C 具有獨(dú)特的三層堆疊設(shè)計(jì)，便于集成， 量子效率高。與其他雙能解決方案不同，Reveal?35C只需要一次 X 射線曝光，即使用與常規(guī)胸部 X 光相同的輻射劑量，就能消除運(yùn)動(dòng)偽影，實(shí)現(xiàn)骨和組織的區(qū)分，首次實(shí)現(xiàn)橫向雙能圖像。Reveal?35C已經(jīng)獲得美國(guó)FDA 510(k) 認(rèn)證和加拿大衛(wèi)生部許可。
在雙層平板探測(cè)器的基礎(chǔ)上將中間的金屬濾片更換為一層探測(cè)模塊，在不損失X射線劑量的情況下，優(yōu)化了每層閃爍體的厚度以獲得最佳的光譜分離，如左下圖。在單次曝光下，可以同時(shí)獲得三幅無(wú)運(yùn)動(dòng)偽影的圖片，即雙能圖像（扣減算法處理layer 1和layer 3后）、高劑量效率圖像（三層圖像相加）。此外，多個(gè)感光層的高 DQE 使得即使在減少 30% 劑量的情況下，仍能獲得高信噪比的圖像，如右下圖。
在臨床試驗(yàn)中，利用 Reveal?35C 對(duì)兩位患者進(jìn)行成像，如下圖。在檢查第一位患者的軟組織和硬組織圖像后，放射科醫(yī)生確認(rèn)左下葉有腫塊，右下葉有鈣化肉芽腫，可能有新的右下葉腫塊；第二位患者的骨折則在硬組織圖像中清晰可見(jiàn)，這些病灶都是傳統(tǒng) DR 技術(shù)所不能發(fā)現(xiàn)的。
主要參數(shù)
參考文獻(xiàn)：
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