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)出光子束穿過患者，在平板探測器上產(chǎn)生二維圖像。但是由于軟組織和硬組織對 X 射線的質(zhì)量衰減系數(shù)差異很大，導(dǎo)致 X 射線在組織識別上的能力受限。例如，為了評估肺部結(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)噪聲的主要來源，因為它們不是我們感興趣的結(jié)構(gòu)，如下圖。成像的組織模糊不清，通常會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)在于獲得兩幅獨立的低能(LE)和高能(HE)圖像。為了實現(xiàn)這一點，探測器吸收的 X 射線光譜應(yīng)該對 LE 圖像中的低能量光子和 HE 圖像中的高能量光子進行重加權(quán)。獲得這種分離的光譜可以通過兩種不同的方式來完成：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，通過改變 X 射線光管的加速電壓來拍攝兩幅不同能量段的圖像，可以在兩幅圖像之間實現(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間分離會導(dǎo)致運動偽影出現(xiàn)在最后的圖像中。例如在改變加速電壓的過程中患者發(fā)生的心臟跳動、呼吸和肌肉運動等等，都會產(chǎn)生運動偽影。雖然可以使用雙光源系統(tǒng)來解決運動偽影的問題，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器的手段，探測器主要由上下兩個探測模塊構(gòu)成，上層探測模塊測低能光子，下層探測模塊探測高能光子，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，探測器可獲得兩幅光譜分離的圖片，且沒有運動偽影。但金屬濾片的光譜分離能力有限，而且它會吸收部分光子，從而使得 HE 圖像的信噪比較差。
近年來，加拿大滑鐵盧大學(xué)的研究人員開發(fā)的一款新興探測器 Reveal?35C 已經(jīng)克服了雙能量 X 射線成像的局限性。
Reveal?35C 具有獨特的三層堆疊設(shè)計，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，就能消除運動偽影，實現(xiàn)骨和組織的區(qū)分，首次實現(xiàn)橫向雙能圖像。Reveal?35C已經(jīng)獲得美國FDA 510(k) 認證和加拿大衛(wèi)生部許可。
在雙層平板探測器的基礎(chǔ)上將中間的金屬濾片更換為一層探測模塊，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，可以同時獲得三幅無運動偽影的圖片，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。
在臨床試驗中，利用 Reveal?35C 對兩位患者進行成像，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，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：
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