Medipix在醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用
在X射線發(fā)現(xiàn)后的幾十年里，X射線成像器件經(jīng)歷了從膠片、IP板到CCD傳感器、非晶硅平板探測器、CMOS平板探測器，再到直接探測型的混合光子計(jì)數(shù)X射線探測器的發(fā)展歷程。在醫(yī)學(xué)成像中，提高醫(yī)學(xué)診斷水平的挑戰(zhàn)是在低輻射劑量下具有良好空間分辨率、高檢測效率、高對比度、快速響應(yīng)和高信噪比的成像系統(tǒng)，而這也正是成像探測器所一直追求的。
雖然光子計(jì)數(shù)型芯片的技術(shù)起源于粒子物理和高能物理，但Medipix系列芯片的研發(fā)團(tuán)隊(duì)顯然在給它起這個(gè)名字時(shí)就考慮到了醫(yī)學(xué)上的（Medical）應(yīng)用。首先，小像素尺寸使成像應(yīng)用具有非常高的空間分辨率。因此，對于需要高空間分辨率的應(yīng)用，如檢測乳房中的微鈣化或牙科成像，在對比度和空間分辨率方面都得到了提高。
其次，使用半導(dǎo)體直接探測搭配上光子計(jì)數(shù)的無噪聲成像方式，大大提高了靈敏度和信噪比。最后，Medipix系列芯片的多閾值能量窗口篩選功能使得一個(gè)全新的醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域成為可能：X射線能譜成像。
圖一 四代medipix芯片的參數(shù)、性能比較
如上圖一所示，在過去的二十幾年中，Medipix系列芯片已經(jīng)發(fā)展到了最新的Medipix4（目前正處于研發(fā)階段）。隨著每一次新的迭代，Medipix系列芯片都改進(jìn)了其核心指標(biāo)，如能量線性度，最低探測下限和光通量上限等。同時(shí)引入了新的特性，例如電荷求和模式作為電荷共享效應(yīng)的校正，從而獲得更好的能譜性能。此外，通過選擇合適的傳感器材料（Si、GaAs、CdTe、CZT）來搭配Medipix系列芯片，可以靈活滿足各種醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需求。
早在2006年，歐盟資助的乳腺X射線診斷項(xiàng)目：Dear-Mama，就用到了Medipix2探測器（Si / CdTe傳感器）搭建了一套診斷設(shè)備（見圖二左圖），并安裝在西班牙的一家醫(yī)院。Dear-Mama系統(tǒng)在分辨率和對比度方面優(yōu)于其他的乳腺診斷系統(tǒng)，主要得益于55μm像素尺寸Medipix2芯片的光子計(jì)數(shù)X射線探測器的功勞，如圖二右圖 其MTF優(yōu)于其他類型的探測器。
圖二 左圖為安裝于西班牙一家醫(yī)院的乳腺診斷系統(tǒng)；右圖為不同類型探測器的分辨率&MTF關(guān)系曲線
在傳統(tǒng)的X射線CT系統(tǒng)中，X射線源具有一個(gè)較寬能譜，探測器通常是一個(gè)數(shù)字積分式的傳感器，其輸出信號與整個(gè)入射能譜上的能量積分成正比。由于X射線衰減與材料和光子能量有關(guān)，傳統(tǒng)的X射線CT探測器由于能量積分而丟失了一些衰減信息。換句話說，傳統(tǒng)的X射線CT探測器不具備分辨入射光子能量的能力，因此衰減圖中相對于不同能量提供的附加信息丟失了。隨著探測器技術(shù)的最新進(jìn)展，能譜CT系統(tǒng)能夠識別不同能量范圍下的X射線衰減，區(qū)分不同材料的能力更強(qiáng)。
在2011年，Procz等人展示了第一張由Medipix3探測器（Si傳感器）拍攝的彩色x射線照片，其中以魚頭為樣品，紅、綠、藍(lán)色顯示了不同能量范圍的x射線圖片，如下圖三所示。魚鰾是白色的，就像魚周圍的空氣一樣，因?yàn)樗心芰糠秶墓庾釉谶@里幾乎沒有被吸收。低能光子不能穿透組織，剩余的中、高能光子呈現(xiàn)青色。骨頭呈藍(lán)黑色，因?yàn)橹挥懈吣芄庾幽軌虼┩杆鼈?。由于?dòng)態(tài)范圍大，能量加權(quán)不同，能譜成像的圖像信息優(yōu)于光子計(jì)數(shù)的黑白圖像。
圖三 不同X射線能量窗口下魚頭的X射線黑白圖像及能譜成像
早在2008年，一家新西蘭的公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)使用Medipix2芯片搭建了能譜CT。目前他們利用最新一代Medipix3RX芯片的超像素模式，在每個(gè)110μm×110μm的單元中，能夠在單次曝光下同時(shí)使用8個(gè)能量閾值，能識別和定量軟組織、骨骼、軟骨、造影劑和藥物的各種成分(同時(shí)多達(dá)六種不同的材料)，如下圖四所示。對樣品的研究表明，能譜CT系統(tǒng)能夠同時(shí)區(qū)分作為軟組織的替代物中的六種材料，分別為：金、釓和碘造影劑，鈣作為骨骼的主要成分，脂質(zhì)和水。在能譜CT掃描儀中，x射線譜被Medipix3RX探測器分成八個(gè)獨(dú)立的能量窗，該能量信息用于區(qū)分和量化不同的材料。
圖四
除了利用能譜成像進(jìn)行物質(zhì)識別，Medipix3RX探測器還能通過相襯的方法提升軟組織的對比度。休斯頓大學(xué)的研究人員使用ADVACAM公司提供的搭載Medipix3RX芯片的探測器Widepix 2X5（CdTe傳感器）搭建了一套同軸相襯CT，測試了與生物組織衰減系數(shù)相近的幾種材料，如下圖所示。通過相位恢復(fù)算法解析原始CT圖像，提取定量的相位和吸收信息。在原始圖像中，可以看到四個(gè)內(nèi)部材料棒中的三個(gè)，但很難區(qū)分。在提取的衰減重建中，所有材料棒在重建中都是可區(qū)分的，并且POM和石墨之間存在明顯的差異。在提取的相位重建中，更好地區(qū)分了PMMA和水之間的差異。
圖五
結(jié) 語
雖然光子計(jì)數(shù)型芯片Medipix的技術(shù)起源于粒子物理和高能物理，但由于光子計(jì)數(shù)X射線探測器的零噪聲、高探測效率、和高幀率的特點(diǎn)在過去的近30年被應(yīng)用很多X射線分析技術(shù)，其大大提升相應(yīng)分析方法的能力，同時(shí)推動(dòng)了各個(gè)行業(yè)的發(fā)展。如X射線衍射，X射線散射，X射線關(guān)聯(lián)光子光譜，X射線吸收、相襯和能譜成像等，無論是在國家大科學(xué)裝置-同步輻射光源，還是在未來清潔能量潛力選手-磁約束核聚變，還是在普通的分析實(shí)驗(yàn)室的X射線衍射儀、小角散射儀中都能看到它的身影。
如同上文中介紹，X射線在醫(yī)療中的應(yīng)用也是十分廣泛，其市場體量也十分的大，同時(shí)也和每個(gè)人息息相關(guān)。近些年國外CT大廠率先推出了應(yīng)于人體的能譜CT，我們看到國內(nèi)的CT制造商在紛紛跟進(jìn)，并獲得了相應(yīng)的國家支持，成立了開發(fā)小組來開發(fā)能譜CT。讓我們靜待，光子計(jì)數(shù)型X射線像素探測器在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用并大放異彩。
關(guān)于眾星聯(lián)恒
北京眾星聯(lián)恒科技有限公司致力于引進(jìn)國際高端的EUV/SXR/X射線產(chǎn)品、及新孵化高新技術(shù)產(chǎn)品給中國的同步輻射，研究所，高校及高端制造業(yè)的客戶。我司可提供短波波段全光路系統(tǒng)所需的核心部件以及解決方案，包括：1. X射線/EUV光源；2. X射線/SXR/EUV光學(xué)元件；3. X射線/SXR/EUV/可見光及電子探測器；4. VUV/XUV/X射線光譜儀；5. X射線分析系統(tǒng)解決方案；6. 輝光放電質(zhì)譜儀等分析儀器。
除了標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品外，針對客戶的特定需求我們還可提供定制化的解決方案，即使是最具挑戰(zhàn)性的前沿應(yīng)用領(lǐng)域，也能提供高效的X射線/EUV全套解決方案，助力我國科研創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)升級。
除此之外，我們還積極的打造極紫外、X射線領(lǐng)域的知識和咨詢分享平臺，我們會不定期分享一些行業(yè)會議、新技術(shù)、新產(chǎn)品等信息。同時(shí)我們還打造X射線開發(fā)實(shí)驗(yàn)室，可以給大家提供大量極紫外、X射線領(lǐng)域先進(jìn)核心部件的展示、技術(shù)培訓(xùn)和相應(yīng)的方案實(shí)施。
相關(guān)閱讀
光子計(jì)數(shù)、像素化X射線探測器（HPC）的基本結(jié)構(gòu)、原理和工作模式
Timepix3芯片原理及多種應(yīng)用介紹(應(yīng)用篇)
Timepix探測器用于粒子識別與質(zhì)子重離子放療應(yīng)用
光子計(jì)數(shù)、像素化X射線探測器-Widepix在成像、譜學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用
使用Widepix 1x5 MPX3 CdTe探測器進(jìn)行X射線譜學(xué)成像
參考文獻(xiàn)
1. Blanchot G, Chmeissani M, Díaz A, et al. Dear-Mama: A photon counting X-ray imaging project for medical applications. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2006, 569(1): 136-139.
2. Procz S, Pichotka M, Lubke J, et al. Flatfield correction optimization for energy selective X-ray imaging with Medipix3. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2011, 58(6): 3182-3189.
3. He P, Yu H, Thayer P, et al. Preliminary experimental results from a MARS Micro-CT system. Journal of X-ray Science and Technology, 2012, 20(2): 199-211.
4. Moghiseh M, Aamir R, Panta R K, et al. Discrimination of multiple high-Z materials by multi-energy spectral CT–A phantom study. JSM Biomed Imaging Data Pap, 2016, 61(1007): 3.
5. Ballabriga, Rafael, Michael Campbell, and X. Llopart. An introduction to the Medipix family ASICs. Radiation Measurements 136 (2020): 106271.
6. Harmon I E, Vazquez I, Das M. Low dose and high SNR phase retrieval and micro CT using a wide area photon counting detector. Medical Imaging 2020: Physics of Medical Imaging. SPIE, 2020, 11312: 326-331.
?
?
?
免責(zé)聲明：
此篇文章內(nèi)容（含圖片）部分來源于網(wǎng)絡(luò)。文章引用部分版權(quán)及觀點(diǎn)歸原作者所有，北京眾星聯(lián)恒科技有限公司發(fā)布及轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多行業(yè)資訊與網(wǎng)絡(luò)分享。若您認(rèn)為本文存在侵權(quán)之處，請聯(lián)系我們，我們會在第一時(shí)間處理。如有任何疑問，歡迎您隨時(shí)與我們聯(lián)系。