光耦功率放大技术在 CT超低剂量扫描的研究

刘 毅,燕桂新,孙亮,卓越

新疆维吾尔自治区生产建设兵团农六师医院放射科 (五家渠市,831300)

光耦功率放大技术在 CT超低剂量扫描的研究

刘 毅,燕桂新,孙亮,卓越

新疆维吾尔自治区生产建设兵团农六师医院放射科 (五家渠市,831300)

目的 将全新的光电耦合高电压强电流放大处理技术用于 CT机的前置放大处理中,隔离噪声和高电压大电流放大图像信号,实现超低剂量扫描,高清晰成像。方法 将光电耦合放大器制作成射线剂量仪,并用 CT机等超低剂量120KV、3-6mA…对其曝光,并与标准射线剂量仪校准,使其输出值不仅为射线剂量值,更能显示为高电压和大电流的优质图像信噪比。结果 超小电流扫描经探测和光耦放大后最大值为 87.5V和 0.96A,而噪声电压为 0.13μV、电流仅为 0.02μA,给超低剂量扫描和传输处理时的功耗及高电压的宽动态范围显示留了很大空间。结论 CT超低剂量扫描时光耦放大器可在源头彻底隔离各种噪声并超高倍放大、高电压大电流输出图像信号,可保证高清晰高分辨率成像。

超低剂量;光电耦合放大器 ;超小电流曝光;高电压大电流放大

0 前言

CT的高清晰影像是以增加患者的辐射剂量为代价的。重复多次和小儿大剂量检查的现象较普遍。人体接受过量辐射可引起体细胞不可逆的损害及染色体畸变、影响个体及后代。学术家们对软、硬件及扫描参数均采取各种措施以降低辐射剂量。虽然,这些方法在 CT机固有技术内较显著的降低了剂量,如果再予降低的话必会引起噪声大增影响成像质量,甚至不能诊断。如何兼顾好辐射剂量与图像质量的矛盾关系是当前重中之重。若将 CT机最关键环节的探测与放大中采用本文设计的光电耦合式功率放大器,对探测器的输出信号超高倍放大及线性功率驱动,即彻底隔离噪声的同时增加图像信号的幅度和强度,可大幅提高探测灵敏度,可有效降低辐射剂量,保证图像高质量,方法简便易行。

1 材料与方法

用 PQ-2000型 CT机超小电流高电压值曝光,直接对放大器输出信号的电压幅值和电流强度值与噪声的电压电流最小值测试并进行比较。直观的说明曝光剂量与图像质量的关系,不用曝光的 mA与辐射剂量的 mGy等繁杂的表述。再根据 CT机内前置放大器等的参数和信号要求,利用线性光电耦合放大器 (见图1),并改进设计了硅光电池式线性光电耦合线性功率驱动即高电压大电流放大器,见图2。并参考射线剂量特性值,模数转换器、积分器和计数显示器等组装成高灵敏的射线测量仪,该仪器输入端接 CT机探测器输出端。选低剂量参数:固定 120KV,诊视床放相当于腰侧位吸收值厚度 33cm的水模,曝光时间:1s,分别选用 30mA、20mA、10mA、默认 0°定位曝光。分别对 CT机内的放大器及本文改进设计的硅光电池式光耦放大剂量仪测试。因 CT机的电流最小值为 10mA,故超低条件曝光用 C形臂血管造影机:固定 120kV,以 8mA、6mA 3mA、1mA、0.5mA仅对本文仪器曝光,其值均与 XF-III诊断 X射线照射量仪校准。将上述两种放大器输出用数字万用表测出电流和电压值并做出坐标图见图3。用 C形臂机的 0.5mA,120kV、持续 2 S曝光 3次,观察其重复性和稳定性。并用 100倍的放大电路测试输出的暗电流。

图1 常规光电耦合式放大器电路简图Fig.1 Conventional optocoupler amplifier schematic

本文改进设计将图1的光敏二极管 D2改为硅光电池 -光电池式光电耦合超高倍线性功率放大器,简称光耦功率放大,组装成射线剂量仪的电路简图 ,见图2。

图2 射线剂量仪的电路简图Fig.2 The circuit diagram of radiation dosi meter

从图1可以看出,CT探测器输出信号经第一级放大器 I C1输出通过发光二极管 D1发光给光敏二极管D2接受后在线性区导通输出给第二级放大器I C2。因单项光传输、各种噪声和电磁场干扰、电阻热噪声和电容器 (漏电流约 0.2mA-1.5mA)及放大器内许多 pn结的漏电流及差分放大失配输入失调电压电流、温度漂移、机械震动和磨擦干扰等均被绝缘隔离。由于噪声信号的频率总是低于被变换的光信号,其空间传播能力也不如光的传播能力强,避免了各种噪声电流的正向与反馈的联级放大。彻底隔离了噪声。可使两级串联放大倍数设计到 5万倍。

从图2可以看出,第二级放大器 IC2的光敏管D2设计为硅光电池,驱除了二极管电源及外围电路的噪声。并使用高电压大功率线性驱动放大器,再次超高倍数大电流放大,使 CT机的探测灵敏度显著增加,而曝光剂量就可降低许多。测量显示积分器的输出值就成为灵敏的皮肤吸收剂量仪。

图3 电流与电压关系曲线Fig.3 Current and voltage relationship

2 结果

从 CT和 C形臂的超低电流 0.5mA-14mA曝光时的坐标图3可知,CT机放大器输出直线 Q1、电压 (纵坐标)V1为 0.03V-7.8V,电流 I1:3mA-31mA,噪声电压为 3.3μV、电流为 1.7μA,而曝光 (横坐标)小于 6.3mA测不出有用值。本文设计的光耦功率放大其输出直线为 Q2、电压 V2为15V-87.5V,电流 I2:0.22A-0.96A,噪声电压为 0.13μV、电流为 0.02μA。而两者输出的线性关系很相似,与射线仪输出线性吻合,曝光的电流值与两个放大器输出的电压和电流值简单明了的说明了光耦功率放大可使探测器灵敏度增加许多,在超低剂量探测时与 CT原来信号的电压幅度相比提高了11.2倍,电流强度放大了 29.35倍,而噪声电流却低 85倍,其信噪比 Q2是 Q1的 101倍,为大幅降低曝光量提供了极高的信噪比,放大器的高电压输出的直线也显示了比原低电压输出其动态范围增加了许多,分辨率也随之提高。总之 CT机的曝光剂量可降到 0.5mA-10mA的超低水平。三次固定曝光仪器输出稳定,其误差范围为 ±0.23mV。末端积分器的输出值随曝光时间变化的积分值已与 XF-III诊断 X射线照射量仪校准,再实际中用做曝光时的辐射剂量监测的同时显示出在超低剂量下的优质图像信噪比。本降剂量方法与低剂量比降低 60%,图像质量可与高清晰质量相媲美。

3 讨论

(1)螺旋 CT机作为 X射线成像源的成像技术,其大电流曝光造成的辐射损伤已关系到 CT在影像诊断学的前途。国际相关组织对降低诊断辐射的剂量作了严格的限制和立了相关法规及较细致的标准。而我国则无相关法规,目前降低剂量的方法有:

①硬件方法:如开发更有效的过滤板,更精密的准直器,更高效灵敏的探测器等。

②软件方法:使用更好的重建算法,智能滤过技术、更灵活的 mA自动设置和自动调节、更优秀的降噪和伪影抑制软件,还可变速扫描和期相选择心电门控舒张期曝光等。

③优化扫描范围及时间,管电流、管电压、螺距和层厚度等的参数[3]。最常用的方法是减小管电流,其次缩短扫描时间,管电流和扫描时间的乘积与辐射剂量呈线性关系。管电压与辐射剂量呈指数关系,降低管电压也可降低剂量,但也降低了 X线质量,导致辐射比例增加,也直接使图像噪声增加[2-3],所以本文提倡高千伏、小电流和短时间扫描。不同的检查部位各有其低剂量标准。然而“影像的噪声水平与 X线量的平方呈反比”,大幅降低射线剂量会因噪声增加而图像质量下降,尤其是像素噪声的影响是主要的,噪声对图像的空间分辨率影响较小、而对密度分辨率影响很大,尤其低密度影,噪声还可干扰信息的传输,仿碍人的视觉对所接收信息的理解。辐射剂量与图像质量即制约而又矛盾。专家认为:“将剂量较常规降低了 20%可为剂量降低了”。胸部而言:“管电流降到约 80mA-10mA为低剂量,3mA-6mA为可诊断的超低剂量[1、6],鼻窦及颞骨由 200mA将到50mA为低剂量……”。“适当接受和容忍一些噪声,不要一味追求高清晰图像,保证诊断质量的前提下,有效降低辐射剂量 ”[3、7]。

(2)大幅降剂量应从 CT核心技术的探测与放大入手更有效。

CT的研制成功,其诺贝尔奖基金会的医学和生理学奖由不具有专门的医学资历的豪斯菲尔德和柯马克所获得。我们必须一专多能、掌握一些相邻的理、工、剂量学等知识可方便的解决难题[4]。目前CT机常用的超高速稀土陶瓷固体探测器探测效率很高,开发很难,涉及多行业技术。然而探测器再灵敏高效其输出信号十分微弱 (微伏至几十毫伏)不能直接利用,必须经过前置放大器放大到几百毫伏至几伏才能经 A/D(模 /数转换)成系列数字脉冲供计算机使用,而各种干扰与噪声无处不在,绝大部分干扰与噪声也产生在 A/D之前,CT前置放大器之间均为阻容或直接耦合等电气耦合,抗干扰能力差,当信号被放大到一定幅度 (百倍 -几千倍)时,噪声也被放大、还可反馈到输入端循环放大。目前光耦放大器的设计制作技术早已很成熟,较熟手的维修工程师均可设计制作,所以将光电耦合式放大器用于 CT机的前置放大器,可超高倍放大探测器输出的信号的同时噪声被隔离。

众所周知,光电耦合器有许多最优的性能:

①输入与输出之间具有单向光传输和良好的电气隔离性,具很强的抗干扰及防静电能力,即共模抑制比大;＞130dB。因电磁电场干扰对光不起作用,故电路不需电磁屏蔽,输出信号对输入信号也没有影响,输出信号也不会反馈到输入端,可为无噪声传输结构。

②电路设计十分简单,可靠性高、做开关时无触点及无电火花干扰。

③传输失真度极小,传输速度快:约 20nS-5μS或 400kbit/S,且频带宽为 9MHz。

④输入与输出电流比 ＞150%。

⑤将输出发光二极管换为高线性红外发光二极管时、光敏二极管接呈放大状态:输出与输入之间就呈了线性关系,可组成线性光电耦合式放大器,很适合用于强电磁场干扰的环境。它是二十世纪倍受专业者重视的器件,其集成电路如美国 BB公司生产的 ISO100等。国产的 GD2203等,首先用于心电图仪中,较前相比可提早发现异常 P波。

(3)光耦放大的重要性

其它领域光测量放大器的放大倍数够用就行了,“但人们希望有着射线损伤的 CT机扫描剂量越低越好,同时还要降低噪声保证图像质量”。那末就需要放大倍数越高越好,况且光耦放大器其设计简单,价格便宜,制作简单。所以本文改进设计了光耦功率放大器在此有着及其特殊的应用价值。

①改进一:用于心电图机的光耦电路见图1。其中 D2加有直流电源,存在着一定的电源波动、电场干扰及漏电流等可引起噪声随 IC2被超高倍放大到几十毫伏以上,这样图像质量就会受到严重影响。故将 D2换成硅光电池,如图2。因光电池无需加任何电源及外围电路、即光生伏特效应,仅存的二极管噪声也就驱除了,放大倍数就能提高到约 10万倍,且精确稳定。D2的负载电阻 RL阻值为 50-100Ω时,输出的短路电流与输入信号呈理想的线性关系。

②改进二:CT机的前置放大器将探测信号只做一定幅度的电压放大,输出电流约几毫安 -几十毫安,故图像信号只有一定的幅度而没强度,信噪比未达到最佳。降低剂量时,其光电流在传输时、因电子电路各参数的设定及处理时的信号能量衰减及器件本身的功耗等,使信号的强度减弱许多,更不利的是放大器的电压和电流很小,降低剂量余地不大了。大家知道,放大电路不是将图像信号本身放大了,而是将电源电流通过放大器按该人体组织密度的射线吸收值的规律成比例的间接转换放大了,最终是电流驱动做功。音响设备能通过功率放大器将很微弱的声音扩大到很多分贝,彩色电视通过增加电流使变淡的图像色彩对比度大幅增强,光电倍增管将极其微弱的光电流信号经几级倍增光电流放大到 106等,若 CT的前置末级放大器 I C2选用线性功率驱动类集成运算放大器:如 D41、μA791等,输出电压高达 100V、电流可达 1A以上,再提供大功率电源,即主机超低(mA)剂量曝光、由电路的放大器大电流补充放大,使采集的信息量仍可保持很大。这样记录的图像信号仍然特征性强,信息量大、传输与后处理品质高,光电和光化作用更强,干扰与噪声的影响极小,图像细腻、低密度分辨和清晰度都高,还大大延长球管的使用寿命。该功率放大使电源负荷增加,高电压大电流是在120V、2.5A以内,超过时噪声开始增加。

4小结

高管电压曝光其记录信息 (灰度)的范围最宽,传输质量好,影像层次丰富,空间分辨率最高(50LP/mm以上)。值得重视的是:超小电流曝光其透射线的信息量仍远大于探测器探测的信息量,如显微μCT的扫描电流在 10μA-100μA,其影像能显示超微结构。所以光耦功率放大器将探测的微弱的图像信号通过电路高电压和强电流补偿放大仍可保持高分辨率,其作用范围大于增加曝光电流,而噪声被隔离,不仅如此 也可使扫描的厚度很薄、时间缩短,明显提升各种软件的处理功能。本放大技术很有必要推广使用,有望成为各种射线成像仪的通用放大器。

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Development of L ight-coupler Power Amplifier Techn ique in Low Dose CT Scan

Liu yi,Yan Guixin,Sun liang,Zhuo Yue
Nongliushi Hospital,Xinjiang Production and Construction Crops,the Xinjiang UygurAutonomous Region(Wujiaqu,831300).

objective Photoelectric coupling high voltage strong current amplification process technology in CTmachine preamplifier processing applications.Isolate the noise and high voltage large current amplification image signal,realize low dose scanning,high-definition imaging. M ethods Using photoelectricity coupling amplifiers make rays dosimeter,and with 120Kv,3-6mA ultra low dose CTmachine exposure,and with standard rays dosimeter calibration,make its output value not only for radiation dose value,more can show for high voltage and high current high-quality image SNR. Results By detecting and optical coupling amplification exceed s mall current scanningmaximum is87.5V 0.96A,and noise voltage for0.13μV,current isonly 0.02μA It gives low dose scanning,trans mission in processing power consumption and high voltage wide dynamic range shows that there is a lot of space.Conclusion When conducting a low dose CT scan,because light-coupler to isolate all noises,ultra amplifier amplification times,high voltage large current output image signal,so can ensure high resolution imaging.

low doses,photoelectric coupling amplifier,ultra low current exposure,high voltage large current amplification

R445.3

A

1674-1242(2010)04-00202-04

10.3969/j.issn.1674-1242.2010.04.005

刘毅,E-mail:liuyi561021@163.com

2010-06-21)