数字化医学影像技术的进展分析

余爱民，阜艳

广东科学技术职业学院电子信息技术研究所，广东 广州 510640

数字化医学影像技术的进展分析

余爱民，阜艳

广东科学技术职业学院电子信息技术研究所，广东 广州 510640

随着计算机技术、信息技术、分子生物学技术的高速发展，医学影像派生出了系列的数字化成像技术。文章概述了以X线、CR、CT、DR、MRI等为代表的经典医学数字成像技术的发展过程，对医学数字成像技术及其代表产品的现状进行了分析。介绍了当今医学影像技术前沿科学的分子影像学，探讨了医学影像技术的发展趋势。

直接X线摄影；计算机X线摄影；分子影像学；数字化影像设备

本文导读 >>

本文是在2010年广东省自然科学基金项目“基于医疗诊断的低剂量X线数字成像技术研发”（10151064007000000）；广东省2009年社会发展重点科技计划项目“低成本医学X光数字成像设备的研发”（2009A030200016）共同资助下开展研究的。并在2007年广东省自然科学基金项目“医学视频无线传输控制与感兴区优先描述编码的研究（07006387）”、科技攻关项目“医学X光非标视频数码自适应转换系统的研究（2007B010400058）”的资助下成功研制了“一体化医学视频无线传输产品RISPro”的基础上开展的进一步研究。

文章概述了以X线、CR、CT、DR、MRI等为代表的经典医学数字成像技术的发展过程，对医学数字成像技术的现状进行了分析。介绍了当今医学影像前沿科学的分子影像学，探讨了医学影像技术的发展趋势。

自20世纪70年代以来，数字化医学影像技术经历了以计算机X线摄影（Computed Radiography,CR）、计算机断层扫描(Computer Tomoscan，CT)、直接X线摄影（Direct Radiography，DR）、磁共振影像(Magnetism Resonance Imaging，MRI)、正电子断层扫描(Positron Electron Tomoscan，PET)为代表的经典医学数字成像技术的发展历程。在这些数字化医学影像技术不断发展成熟的过程中，计算机辅助放射成像技术成为近10年来医学影像技术研究的热点。

随着计算机技术、信息技术和分子生物学技术的高速发展,在以计算机辅助放射成像技术为研究核心的基础上，一种将分子生物学和现代医学影像学相结合而产生的一门新兴的边缘学科——分子影像学(Molecular Imaging，MI)逐步成为医学影像学发展的前沿[13]。

经典医学影像技术，在临床诊断的应用上主要是显示疾病导致解剖学改变特点的病变影像——人体细胞分子病变的最终效应。而分子影像学则是通过新的工具、试剂及方法，探查疾病初发过程中，细胞分子水平的异常，在疾病尚未导致解剖学改变的疾病前期检出异常，为探索疾病的发生、发展和转归，为评价药物的疗效，为疾病的诊断提供了有力的辅助工具。

1 主流数字成像技术的进展

1.1 计算机X线摄影（CR）

1976年Kodak（日本柯达）取得了计算机X射线成像（CR）技术的专利，1980年Fuji（日本富士）取得IP板(Imaging Plate, IP)专利，1981年Fuji制造出了世界上第一台CR。

CR技术采用影像板代替传统的胶片/增感屏来记录X射线，再用激光激励影像板，通过专用的读出设备读出影像板存储的数字信号，之后再用计算机进行处理和成像。CR的特征是以成像板IP代替胶片作为载体， IP板是含有微量元素铕（Eu2+）的钡氟溴化合物（BFBr Eu2+）的结晶。X线穿过人体曝射后在上面形成潜影，将IP板放入到激光扫描仪经过激光束扫描来读取存储于IP板中的影像信息。随之通过光电倍增管和A/D转换器转换成数字信号,进行计算机图像显示及各种图像处理显示和照相等。 CR技术为把传统放射医学过渡到现代数字化放射医学起到了重要的桥梁作用。

Fuji 根据Image Intelligence影像技术，采用第七代柔性IP影像板研制的超高分辨率全能型数字化影像设备“FCR CAPSULA”是当今CR先进技术产品的典型代表。

1.2 直接X线摄影（DR）

1997年瑞士射线（Swissray）研制的直接数字化X线成像技术（DR）获美国食品与药品管理局(FDA)批准，9月生产的电子藕合装置(Charge Coupling Device, CCD)阵列，直接数字化X线图像采集板(DR)，在瑞士一家医院首次使用。

直接X线摄影技术，从X线曝光角度看，分为面曝光成像和线曝光扫描成像；从X线的光信号变成电信号的过程看，分为一次转换和多次转换；从表示 X 线能量的电信号变成计算机认识的数字的过程看，分为模数转换法和直接计数法。

直接X线摄影与传统X线机的主要差别是：第一，用探测器把X射线转换成可被计算机接受的电信号或数字信号，代替用胶片对X线进行感光的传统成像方法；第二，具有计算机系统的先进性，实现了对数字化图像的处理、存储和显示，为临床诊断提供了方便。

DR技术的探测器可以迅速将探测到的X射线信号直接转化为数字信号输出，而不需要CR中的激光扫描和专用的读出设备。DR从X线曝光到图像的显示由设备自动完成，病人经过X线曝光后，无需其他处理，直接快速地在显示器上得到图像。直接数字化X线摄影又可分为3种类型[1]。

⑴ 直接数字化成像(Direct Digital Radiography，DDR)。直接能量转换平板探测器的结构主要由非晶硒层(a-Se) TFT构成。入射的X线光子在硒层中产生电子-空穴对，在外加电场作用下，电子和空穴对向相反的方向移动形成电流，电流在薄膜晶体管中积分成为储存电荷，储存电荷量反映入射X线光子的能量与数量。这种DR探测器的解像度达139um，优于目前各种间接能量转换DR探测器的空间分辨率[2]。

⑵ 间接数字化成像(Indirect Digital Radiography，IDR)。IDR的X线信号收集及数字化处理均由一个被称为“平板探测器(Flat Panel Detector，FPD)”的器件来完成。FPD由矩阵式探测器组成, FPD 像素尺寸为143μm ×143μm ,单元数为3120×3120。最后以14bit A/D 输出数字化影像信息。FPD的结构是由闪烁体或荧光体层上涂有光电二极管作用的非晶硅层(amorphous Silicon, a-Si)，再加上薄膜半导体阵列(Thin Film Transistor array, TFT)，或CCD，或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)构成[3]。常用的平板探测器有：① 碘化铯(CsI) +a-Si+TFT。CsI闪烁发光晶体层受到X线照射后，能量转化为可见光，激发光电二极管产生电流，并在自身的电容上积分形成储存电荷。该类技术的最大优势在于X射线利用率高，DQE(Detective Quantum Efficiency，量子探测效率)一般在60%以上[4]，因此可以保证在低剂量前提下快速获得图像。同时，该技术已经发展到了动态快速采集阶段，并已成熟运用于数字化心血管造影。② 硫氧化钆（Gd2SO2）+a-Si+TFT。利用硫氧化钆（Gd2SO2）来完成X线光子至可见光的转换过程。由此类材料制造的TFT平板探测器成像快、成本低，缺点是灰阶动态范围较低(12bit以下)。③ 碘化铯(CsI )/硫氧化钆（Gd2SO2）+透镜/光导纤维+CCD/CMOS。X线先通过闪烁体或荧光体构成的可见光转换屏，将X线光子变为可见光图像，而后通过透镜或光导纤维将可见光图像送至光学系统，由CCD采集转换为图像电信号。美国仙童公司(U.S. Fairchild Corporation)的CCD平面传感器成像技术（CCD486芯片）代表了当今CCD平面传感器的主要先进技术。④ 碘化铯(CsI )/硫氧化钆（Gd2SO2） + CMOS。此类技术受制于间接能量转换空间分辨率较差的缺点，较难利用大量高解像度CMOS探头组成大面积矩阵。

美国Rad-Icon公司的CMOS平板技术是当今CMOS平板探测器先进技术的主要代表。

⑶ 影像增强器数字X线摄影系统。该系统由影像增强器（I.I.），电荷藕合器件（CCD）或真空摄像管，电视系统和模数转换器件组成。闪烁器将X射线转换为可见光，经反光镜反射由组合镜头直接藕合到CCD芯片上，由芯片将可见光信号转换成电信号，再由计算机把电信号变为数字信号。CCD平面数字成像技术目前主要运用于数字胃肠系统与大型血管造影系统[5,15]。

2 主要医学数字成像技术的发展动态

2.1 CR的最新进展

CR数字摄影系统问世已经30多年了，它是目前十分成熟的数字化X线成像技术。近年来在成像板(IP)结构和扫描方式方面有了重大的改进，主要体现在以下几方面。

2.1.1 成像板的改进。IP板结构上采用新感线材料，目前大多数用针状结构的荧线物质作为闪射体，使荧线散射现象大大地降低，使图像的锐利度及细节分辨能力大为提高，图像质量得到了明显的改善。近年有些厂家推出双面读出IP，采用透明基板，扫描时，双面读出器同步读取图像信息。据称该技术可使NEQ（Noise Equivalent Quanta，噪声等价量子数）提高30%～40%[6]。

目前，IP板已经发展到第七代柔性IP影像板，国际上最先进的代表品牌有富士、爱克发和柯达。

2.1.2 扫描方式的改进。CR基本都采用飞点扫描的方法，进行点状激光对IP板进行扫描和图像重建，存在扫描速度和图像空间分辨率不足的问题，这成为制约CR发展的瓶颈，为解决这一问题，线扫描技术得到了应用。线扫描采用CCD为图像信息收集器，每次读出一行图像信息。激发光光源与CCD器件分别做成l×n个阵列，扫描时间得到很大的缩短。此外，基于新的透明或双面IP, CsBr: Eu2+针状存储荧光体、自动扫描、双面读出等新技术应用，能够获得与基于CsI:Tl和a-Si平面阵列平板DR系统相媲美的图像质量。

2.1.3 后处理软件加强与改进。随着计算机技术的发展和处理算法的改进，各厂家相继推出了许多软件。组织均衡的处理软件可根据不同部位自动地使每幅图像最优化，自动消除原曝光图像中过亮及过黑的区域，降低图像的细节损失，从而提供图像细节的高对比度，显示更佳的、满足解剖结构要求的、更协调的图像[7,17]。

此外，将计算机处理软件集成固化制成图像卡的方法，近年来也有了长足的进步。据报道称已有研制的图像卡采样矩阵可达4096×4096像素，灰度分辨率可达12bit，采样速度也已达64帧/s。

2.1.4 CR不断向DR相似的临床工作流程方向发展。传统CR以片盒式操作、集中图像读出处理为基础，与DR的直接图像读出存在工作流程上明显不同。但是，随着CR技术的改进和成本下降，CR的缺点不断被克服，优势得到增强，使得它们之间的差异越来越小。主要体现在以下3个方面[8]：

⑴ 盒式IP板系统，要求技术人员将IP板送到中央处理室进行IP板图像读出处理。现在的CR盒式读片器体积及成本降低，速度增快，以至于在每个X线摄片室或是操作控制台里都可以安装一个读片器，也就如同DR的分散工作流。

⑵ 无盒式的X线系统将图像二次扫描接收器融入到X线摄影系统中，自动完成X线曝线后的激线扫描和图像重建过程，就如同DR可以自动生成图像一样。

⑶ 现在便携式X线机可以安装一个集成CR读片器，床边摄片后即时读出成像。这样就可以获得和DR相似的功能，但IP板较DR探测器轻薄、操作方便、节约人力，设备成本远低于DR。

2.2 DR技术的研究进展

2.2.1 非晶硅和非晶硒平板探测器数字成像的进展。非晶硅和非晶硒平板探测器本身的进展主要在于晶体排列结构上的改进，目前的研究集中于针状或柱状结构的非晶硅和非晶硒探测器，可以减少X线的散射，提高图像的锐利度和清晰度[9]。

DR在系统结构与处理软件上也有一些新的改进。在结构方面，目前市场上流行的有双板结构、C形架结构、悬吊式X线管组件和立式胸片架组合结构、胸部摄影专用式结构，以及目前最普及的采用悬吊式X线管组件和落地式多轴探测器架组合的单板多功能系统结构或双悬吊组合结构等。其中，配单端固定升降浮动式平床、可移动单板探测器配浮动摄影床和立式胸部摄影架，实现了单板多用的多功能DR摄影机[10]，以及床旁移动平板数字X线摄影已成功推向了市场。在软件方面，随着计算机软件、技术的快速发展，围绕DR影像处理技术的相关软件如均衡图像处理软件、双能量减影、分层摄影、拼接处理等专用软件相继问世，为进一步提高DR的影像质量和功能的完善提供了支撑。

2.2.2 CMOS平板探测器数字成像的进展。CMOS平板探测器的荧线层可产生与入射X线束相对应的荧线，CMOS芯片可将荧线信号转换成电信号，经电子放大与读出电路送到图像处理的计算机系统进行处理。CMOS平面探测器的像素尺寸可达76Pm，空间分辨率达到6.1LP/mm，是目前空间分辨率最高的探测器。但系统成像速度比较慢，生成1幅预览图像需要18s，生成1幅能用于医疗诊断的图像从曝光到完成处理需要耗时120s[11]，成像速度成了CMOS平板探测器发展的瓶颈。

2.2.3 CCD数字成像的进展。随着材料、结构、图像处理等多种新技术的引入，CCD平面数字成像技术有了长足地进步。其进展主要体现在以下3个方面的改进和提高:

(1) 采用针状结构的X线闪烁体材料(Tl: CsI或Gd2SO2:Tb及Gd2SO2:Eu)，减少了X线的散射，提高了图像的锐利度和清晰度。

(2) 采用高清晰高倍光学的组合镜，提高了成像的灵敏度和可靠性。

(3) 采用充填系数为100%的CCD芯片，通过缩小像素点、增大接受面积的方式，提高了空间分辨率，使获取的图像信噪比得到了增加，从而提高了图像的分辨率，较大程度地减少了伪像[12]。

2.2.4 DR临床应用的未来趋势。DR成像具有X线剂量小、辐射低、图像清晰等明显的优势[12,16]。目前，DR已经拓展应用到远程放射学、三维体层摄影及合成、低剂量透视摆位、双能量减影、时间减影、图像无缝衔接等临床应用方面，尤其是该技术可以多平面图像重建，在胸、骨和乳腺检查方面具有极大的优越性。同时，由于DR成像机器本身的技术含量高、曝线条件自动测算，对操作人员的技术要求不高，推广意义极大，其不足就是价格高昂。

3 医学数字成像的前沿技术——分子影像学

分子影像学(Molecular Imaging)是将分子生物学技术和现代医学影像学相结合而产生的一门新兴的边缘学科[13]。分子影像学运用影像学手段来显示生物的组织、细胞和亚细胞等特定分子在生物活体状态下的分子变化情况,从而研究生物学行为在影像方面的定性和定量变化规律的新兴影像科学。

分子医学影像技术是显示肉眼或其他技术难以认识的人体生命信息的医学影像方法。分子影像可以提高临床诊治疾病的水平，许多疾病始于基因异常引起代谢失常、功能障碍,最后才表现出组织形态变化和症状体征。只有在分子水平发现疾病,才能真正达到早期诊断并进行针对性治疗。随着分子生物学突飞猛进的发展，特别是人类基因组计划的完成，对人体和生命科学产生巨大的影响[13]。分子影像技术是影像医学近年来最大的进步，也代表了今后医学影像技术发展的方向。它对现代和未来医学模式将会产生革命性的影响。

4 医学数字成像技术的发展趋势

分子影像学已经成为当今医学影像技术的前沿科学，是医学影像技术的主要发展研究方向，但以X线、CT、MRI、超声成像等为主体显示人体解剖结构和生理功能的经典医学影像学仍然是医学影像技术的主流技术，有着巨大的发展空间和发展潜力。此外，分子影像学也需要与经典的医学影像技术结合，实现更大的跨越。例如，如果分子影像学能够极为方便地对内源性基因显像,我们就有可能发现某个基因在何时、何处、何种水平上发生了突变或重组等，明确导致何种解剖结构和生理功能发生改变，从而实现在疾病的早期阶段发现并进行基因治疗而得以根治疾病[14]。

分子影像学成像是通过靶向结合或酶激活的原理，借助分子探针、放大信号后,高分辨的成像系统就可以检测到相应信号改变,从而间接反映分子或基因的信息。选取合适的探针是分子影像学技术重要的步骤，而MRI、PET、光学成像仪、超声等均不难实现，也会是今后研究基因表达显像的一个重要方向[14]。这就需要分子影像学技术在不同影像设备的图像融合应用方面进行改进，如PET和MRI的融合图像已有报道，但其成本费用极高[13]。因此，寻求低成本的图像融合技术将是医学影像技术的一个发展热点。目前，有学者认为PET和CT图像融合可能会是以后研究的重点，其融合的目的在于：改进图像质量，通过PET获得的生物学信息与CT获得的解剖信息结合，更好地确定患病组织周围的水肿、坏死及手术结果的评价，CT可以获得诊断信息,指导手术与放疗计划的制定，进行CT引导下的取材活检[13]。

在21世纪，医学影像将有着巨大的发展潜力。美国新闻媒体把医学影像技术列为十大医学、生物技术的榜首。它已显示出对肿瘤学、心脏病学、神经病学、器官移植、新药开发等研究领域的重要价值。医学影像已经从对机体内部的“透视”深入到细胞分子水平成像, 能实时动态地显示器官、组织、细胞的结构和功能。由此产生的一种从平面到立体、从局部到整体、从形态到功能的被称为“分子与功能影像学”的技术，将成为今后医学影像技术发展的主要趋势。

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Analysis of the Progress of Digital Medical Imaging Technology

YU Ai-min,FU Yan
Institute of Electronics and Information,Guangdong Institute of Science and Technology,Guangzhou Guangdong 510640, China

With computer technology, information technology, the rapid development of molecular biology techniques, medical image derived from a series of digital imaging technology. The article summarizes by X ray, CR, CT, DR, MRI and other medical classics represented the development of digital imaging technology, digital imaging technology and the medical status of the representative products were analyzed.Introduced the forefront of today's medical imaging and scientific imaging, and discussed the development trend of medical imaging technology.

direct radiography; computed radiography; molecular imaging; digital imaging equipment

TH774；R814.41

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.12.017

1674-1633(2010)12-0038-04

2010-07-01

2010年广东省自然科学基金项目(10151064007000000)；广东省2009年社会发展重点科技计划项目(2009A030200016)。

作者邮箱：yam-jason@163.com