野战环境下医用X线图像数字化装备研究现状与进展

兰 斌，王陈海，倪 萍，陈自谦

0 引言

现代战争中，武器威力巨大，易导致伤员伤情复杂，通常经过一线救治后，必须进行及时后送。如果伤员与其医疗信息同时到达，临时查看伤情与决定医疗方案，可能错过救治的最佳时机。若可以将伤员的医疗信息数字化，提前将伤情快速传送给后方医院，就可以在伤员到达之前制订抢救方案，从而提高伤员的存活率。

在各种医疗信息中，X线图像由于其所携带的丰富的诊断信息，是医疗信息数字化工作的重点。目前，野战环境下的X线图像的获得主要通过配备的野战X线车来实现[1]，内有野战车载X线影像处理系统和野战洗片机。尽管该车具有机动性强、操作灵活、影像清晰、射线防护强、适合野外伤病员进行X线检查的特点，但所拍摄的X线胶片只能依靠人工后送，无法与后方医院实现病情资料传输，限制了卫勤能力的提高[2]。而现有的野战医疗信息装备（如电子伤票），还无法完成医用X线图像信息的传送[3]。

因此，为提高卫勤能力，迫切需要研究适用于野战环境下的医用X线图像数字化装备，研究方向主要包括前数字化方式与后数字化方式。

1 医用X线图像前数字化研究

前数字化是指设备无需借助其他方式而能够直接输出数字信息。医用X线图像前数字化装备主要是指计算机X线摄影（computed radiography，CR）系统和直接数字化X线摄影（digital radiography，DR）系统，这2种系统都具有成像速度快、图像质量清晰、便于存储等优势，可以通过网络连接输出数字图像（如图1所示），实现计算机网络会诊、放射医学无胶片化管理和计算机检索等功能。

图1 DR系统或CR系统工作示意图

CR系统是集激光技术、电子技术、精密机械、医学影像数字化技术、网络技术和远程诊断为一体的产品[4]。该类系统使用可记录并由激光读出X线成像信息的成像板（imaging plate，IP）作为载体，通过X线曝光和信息读出形成数字影像。IP板内晶体层中的氟溴化钡结晶接受X线曝光一次激发形成潜影，经过CR激光阅读器的激光扫描二次激发而产生荧光，经光电倍增管转换成相应的电信号、模数转换成为数字信号的影像[5]。

DR系统的基本组成一般分为X线机、平板探测器、数据采集器、图像处理器、存储器、图像显示器、系统控制器等部分。基本原理是在计算机控制下，由平板探测器采集含有人体信息的X线影像，并由数据采集器实现A/D转换，再送往图像处理平台重建形成数字图像。整个过程没有光电转换，消除了因光电散射造成的图像模糊，从而保证图像的质量[6]。

DR技术和CR技术应用于野战环境的方案主要有2种：车载式方案和移动式方案。

车载式方案即在现有的X线车的基础上，用探测器或IP板取代原有的屏-片摄影系统，优点是充分利用X线车原有的设备与空间，且数字化升级技术成熟。例如，解放军175医院基于现有的车载X线方舱内500 mA的X线机，利用IP板取代原有的增感屏和感绿胶片，实现伤员X线图像的数字化[7]。孟庆良等人开发的野战CR系统在现有装备的基础上实现了X线图像的数字化[8]。胡海宏等人保留原车载X线机的管球一体化影像增强器，利用数字X线探测器并配合计算机升级为车载DR[9]。宋斌等人研究利用有线数字平板探测器将传统X线车升级为车载DR系统，并结合对检查床的改造，配合一定的防护措施，取得了预期的效果[10]。

移动式方案源自移动X线机的发展，主要是采用非晶硒平板探测器，整机结构紧凑、体积小，内部集成球管、变压器、电池以及动力驱动装置等，结构复杂[11]。虽然解放军255医院于2010年在青海玉树地震卫勤任务中使用了移动DR，证明了其在高强度作业环境下的使用效果[12]，但由于运输和保养困难，目前移动DR主要用于床边检查。

然而，CR系统中的IP是图像转换的唯一媒质，分为软性板和刚性板2种。采用软性板的机器体积小，速度较快，工作中存在弯曲的状态，易折损；使用刚性板会使机器笨重，速度较慢。二者在恶劣的野战环境中运行，都难以安全有效地发挥其作用[13]。而且CR的光接收角度偏小，动态范围偏小，导致调整范围偏窄，对X线曝光宽容度要求较高。因此，在现有野战设备基础上升级CR系统，还需对车内机器的配置、结构、摆放位置、防护等各方面进行调整。

而对于DR系统，核心部件是平板探测器，其制作工艺复杂，价格非常昂贵，而且探测器由于工艺限制只能由多块拼接而成，结构强度不足。一旦其中一块损坏就必须整块全部更换，导致DR系统在野战环境下使用和维护非常困难[14]。

2 医用X线图像后数字化研究

后数字化方式是指立足传统设备，将设备产生的图文结果在机外完成数字化转换，从而得到数字化文件。野战医用X线后数字化研究主要包括扫描方式和摄影方式。

2.1 扫描方式

通过扫描方式，可以将图文资料通过数字化输入设备转换为计算机可以处理的信息。用于扫描工作的图像传感器通常有电荷耦合元件（charge coupled device，CCD）、接触式图像传感器（constract image sensor，CIS）和光电倍增管，扫描工作中所采用的结构通常可分为平台式和滚筒式。

采用CIS的扫描仪必须使待扫描的资料贴近传感器，无需使用镜头和其他光学系统，可以减小体积。但此类传感器各感光单元之间的干扰大，导致清晰度不足，一般用于分辨率要求不高的便携式扫描仪，无法用于医用胶片的扫描[15]。

用于胶片扫描的平台式扫描仪中，常采用CCD作为一维图像传感器使用。工作时，光源将光线依次扫射到图文资料上，所产生的反射光或透射光经过透镜组，由CCD进行采集。CCD图像传感器根据所接收的光线强弱转换为不同大小的电信号，再经过模数转换形成一行图像数据。在此工作过程中，驱动系统将光学系统、CCD与待扫描的图文资料作相对平移，逐行完成图文资料的数字化。由于是逐行扫描，其扫描效果较差，分辨率较低。目前，随着CCD器件的不断进步和运算水平的不断提高，可以通过多个CCD采集后进行图像拼接，实现高分辨率的图像采集[16]。采用平台式结构和CCD传感器进行胶片扫描时，需要在普通反射式平台扫描结构上增加透射适配器。在这种结构中，为实现分辨率的调整，必须使用多组透镜构建成像光路，且需要配备辅助的透镜旋转部件，导致整机不能频繁移动。又由于胶片与镜头的距离太近，扫描尺寸也受限制。因此，无法满足野战条件下医用胶片的扫描需求。

目前，医用胶片扫描仪主要采用滚筒式结构，传感器采用光电倍增管，其实质上是一种电子管，内部的金属氧化物受到光线照射时，可以发射电子并经过电场加速形成电流，即将光子转换为电流输出，如图2所示。其输出信号能在较宽范围内保持高度的线性输出，可以确保颜色还原度，故多用于滚筒式扫描仪中，实现高灵敏度、低噪声和宽动态范围的图像采集[17]。

图2医用X线胶片扫描仪

但是，滚筒式胶片扫描仪结构中，借助滚筒机构带动胶片向固定方向移动，通过光电倍增管或CCD传感器逐点采集图像信息，其结构复杂，扫描速度慢。其缺点在于：（1）内部的光源、透镜和机械结构对安装和运行环境要求高[18]；（2）能扫描的资料种类和面积有限，扫描时间长，因此，也不能满足野战临床影像工作的需要。

2.2 摄影方式

X线图像后数字化的另一研究方向是采用摄影方式，就是采用技术成熟的数字相机进行图像采集。该方式已大量运用于图像采集，在许多领域都成熟应用，如生物技术研究、特征识别等[19]，但用于医用X线图像数字化的研究则较少报道。有人曾使用照相机、近摄镜、翻拍架、上光机等制作简单工具成功对医用胶片进行翻拍[20]，证实了采用摄影方式采集的图像效果，但限于相机的功能，而未实现数字化。陈自谦等人设计了“KSD059数字化系统”，该系统由图像采集模块和图片管理模块组成，可实现医用X线胶片在内的各类静态医疗信息的后数字化。其中，胶片影像还可转化为DICOM数字化影像，运行成本低，在基层医院中应用效果良好[21]。但该系统与胶片扫描仪相比，体积大、质量重；而且结构中使用大量玻璃，在野战道路环境中易受损；如果光源选择不当，所采集的图像会存在显著的亮斑，严重时影响观片。

可见，现有的扫描方式和摄影方式基于当前成熟的传感器和相机技术，可以低成本地实现医用X线胶片的后数字化。但要应用于野战条件下的影像数字化工作中，2种方式必须在结构上进行改进，要尽可能降低结构的复杂度，减少透镜等易损玻璃制品的使用，采用防震措施，避免在运输和工作过程受到外部环境的影响。目前，国内关于医用X线图像后数字化装备的研究较少，而且也缺少对后数字化图像的质量分析和评价。

3 展望

为适应野战环境的需求，前数字化方式中的CR、DR系统需要进一步的改进。野战CR系统应进一步提升IP板的技术指标和射线防护条件，使其拥有较快的扫描速度和足够的抗震度；对于DR系统，首先应当提高平板探测器对野战环境的适应性，增强对于高低温、颠簸等野战环境的耐受能力，同时降低制造成本[10]。随着技术的发展和成本的降低，CR、DR等前数字化设备终将得到普及，成为野战卫勤任务中的重要力量。

在前数字化设备普及之前，可以通过后数字化设备来快速提升卫勤能力。对于扫描仪类设备，由于其机械结构精密，而颠簸和高低温等环境对其影响较大，故该类设备首先应加强装置对环境的适应性，在此基础上提高机械运动的精度。与扫描方式不同，摄影方式的核心部件——相机中，包含光学系统、成像感应系统和图像处理系统，成像效率和集成度高，可以作为一个小型独立子系统，便于保存、安装和防震。因此，只要有适当的外部光源和工作空间，就可以通过摄影来快速实现医用X线胶片的数字化。制作体积小、易生产、机械精度要求低、环境适应性好的图像采集装置，再配备实时图像处理和网络传输软件，就能够实现X线影像的采集、处理、存储和传输。更为重要的是，相机还可以实现其他医用图文资料的数字化，如心电图、B超报告单等，并将数字化处理结果以标准图像格式进行保存、使用和传输。实际上，在野战环境下，很难实现不同格式、不同类型的医疗信息向后方医院信息系统传输，而通过摄影方式就可以很容易实现。

目前，摄影方式仍需研究改进的方面在于：（1）改进设备结构，重点是设计结构合理的摄影空间，缩小体积；（2）使用新型材料，在保证机械强度的同时减小设备本身的质量；（3）进行抗震、抗盐雾等环境适应性问题研究；（4）选择高质量光源，避免图像采集中存在阴影、对比度不均匀等问题。若基于摄影方式的野战医用X线胶片后数字化系统能够研制成功并应用，不仅可以很好地融入现有的装备体系，而且还可减少成本的投入，在现有基础上填补野战医疗信息化领域的空白，短期内迅速提高野战环境下医用X线图像的信息化水平。

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