数字乳腺体层合成成像自动曝光控制系统的设计

王闯 齐宏亮 彭晓龙 程希元

1 广东省医疗器械质量监督检验所 （广东 广州 510663）

2 广州华端科技有限公司 （广东 广州 510663）

3 广州南方医大医疗设备综合检测有限责任公司 （广东 广州 510515）

乳腺癌已位居女性恶性肿瘤发病率之首，数字乳腺体层合成成像诊断设备可以辅助对乳腺癌的预防和筛查[1,2]。自动曝光控制（Automatic Exposure Control，AEC）是根据曝光过程中曝光状态的变化自动控制曝光的进程。主要利用射线穿过被照射对象后到达胶片或探测器的射线量来控制曝光的剂量，当到达胶片或探测器的剂量达到预设阈值后立即关断曝光，可以保证对不同患者以及不同体位进行曝光时所获得的投影数据的灰度值或感光量基本相同，且一定程度地降低了对患者的辐照剂量和技师设置曝光参数的难度[3]。本文在自动曝光控制的概念、原理、发展和意义基础上，针对设计的自动曝光控制系统分别从硬件、软件和参数拟合方面进行阐述。

1.自动曝光控制系统的发展

自动曝光控制最初是由胶片和电离室实现的，X射线穿过被照射对象和胶片后到达电离室，当电离室接收到的辐照达到设置阈值后关断曝光。然而随着技术的发展，数字化平板探测器逐渐取代了传统的胶片摄影，越来越多的平板探测器集成了自动曝光控制功能，即在正式曝光之前进行一次低剂量预曝光，通过预曝光获取的被照射对象的图像初步信息和设备上其余传感器的综合信息进行正式曝光所需剂量的计算，然后按照计算值将正式曝光所需的剂量设置给高压发生器，最后进行正式曝光和图像采集。平板探测器和智能高压发生器的出现将自动曝光控制推上了一个更高的台阶，使得曝光过程更加直观和易于控制，在正式曝光之前，操作人员就获知曝光所需的剂量，不同于传统的电离室控制需加入备用定时器保证曝光安全。

2.系统设计

自动曝光控制系统主要分为硬件和软件，硬件为系统功能的实现提供了物质基础和信息来源，软件建立在硬件的基础上并对硬件信息编程处理反作用于硬件。软件和硬件的有机结合形成统一的自动曝光控制系统。

2.1 硬件设计

如图1所示，自动曝光控制系统的硬件主要包含电源模块，C臂、TOMO臂、整机立柱、电机、电机控制板等运动模块，高压发生器、X射线管组件、束光器、滤线栅、平板探测器等影像链部件，压迫板、液晶显示器和PC等辅助设备。

其中隔离变压器、熔断器、交流接触器、电源控制板及其按键等构成了系统的电源模块，为整个自动曝光控制系统提供能量供应和短路、过热等安全保护功能。C臂、TOMO臂、整机立柱、伺服电机、减速机、电机控制板及其按键、行程开关等构成了系统的机械部分，为整个系统提供运动支持，以便于设备能适应各种高度的患者以及不同体位拍摄的需求。手闸、脚闸、滤线栅、束光器、平板探测器、高压发生器、X射线管组件、影像链控制板以及控制盒等构成了系统的影像链部分，此部分是曝光控制的核心部分，起到控制曝光、投影采集以及滤线栅运动等关键作用。液晶显示器、压迫板、主控制板、PC以及压力传感器、位移传感器等构成了系统的核心控制和状态显示部分。主控板及其外围设备是PC和底层其他部分通信的桥梁，将下位机的各项参数和状态上传到PC和显示到液晶上，也将PC的设置参数下发到下位机的不同部分。PC端从宏观上对整台设备进行监控，对预曝光投影结合压迫厚度、压迫力度进行运算，得出正式曝光所需剂量。最后还要对采集到的投影数据进行滤波、重建、优化、显示等操作。以上各个硬件部分的有机配合构成了整个系统的硬件基础。

2.2 软件设计

图1. 自动曝光控制系统硬件结构图

图2. 自动曝光控制流程图

数字乳腺体层合成成像的自动曝光控制主要分为两种模式，分别为二维图像的自动曝光控制（DM AEC）和三维体层图像的自动曝光控制（TOMO AEC）。它们的控制流程如图2所示。

如图2所示，DM AEC和TOMO AEC两种采集模式与普通的DM和TOMO采集相比，主要是在正式曝光之前加入了一个低剂量的AEC预曝光[4,5]。预曝光的剂量可以根据图像的维度以及是否加入滤线栅，并结合高压发生器及其X射线管组件的类型通过实验进行定标。一般预曝光的剂量为数个mAs。

2.3 参数拟合

由于AEC的曝光控制软件流程同普通DM和TOMO无太大差别，本文不再赘述，主要针对其不同之处进行论述。DM AEC和TOMO AEC自动曝光控制的关键都在于正式曝光剂量的计算，即寻求自变量预曝光投影、压迫力度、压迫厚度等同因变量曝光管电压、管电流、曝光时间的映射关系。

这一映射关系的寻求，首先需要分别获得DM和TOMO投影数据的临床金标准。其次，通过金标准进行大量的曝光试验，即对不同的照射对象（压迫厚度、致密程度、压迫力度、覆盖面积等一项或多项有差异的乳腺或模体）进行AEC预曝光和常规曝光，以获得大量的样本数据。最后，对上述样本进行一维或多维拟合，得到最终的映射关系。

曝光实验中预曝光的剂量主要是在保证对于压迫厚度极小且致密程度低和压迫厚度大且致密的乳腺均能呈现出较好的预曝光投影的前提下尽可能的低，这样既能很好地对预曝光投影数据进行处理，又能有效地降低辐照剂量。常规曝光所需的剂量需要运用图像处理技术对所得投影和临床金标准投影进行对比，当两者相似度极高时即为最终测定剂量。

一维和多维拟合可以运用数学运算工具如Excel、Matlab等进行，然而拟合的关键还在于拟合维数，自变量和因变量对应关系的选择。映射关系选取一维拟合还是多维拟合需要根据稳定性等因素进行选择，由于多维拟合所得的映射关系波动较大，所以采用这一拟合方式时还要特别注意曝光上下限的条件，即在设置高压发生器之前要对正式曝光剂量进行带通性判断，过低或过高的剂量都不利于患者和成像。而对应关系的确定则需要通过实验、计算和验证的多次迭代进行最终确定。

3.小结

本文主要从硬件、软件和参数拟合三个方面对数字乳腺体层摄影的自动曝光控制进行了论述，提供了自动曝光控制系统实现所需的硬件条件和软件设计中不同于普通DM和TOMO采集的设计思路。数字化自动曝光控制系统使得乳腺体层摄影更加简便、直观和易于操作，在提高图像质量的同时也降低了患者的受辐照剂量。

[1] 刘蕾,李席如.乳腺癌保乳手术术中放疗研究进展[J].中华内分泌外科杂志,2017,13(2):166-169.

[2] 孙黎,Legood Rosa,杨莉.乳腺超声和钼靶X线对中国女性乳腺癌筛查的卫生经济学评价[J].中国卫生政策研究,2017,10(4):42-50.

[3] 王鹏程,刘世民,王洪,等.X线机自动曝光控制电离室的研制及其特性研究[J].中国医疗器械杂志,1999,23(1):30-33.

[4] 王浩文.数字乳腺体层成像控制系统的研发[D].南方医科大学,2016.

[5] 吴书裕.数字乳腺体层合成成像关键技术研究[D].南方医科大学,2017.