不同DR探测器技术临床应用价值的分析与探讨

毕帆，李斌，曹厚德，涂文勇

1. 上海交通大学医学院附属第九人民医院 口腔颌面-头颈肿瘤科，上海 200011；2. 上海交通大学附属第六人民医院 医学装备处，上海 200233；3. 复旦大学附属华山医院 静安分院 放射科，上海 200040

引言

自1896年德国物理学家伦琴发现X射线以来，人类开始利用人体组织脏器组成和密度的不同，对X射线的吸收效应不同导致的X光穿透量不同来成像。数字化X线摄影技术（Digital Radiography，DR）是近年来医学影像技术中发展最为迅速且成效最为显著的技术成就之一，该技术的发展使X线摄影技术进入了一个新的历史阶段。数字化X线摄影技术相较于传统的X线摄影技术具有较好的图像质量、较低的辐射剂量、便捷的工作流程和方便灵活的图像后处理等优势[1-3]，近年来得到极大发展。DR技术的主要原理是采用探测器将X线直接转换为数字图像并进行存储，后期在工作站上可以根据临床需求进行各种处理，显示器上的图像可直接供医师进行诊断、会诊和报告打印等[4]。该技术的出现使医院和放射科的数字化进程大大加快，进而降低工作强度、优化工作流程，对实现普通X线摄影的数字化意义重大。

DR系统主要是由高压发生器、X线球管及支架、平板探测器和系统控制台等部分组成的。在DR系统中X线转换成光信号是通过平板探测器来实现的，替代了传统的屏胶系统，实现了X线信号的数字化，故探测器的类型对图像的成像质量起着决定性的作用，直接影响DR设备的性能[5-6]。因此探讨不同DR探测器技术的临床应用价值对设备的选型规划、优势应用和配置决策都具有重要意义。本文首先探讨了DR系统发展至今的各类探测器的基本原理和应用，为了定量定性的判断不同探测器的临床应用价值，邀请多领域专家共同参与评估不同DR探测器临床应用价值，最终以图形化的方式从不同维度展现了各探测器的临床应用价值，以期对未来DR设备的临床应用指导、选型规划配置和技术研发热点提供参考。

1 各探测器的原理

1.1 CCD探测器

CCD（Charge Coupled Device）是电荷耦合元件，它是一种半导体材料，可将光学影像转化为数字信号，广泛用于各种光电信息处理系统[7]。DR中使用的CCD探测器主要是由闪烁体、光学系统、CCD摄像器及辅助器件组成[8]。闪烁体是由针状结构的碘化铯晶体板构成的，因为碘化铯的特殊结构可以保证光的垂直传播和不扩散，且碘化铯是将X线转换成可见光的最佳物质，这对于采集效率和分辨率的提高具有关键性的作用。

CCD探测器具有成像速度快，曝光剂量少等优势，且对环境温度要求不高，DR设备的准备时间较短。CCD探测器技术相对非晶硅平板探测器和非晶硒平板探测器出现较早，因而技术较为成熟。医学影像的形成主要分为两步，首先是X射线通过闪烁体或荧光体构成的可见光转换屏产生可见光，然后可见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，最后由A/D转换器把模拟电信号变为数字信号，输入计算机进行处理。它的主要技术难点是光能损失和光学镜头的几何失真。CCD探测器区别于平板探测器最大的区别是分立型的结构，专家普遍认为大面积平板采像CCD技术不具有优势，且CCD设备在图像质量上较非晶硅/非晶硒平板有一定的差距，但存在一定的价格优势和较低的售后维修成本[9]。

1.2 多丝正比线扫描探测器

多丝正比线扫描方式的探测器是由中国和俄罗斯科学家共同研究发明的，它的全称是“多丝正比室一维线扫描技术”，它采用的是狭缝式线扫描技术和高灵敏度的线阵探测器，分辨率可达到2.8 LP/mm，该探测器由X线管、水平狭缝准直板、多丝正比室、机械扫描装置和图像存储处理器组成。其原理是由球管发出的平面扇形X线束穿过人体到达探测器得到一行数据，然后球管和探测器平行自上而下匀速移动，逐行进行扫描，将得到的每一行数据经过计算机处理和重建得到一幅平面的数字图像。该技术的缺点是曝光时间过长，像素矩阵、空间分辨率等指标都不高。

1.3 非晶硒（直接耦合）平板探测器

非晶硒平板探测器技术[10]又称直接耦合探测技术，该平板探测器主要是由非晶硒层（amorphous Selenium，a-Se）加上薄膜半导体阵列（Thin Film Transistor Array，TFT）构成的平板检测器。非晶硒材料是稳定绝缘体，有利于遏制热载流子噪声的产生，具有较高的光电吸收系数，可制成大面积均匀的厚膜[11]。该平板探测器的成像原理[12]是X线照射到人体，产生不同程度的衰减。硒层光导体按照吸收X线能量的大小比例产生电子空穴对，在外加偏压电场的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形成储存电荷，电荷量对应X光子的数量和能量。薄膜晶体管负责采集像素，每个像素内包含一个场效应管，该管起开关作用，在控制电路的触发下读出像素储存电荷并按顺序传送到外电路中，最终经A/D转换获得数字化图像。直接耦合平板探测器在根本上避免了间接转换方式中可见光散射导致的图像分辨率的下降问题[13]。TFT的尺寸决定了探测器最小像素尺寸的大小，从而决定了图像空间分辨率的高低。在14”×17”的范围内像素矩阵为256×3072，每个像素的大小为 139 μm×139 μm[14]。非晶硒平板探测器的制造和使用温度等环境要求较为苛刻，由于其物理稳定性低，容易被冻出坏点，且成像时间速度较慢。

1.4 非晶硅（间接耦合）平板探测器

非晶硅的平板探测器主要有两种材料，一种是硫氧化钆（Gd2O2S），另一种是碘化铯（CsI）加上非晶硅薄膜光电二极管再加上薄膜晶体管阵列组成。该平板探测器是间接耦合的平板探测器。其成像原理[15]是当带人体信号的X线入射到CsI闪烁发光晶体层或Gd2O2S荧光体层，X线光子能量转化为可见光光子。可见光激发非晶硅薄膜光电二极管产生电荷并储存在薄膜晶体管阵列电容上，电荷量和与之对应范围内的入射X线光子能量与数量成正比。最后由扫描控制器读取电路，将模拟电信号转为数字信号，获得数字图像。该类探测器经历了X射线-可见光-电荷图像-数字图像的成像过程，也被称为间接转换型平板探测器。目前主要的生产厂商有法国Trixell、美国GE和Varian公司等。

2 临床应用价值分析

经过文献调查法、专家咨询法和百分权重法建立了由5个一级指标和12个二级指标构成的数字化X线摄影技术的临床应用价值评价指标体系（表1）。一级指标分别为图像质量指标、安全性指标、易用性指标、经济性指标和社会性指标。

表1 DR技术临床应用价值评价体系

数字化X线摄影技术作为医学成像的重要组成部分，判断其应用价值主要是看其图像质量，决定图像质量的不仅是平板探测器采用的技术类型，同时还有平板的探测量子效率（Detective Quantum Efficiency，DQE）、采集矩阵、采集灰阶、空间分辨率、最小像素尺寸等因素，上述因素对成像质量均很重要。如在相同的图像尺寸下，采集矩阵越大，像素尺寸越小，图像分辨率也就越高，细小的组织结构才能更好显示。平板探测器的有效尺寸将决定受试者是否可以一次曝光成像，如果尺寸过小有可能需要进行两次曝光，这样会增加病人的射线辐射量和操作者的劳动强度。以上各项参数对于平板探测器的成像效果都很重要，但在评估探测器的临床应用价值时应该有一个较为全面的评价模式。如何将平板探测器的物理特性转换为临床方面的评价模式成为评价探测器临床应用价值的一个难点。

为了定量的表示出上述四种探测器技术的临床应用价值，邀请18名专家对各种探测器技术按照评价体系进行评分，专业领域覆盖放射技术、医疗器械行业市场、医学工程技术和厂家技术研发等多领域，专家专业领域覆盖面较广，专家结构合理。专家评分采取Likert 5级量表法，保留1位小数。利用Microsoft Office Excel 2016进行统计分析，根据专家对不同DR探测器技术的各项指标评分，对数据进行归一化加权处理，得到每项技术的综合评分，分别为：CCD探测器技术3.32分，多丝正比线扫描探测器技术2.72分，非晶硒平板探测器技术3.76分，非晶硅平板探测器技术4.21分。由此制成不同DR探测器技术临床应用价值的多维度专家评分雷达图（图1）。

图1 不同探测器技术临床应用价值雷达图

从总体临床应用价值来看，平板探测器技术打分较高，非晶硒平板探测器技术和非晶硅平板探测器技术综合评分分别为3.76和4.21，而多丝正比线扫描探测器技术得到相对较低，仅为2.72。而从图1所示按照临床应用价值的12个评价指标雷达图来看，也可佐证上述观点，非晶硒平板探测器和非晶硅平板探测器的临床应用价值较高，CCD探测器的临床应用价值其次，最低的是多丝正比线扫描探测器。在图像质量的一级指标所包含的4个二级指标：提高灵敏度（0.069）、提高时间分辨能力（0.075）、提高对比度分辨能力（0.073）和提高空间分辨能力（0.081），平板探测器（非晶硒/非晶硅）的临床应用价值均优于CCD探测器和多丝正比线扫描探测器技术。

非晶硅平板探测器和非晶硒平板探测器临床应用价值相当，而CCD探测器技术和多丝正比线扫描技术总体的临床应用价值较低，特别是多丝正比线扫描技术应用价值最低[16]。这是由该技术的技术特点决定的，多丝正比线扫描技术曝光时间长，空间分辨率低且X线利用效率低，造成病人辐射受照量加大。从其他单个维度来看，图像质量指标中的四个维度差别较大，其中提高灵敏度维度中非晶硅平板探测器的灵敏度相对较高，多丝正比线扫描探测器灵敏度最低。提高空间分辨能力这一项非晶硒平板探测器和非晶硅平板探测器的评分要明显高于其他两者，这也满足平板探测器具有较好的空间分辨率和密度分辨率。在工程学上评价一款平板探测器的好坏主要是用调制传递函数和量子转换效率来衡量的。如果两者值均很高，则代表该平板探测器的成像质量能达到较好的空间分辨率和密度分辨率。在易用性指标和社会性指标中，上述四种探测器差别不大。

综合上述图表并结合临床应用，平板探测器技术作为DR技术中较为成熟的技术，自出现以来得到快速发展，其性能高低直接影响成像质量和X线辐射剂量的大小。

3 结论

平板探测器作为DR系统的核心部件，其技术性能直接决定了DR系统的优劣。平板探测器集成度和精密度高，但不同类型的平板探测器由于材料、结构和制造工艺的不同造成DQE和空间分辨率的差异，市场上目前还没有一款将DQE和空间分辨率都做得很高的平板探测器。故在实际工作中应根据检查部位的不同来选择合适类型的平板探测器。对于胸部摄影来说，临床上主要是观察和区别不同组织的密度，对密度分辨率要求比较高，故适宜采用非晶硅平板探测器；对于四肢关节和乳腺摄影来说，对细节展示有较高的要求，对空间分辨率要求很好，宜采用非晶硒平板探测器。故当前市场上绝大多数的乳腺专用机均采用非晶硒平板探测器。故在DR设备的选型购置中应根据设备的具体使用部位来选择探测器，达到优化配置的作用。