两种平板探测器X线摄影系统的成像剂量与成像质量的比较研究

・影像技术・

两种平板探测器X线摄影系统的成像剂量与成像质量的比较研究

王鹏程　张富利　李士骏

【摘要】　目的　定量分析、比较非晶硅平板探测器X射线摄影系统与非晶硒平板探测器X射线摄影系统在不同成像剂量条件下成像质量的差别。方法　以非晶硅平板探测器系统和非晶硒平板探测器系统分别摄取对比度2细节体模CDRAD210在相近曝光剂量条件下的X射线影像,由4位独立观察者分别阅读影像,并计算所对应的曝光剂量下图像质量因子(imagequalityfigure,IQF),应用

ANOVA分析两成像系统对比度及细节检测能力。使用X射线摄影统计学体模(TRG)测量两系统在

不同曝光剂量条件下操作者特性曲线(receiveoperatingcharacteristics,ROC),应用Wilcoxon检验分析、比较两种成像技术的影像信息检测能力的差别。结果　在低曝光剂量条件下,两系统CDRAD体模影像IQF值及ROC曲线AZ值差别有显著意义,在对比度、组织细节检测能力上非晶硅平板探测器系统优于非晶硒平板探测器系统。在高曝光剂量条件下,两系统差异无统计学意义。结论　在低曝光剂量条件下,成像质量非晶硅平板探测器系统优于非晶硒系统。在获得相同的影像质量的前提下,使用前者进行X射线摄影可以降低被检者受照剂量。

【关键词】　数字X射线摄影;　平板探测器;　曝光剂量

Comparisonoftwokindofflatpaneldetectorradiographysystem:imagingqualityversusexposuredose

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WANGPeng2cheng,ZHANGFu2li,LIShi2jun.DepartmentofRadiology,TaishanMedicalCollege,Taian271016,China

【Abstract】　Objective　TocomparetheimagingqualityatdifferentexposuresettingsforamorphousSilicon(a:Si)CesiumIodide(CsI)flatpaneldetectordigitalradiographysystemwithamorphousSelenium(a:Se)flatpaneldetectordigitalradiographysystem.Methods　Theimagesofcontrast2detailphantom(CDRAD210)weretakenatdifferentexposuresettingsfortwodigitalradiographysystems.FourindependentobserversreadtheimagesandcalculatedtheIQFfordifferentdosesettings.ThedetectabilityoftwosystemforcontrastanddetailwasanalysedusingANOVA.AROCanalysiswasperformedwithTRGphantomindifferentexposuresettings.ThestatisticalsignificancewasevaluatedusingtheWilcoxontest.Results　TherewasasignificantdifferenceofIQFandAzvaluesofROCbetweenthetwosystemsatlowerdoseexposure,whichensuredabetterimagequalityconcerningcontrastanddetaildetectability.Higherdoseexposureprovidedsimilarresultsforbothsystems.Conclusion　Thea:Siflatpaneldigitalradiographysystemprovedtobesuperiortoa:Seflatpaneldigitalradiographysystematlowdosesettings.Withouttheimagequalitylost,thepatientdosemightbereducedifana:Sisystemwasused.

【Keywords】　Digitalradiography;　Flatpaneldetector;　Exposuredose

　　近年来以X射线平板探测器(flatpaneldetector,FPD)为代表的数字化X射线摄影技术(digitalradiography,DR)逐渐应用于临床,常规X射线摄影(CR)技术跨入数字化时代。与屏片系统及CR系统相比,基于平板探测器的DR系统具有更高的量子

[1]

检测效率(detectivequantumequivalence,DQE),临床应用也更为方便。目前临床应用的FPD主要有

作者单位:271016　泰山医学院放射学院(王鹏程);军事医学科学院放射与辐射医学研究所(张富利);苏州大学放射医学与公共卫生学院(李士骏)

以非晶硒(a:Se)平板探测器为代表的直接转换型和以非晶硅(a:Si+CsI)为代表的间接转化型两种类型

[2]

。前者X射线光子通过与非晶硒半导体作用

直接产生正负离子对,后者X射线光子通过与碘化铯(CsI)作用产生荧光,荧光光子再由硅光电二极管阵列转换为可测量的电荷信号。Granfors等研究表明非晶硅平板探测器的DQE优于非晶硒平板探测器系统。截至目前除了DR生产厂商提供的DQE参数外,国内尚没有关于非晶硅平板探测器及非晶硒平板探测器DR成像质量与成像剂量的比较研究

[3]

・402・中华放射医学与防护杂志2006年8月第26卷第4期　ChinJRadiolMedProt,August2006,Vol26,No.4报道,本项研究将利用影像质量的综合评价法定量

比较、研究两种成像技术的成像质量与成像剂量间的关系。

材料和方法

1.成像设备:本项研究所用数字化X射线摄影

系统分别为北京万东新东方1000数字化X射线摄影系统及美国HOLOGICEPEX数字化X射线摄影系统,两成像系统参数见表1。

表1　两种数字化X射线摄影系统配置参数及体模摄影参数

成像参数

影像板类型

μm)像素单元尺寸(

像素矩阵

探测器有效面积(cm×cm)图像显示器像素矩阵焦点2探测器距离(cm)滤线栅比

X射线管焦点尺寸(mm)管电压(kVp)

HOLOGICEPEX

中5个含有成像信号(具有相同直径和深度的小孔),5个不含信号,每排测试元素的排放顺序可以自由设定,其中1～6排为骨组织模拟物,7～12排为肌肉组织模拟物,每排信号孔的直径和深度随编号的增加而增加,表3为各排测试元素中信号的直径和深度,图1(a)为TRG体模,图1(b)为该体模X射线影像。

μGy)表2　体模成像参量及对应的体模表面曝光剂量(

mAs3122182152122118116114112511211110190180170164016015

非晶硒成像系统体模

表面曝光剂量CDRADTRG156101401112612113101101196188517801174126619

非晶硅成像系统体模表面曝光剂量

CDRAD

TRG12518

新东方1000数字化X射线摄影系统1433121×312143×432560×204818010∶1016120

HOLOGICa:seleniumTrixella:silicon+CsI1392560×307235×432560×204818010∶1016120

　　摄影体模采用10mm厚CDRAD210对比度2细

节体模(InstrumentalDienst,Nijmegen,TheNether2lands),及ROC曲线测量体模(TRGphantom),以模拟

胸部X射线摄影。应用两系统分别采用不同的mAs值摄取体模影像。由于两摄影系统X射线发生器及X射线管构造不同,即使mAs值设置相同,其输出X射线剂量并不是完全一样,为此曝光量以体模表面实际测得的曝光剂量为准。

2.剂量测量:每次体模曝光成像时测量体模表面位置处空气吸收剂量,剂量仪采用RAD2CheckMicro2R。表2列出了两种体模成像参量及所对应的体模表面曝光剂量,为了使两成像系统产生基本相当的体模表面曝光剂量,两种成像系统所采用的mAs值并不相同。

————12110110181011189118516791276106819—57195112—47104117

—6012—50154613—43123611

——11818—9611—7512—6011——4814—4019—3118—2618

—10112—

80

—6611—5217——4312—3514—2810—2212

表3　体模TRG中测试元素排列及相应的信号的对应关系

组织模拟物骨组织　

编号

123456

信号孔直径(mm)

015016017018019110019110112114117210

信号孔深度(mm)

015016017018019110019110112114117210

肌肉组织789101112

　　3.图像质量对比标准与图像质量评价体模:两种DR系统成像质量分别以图像质量因子IQF及

ROC特性曲线分析,前者以对比度2细节体模CDRAD210影像为计算依据,以体模影像的IQF为

影像质量评价指标

[4]

,后者以统计学体模TRG影像

[5]

为数据统计源,ROC曲线面积Az值为评价指标。

TRG体模为美国核医学协会推荐用于X射线摄影

系统的ROC分析实验标准体模,该体模由1个塑料板和1个具有编号的底座组成,里面按照编号排列着12排盘状测试元素,每排共有10个测试元素,其

　　将未作图像处理的符合Dicom标准的CDRAD210X射线影像及TRG体模影像安装在同一个影像工作站,并由4个不同的观察者通过高分辨率图像诊断显示器(Coliton,5K)进行读片。对CDRAD体模影像,观察者需指出所能够分辩的最小离心洞孔的确切位置、孔洞的直径、深度,将所有观察者的结果和数据汇总起来计算IQF值。对TRG

中华放射医学与防护杂志2006年8月第26卷第4期　ChinJRadiolMedProt,August2006,Vol26,No.4・403・

观察者

a2Si21

1

23432143217311432113212±015a2Se213712

3719381037143716±014表4　不同曝光剂量所获取的CDRAD影像的IQF值

IQF值

a2Si222618

2610261326152614±013a2Se223211

3110311231163115±015a2Si232514

2512251825162515±013a2Se232315

2416241124142411±015a2Si242410

2318231823172318±011a2Se242518

2512251225142514±013x±s󰁡　　注:a2Si21对应非晶硅平板探测器,体模曝光剂量为4019μGy,a2Si22、a2Si23、a2Si24曝光剂量分别为6011、7512和11818μGy;a2Se21对应非晶硒平板探测器,体模曝光剂量为4117μGy,a2Se22、a2Se23、a2Se24曝光剂量分别为5719、7610和12110μGy

图1　TRG体模(a)及其X射线影像(b)

体模影像,由4位观察者阅读影像并将其对测试元素上的影像信号按照5值评判:1为绝对没有信号;2为好像没有信号;3为不清楚;4为好像有信号;5

图2　1个观察者对不同曝光剂量条件下获得的CDRAD

体模影像所对应的对比度2细节曲线

为绝对有信号,以ROC曲线分析专用软件ROCKIT分析ROC曲线Az值并对两成像系统进行比较。

4.应用ANOVA分析两成像系统在不同曝光剂

量下对比度及细节检测能力差别。应用Wilcoxon检验,比较两种成像技术的影像信息检测能力的差别。

结　　果

1.CDRAD体模测试结果:表4为两种成像系统

对应不同曝光剂量条件下,CDRAD体模影像的IQF值,IQF数值越小,说明成像系统对组织结构的微小细节的检测能力越好

[4]

图3　非晶硅平板探测器与非晶硒平板探测器

DRIQF随曝光剂量的变化趋势

。图2为不同曝光剂量条件

进行ANOVA统计学分析,对非晶硅平板探测器系

统F=413,P<01001,对非晶硒平板探测器系统,F=927,P<01001。即两种平板探测器摄影系统成像质量随曝光剂量增大显著提高。由图3可见,两成像系统在低曝光剂量时其对组织细节检测能力的差异明显,当曝光剂量大于75μGy时两成像系统对组织细节检测能力趋于一致,由图2对比度2细节曲线也可以得到相同结论。

2.TRG体模测试结果:表5为应用Rockit分析软件分别计算出的高、低两种曝光剂量条件下,观察者对两种成像系统TRG体模影像的ROC曲线及Az值。图4为相应的ROC曲线。

下体模CDRAD对比度2细节曲线。图中横、纵坐标分别为体模影像上可观测到的最小孔洞的深度(holedepth)、直径(holediameter),当曝光剂量较高时(高于76μGy),两系统对比度2细节曲线基本重合,

两者成像质量并无明显差异,而当曝光剂量较低时(40μGy左右),非晶硅平板探测器系统对比度2细节曲线整体位于非晶硒平板探测器系统对比度2细节曲线左下方,表明前者具有更好的对比度、细节检测能力。

图3为两种成像系统IQF随曝光剂量变化曲线。为明确显示IQF和照射剂量之间的关系,应用统计学软件SAS810对表4中IQF随曝光剂量变化

・404・中华放射医学与防护杂志2006年8月第26卷第4期　ChinJRadiolMedProt,August2006,Vol26,No.4表5　两系统ROC曲线Az值比较

成像系统非晶硒平板系统

非晶硅平板系统非晶硒平板系统非晶硅平板系统

μGy)曝光剂量(

126121251836113514

Az值019553019636016590016785

P<0105P<0105

Wilcoxon检验

传递函数等客观参量,实际测量难以实现,因此对数

字成像系统的成像质量评价常采用主、客观相结合的综合评价法。CDRAD体模上代表测量信息的孔洞的深度及直径按对数规律增大或减小,分别模拟组织对比度的变化和组织细节的微小差别,其影像可反映数字成像系统的组织对比度及组织细节检测能力(对比度及空间分辨率)。IQF定义为体模影像上能看到的最小洞孔的深度与直径乘积的总和,IQF数值越低则说明成像系统能够分辩的组织层次越多,组织细节越多,其成像质量越好,因此IQF可以定量描述系统成像质量。为充分考虑不同观察者自身对影像信息的识读能力的差别,笔者应用TRG体模对两成像系统在高、低两种曝光剂量条件下获得影像进行ROC分析,由于ROC曲线是将观察者判断获得的影像信息的真阳性概率和伪阳性概率值曲线,因此ROC曲线下面积Az值表示成像系统输出影像上显示的信息是多少,Az越大表示影像上显示信息量越大。

尽管本项研究所采用的非晶硒平板探测器像素尺寸小于非晶硅平板测器,但是数字化X射线成像系统对低对比度微细结构组织的成像性能不仅仅取决于像素大小,还和系统信噪比大小密切相关,由于非晶硅平板探测器系统中承担X射线能量转换的CsI晶体的有效原子序数高于非晶硒平板探测器中的硒,因此决定了前者对X射线具有更高的检测效率(更大的信噪比输出),两种系统X射线探测器结构的差别导致其对成像系统成像性能及成像剂量的差别。

本项研究的实验结果表明,在获得相同的影像质量前提下,与非晶硒平板X射线摄影系统比较,使用非晶硅平板探测器X射线摄影系统可以有效降低被检者受照剂量。

参

考

文

献

1　FischbachF,RickeJ,FreundT,etal.Flatpaneldigitalradiography

comparedtostoragephosphorcomputedradiography:assessmentofdoseversusimagequalityinphantomstudies.InvestRadiol,2002,37:6092614.2　王鹏程,张富利.数字化X射线摄影平板探测器的研究进展.医

疗卫生装备,2004,25:26227.

3　GranforsPR,AufrichtigR,PossinGE,etal.Performanceofa41×

412cm2amorphoussiliconflatpanelX2raydetectorforradiographicimagingapplications.MedPhys,2000,27:132421326.4　王鹏程,张富利,李士骏.两种数字化X射线摄影技术影像质量

与成像剂量的比较研究.中华放射医学与防护杂志,2005,1:95297.5　ManssonLG.Methodsforevaluationofimagequality:areview.Radiat

ProtDosim,2000,90:89299.

(收稿日期:2006201208)

图4　两成像系统对应高低两种曝光剂量条件ROC曲线

　　由表5及图4可见,无论在大曝光剂量及小曝光剂量下,非晶硅平板探测器系统体成像性能优于非晶硒系统,这也同样验证了CDRAD体模实验结果。

讨　　论

数字化X射线摄影是X射线摄影技术的发展

趋势,广义的数字化X射线摄影技术包含了基于平板探测器的数字化X射线摄影技术和基于影像板(imagingplat,IP)的X线摄影技术,笔者早先的体模摄影实验研究表明非晶硒平板探测器DR系统对低对比度组织及细节组织的成像质量优于CR摄影系[4]

统。由于可以采用图像后处理技术,采用数字成像系统就有可能在较低的成像剂量条件下获得满足诊断要求的医学影像。因此比较对比各种数字成像技术在低剂量条件下成像质量差别具有重要意义。数字X射线摄影成像系统成像质量与图像的后处理技术有关,因此,只能对标准体模影像在相同的图像显示器进行比较,本项实验中所涉及的曝光剂量只是适合于所采用的体模,不能将之应用于实际的人体。

尽管对数字成像系统常以量子检出效率(DQE)作为其成像性能的客观评价指标,但DQE的检测涉及成像系统的噪声强度分布,系统特性曲线及调制