光学精密工程|精准成像：X射线能谱成像，距普及还有多远？

难点介绍

可见光光谱由许多不同波长的电磁波组成，不同波长的电磁波被眼睛捕捉到，呈现出来不同的颜色，同样的原理也适用于 X 光。虽然肉眼看不到，但这些不同波长或颜色的 X 射线可以被一些数字设备捕捉到。X 射线光子的行为取决于它们穿过的物质，传统 X 射线能谱本身是一种连续谱，不同的材料(即使密度相同)对不同波长的阻挡或衰减是不同的，受制于探测器关键材料的限制，X 射线探测器主要依靠两类能量转换机制获取信号，一类是直接转换机制，将 X 射线直接转换成电流信号，另一类是间接转换机制，通过闪烁体将 X 射线转化为可见光，可见光再通过光电二极管阵列等转化成为电流信号。

这两类能量转换机制均存在着不少问题及挑战：直接转换机制中，常用的光电转换材料为非晶硒，非晶硒 X 射线探测器中的活性层厚度比较薄，对 X 射线的吸收不高，量子探测效率低，且非晶态的硒制备困难，载流子传输特性较差，存在着器件制作成本和工作电压高等问题，还有一种材料是碲锌镉或碲化镉，这类半导体材料制备需要高温环境及复杂的表面抛光、钝化等工艺，制造工艺相对复杂且成本高，且不能直接大面积单晶成长，用于成像的有效像素数量偏少；间接转换机制中，不同能量区间的 X 射线轰击闪烁体发出各向同性的荧光，荧光被光电二极管转化为积分电流，这种数据采集机制却无法直接得到入射 X 射线的能量分辨率。

原则上，每个 X 射线光子被检测，其能量或行为被确定，然后被分类成相应的能量进行计数，这种光子计数技术可以通过识别原子或分子成分，对身体的不同部位及其组成部分进行颜色编码。但是，由于材料成本高、成像面积有限、芯片集成程度复杂并没有大规模被普及，而通过滤过和能谱仿真将入射 X 射线的能量区间识别为高能区和低能区，对临床胸部双能成像做了定量分析，为射线探测器(强度探测、高清成像、能谱)的低成本、高效、原位集成提供了新的机遇。

技术优势

市面上的双源方案即通过两套 X 射线球管系统和两套探测器系统同时采集低、高能图像，一般用于 CT，所需成本较大且数据采集很难实时同步。另外，快速 kVp 切换方案，即设定低、高 kVp 通过两次曝光获取低能、高能图像然后通过双能图像减影可得到骨骼增强、骨骼抑制图像，增强图像可凸显骨骼、肺部等软组织病灶的对比度，从而提升医生诊断效率。但是，这些技术方案存在一定局限性，两次曝光并非同时进行且低能图像所需曝光时间较长，拍摄胸部心脏等运动部位时双能图像存在运动差异，导致增强图像出现运动伪影；该技术需切换 kVp 经两次曝光获取双能图像，其辐射剂量为双层平板两倍以上。

为此深圳市安健科技的 王宗朋 等人提出了一种使用双层 X 射线平板探测器单次曝光获取双能图像，并实现双能减影的检测方法，通过仿真分析不同 kVp, 相同 kVp 在不同滤过下 X 射线的能谱变化，进一步通过试验分别探究了使用 kVp 切换, 双层平板方案时胸部体模双能成像特性，发现了双层平板方案在表征人体软组织、骨骼对低能、高能射线的衰减差异方面, 相比于 kVp 切换方案，具备高对比度成像，无运动伪影及辐射剂量较低的优势。

同时，也提出了一种适用于双层平板的双能图像配准方案，配准后的低、高能图像经双能减影后分别得到高对比度的骨骼增强、骨骼抑制图像。试验结果表明，双层平板获取的双能减影图像可提升诊断所需视觉效果，减影图像对比度优于 kVp 切换方案且辐射剂量更低。

该研究成果以“双层平板探测的双能成像检测系统” 为题发表在《光学 精密工程》（EI、Scopus、中文核心期刊、2021中国国际影响力优秀学术期刊）上。

试验装置

双层 X 射线探测成像系统，如图1 所示，图1 左侧为试验所用 RSD-111T 胸部体模，该体模分别采用线性衰减系数与真实组织类似的复合材料模拟骨骼、软组织，被广泛应用于临床教学及放射成像试验。工作站给高压设置一定的剂量 (kVp, mAs)，并给出曝光信号，球管工作并发出 X 射线，X 射线经体模衰减后被双层平板探测得到所述双能图像。图1 右侧所示为工作站采集的低能、高能图像，两幅图像存在一定视觉差异，双能图像经过图像处理后呈现给医生观察诊断。

图1：双能 X 射线探测成像系统

双能成像分析

图2 显示了不同 kVp 激励下产生的 X 射线能谱，横轴表示光子能量，纵轴分别表示单位管电流激励下，单位平方毫米内搜集的光子数以及 120 kVp 下产生的 X 射线在不同滤过层下对应的能谱，采用的滤过层分别为 0.5 mm Cu，1 mm Cu，1 mm Cu+0.2 mm CsI。可以看出，随着铜滤过厚度增加，低能软射线被过滤，光子数下降明显。

图2：不同  kVp 激励下 X 射线能谱（左图）和 120 kVp，不同滤过下 X 射线能谱（右图）

试验采用胸部体模，分别通过 kVp 切换方案和双层平板探测方案获得胸模双能图像，经图像校正后查看双能图像效果，其中，图3（a）所示为 kVp 切换方案的高能图像经图像后处理的效果，图3（b）所示为高、低能图像在图3（a）白色虚线行的像素灰度分布 E。两种试验方案分别获取的减影图像的信号差噪声比（Signal difference to noise ratio，SDNR）如表1 所示，可以看出，双层平板高能图像 SDNR 高于 kVp 切换高能图像；双能减影后骨骼增强图像 SDNR 升高，骨骼抑制图像 SDNR 降低，双层平板骨骼增强 SDNR 高于 kVp 切换。

图3：双能成像分析

表1：双能减影 SDNR 比较

图像配准

双层平板装配时存在刚性偏移，故需对双能图像配准。采用相位相关方法计算相关性系数，将相关性系数最大的备选点作为双能图像配准依据，图4 左侧所示为双能图像分辨率测试卡区域配准前的融合效果，其边缘有重影，且线对不清晰；图4 右侧所示为双能图像分辨率测试卡区域采用所提配准方案后的融合效果，其边缘锐利，线对清晰。

图4：配准前、后融合效果

减小辐射

双层平板采集双能图像时单次曝光时间为 62. 5 ms，曝光时间较 kVp 切换中低能图像曝光时间短，且双能图像在单次曝光的条件下支持同时采集数据，故可完全避免运动伪影。双层平板采集时医用诊断 X 射线管电荷量为 20 mAs，低于 kVp 切换两次采集所需的 85. 6 mAs，故双层平板还存在剂量较低的优势。

前景应用

全球每年进行 3 亿次 CT 扫描，每一次稍微改进都会产生巨大的健康影响，并使许多人受益。例如，CT 传统上局限于每次扫描使用一种造影剂，双能成像在不使用造影剂条件下可以获取使用造影剂才能得到的高图像对比度，不仅支持测量成像亮度(对应于密度)，还可以支持测量成像颜色(对应于材料成分的原子序数)，可以识别和量化低对比度材料(如脂质和水)到高对比度材料(包括钙、钆和碘)。这样的应用包括牙科应用，矫形植入物成像，多重对比成像，分子成像(癌症、骨骼健康)，软组织成像，传染病成像，骨骼健康、关节健康、动脉粥样硬化检测等等。

通过量化造影剂以及脂质、骨骼和软组织等内在标记物，可以更好地区分疾病的病理特征，例如动脉粥样硬化斑块的成分，或者肺部中的毛玻璃阴影等病灶。易损斑块由铁沉积、脂质核心和薄纤维帽识别。识别脆弱(易破裂)的动脉粥样硬化斑块对于避免严重的不良事件(如中风或心脏病发作)至关重要。

未来展望

下一步重点是使用人工智能结合双能成像来更好地进行材料分析。例如，血管中斑块的形成是衰老的正常部分。然而，当斑块变得过大以至于破坏了正常的血液流动时，动脉粥样硬化疾病就会发生，这有可能导致缺血性心脏病和中风——这是全球范围内的两大死亡原因。组成斑块的不同成分或材料，如铁和钙，表明它容易破裂(并导致中风或死亡)。

利用双能成像的光谱特性提高不同物质对比度和人工智能算法提取特征点并做感兴趣区域分割，将可以快速表征并识别出来斑块成分以帮助诊断和介入决策过程。这样的技术结合同样可以支持测量牙槽骨密度和身体骨密度，在牙种植手术的术前评估中，口腔 CT 对牙槽骨密度的量化测量也可以协助医生准备诊断为牙周病治疗后的预后评价提供更有利的依据，如图5 所示

图5：牙齿全景彩色 X 射线图像

另外，从探测器技术本身角度来说，闪烁体材料的射线吸收系数、电荷载流子迁移率、电荷载流子寿命、闪烁体材料(热、化学)稳定性、能隙、缺陷浓度等都是开发综合光电性能优异的射线探测器的关键。该文提出的单次曝光双能成像解决方案，对于提升探测器的检测剂量、灵敏度、信噪比和稳定性等性能有借鉴意义，为射线探测器(强度探测、高清成像、能谱)的低成本、高效、原位集成提供了新的技术思路, 推进了射线探测器在医学成像、安防安检和环境放射性检测等领域的深入应用。

| 论文信息 |

蓝重洲,王宗朋,文敏儒.双层平板探测的双能成像检测系统[J].光学精密工程,2022,30(04):372-379. 

https://ope.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/OPE.20223004.0372

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