双能量X射线成像技术_图文

1、压疗诅吾谨垂II蜀_目双能量x射线成像技术王春燕1,刘漪二l首都医科戈学生物医学工程学院.北京100054;2北京工商大学数理部,北京“】(37【摘要】双能量x射线成像技术足用高、低两种能量的x射线对人体同一结构拍摄一对x射线片,由于人体组织对不同能量的x射线衰减系数不同.两片会有不同的光密度分布.对婀片进行加权相碱.可眦分别给出被摄结构中的骨或软组织的单一戚丹的丹市罔像.本文介绍了烈能量x射线成像原理和实现方法,并对其医学l立用前景进行了分析.【关键词】、射线成像;双能量中罔分类号】R8l二【文献标恨码c【文章编号】10077510(200Il(一002704Dualeneogy Xr8y

2、Im矗gi“g TechniqHeWA NGf hun_va【l.LIU Y12lCoIl。g。ofBlomedlca】E“g眦ln,C。plta¨nlslt!ofM edlealSPle州s,B。“g.100054.Chlna:二D。panmen【ofM8th【lusand Phy slr s.BeiJ1“ETcchllology8ndBuslnessUersity,Beijl“g.10037,ChlnaAbstract:Dualencg?Xr8y Im891“g 1sa【echnlq“ethat takes【hed。ubj。p1Ptsbyhighenegy8nd10Hene。gy

3、X-Mjfur theam。p8¨sof humanbodyThP a11enua【】un coefflflent of humantIs suesd。P。ndson Xr3y。nP。gy,solhega、of to”plcturesis dlffe rPn【The 139。of skeletonlofttIs buelcanbP ohfalneI by”elghtedsubttlllgfrom thehlgh一79、and lo一enc。gv Xr3y。adl。g。4plThl 8p3P9rinlrod愀【h。p。Inciplndp。rrornlancPfordual一gyXrnl

4、。91T19.dls1rlt 8p。05p8ct3PP【lPd】nmedlcIneKeyWord:Xrav I n1391”P;Dualcne。g?传统x射线成像方法的一个较大缺点是人体内部各成分的影像都被叠加在一起,不利于区分各种密变战分的分布图像驭能量x射线成像技术是用高、低两种能量的x射线对人体同一结构拍摄对x射线片,由于人体组织对不同能量x射线衰减系数不同,两片会有不同的光密度分布,对两片进行加权相减.可以分别给出被摄结掏中的骨或软组织的单一成分的分布图像。1双能量x射线图像分离原理假定物体由两种成分构成,它“J的x射线衰减系数分别为.。,和?暖,厚度分别为x.和x:.入射、射线的强度

5、为,。.透射x射线的强度为,两束x 射线的能量分别为。和二,根据物体对x射线的衰减规律可化为,(E。=,。(EIe l,lt=,。(:e牧祷日期j200l一07一06fftFj心ml端j-m”鸬(啦-n删叫k叫列为从f【i可求解出两种成分的厚度x。和x111【,o(巨/啦.鸬(!山凼岛jj啦:】雎(E“一“(E,雎【:叫(E:鸬(,l叫凡(Ej,(.f“(二Jlnf,。(:卜,(E:f,(.J-一“(,比(E:一心(,“(,(3由方程组(21可以看出,若方程绀可求解的话,必须有坐盟一丛!o,“丘儿(丘f4因此.为r从物体的两次成像中分离出两种成分的剀像,我们必须根据两种成分的吸收系数曲线,正长

6、2001年第10期括札廿啦啦jip曩国蛋压疗值台谨禽确的选择两束x射线的能量范围,所以(4式给出r 图像分离的能量限制条件。2实现双能量x射线图像分离的方法2.1光谱调制在x射线成像系统中,x射线源发射的x射线并不是由单一能量的x光子组成,而是由分布在相当宽的能量区间的x射线谱组成,因此.必须对x光机能谱进行调制。目前对x光机辐射的初始能谱进行调制的主要方法有2.1.1荧光辐射法荧光辐射,即元素的特征辐射,通过x射线激发不同元素制成的荧光辐射体而获得,激发的原理基于光电效应.当入射光子能量大于辐射体足层电子的结合能时,辐射体会发出以辐射为主的荧光,女辐射主要包括女a。、n:、女卢.、p:四条谱

7、线,其能量差别小.可以近似认为是单色的。对周期表上的大部分元素来说,强度比的近似值可以取n。:a:口。:口:= l:o.5:o25:o.05、荧光束的纯度受一系列因素的影响:辐射体的纯度和厚度,荧光辐射的过滤情况,初级辐射的激发电压和过滤。在100kev以下,利用K 荧光x射线.可以满意地获得一系列单能x光子辐射场:2.1.2附加过滤法附加过滤法,是使x射线通过弁j不同材料按一定规范组成的过滤器,强度被衰减,低能部分被吸收,使x射线近于单能、改变管电压、管电流,使用水同种类和厚度的附加过滤材料,可以产生不同的接近单能的x射线。对附加过滤材料的主要考虑有:尽量不要有女荧光辐射,材料的纯度至少为9

8、9.9%,以使杂质引起的谱变化可忽略”1。射束的单色性指标主要由过滤材料的厚度决定,在同一管电压下,过滤材料越厚,x 射线的平均能量越大,谱的单色性越好,但谱的衰减也越大=2l3t吸收限滤光片法这种方法是利用一种特殊的滤光片对x光机的初级辐射进行过滤:由原子壳层结构所定,这种滤光片的质量吸收系数出现突变.这就是吸收边。在吸收边处透过率急剧增加。选用多种材料【金属、非金属、复合材料,利用它们的女吸收边对x射线有选择透过的特点,制成数个能量位置小同的透过式滤片。一般来说,这种滤光片也只能对100kev以下的x射线能谱进行调制“1。21.4平衡滤光片法平衡滤光片是由原子序数邻近的两片金属滤光片(通过

9、滤光片和吸收滤光片组成,其基本原理是利用某些材料的x射线吸收系数突变的规律,合理地选择一对平衡滤光片,通过凋整其厚度和成分来控制滤光片的透过率,要求在这两种滤光片的吸收边之间的能量区域(称通带以外,所透过的对x射线能量接近相等,透过的x射线能量之差便是在这两个t边之间的女辐射谱线。由于各种技术条件的限制,该滤光片的能量上限在116kev处,能量下限在lkev左右“。2.2成像方法2.2.1双曝光成像法使用单x射线源和单探测器,将x射线管电压设置在某一能量获取第l幅图像后,即迅速改变管电压至另一能量,同时更改滤光片拍摄第2幅图像。这种方法的优点是省了l套探测器,不需要更多的附加设备,所以在开展双

10、能量减影的早期就开始使用,其缺点是在两次曝光之间由于病人运动而引起伪影,并可增加x射线管的负载”1。2.22单次曝光成像法利用两种不同能量响应的射线探测器在不改变x射线管电压的情况下,同时获取两张照片,其探测器的布置方法就像夹“三明治”那样,将对低能敏感的探测器放置于靠近病人的一侧,对高能敏感的探测器放置在远离病人的一侧,两个探测器之间加入滤过板。这样做的好处是减少了病人因运动产生的对准不良而造成的伪迹,降低了病人的受照剂量,在得到双能量影像的同时。在前搡测器处同时得到常规x射线影像。sho“kido口1对44位患者胸部实施双能量减影,发现一次曝光方法比双曝光方法好、这种成像方法始于80年代中

11、期,是一种比较有前途的成像方法,从而吸引人们对如何得到高性能的双探测器进行研究。2.3探测器231多层复合探测器为r同时得到高能和低能x射线图像.可以将对低能x射线探测效率高和对高能x射线探测效率高的探测器复合作为一个探测器使用,一般还在两个探测器之间加一层过滤片,以保证进入后一探测器的均为高能光子。carv T Barnes81研究了这种探测器。低原子序数的探测器由Y:02s荧光屏组成,高原子序数的探测器由Gd:0:s荧光屏组成,中间的过滤片为o.38mm的铜片。低原子序数的探测器主要吸收转2001年第10期舞堡堕丝鱼垡垒鱼窦50ke、_以下的光子,高原子序数的探测器主要吸收3.1解析方法5

12、0ke、7以上的光子。先用女吸收限滤光片对x光机的初级辐射进行过滤.就可以同时获得高能和低能x 射线的影像。Takeo I shigak研究了滤光片、吸收体厚度对能量的影响。发现相同条件下滤光片厚度越大,能量分离效果越好。John M.Boone“研究了Y2哇S/G出嘎S,SrFBr/BaFBr,K02S/LaOBr,Y2qS/CaW 04.Y:qs/Y Taq,Y:qS/LaTa 04的不同组合的复合探测器,发现Y:qS/G连qs和srFBr/BaFBr是最好的组合,John MBoone提出rbinafvscreen型复合探测器。bjna¨5creen由稀土类发光材料制成(L02

13、s:pr+3,cd20:s:Eu+3。两类材料制成粉末混合,形成统一的、不同光子能量响应的屏,每一种材料受x光激发发射不同波长的可见光(Y20:s:Pr+3发光5J4nm,Gd:02s:Eu+3发光624nm,分别被ccD机相接受,形成双能量x射线影像。2.32半导体探测器x射线荧光体与光电二极管耦合,闪烁体与光电倍增管耦合。由于其结构复杂,难以实现小型化,半导体探测器可以直接把光子转化为电脉冲输出,因而其结构简单,尺寸小,但锗探测器需要低温环境,硅探测器灵敏度低。cdTe(z=4852,Hgl2(z=5380探测器由较高原子序数材料制成,有较高探测效率,可以在室温下工作,结果简单,便于小型化

14、。通过脉冲测量技术对入射辐射场进行测量,可以获得与x射线能谱有关的x射线强度信息。Hiro曲Tsutsui等研制的CdTe探测器方框图如图l所示广广。一一r一甄w器H”教1cdTe&#La#LJ一一】厂ro一虬捌器2H计数器2图lCdTe探测器框图其工作原理为输出脉冲经甄别器l、2分为两组,甄别器1允许噪声水平D l以上的所有脉冲通过,并记数5证+,甄别器2只允许能量水平口22>口I以上的脉冲通过,记数s。则低能信号1,2之间15忆=5旧+一5旧。他们利用女边滤光片对x光机的初始辐射进行调制,然后用其高能和低能两部分x射线成像,在不到75秒内同时获得128mm×150m

15、m的高、低能影像。3双能量X射线图像分离算法公式(1(3给出了双能量x射线图像分离的解析方法。但是,在x射线成像系统中,x目拦E源发射的x射线并不是由单一能量的x光子组成,而是由一相当宽的能量区间分布的x射线谱组成。利用一定方法对x光机的能谱进行调制以后,x射线能谱仍然较宽(一般大于20kev,此外,不同物质对不同能量的x射线的衰减系数怛的变化规律不同。所以,对于有一定能谱范围的x射线,公式(3应修正为:为了从物体的两次成像中分离出两种成分的图像,可以根据两种成分的。饵和户:旧曲线,通过精确测出x光机的初始能谱和不同能量的x射线柬穿过物体后的能谱,精确地求出这两种成分的图像“。但是,(1实际上

16、连续x射线能谱的测量是非常困难的,一般需要比较精密的设备和较长的时间。(2能量为F的x射线,先后通过z.和。!这两种不同的物质位#1#2与x。和x 2的大小及x1和x:的排列顺序均有关,从而使得找到精确的肛旧“,J:的解析表达式几乎不可能。这些问题决定了精确的解析算法不但难以实现,而且不太可能实现,这样就使之缺乏实用价值。3.2女吸收边减影法某些物质对x射线的衰减系数随能量的变化在吸收边前后有突变,将这些物质注入需要突出显示的部位(如血管中,进行双能量减影,可以突出显示含特殊物质部分的图像。例如碘的t吸收边在33.17kev,将碘剂注入血管中,选择适宜的辐射能量E,和E:拍摄两幅图像,对于骨组

17、织和软组织而青.这两幅图像基本是一样的,因为它们的吸收系数曲线是连续变化的。对于充满造影刺的血管,则丽幅图像有较大的差别,对两幅围像作减影处理,就可以得到血管的减影像。3.3加权系数法由于物质对x射线的衰减系数随x射线的能量而变化,在进行能量减影时,适当对高能和低能的影像加权后进行减影,可以消除一种物质的像.而仅保留另一种物质的像。权重系数根据以往经验预先确器2001年第lO期器FFEfi(jm 5E 地山o一一m¨rrF日¨“:q 一一,、kE F (厶如乩如=I|EE 占国目压疗值台僧禽定:根据权重系数不同,发展出不同算法,在医学成影像设备,这样的设备将能够为临床放射诊

18、断提供更像中得到了一定的应用。多的信息。4双能x辐射图像分离的非线性在x射线成像系统中.x射线源发射的x射线由一相当宽的能量区间分布的x射线谱组成,利用一定方法对x光机的能谱进行调制以后,x射线能谱仍然较宽(一般大于20kev,此外,不同物质对不同能量的x射线的衰减系数p(E的变化规律不同,这使得x射线成像系统的输出与成像物质厚度呈现出非线性关系:在进行x射线图像分离时,必须考虑到这一非线性问题。如果用单能x射线透射厚度分别为x.和x:的物体和x:口丁以通过线性方程组(2计算出来。对于我们所用的宽能谱x射线,如果还是使用同样的线性方程,将会导致偏差。这种偏差可以通过下述方法进行非线性校正。通过

19、线性方程解出i,和,.按(6式处理,经过校正的x。和x:将会非常接近真实值“。z1=口I章I+口2量2+口3章i+日d王;+ns量l王2(6工3=6ljI+61主2+63置j+64叠;+6;叠l堂25展望双能量x射线减影技术至今还处于研究和临床实验阶段,影响其进入临床应用的主要问题为(1x 光机辐射能谱为连续谱,各种对x光机辐射能谱调制的方法其实质都足对x射线进行过滤,这必然会降低x射线强度,增加x射线管的负载。在目前的应用中,大都通过改变x光管的高压来实现能谱凋制,因而很难实时进行图像分离:(2目前使用的各种探测器其灵敏度和探测效率都比较低,没有很好的能量分离效果:【3精确进行图像分离的解析

20、算法具有很好的图像分离效果,但是由于目前不能实时测量x射线的能谱,没有达到实用阶段,其他各种加权算法需要根据以往经验确定加权系数,往往具有主观依赖性。但是,一旦这些问题得到解决,将能成为一种新型的x射线【参考文献】【l】于耀明.沈恂.等译辐射计量学第3卷(上【M】.北京:原子能出版社.198l【2】王百荣.x光机辐射能谱的调制【J】.橱电子学与撂测技术,1997,17(5J:3423李景云.等.过滤x射线参考辐射【J】.辐射防护,1988,8(6:4104】欧阳斌.等K边多道x光连续谱仪橱电子学与撂刹技术,1982.2(6:375】孙景文,等罗斯平衡滤光片和光电差分探别器【J】.核电子学与探剥

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25、科大学生物医学工程学院, 刘漪(北京工商大学数理部,刊名:医疗设备信息英文刊名:INFORMATION OF MEDICAL EQUIPMENT年,卷(期:2001,16(10被引用次数:3次参考文献(14条1.Takeo Ishigaki One-Shot Dual-Energy Subtraction Imaging 19862.Barnes GT Detector for Dual-Energy digital Radiography 19853.Shoji Kido;Morgan DR;Sones RA Clinical Evaluation of Pulmonary Nodules with Single - Exposure Dual- energy Subtraction Chest Radiography with an