Máy dò tia X để chụp X quang kỹ thuật số

MJ Yaffe và JA Rowlands Máy dò tia X để chụp X quang kỹ thuật số Phys Med Biol 42 (1997) 1 39 In tại PII Anh S0031 9155 (97) 36 090 4 Máy dò tia X để chụp X quang kỹ thuật số MJ Yaffe và JA Rowlands Chương trình Imaging nghiên cứu, Trung tâm Khoa học Y tế Sunnybrook, Đại học Toronto, 2075 Bayview Avenue, Toronto, Ontario, Canada M4N 3M5 Nhận ngày 29 Tháng Ba năm 1996, ở dạng cuối cùng 16 tháng 8 năm 1996 Tóm tắt Chụp X quang kỹ thuật số cung cấp tiềm năng của chất lượng hình ảnh được cải tiến cũ.

MJ Yaffe JA Rowlands Máy dò tia X để chụp X quang kỹ thuật số Phys Med Biol 42 (1997) 1-39 In PII Anh: S0031-9155 (97) 36.090-4 Máy dò tia X để chụp X quang kỹ thuật số MJ Yaffe JA Rowlands Chương trình Imaging nghiên cứu, Trung tâm Khoa học Y tế Sunnybrook, Đại học Toronto, 2075 Bayview Avenue, Toronto, Ontario, Canada M4N 3M5 Nhận ngày 29 Tháng Ba năm 1996, dạng cuối 16 tháng năm 1996 Tóm tắt Chụp X quang kỹ thuật số cung cấp tiềm chất lượng hình ảnh cải tiến cung cấp hội cho tiến quản lý hình ảnh y khoa, chẩn đốn máy tính teleradiology.Chất lượng hình ảnh gắn liền với việc thâu lại xác xác thơng tin từ tia X-quang truyền bệnh nhân, tức hiệu suất máy dò x-ray Dò cho chụp X quang kỹ thuật số phải đáp ứng nhu cầu thủ tục xạ cụ thể mà họ sử dụng Các thơng số độ phân giải khơng gian, tính đồng phản ứng, độ nhạy tương phản, phạm vi hoạt động, tốc độ thâu lại tỷ lệ khung hình Các cân nhắc vật lý bên xác định hiệu suất máy dò x-ray cho chụp X quang xem xét Một số cơng nghệ dị thực nghiệm có triển vọng mà phù hợp cho chụp X quang kỹ thuật số xem xét.Thiết bị sử dụng máy dị fullarea có người thích hợp cho hệ thống quét x-ray thảo luận Chúng bao gồm cách tiếp cận khác dựa chuyển đổi phosphor x-ray, nơi lượng tử ánh sáng sản xuất giai đoạn trung gian, trực tiếp x-quang-điện tích chuyển đổi vật tư kẽm cadmium telluride, selen vô định hình tinh thể silicon Giới thiệu Những lợi ích việc thâu lại hình ảnh X-quang y tế dạng kỹ thuật số nhanh chóng trở nên rõ ràng sau đời chụp cắt lớp vi tính (CT) Hounsfield (1973) Những lợi ích bao gồm độ xác cao ghi thơng tin, tăng tính linh hoạt đặc tính hiển thị dễ dàng truyền tải hình ảnh từ địa điểm khác mạng truyền thông Chụp cắt lớp vi tính ứng dụng phức tạp chụp X quang kỹ thuật số, gần phương pháp kỹ thuật số để đơn giản, kỹ thuật hình ảnh thống chụp động mạch chiếu chụp X quang thông thường siêu âm hình ảnh y học hạt nhân phát triển CT chấp nhận lợi ích rõ ràng chụp cắt lớp ngang thật khả CT để hiển thị khác biệt tinh tế suy giảm mô Những mong muốn cho độ phân giải không gian cao mà đạt với máy dị thơ lực máy tính hạn chế có sẵn thời điểm đó, mà đạt với hình ảnh chiếu X quang tiêu chuẩn Sự phát triển công nghệ phát cải thiện, mạnh mẽ nhiều máy tính, hình kỹ thuật số có độ phân giải cao thiết bị đầu laser cần thiết trước chụp X quang kỹ thuật số tiến Ban đầu, người ta nghĩ chụp X quang kỹ thuật số phải phù hợp với nhiều hạn chế địi hỏi hiệu suất phân giải khơng gian ảnh filmbased Tuy nhiên, hình ảnh phim thường bị hạn chế thiếu vĩ độ tiếp xúc đường đặc tính phim, tiếng ồn kết hợp với chi tiết phim sử dụng hiệu xạ Theo kinh nghiệm hạn chế lớn 1997 xuất IOP TNHH Khả cung cấp độ tương phản hình ảnh tuyệt vời vĩ độ rộng phơi nhiễm tia X cho tất tần số không gian lên đến độ phân giải giới hạn khiêm tốn (Yaffe 1994) Một hệ thống X quang kỹ thuật số cung cấp hiệu suất vậy, cho phép thực kỹ thuật hình ảnh máy tính xử lý, lưu trữ kỹ thuật số truyền hình ảnh khai thác thơng tin định lượng hữu ích y tế từ hình ảnh Trong lịch sử, có quan tâm mạnh mẽ việc phát triển hệ thống hình ảnh kỹ thuật số cho chụp X quang ngực điểm yếu cố hữu hệ thống phim hình việc cung cấp đầy đủ vĩ độ độ tương phản đồng thời tốt phổi, vùng trung thất mong muốn thực tính xử lý hình ảnh , teleradiology, lưu trữ truy xuất hệ thống kỹ thuật số (PACS) TESIC et al (1983) mô tả hệ thống kỹ thuật số đơn dòng quét cho chụp X quang ngực mà sử dụng mảng 1024 photodiodes rời rạc với phosphor gadolinium oxysunphua Điều đòi hỏi thời gian quét 4,5 s, cung cấp độ phân giải không gian hạn chế chu kỳ / mm Goodman et al (1988) Fraser et al (1989) xem xét điểm mạnh điểm yếu phương pháp tiếp cận khác để kỹ thuật số chụp X quang ngực có sẵn thời điểm Họ xác định tiềm cho chụp X quang ngực kỹ thuật số cải tiến cần thiết cho kỹ thuật để trở nên chấp nhận bác sĩ X quang Hệ thống kỹ thuật số cho chụp động mạch số loại chiếu chụp X quang sử dụng lâm sàng rộng rãi hệ thống đặc biệt cho ứng dụng chụp nhũ ảnh phát triển Sự sẵn có hệ thống kỹ thuật số có khả cho phép đời chẩn đoán máy tính (Chan et al 1987, Giger et al 1990) Đã có số đánh giá trước cơng nghệ phát hình ảnh kỹ thuật số, đặc biệt Rougeot (1993) Hình ảnh kỹ thuật số Hầu tất hình ảnh x-ray dựa truyền dẫn lượng tử thông qua thể, với độ tương phản diễn khác biệt độ dày thành phần giải phẫu nội Các mơ hình truyền x-ray mặt phẳng hệ thống hình ảnh coi thay đổi liên tục độ dòng x-ray với vị trí Một mơ hình giả thuyết trình bày chiều hình (a) Máy dị hình ảnh tương tự cố gắng để tái tạo mơ hình cách trung thực, ví dụ biến thể mật độ quang học nhũ tương phim phát triển Về nguyên tắc, biến thể không gian liên tục , miễn đủ x-quang lượng tử sử dụng liên tục quy mô cường độ Một sơ đồ hệ thống chụp X quang kỹ thuật số chung đưa hình Ở đây, thụ hình ảnh tương tự thay máy dò chuyển đổi lượng chùm tia X truyền thành tín hiệu điện tử mà sau số hóa ghi vào nhớ máy tính Các hình ảnh sau xử lý, hiển thị, truyền lưu trữ sử dụng máy tính tiêu chuẩn phương pháp truyền thơng kỹ thuật số Trong hệ thống hình ảnh kỹ thuật số, số giai đoạn, mơ hình truyền x-ray lấy mẫu chiều không gian cường độ, minh họa hình (b) Trong chiều kích khơng gian, mẫu thu trung bình cường độ qua yếu tố ảnh pixel Đây khu vực hình vng, đặt cách khoảng thời gian khắp mặt phẳng hình ảnh Trong chiều hướng cường độ, tín hiệu binned vào số hữu hạn cấp Điều thường lượng giá trị, n, lượng định số bit mà hình ảnh số hóa giá trị cường độ hình ảnh kỹ thuật số có thể, đó, có giá trị rời rạc, thông tin liên quan đến cường độ trung gian biến thể thang điểm subpixel bị việc số hóa Hình Các khái niệm hình ảnh kỹ thuật số (A) Hồ sơ hình ảnh tương tự thay đổi liên tục, không gian cường độ tín hiệu (B) Trong hình ảnh kỹ thuật số, lấy mẫu diễn khoảng thời gian rời rạc vị trí cường độ Hình Sơ đồ hệ thống chụp X quang kỹ thuật số Để tránh xuống cấp chất lượng hình ảnh q trình số hóa, điều quan trọng kích thước điểm ảnh độ sâu bit phải phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ chụp ảnh phù hợp với độ phân giải không gian bên trong, độ xác hình ảnh xác định hạn chế yếu tố unsharpness chỗ đầu mối, chuyển động giải phẫu mức độ tiếng ồn lượng tử Tính Detector Tính chất quan trọng máy dò là: bảo hiểm lĩnh vực, đặc trưng hình học, hiệu suất lượng tử, độ nhạy, độ phân giải không gian, đặc điểm tiếng ồn, phạm vi hoạt động, tính đồng nhất, tốc độ thâu lại, tỷ lệ khung hình chi phí Trong có vài trường hợp đòi hỏi phải hài hòa yếu tố bảo hiểm Dịng Hệ thống hình ảnh phải có khả ghi lại tín hiệu x-quang truyền diện tích dự giải phẫu điều tra Người ta ước tính u cầu máy dò X quang kỹ thuật số từ thụ thể ảnh dùng cho chụp ảnh thơng thường Ví dụ, Chụp X quang ngực địi hỏi lĩnh vực hình ảnh 35 cm x 43 cm, chụp nhũ ảnh cung cấp thụ thể kích thước 18 cm x 24 cm 24 cm x 30 cm Bộ tăng ảnh dùng cho huỳnh quang phim photofluorography cung cấp từ trường trịn với đường kính từ 15 cm đến 40 cm Ngồi ra, x-ray chùm phân kỳ, hình ảnh ln trải qua số mức độ phóng đại X quang Thông thường, thứ tự 10%; Tuy nhiên, đợt kiểm tra mà phóng đại cố ý áp dụng, điều nhiều yếu tố, đó, việc sử dụng lâm sàng phải xem xét cẩn thận xác định u cầu kích thước máy dị đặc trưng hình học Một số yếu tố xem xét "vùng chết" tồn bên xung quanh cạnh máy dò Trong máy dò điện tử dùng cho chụp X quang kỹ thuật số, thứ yêu cầu cho việc định tuyến dây dẫn vị trí thành phần máy dị phụ trợ đệm, đồng hồ, vv Vùng Chết xảy máy dị có diện tích lớn sản xuất tiếp giáp đơn vị máy dò nhỏ (ốp lát) Đối với máy dò gồm yếu tố cảm biến rời rạc, xác định điền yếu tố phần diện tích phần tử phát nhạy cảm với cố x-quang Trong số ứng dụng (ví dụ chụp nhũ ảnh) điều quan trọng máy dị có diện tích hoạt động khơng đáng kể nhiều cạnh để tránh khơng bao gồm mơ từ hình ảnh Điều ngăn cản việc sử dụng máy dò nơi cồng kềnh, chẳng hạn tăng hình chân khơng, từ ứng dụng Trong trường hợp, khu vực vùng chết kết phát sử dụng không hiệu xạ truyền qua bệnh nhân trừ chuẩn trực prepatient sử dụng để che dấu xạ rơi vào khu vực chết Thơng thường, phức tạp liên kết vùng nửa tối chỗ đầu mối, điều không thực tế Ngồi yếu tố hình học coi biến dạng Một hệ thống hình ảnh chất lượng cao trình bày đồ khơng gian chuẩn x-ray mơ hình đầu vào đến đầu hình ảnh Các hình ảnh thu nhỏ không gian; Tuy nhiên, yếu tố rộng nên khơng đổi lĩnh vực hình ảnh Distortion khiến đồ trở thành phi tuyến Nó trở thành khơng gian angularly phụ thuộc Đây trường hợp ống kính, chất xơ electron quang học sử dụng hệ thống hình ảnh tạo 'pincushion' bóp méo 'thùng' Cuối cùng, cần lưu ý máy dò kỹ thuật số thuộc hai loại nói chung, cảm biến bị giam cầm cassette thay Trong khuôn khổ , receptor readout tích hợp vào máy x-ray Trong điều đòi hỏi máy thiết kế đặc biệt với chi phí vốn cao hơn, giúp loại bỏ cần thiết phải tải, xếp dỡ mang băng cassette để đọc riêng chi phí lao động tham gia Đồng thời, việc sử dụng lượng hạn chế thụ thể đơn giản hóa nhiệm vụ điều chỉnh cho không đồng thụ thể (xem đây) Một hệ thống tái sử dụng băng thuận lợi, nơi mức độ cao tính di động linh hoạt cần thiết, chẳng hạn tình chăm sóc đặc biệt phịng mổ, có lợi tương thích với đơn vị X quang có hiệu suất lượng tử Các hoạt động thâu lại hình ảnh ban đầu giống hệt tất máy dò x-ray Để sản xuất tín hiệu, lượng tử x-ray phải tương tác với vật liệu phát Xác suất tương tác hiệu suất lượng tử cho lượng tử lượng E = hν cho η = - e - μ (E) T (1) nơi μ hệ số suy giảm tuyến tính vật liệu phát T độ dày hoạt động máy dị Bởi tất nguồn x-ray cho chụp X quang polyenergetic, và, đó, phát tia X phổ lượng, hiệu suất lượng tử phải quy định lượng phải thể giá trị 'hiệu quả' quang phổ x-quang cố máy dò Quang phổ bị ảnh hưởng hiệu ứng lọc bệnh nhân mà để 'cứng' chùm, tức để làm cho mạnh mẽ và, đó, cịn sâu Hiệu suất lượng tử tăng lên cách làm cho máy dò dày cách sử dụng vật liệu có giá trị μ cao tăng số nguyên tử hay mật độ Hiệu suất lượng tử lượng so với chụp X-quang cho độ dày khác số vật liệu phát vẽ hình hiệu suất lượng tử nói chung cao mức lượng thấp, giảm dần với gia tăng lượng Nếu vật liệu có cạnh hấp thụ nguyên tử khu vực lượng lãi suất, hiệu lượng tử tăng lên đáng kể lượng này, gây tối thiểu địa phương η cho lượng cạnh hấp thụ Tại lượng x-quang chẩn đốn, q trình tương tác hiệu ứng quang điện số lượng nguyên tử tương đối cao hầu hết vật liệu phát Sự tương tác lượng tử x-ray với máy dò phát quang điện tử tốc độ cao Mất động máy dị, kích thích ion hóa xảy ra, sản xuất tín hiệu thứ cấp (lượng tử quang học điện tích điện tử) Độ phân giải không gian Độ phân giải không gian chụp X quang xác định hai đặc tính phát yếu tố không liên quan đến thụ thể Nhóm thứ hai bao gồm unsharpness phát sinh từ yếu tố hình học Ví dụ như: 'vùng nửa tối' kích thước hiệu nguồn x-ray độ phóng đại cấu trúc giải phẫu lãi suất mặt phẳng thụ thể hình ảnh chuyển động tương đối nguồn x-quang, bệnh nhân thụ hình ảnh trình tiếp xúc Các yếu tố liên quan đến máy dị phát sinh từ kích thước độ hiệu nó, khoảng thời gian lấy mẫu khơng gian phép đo tín hiệu bên tác máy dò readout lan rộng Dò cho chụp X quang kỹ thuật số thường gồm yếu tố rời rạc, thường có kích thước khơng đổi khoảng cách Các kích thước phần hoạt động yếu tố phát xác mộtkhẩu độ Khẩu độ xác định đáp ứng tần số không gian máy dị Ví dụ, độ hình vng với kích thước, d, sau chức chuyển chế (MTF) máy dò fdạng sinc, f tần số khơng gian dọc theo x hướng y, MTF có khơng tần số f = d -1, bày tỏ mặt phẳng máy phát (hình 5) Một máy dò vớid = 50 μ m có Hình Lượng tử tương tác hiệu quả, η, độ dày khác phosphor chọn Lưu ý rằng, trừ CSI, hạt phosphor kết hợp với chất kết dính, làm cho mật độ đóng gói giảm (thường 50%), độ dày hình phải tăng lên để cung cấp giá trị suy hao hiển thị MTF với số không f = 20 chu kỳ / mm.Vì phóng đại, tần số cao mặt phẳng bệnh nhân Khoảng thời gian lấy mẫu, p, máy dò mặt phẳng dò yếu tố nhạy cảm phép đo có tầm quan trọng đáng kể Định lý lấy mẫu nói có tần số khơng gian mơ hình (2 p) -1 (tần số Nyquist) chụp ảnh cách trung thực Nếu mẫu chứa tần số cao hơn, sau tượng gọi cưa xảy phổ tần số mẫu hình ảnh vượt tần số Nyquist nhân đôi gấp khoảng tần số thời trang accordion thêm vào phổ tần số thấp hơn, tăng hàm lượng quang phổ rõ ràng hình ảnh tần số thấp (Bendat Piersol 1986) Trong phát gồm yếu tố rời rạc, khoảng thời gian lấy mẫu nhỏ hình ảnh mua lại p = d, cho tần số Nyquist (2 d) -1 phản ứng độ giảm xuống hai lần tần số (cao kích thước khu vực nhạy cảm phần tử dị nhỏ d,ví dụ điền yếu tố yếu tố phát 1.0) Hình Quantum hiệu tương tác, η, vật liệu phát chuyển đổi trực tiếp lựa chọn Aliasing tránh cách 'nhóm hạn chế' hình ảnh, tức có độ suy giảm tần số cao mà khơng có nội dung hình ảnh vượt q tần số Nyquist Các vật mờ kết hợp với vị trí tiêu cự phục vụ mục đích Lưu ý điều không ngăn cản cưa tiếng ồn tần số không gian cao Phương pháp thay làm giảm hiệu ứng cưa hai tín hiệu tiếng ồn yêu cầu tần số lấy mẫu hệ thống hình ảnh tăng lên Một phương pháp làm điều này, gọi phối màu, liên quan đến nhiều lần thâu lại với chuyển động vật lý máy phát phần nhỏ pixel pitch chuyển tiếp Các subimages sau kết hợp để tạo thành hình ảnh cuối Điều làm giảm hiệu p, qua cung cấp tần số Nyquist cao Một số máy dị khơng pixellated hấp thu giai đoạn x-ray, thay d p định nghĩa chế readout họ Đây trường hợp cho hệ thống dị phosphor photostimulable mơ tả đây, nơi mà phosphor liên tục, mẫu readout laser địa điểm rời rạc Điều cung cấp số tính linh hoạt thiết lập độc lập khoảng thời gian lấy mẫu (quét raster) kích thước độ hiệu (laser kích thước điểm) để tránh cưa Các vấn đề lấy mẫu hệ thống X quang kỹ thuật số xem xét Dobbins (1995) Trong thiết kế tổng thể hệ thống hình ảnh, điều quan trọng nguồn vật chất khác unsharpness xem xét kích thước độ khoảng thời gian lấy mẫu chọn Ví dụ, MTF giới hạn unsharpness vị trí đầu mối, có giá trị để cải thiện hệ thống cách thiết kế thụ thể với yếu tố phát nhỏ Hình Ảnh hưởng 50 μ m hình chữ nhật phát độ MTF thụ hình ảnh Các tần số Nyquist, f N, mà cưa xảy định Tiếng ồn Các hình ảnh tạo lượng tử thống kê tự nhiên, tức mẫu hình ảnh dự đốn tính chất suy giảm bệnh nhân, dao động ngẫu nhiên giá trị trung bình dự đốn giá trị Sự biến động cường độ x-quang sau thống kê Poisson, phương sai, σ 2, số lượng trung bình lượng tử xray, N 0, rơi vào yếu tố phát khu vực định N Tương tác với máy dị hiểu trình nhị thức với xác suất thành cơng, η, chứng minh (Barrett Swindell 1981) phân bổ tương tác lượng tử Poisson với độ lệch chuẩn σ = (N η) 1/2 (2) Nếu giai đoạn phát theo sau trình mà cung cấp tăng trung bình g ¯, sau 'Tín hiệu' trở thành q = N ηg ¯ (3) khác biệt tín hiệu (4) Nói chung, việc phân phối q khơng phải Poisson chí g Poisson phân phối Tương tự vậy, ảnh hưởng giai đoạn bổ sung tăng (hoặc giảm) thể cách tuyên truyền biểu (Rabbani et al 1987, Cunningham et al 1994, Yaffe Nishikawa 1994) Nó nguồn khác tiếng ồn đóng góp giai đoạn khác hệ thống hình ảnh Tác dụng chúng phương sai giai đoạn phụ gia biến động phải chịu mức tăng giai đoạn hệ thống hình ảnh Một phân tích tồn tín hiệu tuyên truyền tiếng ồn hệ thống máy dò phải đưa vào tài khoản phụ thuộc tần số khơng gian hai tín hiệu tiếng ồn Chuyển tín hiệu đặc trưng chức chuyển giao điều chế, MTF (f), f tần số không gian, tiếng ồn mô tả tiếng ồn điện Wiener phổ W (f).Các phương pháp tính tốn đặc tính quang phổ Wiener máy dò phải sửa cho phi tuyến máy dò cách đưa vào tài khoản mối tương quan không gian tín hiệu biến động thống kê (Rabbani et al 1987, Cunningham et al 1994) Một số lượng hữu ích cho việc xác định tín hiệu tiếng ồn hiệu suất tổng thể máy dị hình ảnh hiệu tần số phụ thuộc vào không gian thám tử học lượng tử, DQE (f).Này mô tả hiệu việc chuyển tín hiệu-to-noise ratio (bình) chứa x-ray mơ hình cố để đầu máy phát Lý tưởng nhất, DQE (f) = η cho tất e, bổ sung nguồn tiếng ồn làm giảm giá trị thường gây DQE giảm tăng tần số không gian DQE (f) coi loại hiệu suất lượng tử, nhân với số vụ việc lượng tử máy dị có SNR (f), gọi số tiếng ồn lượng tử tương đương, NEQ (f), sử dụng để tạo thành hình ảnh Thơng thường DQE cho máy dị hình phim có giá trị vào 0.2 tần số khơng gian từ vịng / mm điều giảm xuống 0.05 vài chu kỳ / mm (Bunch et al 1987) Như thảo luận phần 4, điều quan trọng số lượng tử thứ cấp hay electron giai đoạn máy dị có phần lớn N η, để tránh tiếng ồn máy dò thống trị 'chìm lượng tử thứ cấp " Bảng Các tính chất phốt photoconductors sử dụng máy dò x-ray cho chụp X quang kỹ thuật số, có số nguyên tử, Z, K lượng hấp thu, E K, hiệu trưởng hấp thụ yếu tố Độ nhạy sáng thể lượng, w, mà phải hấp thụ để phát hành lượng tử ánh sáng phosphor cặp electron-lỗ quang dẫn Sản lượng huỳnh quang, ω K, xác suất mà K-shell tương tác quang điện xảy ra, có đèn huỳnh quang (đặc tính) x-ray Auger electron phát Vật chất Z E w (eV) ω CdTe 48/52 26,7 / 31,8 4.4 0,85 -0,88 Cao độ tinh khiết Si 14 1.8 3.6 34 55/53 64 12,7 36.0 / 33.2 50.2 50 (10 V L m 19 13 BaFBr (như photostim phosphor) 56/35 37,4 / 13,5 50 -100 c selen vơ định hình CSI (Tl) Gd O S c K (keV) K (approx.)một