浅谈数字X线成像(DR)的质量评估及影响因素

自从X线被发现之后,很快被引入医学领域。在兽医影像学领域,X线诊断技术经历了传统的屏-片系统、CR到现在的数字系统DR。目前由于DR系统获取图像方便快捷、图像质量清晰、技术要求小、价格相对合理等优点,几乎成为现代动物医院的标配之一。但实际获得的DR图像并非想象中的那么优化,还常常可见由于各种原因导致的质量不合格图像。为了能使X线图像质量更优化,我们必须了解数字系统DR的相关基础理论。

1、数字图像简介

究竟数字图像是什么呢?让我们先来了解以下数字图像的构成吧。数字图像由像素组成。像素都由矩阵的形式排列成排或列。每一个像素都有它自己的灰阶,从而形成图像中我们可辨的不同的阴影(如下图1所示即为图像的像素构成)。数字图像的每一个像素的大小决定了图像的空间分辨率,即我们可以在图像中发现的最小物体。看下图2即可很明显的了解像素对于图像分辨率的影响。总体来说,像素越多图像分辨率越好,但不代表图像质量越好,对于我们的成像系统,当像素高到超过某一点时,图像质量反而不优,主要是由于像素越多,我们使用的感光元件越多,同样大小的平板会使得感光元件越小,每个感光元件接收到的光电子信息就越少,所以不能形成很好的图像。况且使用的感光元件越多,成本越高。而且硬件及投照条件都会影响图像,所以不要一味的追求极高的像素。

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图1 图A为犬腕关节正位数字X线成像。

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图B为图A箭头处局部放大图,清晰可见组成图像的每一个像素即每个小的正方形。

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图2 同一只犬的局部胸部数字X线片。图A是每英尺72像素的图像分辨率。

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图B是每英尺300像素的图像分辨率。图中明显可见图B的分辨率较图A高。

2、数字图像的质量评估

了解完数字X线图像的组成之后,就该回到我们这篇文章的重点即我们兽医关注的焦点---数字X线图像质量。所谓的X线图像质量是指通过X线所呈现出来的影像对于投照部位解剖结构的显示程度。X线图像质量对于精确诊断很关键。图像质量差的X线片需要不必要的重拍,甚至有时可造成误诊。评估X线成像质量主要包括对以下几方面的评估:

2.1评估图像黑白度

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图3不同曝光条件导致的图像的不同黑白度

如图3所示,X线片亮度一次降低,太亮或太暗的X线片都不是合格的X线片。

2.2评估外周黑白度

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图4同一部位不同图像外周黑白度

如图4所示,忽略图像分辨率,只关注图像以外区域黑化度,外周应该是像图A中完全气体密度。但鉴于数字系统强大的后处理功能,对于图B中情况,只需做简单调节即可。

2.3评估整体图像细节、信噪比及对比度

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图5同一只犬同一曝光部位不同曝光条件的数字图像

如图5所示,图A图像颗粒感较明显导致图像清晰度下降。图A所示即为噪点太严重,信噪比低,这点是评估数字图像很关键的参考条件,如投照条件太低,可增加条件再做评估。

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图6骨折内固定患犬的桡尺骨侧位X线片

所谓数字图像的信噪比即图像信号与噪声的比例。一般来说,信噪比越大,图像噪点越小,图像质量越好即越清晰;相反,信噪比越小,图像噪点越大,图像质量越差,看起来越粗糙。但信噪比可通过改变投照条件来进行调节,增加投照条件(增加千伏或毫安秒)都会使信噪比增加,但如果投照条件越小,图像信噪比就会越小,图像噪声越高,即看起来颗粒感大、较粗糙。

数字图像之所以清晰,是因为数字系统的算法所呈现出来的图像本身对比度较好。但有些数字图像的处理算法会人为的夸大或增加对比度,造成数字图像所特有的伪影-对比伪影即在两种有密度差异的物体交界处出现低密度带,这样反而会对我们的评估带来麻烦,如图6所示骨折植入物周围的严重的低密度阴影,有时会让我们误认为是植入物松动或植入物周围感染造成的影像。

除此之外,还有很多因素会影响图像细节和对比度,比如:呼吸、运动、焦点大小、散射线等,具体见下文。

2.4评估投照物质密度

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图7犬髋关节正位X线片

很多数字图像会造成密度失真,如图7所示,骨骼所呈现出来的密度为金属或矿物质密度,造成了密度失真。还有很多数字图像使得脂肪密度显示为气体密度,严重干扰临床病例的评估。

3、数字图像的影响因素

很多因素都会影响X线成像质量,包括硬件因素(X线机性能及参数设置、图像处理、辅助设备(滤线珊等))、动物因素(肥胖/运动等)等。

3.1 X线发生装置-球管

X线发生装置主要包括产生电子的灯丝、电子运行的高真空环境、阳极靶面等,其中任何硬件出现损伤或破坏都可能导致发射出来的X线不合格或不发射X线、发射不足量或不足质的X射线,从而引起图像质量的下降。

3.2焦点

焦点是电子撞击靶面的位置,也是X线产生的位置,焦点的大小即电子撞击阳极靶面的接触面的大小(如图8所示)。焦点的大小影响数字图像的清晰度。焦点越大,图像边缘越模糊,即半影较明显,图像越不清晰,反之,焦点越小,图像边缘约锐利,图像越清晰(如图9所示)。有些设备有两组不同大小的灯丝,较大的灯丝产生较大的有效焦点,较小的灯丝产生较小的有效焦点。但值得注意的是,当尝试使用小焦点产生较大mA时,容易发生灯丝过热或融化。所以临床操作者使用大小焦点时要慎重,而且大焦点对于临床诊断已足够。

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图8不同大小焦点的图示

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图9焦点大小对于成像的影响

3.3参数设置

3.3.1 kV/mAs

如图10所示,对于传统屏片系统,曝光条件(kVp/mAs)的微小改变即可引起图像曝光度(黑白度)的很明显的改变(曲线斜率较大);只有很窄的曝光范围可以得到合格的图像。但对于数字系统,曲线斜率很小,很宽泛的曝光条件(更多的kVp/mAs组合)即可得到一个合格的图像,即数字系统的曝光容忍度较大,所以曝光条件对于现在的数字系统来说不再像传统屏片系统那么苛刻。但这并不意味着曝光条件可以随便设置,数字系统如果曝光条件设置不合理,同样存在曝光不足和曝光过度。

如图11所示,同一部位不同曝光条件拍摄出的X线片。图A由于曝光不足,导致图像颗粒感明显,噪点增多,信噪比降低,图像清晰度下降。图B改善了曝光条件,图像质量得到了很大提升。

如图12所示,图A曝光过度,导致肱骨远端尾侧、内侧髁骨化中心、尺骨近端骨骼不可见,很容易被误诊为病变,比如骨溶解。图B曝光适当,投照部位各解剖结构显影清晰。数字系统的曝光过度不像屏片系统一样,不会导致整体图像变黑。当探测器原件所接收到的曝光条件达到饱和后,对过度曝光部分不再反应,饱和部分即显示为黑色,由于仅有部分曝光过度,所以有些结构可以显示出来,有些结构无法显示,临床上就会导致误诊或漏诊。

数字系统的曝光参数不像传统屏片系统那样容易通过曝光实验进行修改或校正。我们都知道穿透被投照物的决定条件在于X线束的能量,而kV值决定了X线束的能量即穿透力,mAs决定了X线的量及射线多少。选择曝光参数时,kV和mAs都是我们需要考虑的非常重要的参数。由于数字系统的曝光参数容忍度较大,所以存在很多kV-mAs组合。如果使用高mAs,那么应该选择低kV以防过多X线穿过物体到达探测器引起曝光过度;如果使用低mAs,那么应选择高kV以确保足够的X线可以穿透物体到达探测器。如图13所示,很多kV-mAs组合可以得到曝光适当(黑白度适当)的X线片,但图像对比度依赖于特定的kV-mAs组合。总体来说,高mAs-低kV技术相比于低mAs-高kV技术对比度更好。对于高mAs-低kV技术,X线能量较小,导致X线不是被吸收就是可穿透,所以物质本身的特性决定了光电吸收的程度,骨骼吸收更多的X线,软组织吸收少,所以这些组织间的对比度较大。相反,低mAs-高kV技术,X线能量大,物质基本都可被穿透,骨骼与软组织对X线吸收的差异减小,所以组织之间对比度减小。如图14所示,图A和B的图像都可以用来解读,但图A使用了高mAs-低kV技术,图B使用了低mAs-高kV技术,使得图A的对比度优于图B。所以对于机体天然对比度较大的部位比如胸部来说,建议选择低mAs-高kV技术降低对比度;对于天然对比度小的部位比如腹部,建议选择高mAs-低kV技术来增加对比度。

但DR系统的投照条件的摸索已经远远超过临床兽医的能力,传统屏-片系统的曝光实验不完全适用于DR系统,DR系统投照条件的设定需由厂家工程师基于本系统后处理算法根据临床需求及大量临床曝光试验进行统计分析,最终给出一套合理的适用于本系统、本机器的投照条件。

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图10曝光容忍度图示

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图11同一只犬同一曝光部位不同曝光条件的数字图像

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图12同一只犬同一曝光部位不同曝光条件的数字图像

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图13不同的kV-mAs组合对于X线片曝光度的影响

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图14 同一只犬的肩关节不同投照条件所拍摄出来的不同对比度的X线片

3.3.2 曝光时间

曝光时间和mA的乘积决定了X线的量。一般对于胸部X线检查,尤其是呼吸急促病患的检查,曝光时间太长会导致运动伪影,从而引起图像边缘不清晰。通常要求的曝光时间最短能达到0.04s即可,这个曝光时间下,即使呼吸急促的病患检查,也一般不会产生肉眼明显可见的运动伪影。但曝光时间太短,为了达到所需求的mAs,需要更高的mA,所以这就要求机器的mA峰值或功率不能太低。

3.4 滤线栅

当体厚较大时,容易出现较多散射线,散射线会导致X线片对比度下降,产生灰雾现象。滤线栅的使用可以大大降低散射线带来的干扰。一般来说当体厚>11cm时,建议使用滤线栅。但要注意的是,滤线栅不仅阻挡了散射线,还阻挡了部分原射线,所以当使用滤线栅时建议增加投照条件。图14展示了滤线栅工作的模式图,可见滤线栅阻挡了射线由于与物体发生作用后产生的散射线,并阻挡了部分投照在组成滤线栅的铅条上的原射线,只允许与栅空平行的原射线通过。

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图15滤线栅的使用原理图示

3.5.探测器及系统图像后处理算法

数字图像的探测器的质量对于我们接收X线信号较为重要,如果探测器损坏,那么损坏部位就无法接收X线,无法形成图像。且探测器的加工工艺对于探测器的使用寿命及成像有很大影响。探测器的加工工艺会影响到达探测器的X线能不能形成图像,有些加工工艺可能会使探测器对接收到的X线较为敏感,有些不敏感的就会损失部分有效X线。

图像后处理算法对于成像特别关键,且即使同样的图像后处理算法,但不同厂家、不同探测器也会有很大差别,所以DR图像的核心参考是探测器与图像后处理算法两者之间的匹配。这就需要系统软件工程师根据临床医生的需求进行设计,最终给出较优化的匹配条件及适合这个匹配的投照条件。

3.6 动物因素

3.6.1 运动

运动会导致图像模糊,产生运动伪影,所以拍摄X线片时保持动物安静。但对于呼吸窘迫的动物,无法避免呼吸产生的运动伪影时,尽量降低曝光时间来最大限度的减少运动伪影。

3.6.2 肥胖

动物肥胖或体厚较大都会导致散射线较多,散射线的增加就会降低图像对比度,使图像模糊,临床上,为避免此现象,对于体厚较厚及肥胖的动物建议使用滤线衫。

数字系统成像的原理较复杂,图像质量的影响因素也较多,只有充分了解这些原理及影响因素等,才能将数字X线成像的作用发挥到极致,从而为我们临床更好的服务。以上是个人对于现在数字系统DR成像的一些理解,希望能对临床医生提供参考。

参考文献

[1] 谢富强. 兽医影像学-第2版.北京:中国农业大学出版社,2004.

[2] Donald E, Thrall. Textbook of Veterinary Diagnostic Radiology-7th Edition [M]. Elsevier, 2018: 16-38.

[3] Kirberger R M. Radiograph quality evaluation for exposure variables - A review [J]. Veterinary Radiology & Ultrasound, 1999, 40(3):220-226.

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2021-04-27 原文

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