鄒念強(qiáng) 唐韶華

影響平板探測(cè)器圖像質(zhì)量的因素及解決方案

鄒念強(qiáng)①唐韶華②

目的：探討改造后的數(shù)字X射線攝影(DR)影響平板探測(cè)器圖像質(zhì)量的因素及解決法案。方法：觀察DR在一定曝光條件下顯示器上圖像受干擾的情況，通過(guò)改變平板探測(cè)器、濾線柵和顯示器分辨3個(gè)主要成像環(huán)節(jié)的空間分辨率以及改變曝光條件，獲得改善圖像質(zhì)量的效果。結(jié)果：改造后的DR，其平板探測(cè)器、濾線柵或顯示器的空間分辨率的改變會(huì)直接影響圖像質(zhì)量；在一定范圍內(nèi)，改變曝光劑量后同樣會(huì)影響圖像的分辨率和對(duì)比度。結(jié)論：利用平板探測(cè)器技術(shù)攝影時(shí)，如果成像環(huán)節(jié)的空間分辨率相近，所獲得的圖像上則會(huì)形成規(guī)律性強(qiáng)、肉眼極易分辨的波樣條紋狀干擾；如果空間頻率偏差較大或成整倍數(shù)關(guān)系，圖像上則不會(huì)產(chǎn)生波樣條紋狀干擾或干擾不明顯。選擇適當(dāng)?shù)臄z影條件可起到改善圖像質(zhì)量的作用。

平板探測(cè)器；濾線柵；偽影；圖像質(zhì)量

[First-author’s address]Department of Technology administration,Center for Disease Control and Prevention, Shengli Oil Field, Dongying 257000, China.

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和工藝成本的降低，利用平板探測(cè)器對(duì)普通X射線機(jī)進(jìn)行數(shù)字X射線攝影(digit radiography，DR)升級(jí)改造，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。通常在進(jìn)行升級(jí)之前均需對(duì)原有設(shè)備的基礎(chǔ)狀況，包括使用年限、球管性能、高壓發(fā)生器功率及逆變頻率等進(jìn)行可行性分析，旨在排除性能不良等原因造成的影響[1-2]。然而，在升級(jí)過(guò)程中常遇到圖像中出現(xiàn)波紋干擾、圖像分辨率以及對(duì)比度降低等情況[3]。為此，本研究對(duì)DR成像原理進(jìn)行分析，從而找出產(chǎn)生波紋干擾的原因，并提出消除干擾、提高圖像質(zhì)量的具體方案[3-4]。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

采用日本島津FLEXIVISION模擬高頻X射線機(jī)，50 kW；固定濾線柵(美國(guó)GE)，柵密度70線/cm；平板探測(cè)器(美國(guó)GE)，分辨率200 μm；G32SP圖像顯示器(深圳巨烽)，分辨率設(shè)為2048×2048。此外，采用柵密度為30線/cm、40線/cm、50線/cm以及60線/ cm的固定濾線柵各1塊作為試驗(yàn)備件。

1.2 試驗(yàn)方法

(1)采用基本配置進(jìn)行攝影。曝光條件：管電壓為90 kV，管電流為320 mA，曝光時(shí)間為63 ms，攝影對(duì)象采用標(biāo)準(zhǔn)水模＋測(cè)試卡，得到數(shù)字影像，觀察顯示器圖像。

(2)顯示器分辨率設(shè)置為1024×1024，其他條件不變，得到數(shù)字影像，觀察顯示器圖像。

(3)顯示器分辨率重新設(shè)置為2048×2048，更換不同柵密度的固定濾線柵(30線/cm、40線/cm、50線/ cm以及60線/cm)，其他條件不變，得到數(shù)字影像，觀察顯示器圖像。

(4)重復(fù)試驗(yàn)上述3種方法5次，將所得圖像分為有干擾圖像組和無(wú)干擾圖像組。

(5)按2 kV的階梯調(diào)高曝光電壓至96 kV，按基本配置進(jìn)行攝影，觀察分析所獲得的圖像質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)采用曝光條件：管電壓為90 kV，管電流為320 mA，曝光時(shí)間為63 ms，攝影對(duì)象采用標(biāo)準(zhǔn)水模＋測(cè)試卡的方法，得到的數(shù)字圖像無(wú)波紋干擾。

(2)采用分辨率為1024×1024，其他條件不變的方法，得到的數(shù)字圖像有波紋干擾(如圖1所示)。

圖1 波紋干擾圖像

(3)采用柵密度為40線/cm或50線/cm時(shí)，得到的數(shù)字圖像無(wú)干擾，其他柵密度下獲得的圖像均有不同程度的波紋干擾產(chǎn)生，干擾波紋形狀與圖1相似。

(4)調(diào)節(jié)曝光電壓后可以改變圖像質(zhì)量，但對(duì)波紋干擾無(wú)改善作用。

3 討論

3.1 濾線柵的應(yīng)用

升級(jí)后的DR進(jìn)行X射線攝影時(shí)，波紋干擾主要是在X射線信息傳遞過(guò)程中所形成，成像環(huán)節(jié)包括平板探測(cè)器、固定濾線柵及醫(yī)學(xué)影像顯示器等，空間分辨率是產(chǎn)生波紋干擾的直接原因。在X射線攝片中，濾線柵的使用是為了濾除由人體產(chǎn)生的二次射線，按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分會(huì)聚柵、平行柵、交叉柵和園弧柵4種，目前最廣泛使用的是會(huì)聚柵。會(huì)聚柵的主要技術(shù)參數(shù)為焦距、柵比和柵密度。

(1)焦距。會(huì)聚線到柵板表面的垂直距離，用f表示。常用焦距為100 cm、110 cm、150 cm和180 cm。只有球管(射線源)在會(huì)聚線上，源射線才能順利通過(guò)濾線柵到達(dá)探測(cè)器，否則一部分源射線就會(huì)被濾線柵中的鉛條吸收，到達(dá)探測(cè)器的射線劑量不足，從而引起圖像分辨率和對(duì)比度下降。

(2)柵比。又稱格比，是鉛條高度與鉛條間隙之比，用R表示。柵比代表濾線柵對(duì)散射線吸收的效能，常用的柵比為5∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1、16∶1 和18∶1。柵比越大，對(duì)二次射線的濾除效果越好，同時(shí)對(duì)源射線的吸收增大，因此并不是柵比越大越好。

(3)柵密度。即單位距離內(nèi)鉛條的數(shù)量，用N表示。柵密度越大柵比則越大。由于鉛條需吸收部分源射線，故并不是柵密度越大越好。固定濾線柵的柵密度要求≥40線/cm，通常進(jìn)口濾線柵的柵密度為60線/ cm、70線/cm和80線/cm。

DR升級(jí)后，為了同平板探測(cè)器的分辨率相適應(yīng)，往往選用柵比或柵密度較大的濾線柵，鉛條在阻擋散射線的同時(shí)，也不可避免地阻擋了一部分發(fā)射源的射線，在一定程度上降低了探測(cè)器的感光程度，造成圖像分辨率、清晰度或?qū)Ρ榷冉档蚚6]。對(duì)此，可通過(guò)增加管電壓值來(lái)增加射線的穿透力，以滿足探測(cè)器的感光要求，故DR升級(jí)后kV值需比升級(jí)前高3～5 kV。

3.2 濾線柵偽影的產(chǎn)生

濾線柵是由間隔一定距離的鉛條以及鉛條中間的填充物組成，鉛條會(huì)在攝片上留下影像。因此，要求固定濾線柵的柵密度N≥40線/cm，則在監(jiān)示器上不能觀察到明顯的鉛條投影。為了同探測(cè)器相適應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)用中常選用N=70線/cm的高密度濾線柵，鉛條的投影則不明顯，但顯示器上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)紋狀偽影，并且這種偽影無(wú)法用Wiener濾波器等后處理方法除去[6-7]。這是摩爾紋現(xiàn)象所引起，摩爾紋是差拍原理的一種表現(xiàn)，即2個(gè)頻率接近的等幅正弦波疊加，合成信號(hào)的幅度將按照2個(gè)頻率之差變化。從整體上就可能形成如圖1所示的偽影。

本研究表明，如果空間頻率偏差較大則不會(huì)形成規(guī)律性強(qiáng)、肉眼極易分辨的波樣條紋的偽影。目前，在DR升級(jí)中使用較多的是GE公司生產(chǎn)的高密度濾線柵，焦距為180 cm，柵比為12∶1，柵密度為70線/cm，即濾線柵空間頻率為70線/cm，可視為143 μm大小像素點(diǎn)。若所用GE平板探測(cè)器的分辨率為200 μm(2048×2048)，空間頻率為50線/cm；此時(shí)濾線柵可視為70÷2＝35線/ cm周期變化的物體，50線/cm和35線/cm的頻率偏差比較顯著，所以形成的偽影不明顯。

如果監(jiān)視器分辨率是1280×1024，顯示圖像部分基本是1024×1024。拍攝41 cm×41 cm圖像時(shí)，顯示方式是fit to screen，其空間頻率可視為25線/cm，或每像素點(diǎn)代表400 μm。如果監(jiān)視器有顯示，此時(shí)濾線柵可視為143×3＝429 μm、空間頻率為23.5線/ cm周期變化的物體，23.5線/cm和25線/cm的頻率接近，于是形成偽影類似于圖1所示的摩爾紋。

如設(shè)置顯示器分辨率為2048×2048，顯示方式是1∶1時(shí)，其空間頻率可視為50線/cm，與上述分析探測(cè)器與濾線柵關(guān)系的方法一樣，得到50線/cm和35線/ cm比較顯著的頻率偏差，形成的偽影即不明顯。

3.3 消除偽影的方法

3.3.1 濾線柵的選取

由于摩爾紋偽影是由空間頻率差所引起，可將濾線柵空間頻率做成探測(cè)器的整數(shù)倍。如GE DR，探測(cè)器分辨率是200 μm，相當(dāng)于空間頻率為50線/cm，如果濾線柵的空間變化頻率是50線/cm，100線/cm，150線/cm……，探測(cè)器濾線柵的空間頻率始終是50線/cm，其之間無(wú)頻差，即無(wú)法產(chǎn)生摩爾紋。必須注意，這種方法不能消除監(jiān)視器的分辨率和顯示的壓縮比的影響[8-9]。

3.3.2 探測(cè)器的選取

若拍攝出圖像質(zhì)量很高的優(yōu)質(zhì)片，如對(duì)分辨率、對(duì)比度及均一性要求較高的塵肺片，選取優(yōu)良的探測(cè)器至關(guān)重要[10]。通常參考國(guó)際電工委員會(huì)制定的IEC62220-1標(biāo)準(zhǔn)，采用量子轉(zhuǎn)換效率(detective quantum efficiency，DQE)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)探測(cè)器成像質(zhì)量[11-12]。在濾線器等其他要素不變的情況下，通過(guò)選取與濾線器分辨率相近的探測(cè)器是有效消除摩爾紋偽影的重要環(huán)節(jié)。如果濾線柵柵密度是70線/cm，則選探測(cè)器分辨率為143 μm，相當(dāng)于空間頻率為70線/cm。

3.3.3 監(jiān)視器的選取

對(duì)于監(jiān)視器的選定，必須綜合考慮濾線柵和探測(cè)器兩方面的空間分辨率。在其他要素不變的情況下，只有通過(guò)改變監(jiān)視器的分辨率才能有效消除摩爾紋偽影。相對(duì)于監(jiān)視器，濾線柵和探測(cè)器均會(huì)產(chǎn)生與其相近的空間分布規(guī)律，當(dāng)空間頻率接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩爾紋干擾。因此，選取的監(jiān)視器與探測(cè)器相一致的空間分辨率即可。

3.3.4 壓縮比的設(shè)定

圖像大小的壓縮比會(huì)影響摩爾紋的產(chǎn)生。如果監(jiān)視器的圖像顯示分辨率是1024×1024，在顯示2048×2048的圖像時(shí)，采用fit to screen模式顯示，則圖像被壓縮大小為1024×1024顯示，其顯示空間分辨率就是1024×1024，顯示頻率與濾線柵的空間頻率接近，因此在顯示器上產(chǎn)生摩爾紋的概率較大。如果以1∶1比率顯示，相當(dāng)于屏幕上的一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)探測(cè)器的像素點(diǎn)，此時(shí)顯示的空間分辨率也可以看成2048×2048，但無(wú)法在一屏顯示，此時(shí)摩爾紋則不明顯。

3.3.5 人體的影響

根據(jù)摩爾紋產(chǎn)生的機(jī)制，如果X射線攝影時(shí)，人體遮擋在探測(cè)器前端而不是均勻的鋁膜遮擋在探測(cè)器前端，人體將會(huì)破壞因?yàn)闉V線柵產(chǎn)生在空間上周期變化的圖形，人體密度的不規(guī)則變化將大幅消弱濾線柵引起的摩爾紋。但在拍攝人體組織比較均勻，密度相對(duì)濾線柵不大的部位時(shí)，摩爾紋依舊無(wú)法消除。

3.4 圖像質(zhì)量的影響因素

圖像質(zhì)量的主要影響因素為圖像分辨率、清晰度以及對(duì)比度，可通過(guò)調(diào)整曝光劑量進(jìn)行改善[13]。當(dāng)DR升級(jí)后，由于更換濾線柵，探測(cè)器的感光度減少，主要依靠調(diào)整球管高壓來(lái)補(bǔ)償。通過(guò)GE平板探測(cè)器分別在華潤(rùn)萬(wàn)東生產(chǎn)的27臺(tái)X射線機(jī)(F-50R高頻拍片機(jī)17臺(tái)，HF51-5胃腸機(jī)10臺(tái))升級(jí)使用，總結(jié)出一套常用的體位攝影條件，其中曝光電壓是中間經(jīng)驗(yàn)值，根據(jù)體態(tài)厚度可上下調(diào)整2 kV，見(jiàn)表1。

表1 華潤(rùn)萬(wàn)東系列X射線機(jī)DR升級(jí)后各體位攝影條件

4 結(jié)論

利用平板探測(cè)器技術(shù)在本身性能優(yōu)良的普通X射光機(jī)上進(jìn)行DR升級(jí)時(shí)，先確定探測(cè)器(預(yù)基礎(chǔ)校準(zhǔn))的分辨率、再選擇濾線柵的柵密度和顯示器分辨率即可解決摩爾波紋干擾問(wèn)題[14]。同時(shí)，將攝影條件經(jīng)驗(yàn)值輸入程控X射線機(jī)的曝光程序中則可在體位模擬圖上直接獲取攝影條件，完成曝光過(guò)程，得到的圖像清晰度高，分辨率好，接近原裝DR的攝片效果，且操作簡(jiǎn)單方便，可極大縮短操作技師的熟練時(shí)間。

在中型醫(yī)院和基層社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)機(jī)構(gòu)，仍存在大批普通X射線機(jī)需要達(dá)到數(shù)字化醫(yī)療的要求[15]。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和工藝成本的降低，平板探測(cè)器技術(shù)從整體DR中脫離出來(lái)，與采集控制器及醫(yī)學(xué)影像處理軟件結(jié)合，形成一套獨(dú)立的數(shù)字化影像系統(tǒng)，可直接將普通X射線機(jī)升級(jí)為DR，使其免遭淘汰，且方便靈活，價(jià)格便宜。充分利用現(xiàn)有的醫(yī)療設(shè)備資源，將其改造升級(jí)為DR，具有廣闊的發(fā)展前景。

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The factors and solutions for affecting the image quality of flat panel detector on modified DR/

ZOU Nian-qiang, TANG Shao-hua// China Medical Equipment,2016,13(12):17-20.

Objective: To discuss the factors for affecting image quality of flat panel detector on modified DR and the solution. Methods: We observed disturbed condition of image on display by changing spatial resolution of flat panel detector, grid and display under a certain exposure condition, and observed improvement condition of image quality by changing exposure condition. Results: The variation of spatial resolution of flat panel detector, grid and display could affect image quality directly in DR. The variation of exposure dose could also affect resolution and contrast of image within limits. Conclusion: When taking radiography by flat panel detector, if the spatial resolution of image sections were close, the image would form wave-shape- stripe disturbance with strong regularity and high distinguishability; if the deviation of spatial frequency was large or be in multiple relationship, there would be no wave-shape- stripe on image, or the disturbance was inconspicuous. At the same time, choosing suitable radiography condition also showed certain effect to improve image quality.

Flat panel detector; Grid; Artifact; Image quality

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.12.006

1672-8270(2016)12-0017-04

R197.39

A

2016-10-12

①勝利油田疾病控制中心業(yè)務(wù)管理科 山東 東營(yíng) 257000

②勝利石油管理局勝北醫(yī)院設(shè)備科 山東 東營(yíng) 257200

鄒念強(qiáng)，男，(1970- )，本科學(xué)歷，副主任技師。勝利油田疾病控制中心業(yè)務(wù)管理科，從事醫(yī)療器械維修與管理工作。