X射線：醫(yī)療/牙科設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

X 射線數(shù)字化成像正在為放射診斷學(xué)帶來(lái)變革。在傳統(tǒng)的 X 射線系統(tǒng)中，每個(gè)組件中的信號(hào)衰退都會(huì)消耗大于 60% 的原始 X 射線信號(hào)能量。在系統(tǒng)的每一級(jí)，X 射線信號(hào)都將衰退一定的量，即使是為應(yīng)用專門優(yōu)化的獨(dú)立組件也不例外。因此，一般僅有少于 40% 的原始圖像信息可用于生成圖像。通過為 X 射線數(shù)字化成像添加數(shù)字檢測(cè)器，捕捉到大于 80% 的原始圖像信息并使用各種后處理工具進(jìn)一步改善畫質(zhì)就成為了可能。X 射線數(shù)字化技術(shù)的其它優(yōu)勢(shì)包括：減少患者的服藥劑量、通過免除照相沖洗來(lái)縮短診斷時(shí)間、通過省去照相沖洗藥劑來(lái)節(jié)約成本、圖像數(shù)據(jù)處理以增強(qiáng)所關(guān)注的區(qū)域并抑制無(wú)關(guān)信息；可將圖像數(shù)據(jù)與其它源于 RIS/HIS 的患者相關(guān)信息相結(jié)合；可通過網(wǎng)絡(luò)連接向任何地方快速傳輸信息；而且只需最小的空間即可將所需的全部信息存檔。X 射線數(shù)字化技術(shù)包含兩種不同的方式：直接轉(zhuǎn)換和間接轉(zhuǎn)換。

直接轉(zhuǎn)換

在直接轉(zhuǎn)換中，平板硒檢測(cè)器直接吸收 X 射線并將其轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的像素電荷。在間接轉(zhuǎn)換中，X 射線信號(hào)首先被轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，而后被轉(zhuǎn)換為電荷。平鋪 CCD（充電耦合設(shè)備）陣列和計(jì)算機(jī)體層攝影均采用間接轉(zhuǎn)換技術(shù)。平鋪 CCD 轉(zhuǎn)換技術(shù)采用多個(gè) CCD 元件通過光纖耦合至閃爍體平板。計(jì)算機(jī)體層攝影通過光激勵(lì)平板誘捕電信號(hào)，并通過曝光產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。在兩種方式中，與像素上所見的 X 射線強(qiáng)度成比例的電荷將存儲(chǔ)在薄膜晶體管 (TFT) 的存儲(chǔ)電容中。大量的此類像素均源于平板檢測(cè)器 (FDP)。通過讀出電子器件從 FDP 上讀取電荷，并將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

下面的方框圖展示了通過直接成像以將 FDP 上的電荷轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)所需的讀出電子器件。它具有兩條鏈：采集鏈和偏置鏈。在采集鏈中，其前端為模擬前端，可多路復(fù)用不同的 FDP（通道）存儲(chǔ)電容上的電荷并將這些電荷轉(zhuǎn)換成電壓。偏置鏈通過媒介偏置及門控電路為 TFT 陣列生成偏置電壓。數(shù)字控制及數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)由 FPGA 完成，F(xiàn)PGA 還通過高速接口（串行接口、LVDS、光學(xué)接口）對(duì)與外部圖像處理單元的高速串行通信進(jìn)行管理。溫度傳感器、DAC、放大器以及具有高輸入電壓容忍能力的開關(guān)穩(wěn)壓器是其它關(guān)鍵系統(tǒng)塊。每個(gè)塊都必須具有啟動(dòng)引腳和同步頻率，以避免與采集鏈中的其它塊串?dāng)_。FDP 像素?cái)?shù)將決定 ADC 通道的數(shù)量和 ADC 的速度。靜態(tài)或動(dòng)態(tài)采集同樣決定 ADC 的速度。靜態(tài)采集意味著要在小于 1s 的時(shí)間內(nèi)采集單幅圖像，而動(dòng)態(tài)采集則意味著圖像要以 30Hz 的速度刷新。動(dòng)態(tài)采集適用于更加細(xì)致的心臟血管、熒光檢查或相關(guān)應(yīng)用，它們?cè)谕ǖ罃?shù)相同的情況下需要更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。具有 2MSPS 及更高速度范圍且具有絕佳 DC 性能的 ADC 可以良好地工作。

間接轉(zhuǎn)換

對(duì)于間接轉(zhuǎn)換，CCD 輸出需要相關(guān)雙采樣 (CDS)。信號(hào)電平的復(fù)位電壓和圖像信號(hào)電平將通過模擬前端 (AFE) 轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。AFE 的采樣速度由 CCD 陣列中的像素?cái)?shù)和幀速率決定。此外，AFE 會(huì)校正傳感器錯(cuò)誤，例如暗流校正、偏移電壓和缺陷像素。可編程增益放大器 (PGA) 的存在與否、PGA 的線性度和可用增益范圍也很重要，具體取決于信號(hào)電平。在數(shù)字化過程中，位數(shù)將決定圖像的對(duì)比度。通常，需要將初始數(shù)據(jù)數(shù)字化為精確度比最終圖像所需的位數(shù)高 2 至 4 位的數(shù)據(jù)。因此，如果需要 8 位的最終圖像數(shù)據(jù)，則最初應(yīng)數(shù)字化為 10 位以允許在圖像處理過程中出現(xiàn)舍入誤差。

圖像質(zhì)量的主要衡量指標(biāo)是“量子檢測(cè)效率”(DQE)，它結(jié)合了對(duì)比度和 SNR（信噪比），采用百分?jǐn)?shù)表示。對(duì)比度越高且噪聲越低，DQE 就越高。對(duì)比度是指灰度的階數(shù)，它取決于 ADC 的輸出分辨率；通常，14 位或 16 位比較適合于應(yīng)用。SNR 所指示的不僅是源自 ADC 的 SNR，而且是系統(tǒng)的 SNR，它受 X 射線劑量、像素尺寸和所有電子組件的影響?？赏ㄟ^增加 X 射線劑量、增加光電二極管間距和降低電噪聲來(lái)提高 SNR。增加 X 射線劑量會(huì)對(duì)患者或操作人員造成傷害。增加光電二極管間距也行不通，因?yàn)檫@樣做會(huì)減小空間分辨率。降低源自系統(tǒng)內(nèi)電子器件的噪聲將是主要的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)中的總噪聲是：信號(hào)鏈上所有噪聲成分的平方根之和（假設(shè)這些噪聲成分沒有關(guān)聯(lián)）。這意味著包括 ADC、運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)在內(nèi)的所有部分都必須具有超低噪聲或重度過濾（如果適用）。溫度穩(wěn)定性是另一個(gè)重大挑戰(zhàn)。由功耗造成的內(nèi)部溫度升高可能會(huì)偏移灰度級(jí)別并使圖像失真，在動(dòng)態(tài)采集過程中尤其如此。因此，ADC、運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)應(yīng)該具有較高的溫度穩(wěn)定性。