放射医学丨【相关专业知识】CR与DR设备：DR设备基本构造及其特性

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       DR设备基本构造及其特性

       （一）DR的分类

       按X线曝光方式分类，DR系统按曝光方式分为面成像技术和线扫描成像技术，这两种技术的主要差别是在探测器采集方式上的不相同。

       1.面曝光成像方式：面成像技术的主要特点是探测器的设计采用大面积的面阵探测器，也称为平板探测器（flat plane detector，FPD）：面成像技术的另一特点是在X线曝光的瞬间，一次性的同时采集到被检人体区域信息。

       目前，使用面成像方式的探测器包含非晶硅、非晶硒等平板探测器、CCD探测器三种。

       2.线曝光成像方式：线扫描成像技术采用线阵成像的方法。X线曝光时，X线照射野呈扇形方式垂直于人体，并沿人体长轴方向，以匀速扫描方式通过人体检查区域。线阵探测器与X线管同步移动，透过人体的X线按照时间顺序连续不断地被线阵探测器采集，然后经过数字转换和处理，传送到计算机进行数据重建，形成数字化X线图像。

       目前，使用线曝光方式的探测器主要有多丝正比电离室气体探测器、闪烁晶体/光电二极管线阵探测器和固态半导体/CMOS线阵探测器。

       按能量转换方式分类：DR最常用的分类方法按照X线探测器能量转换方式进行分类，主要有直接转换方式和间接转换方式两种。

       (1)直接转换方式：直接数字X线摄影是光导半导体材料采集到X线光子后，直接将X线强度分布转换为可测量的电信号。目前常用的光导半导体材料为非晶硒，碘化铅，碘化汞，碲砷镉，溴化铊，碲化镉和碲锌镉。目前已使用的主要为非晶硒平板探测器和碲化镉/碲锌镉线阵探测器。

       (2)间接转换方式：间接数字X线摄影先由某种闪烁发光晶体物质吸收X线光子能量后以可见荧光的形式将能量释放出来，经空间电路传递，由发光二极管采集，转换后获得可测量的电信号。其发光晶体物质主要有碘化铯和氧化钆。已经用在X线探测器上的主要有非晶硅平板探测器，电荷耦合器件探测器，互补型金属氧化物半导体探测器等。

       (二)DR设备的基本构成

       DR设备是一种高度集成化的成像设备。组件主要包括5个相对独立的单元，即X线发生单元、X线采集单元、摄影架/床单元、信息图像处理单元。

       1.X线发生单元 DR的X线发生单元是传统X线机的延续，由于X线探测器提高了X线利用率，DR所采用的X线发生器的功率可适当降低。

       2.X线采集单元 X线探测器是数字化X线机的核心部件。在目前临床使用的DR设备中，不同类型的X线探测器采用不同的工作原理，负责完成X线信息采集，能量转换、量化，信息传输等成像过程。

       (1)非晶硅平板探测器   非晶硅平板探测器有两种基本类型，一种是以碘化铯晶体材料作为X线转换介质，另一种是以硫氧化钆作为X线能量转换介质。

       探测器由X线接收器、命令处理器和外接电源组成。

       探测器的结构从上到下有6层：

       ①保护层：以铝板或碳板为上层面板，起到固定和保护的作用。

       ②反射层：反射层是一层白色的反光膜，作用是保证可见光在晶体内形成全反射，以减少光能损失，提高X线利用率。

       ③闪烁晶体层：CsI闪烁体层的厚度为400～500μm，其输出开口界面紧密地覆盖在微电极板表面。CsI闪烁体层的作用是吸收X线并将X线能量转换为荧光。

       ④探测元阵列层：根据使用需要，制作成不同面积的非晶硅光电二极管像素矩阵，矩阵上的每个光电二极管与TFT原件作为一个像素单元。探测器阵列的作用是捕获可见荧光并转换为电信号。

       ⑤信号处理电路层：采集信号读出电路由放大器、多路A/D转换器和相应控制电路等组成。信号处理电路读出每个像素产生的电信号，并量化为数字信号，传送到计算机进行处理。

       ⑥支撑层：玻璃板基板为支撑层，起支撑和保护作用。

       (2)非晶硒平板探测器 非晶硒平板探测器与非晶硅平板探测器一样也为多层结构，所不同的是非晶硒平板探测器没有荧光转换层。它的X线交互层是由光导半导体（photo-conductor）材料构成，目前常用的材料有非晶硒（a-Se）、碲砷镉（CeZnTe）、碘化铅（PbI）和碘化汞（HgI），已经商品化的探测器都是采用非晶硒。利用光导半导体材料俘获入射的X线光子，直接将接收到的X线转换成电信号，再由二维排列的薄膜晶体管TFT阵列将产生的电信号读出即可获得数字化的X射线影像，这种工作方式最大优点是完全克服了在非直接转换DR探测器中存在有增感屏或闪烁体中的光线散射造成的图像模糊效应，有非常高的空间分辨率。

       (3)CCD型X线探测器：电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）是一种模拟信号累积型图像传感器，其基本结构是MOS光敏元阵列和读出移位寄存器。采用CCD器件作为DR探测器，其组件由大面积CsI晶体平板、反射镜面/透镜、定焦镜头、CCD芯片和相应配套的电子线路等构成。目前，CCD型DR主要有多块CCD和单块CCD两种探测器。

       3.摄影架/床单元 摄影架依其机械结构类型有岛屿式，天吊（悬吊）式，U 形臂式，C形臂式等，每一种类型都赋予了特定的空间运动自由度。

       根据临床使用特点和用途，DR摄影架常有多种组合模式：立柱式X线管组件支架+立柱式;悬吊式X线管组件支架+立柱式是;悬吊式X线管组件支架+可升降浮动平床+立柱式;组合可旋转U形臂，单悬吊式X线管组件支架+可移动支撑立柱+专用可升降浮动平床;双悬吊支架+专用可升降的浮动平床等。

       探测器与摄影架存在两种组合模式，可为固定式，也可为移动式（有线方式和无线方式）。

       4.信息/图像处理单元 是一个数字处理终端，具有获取病人信息、显示图像、处理图像、发送图像、存储图像、胶片打印、质量控制等功能。 

      (三)DR优势和特点

       1.工作流程快

       X线曝光后几秒即可显示出数字化 X线图像，整个摄影流程在15～20秒内完成，且探测器工作性能稳定，适合大流通量检查。

       2.信号损伤少

       X线直接转变为电信号，减少了中间环节。且X线曝光时间一般仅为数毫秒，与普通屏/片摄影系统相比，其伪影几乎可以忽略不计。

       3.图像失真小 平板探测器覆盖野大（43cm×35cm或43cm×43cm），照射野与信息采集野比为1：1，影像区域没有光学缩微造成的几何失真，影像的空间位置真实。

       4.辐射剂量低 平板探测器具有高量子探测效率，需要的摄影条件低，对病人是一种保护。

       5.图像动态范围宽 图像具有12bit以上灰阶深度，宽动态范围为各种图像后处理技术奠定了基础，特别是对低剂量的X线的探测能力，对病变的早期诊断有重要的临床意义。

       6.可动态观察

       高帧速，快速的图像刷新能力使平板探测器可以达到5f/s以上的采集速率，为图像的动态采集（如平板DSA）提供了保证。

       主要不足：

       1.对环境条件（温度，湿度）要求较高，容易造成不可逆的损坏，且损坏探测器不容易维修，维护成本高。

       2.信号有丢失，探测器填充系数不高，资料显示有10%～40%的原始信息丢失。有的为拼板（不完整的Csl层）板拼接处有信号丢失。

       3.高频信号采集能力较差。

       4.探测器暴露在X线下，抗射线损坏的能力较差。

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