基于平板探测器DR升级方案中量子探测效率检测的应用*

赵庆军

基于平板探测器DR升级方案中量子探测效率检测的应用*

赵庆军①

目的：探讨在基于平板探测器DR升级方案中量子探测效率(DQE)检测方法及其应用价值。方法：检测量子探测效率时，将入射X射线剂量与平板探测器产生的图像联系起来，根据国际电工委员会(IEC)制定的IEC 62220-1标准方法对刃钨模体图像进行分析，并结合平板探测器入射X射线空气比释动能的线性关系，利用DQEPro设备及软件计算得出3种不同类型平板探测器升级方案的DQE测试数据。结果：实验证明，通过DQE检测可明确了解DR升级方案中平板探测器的基本性能，DQE检测能反映不同类型的平板探测器的成像性能的优劣。结论：基于平板探测器的DR系统的升级方案中DQE检测，更好地为数字化X射线摄影系统计量性能检定提供技术依据，确保DR升级后在诊断中的成像质量。

DR系统；平板探测器；升级；量子探测效率

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.08.006

[First-author’s address] The Institute for Drug and Instrument Control, Health Department GLD of PLA, Beijing 100071, China.

目前，直接数字摄影(digital radiography，DR)在成像性能、市场成熟程度及应用技术研究等方面均取得了较大的进展。其中平板探测器作为核心部件，随着其使用年限的增加使得原有DR系统的成像性能下降，可能会造成影像诊断的误诊及漏诊。在数字化X射线摄影系统的性能检测过程中，需要将管球产生的X射线与平板探测器中产生的图像联系起来考虑，方能解决基于平板探测器的DR升级检测过程中存在的问题。在国际上，通常使用量子探测效率(detective quantum efficiency，DQE)作为评价X射线转换成有效图像信息能力的客观物理量。为此，本研究探讨基于平板探测器DR升级方案中DQE检测的方法及其应用价值，充分利用已有的设备资源实现资产的重复利用率，提高影像质量和工作效率，尤其是能够降低材料损耗和购置机器成本，避免造成重复投资和资源浪费，以满足临床应用的要求[1-2]。

1 基于平板探测器的DR升级方案

1.1 DR升级系统配置

MECALL PLURIAMTD X射线摄影系统，其中高频发生器为加拿大CPI公司Indico100 RAD，最大功率80 kW，最大管电流630 mA。X射线管Varian A-192，大、小焦点分别为0.6 mm和1.2 mm。

1.2 平板探测器的转换材料

目前，平板探测器采用3种不同材料。广泛使用的平板探测器主要采用非晶硒(amorphous Selenium，a-Se)、碘化铯(Cesium Iodide，CsI)和硫氧化钆(Gd2O2S，GOS)作为转换材料。将闪烁体(GOS或CsI)与非晶硅光电二极管以及TFT耦合起来构成非直接转换平板探测器，将a-Se直接与TFT耦合起来构成直接转换平板探测器。

闪烁体涂层的材料和工艺会影响X射线的转换性能。GOS通过掺杂不同的稀土离子(如Tb3+)，在X射线的激发下能够发出540～560 nm的绿光[3]。传统胶片所用的高速增感屏是利用GOS特性制作而成。使用GOS做涂层的探测器成本和转换效率较低，CsI技术则采用大面积针状晶体结构能提高转换性能。

采用a-Se转换技术的平板探测器在X射线的作用下使硒层产生电子空穴对，外加电场迅速将其分开并分别带到像素电极和上电极两个相反的表面。在传输速度上未给电荷的横向扩散提供时间，故空间分辨率极高。

2 DQE测试方法

2.1 DQE测试公式

用DQE来描述DR系统对入射X射线光子数探测的效率，是成像系统从输入到输出的转换效率的表达方式，反映了DR系统对其所产生的X射线穿过人体被探测器转换成有用图像信息的能力[4]。其数学式可表示为公式1：

式中μ，ν分别代表平板探测器输出图像在X、Y方向的空间分辨率；SNRin为输入信号的信噪比；SNRout为输出信号的信噪比。

测试中通常采用IEC 62220-1标准[5]规定的序号为RQ5辐射质的SNR2值，见表1。

表1 IEC 62220-1标准规定的序号为RQ5辐射质的参数表

2.2 测试装置结构

实验测试装置结构如图1所示[5]。

图1 测试装置结构示图

图1显示，在B1限束器下的插槽内放置21 mm铝板作为附加过滤。在测量平板探测器的调制传递函数(modulation transfer function，MTF)(μ，ν)时要将刃钨模板置于平板探测器表面。B2、B3限束器其作用为消除散射对测量结果的影响。

3 DQE测试结果

平板探测器在入射X射线能量谱固定的情况下，要求图像像素值与入射X射线在平板探测器表面产生的光子数呈线性。平板探测器的这种特性决定了在临床运用中，可以通过适当增加曝光剂量来观测对比度较低的细节信息，当平板探测器的线性特性遭到破坏时，图像像素值的大小随着曝光剂量的增加而增加很少，在观测对比度较低的细节信息时则需要增加患者的受照剂量。本研究对3种不同的DR升级方案做了平板探测器的DQE结果测量，使用的设备为加拿大DQE Instruments公司研制的DQEPro设备[6]，测试结果如图2所示。

图2 DQE测量结果曲线图

根据图中的DQE测试结果，对应3种不同材料探测器的DQE指标有差异，表明在不同DR升级方案中有多种选择，如何得到临床上满意的图像结果，在DR升级中需要对客观指标进行评价。由于DQE反映了入射X射线光子转换为有用图像信息的效率，因此具有较高的DQE的成像系统能够以更低的剂量获得更优秀的图像质量，减少病灶识别假阳性与假阴性，使图像的信息利用率得到提高。

4 结论

目前，实行成像性能检测一方面由于受到测试模体的限制，只能反映出最基本的成像性能，而不能反映出数字化X射线摄影系统的真实成像性能；另一方面由于采取的是主观指标，受到测试者主观影响较大。这种成像性能检测只能定性判断而不能定量测试，因此无法保障DR升级后为医生诊断提供可靠依据以及减少假阳性与假阴性的概率。

DQE指标具备评价X射线传换成图像信息的能力，利用该指标可以综合评价基于平板探测器DR升级方案的质量[7-9]。国际电工委员会(IEC)制定了一个标准来统一量子转换效率的测量过程，即IEC 62220-1标准，其对应国内医药标准为YY/T 0590.1-2005。DQE反映了一定剂量的X射线所产生的光子数经过数字化X射线摄影系统所成的图像有用信息与入射光子数的比例关系[10-11]。具有较高DQE的成像系统能够以更低的剂量获得更优秀的图像质量。DQE和高空间效率的高MTF一样，会因系统噪声而看不到小目标。系统若能加强信号并降低噪声则可增加小组织的可见度。DQE值越高，X射线的转化效率越高，图像的信息利用率相应越高[12-13]。较高的DQE表现了DR系统在低入射剂量条件下获得高质量影像的能力，其涉及到DR探测器的灵敏度、线性、噪声剂量及MTF等多项参数，使用DQE作为DR升级以及数字化X射线摄影系统检测方法，可将数字化X射线摄影系统的整个过程考虑成一个有机的整体，综合评估数字化X射线摄影系统，并能够真实客观地反映数字化X射线摄影系统，解决现行检定过程中所遇到的问题[14-15]。

目前，对于DR升级方案中针对不同平板探测器的性能检测，尚缺乏统一的客观评价指标。DQE检测结果可作为国内关于数字化X射线摄影系统计量检测中的客观性指标。利用DQE检测的数据可为各大医院DR升级后的质量控制提供同种产品不同时间周期以及不同产品同一时间周期的数据比较。这些比较数据不仅可为各大医院现存的DR升级以及以后购置数字化X射线摄影系统提供参考，还可为医院数字化X射线摄影的质量控制提供技术依据。

国内医用普通摄影数字化X射线影像探测器的医药标准YY/T 0933-2014已制定，同时可作为国内外DR生产厂商准入市场的检测标准，指导医疗器械质量控制体系对医院DR设备的日常维护检测。DQE检测不仅能够监测在用数字化X射线摄影系统工作状况，为医院质量控制提供数据支持，而且有助于发现国产数字化X射线摄影系统制造厂商与国外制造商之间的技术差距，为国产数字化X射线摄影系统制造产业的发展提供技术支持。

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The application of testing DQE in upgrading of DR based on flat panel detector

ZHAOQing-jun
China Medical Equipment,2015,12(8)∶17-20.

Objective∶ To discuss the test methods and the application value of detective quantum efficiency (DQE) in upgrading of DR based on flat panel detector(FPD). Methods∶Combining the dose of incident X-rays with the image brought by flat panel detector. According to the international electrotechnical commission IEC 62220-1 standard method, the tungsten imaging,and combined with the relationship between the FPD and incident X-ray air kerma, using DQEPro equipment and software to calculate the result of the three different types of FPD. Results∶ The experiment proves that the basic performance of flat panel detector is known definitely by testing the DQE. DQE can reflect the quality of imaging performance in different types of flat-panel detector. Conclusion∶ The upgrading of DR based on flat panel detector and the DQE testing can be a better technical basis for DR measurement performance, then it can be ensure the quality of DR upgraded in diagnostic imaging.

DR system; Flat panel detector; Upgrade; Detective quantum efficiency

1672-8270(2015)08-0017-04

R197.39

A

赵庆军,男,(1965- ),硕士，高级工程师。总后勤部卫生部药品仪器检验所放射仪器检测室主任、全军大型医疗设备应用质量检测与研究中心主任，从事大型医疗设备质量管理与控制及卫生装备研制工作。

2015-04-09

军事医学计量科研专项(2011-JL3-016)“军队大型医疗设备远程监督管理系统研究”

①总后勤部卫生部药品仪器检验所放射仪器检测室 北京 100071