影响平板探测器图像质量的因素及解决方案

邹念强 唐韶华

影响平板探测器图像质量的因素及解决方案

邹念强①唐韶华②

目的：探讨改造后的数字X射线摄影(DR)影响平板探测器图像质量的因素及解决法案。方法：观察DR在一定曝光条件下显示器上图像受干扰的情况，通过改变平板探测器、滤线栅和显示器分辨3个主要成像环节的空间分辨率以及改变曝光条件，获得改善图像质量的效果。结果：改造后的DR，其平板探测器、滤线栅或显示器的空间分辨率的改变会直接影响图像质量；在一定范围内，改变曝光剂量后同样会影响图像的分辨率和对比度。结论：利用平板探测器技术摄影时，如果成像环节的空间分辨率相近，所获得的图像上则会形成规律性强、肉眼极易分辨的波样条纹状干扰；如果空间频率偏差较大或成整倍数关系，图像上则不会产生波样条纹状干扰或干扰不明显。选择适当的摄影条件可起到改善图像质量的作用。

平板探测器；滤线栅；伪影；图像质量

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

随着数字技术的发展和工艺成本的降低，利用平板探测器对普通X射线机进行数字X射线摄影(digit radiography，DR)升级改造，已经得到了广泛的应用。通常在进行升级之前均需对原有设备的基础状况，包括使用年限、球管性能、高压发生器功率及逆变频率等进行可行性分析，旨在排除性能不良等原因造成的影响[1-2]。然而，在升级过程中常遇到图像中出现波纹干扰、图像分辨率以及对比度降低等情况[3]。为此，本研究对DR成像原理进行分析，从而找出产生波纹干扰的原因，并提出消除干扰、提高图像质量的具体方案[3-4]。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

采用日本岛津FLEXIVISION模拟高频X射线机，50 kW；固定滤线栅(美国GE)，栅密度70线/cm；平板探测器(美国GE)，分辨率200 μm；G32SP图像显示器(深圳巨烽)，分辨率设为2048×2048。此外，采用栅密度为30线/cm、40线/cm、50线/cm以及60线/ cm的固定滤线栅各1块作为试验备件。

1.2 试验方法

(1)采用基本配置进行摄影。曝光条件：管电压为90 kV，管电流为320 mA，曝光时间为63 ms，摄影对象采用标准水模＋测试卡，得到数字影像，观察显示器图像。

(2)显示器分辨率设置为1024×1024，其他条件不变，得到数字影像，观察显示器图像。

(3)显示器分辨率重新设置为2048×2048，更换不同栅密度的固定滤线栅(30线/cm、40线/cm、50线/ cm以及60线/cm)，其他条件不变，得到数字影像，观察显示器图像。

(4)重复试验上述3种方法5次，将所得图像分为有干扰图像组和无干扰图像组。

(5)按2 kV的阶梯调高曝光电压至96 kV，按基本配置进行摄影，观察分析所获得的图像质量。

2 试验结果

(1)采用曝光条件：管电压为90 kV，管电流为320 mA，曝光时间为63 ms，摄影对象采用标准水模＋测试卡的方法，得到的数字图像无波纹干扰。

(2)采用分辨率为1024×1024，其他条件不变的方法，得到的数字图像有波纹干扰(如图1所示)。

图1 波纹干扰图像

(3)采用栅密度为40线/cm或50线/cm时，得到的数字图像无干扰，其他栅密度下获得的图像均有不同程度的波纹干扰产生，干扰波纹形状与图1相似。

(4)调节曝光电压后可以改变图像质量，但对波纹干扰无改善作用。

3 讨论

3.1 滤线栅的应用

升级后的DR进行X射线摄影时，波纹干扰主要是在X射线信息传递过程中所形成，成像环节包括平板探测器、固定滤线栅及医学影像显示器等，空间分辨率是产生波纹干扰的直接原因。在X射线摄片中，滤线栅的使用是为了滤除由人体产生的二次射线，按内部结构分会聚栅、平行栅、交叉栅和园弧栅4种，目前最广泛使用的是会聚栅。会聚栅的主要技术参数为焦距、栅比和栅密度。

(1)焦距。会聚线到栅板表面的垂直距离，用f表示。常用焦距为100 cm、110 cm、150 cm和180 cm。只有球管(射线源)在会聚线上，源射线才能顺利通过滤线栅到达探测器，否则一部分源射线就会被滤线栅中的铅条吸收，到达探测器的射线剂量不足，从而引起图像分辨率和对比度下降。

(2)栅比。又称格比，是铅条高度与铅条间隙之比，用R表示。栅比代表滤线栅对散射线吸收的效能，常用的栅比为5∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1、16∶1 和18∶1。栅比越大，对二次射线的滤除效果越好，同时对源射线的吸收增大，因此并不是栅比越大越好。

(3)栅密度。即单位距离内铅条的数量，用N表示。栅密度越大栅比则越大。由于铅条需吸收部分源射线，故并不是栅密度越大越好。固定滤线栅的栅密度要求≥40线/cm，通常进口滤线栅的栅密度为60线/ cm、70线/cm和80线/cm。

DR升级后，为了同平板探测器的分辨率相适应，往往选用栅比或栅密度较大的滤线栅，铅条在阻挡散射线的同时，也不可避免地阻挡了一部分发射源的射线，在一定程度上降低了探测器的感光程度，造成图像分辨率、清晰度或对比度降低[6]。对此，可通过增加管电压值来增加射线的穿透力，以满足探测器的感光要求，故DR升级后kV值需比升级前高3～5 kV。

3.2 滤线栅伪影的产生

滤线栅是由间隔一定距离的铅条以及铅条中间的填充物组成，铅条会在摄片上留下影像。因此，要求固定滤线栅的栅密度N≥40线/cm，则在监示器上不能观察到明显的铅条投影。为了同探测器相适应，在实际应用中常选用N=70线/cm的高密度滤线栅，铅条的投影则不明显，但显示器上有时会出现纹状伪影，并且这种伪影无法用Wiener滤波器等后处理方法除去[6-7]。这是摩尔纹现象所引起，摩尔纹是差拍原理的一种表现，即2个频率接近的等幅正弦波叠加，合成信号的幅度将按照2个频率之差变化。从整体上就可能形成如图1所示的伪影。

本研究表明，如果空间频率偏差较大则不会形成规律性强、肉眼极易分辨的波样条纹的伪影。目前，在DR升级中使用较多的是GE公司生产的高密度滤线栅，焦距为180 cm，栅比为12∶1，栅密度为70线/cm，即滤线栅空间频率为70线/cm，可视为143 μm大小像素点。若所用GE平板探测器的分辨率为200 μm(2048×2048)，空间频率为50线/cm；此时滤线栅可视为70÷2＝35线/ cm周期变化的物体，50线/cm和35线/cm的频率偏差比较显著，所以形成的伪影不明显。

如果监视器分辨率是1280×1024，显示图像部分基本是1024×1024。拍摄41 cm×41 cm图像时，显示方式是fit to screen，其空间频率可视为25线/cm，或每像素点代表400 μm。如果监视器有显示，此时滤线栅可视为143×3＝429 μm、空间频率为23.5线/ cm周期变化的物体，23.5线/cm和25线/cm的频率接近，于是形成伪影类似于图1所示的摩尔纹。

如设置显示器分辨率为2048×2048，显示方式是1∶1时，其空间频率可视为50线/cm，与上述分析探测器与滤线栅关系的方法一样，得到50线/cm和35线/ cm比较显著的频率偏差，形成的伪影即不明显。

3.3 消除伪影的方法

3.3.1 滤线栅的选取

由于摩尔纹伪影是由空间频率差所引起，可将滤线栅空间频率做成探测器的整数倍。如GE DR，探测器分辨率是200 μm，相当于空间频率为50线/cm，如果滤线栅的空间变化频率是50线/cm，100线/cm，150线/cm……，探测器滤线栅的空间频率始终是50线/cm，其之间无频差，即无法产生摩尔纹。必须注意，这种方法不能消除监视器的分辨率和显示的压缩比的影响[8-9]。

3.3.2 探测器的选取

若拍摄出图像质量很高的优质片，如对分辨率、对比度及均一性要求较高的尘肺片，选取优良的探测器至关重要[10]。通常参考国际电工委员会制定的IEC62220-1标准，采用量子转换效率(detective quantum efficiency，DQE)指标来评价探测器成像质量[11-12]。在滤线器等其他要素不变的情况下，通过选取与滤线器分辨率相近的探测器是有效消除摩尔纹伪影的重要环节。如果滤线栅栅密度是70线/cm，则选探测器分辨率为143 μm，相当于空间频率为70线/cm。

3.3.3 监视器的选取

对于监视器的选定，必须综合考虑滤线栅和探测器两方面的空间分辨率。在其他要素不变的情况下，只有通过改变监视器的分辨率才能有效消除摩尔纹伪影。相对于监视器，滤线栅和探测器均会产生与其相近的空间分布规律，当空间频率接近时，会产生摩尔纹干扰。因此，选取的监视器与探测器相一致的空间分辨率即可。

3.3.4 压缩比的设定

图像大小的压缩比会影响摩尔纹的产生。如果监视器的图像显示分辨率是1024×1024，在显示2048×2048的图像时，采用fit to screen模式显示，则图像被压缩大小为1024×1024显示，其显示空间分辨率就是1024×1024，显示频率与滤线栅的空间频率接近，因此在显示器上产生摩尔纹的概率较大。如果以1∶1比率显示，相当于屏幕上的一个像素点对应一个探测器的像素点，此时显示的空间分辨率也可以看成2048×2048，但无法在一屏显示，此时摩尔纹则不明显。

3.3.5 人体的影响

根据摩尔纹产生的机制，如果X射线摄影时，人体遮挡在探测器前端而不是均匀的铝膜遮挡在探测器前端，人体将会破坏因为滤线栅产生在空间上周期变化的图形，人体密度的不规则变化将大幅消弱滤线栅引起的摩尔纹。但在拍摄人体组织比较均匀，密度相对滤线栅不大的部位时，摩尔纹依旧无法消除。

3.4 图像质量的影响因素

图像质量的主要影响因素为图像分辨率、清晰度以及对比度，可通过调整曝光剂量进行改善[13]。当DR升级后，由于更换滤线栅，探测器的感光度减少，主要依靠调整球管高压来补偿。通过GE平板探测器分别在华润万东生产的27台X射线机(F-50R高频拍片机17台，HF51-5胃肠机10台)升级使用，总结出一套常用的体位摄影条件，其中曝光电压是中间经验值，根据体态厚度可上下调整2 kV，见表1。

表1 华润万东系列X射线机DR升级后各体位摄影条件

4 结论

利用平板探测器技术在本身性能优良的普通X射光机上进行DR升级时，先确定探测器(预基础校准)的分辨率、再选择滤线栅的栅密度和显示器分辨率即可解决摩尔波纹干扰问题[14]。同时，将摄影条件经验值输入程控X射线机的曝光程序中则可在体位模拟图上直接获取摄影条件，完成曝光过程，得到的图像清晰度高，分辨率好，接近原装DR的摄片效果，且操作简单方便，可极大缩短操作技师的熟练时间。

在中型医院和基层社区卫生服务机构，仍存在大批普通X射线机需要达到数字化医疗的要求[15]。随着数字技术的发展和工艺成本的降低，平板探测器技术从整体DR中脱离出来，与采集控制器及医学影像处理软件结合，形成一套独立的数字化影像系统，可直接将普通X射线机升级为DR，使其免遭淘汰，且方便灵活，价格便宜。充分利用现有的医疗设备资源，将其改造升级为DR，具有广阔的发展前景。

参考文献

[1]马彦.图像质量评价：一种局部二元模式方法[J].计算机应用与软件，2012，29(7)：257-259.

[2]林海涛.探讨影响DR图像质量因素及控制措施[J].中国辐射卫生，2011，20(2)：243-244.

[3]赵明信，夏慧林.DR平板探测器成像质量与探测器校准[J].中国医疗设备，2013，28(8)：66.

[4]韩峰.计算机X射线摄影系统伪影成因分析[J].中国医学装备，2015，12(10)：55-57.

[5]张帆，郦佳燕.医学CR影像中滤线栅伪影的数字化去噪方法探讨[J].电脑开发与应用，2012，25(9)：6-8.

[6]陈学刊.柯达CR的成像原理及伪影故障的分析与排除[J].中国医学装备，2014，11(1)：103-104.

[7]高磊，张剑，王维华.一种基于Wiener滤波的数字X线图像滤波方法研究[J].医疗卫生装备，2010，25(4)：160-161.

[8]李月卿.医学影像成像原理[M].北京：人民卫生出版社，2002.

[9]Fukuhisa K，linuma TA，Matsumoto T，et al. [Effect of digital image processing On radiiongraphic interpretation oF Pneumoooniosis][J]. Nipponlgaku Hoshasen Gakkai Zasshi，1986，46(4)：614-626.

[10]Remy-Jardin M，Remy J，Deffontaines C，et al. [Assessment of diffuse infiltrative lung disease；comparison of conventional CT and highresolution CT][J].Radiology，1991，181(1)：157-162.

[11]Cha BK.Fabrication and comparison Gd202S(Tb) and CsI(TI)films for X-ray imaging detector application[C].IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record，2008：1232.

[12]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[J].中国医学装备，2015，12(8)：17-20.

[13]曹国全，许化致，邰云鹏，等，CR与非晶体硅DR胸部摄影曝光剂量优化的探讨[J].中华放射医学与防护杂志，2010，30(3)：350-353.

[14]刘林栋，蒋红兵.基于平板探测器校准的DR质量控制管理[J].中国医疗设备，2011，26(10)：111-113.

[15]黄聪雯，伍阳，蓝华，等.移动数字化X射线床边摄影技术在临床中的应用价值[J].实用医技杂志，2015(8)：831-832.

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胜利油田疾病控制中心业务管理科 山东 东营 257000

②胜利石油管理局胜北医院设备科 山东 东营 257200

邹念强，男，(1970- )，本科学历，副主任技师。胜利油田疾病控制中心业务管理科，从事医疗器械维修与管理工作。