野戰(zhàn)環(huán)境下醫(yī)用X線圖像數(shù)字化裝備研究現(xiàn)狀與進展

蘭 斌，王陳海，倪 萍，陳自謙

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，武器威力巨大，易導(dǎo)致傷員傷情復(fù)雜，通常經(jīng)過一線救治后，必須進行及時后送。如果傷員與其醫(yī)療信息同時到達，臨時查看傷情與決定醫(yī)療方案，可能錯過救治的最佳時機。若可以將傷員的醫(yī)療信息數(shù)字化，提前將傷情快速傳送給后方醫(yī)院，就可以在傷員到達之前制訂搶救方案，從而提高傷員的存活率。

在各種醫(yī)療信息中，X線圖像由于其所攜帶的豐富的診斷信息，是醫(yī)療信息數(shù)字化工作的重點。目前，野戰(zhàn)環(huán)境下的X線圖像的獲得主要通過配備的野戰(zhàn)X線車來實現(xiàn)[1]，內(nèi)有野戰(zhàn)車載X線影像處理系統(tǒng)和野戰(zhàn)洗片機。盡管該車具有機動性強、操作靈活、影像清晰、射線防護強、適合野外傷病員進行X線檢查的特點，但所拍攝的X線膠片只能依靠人工后送，無法與后方醫(yī)院實現(xiàn)病情資料傳輸，限制了衛(wèi)勤能力的提高[2]。而現(xiàn)有的野戰(zhàn)醫(yī)療信息裝備（如電子傷票），還無法完成醫(yī)用X線圖像信息的傳送[3]。

因此，為提高衛(wèi)勤能力，迫切需要研究適用于野戰(zhàn)環(huán)境下的醫(yī)用X線圖像數(shù)字化裝備，研究方向主要包括前數(shù)字化方式與后數(shù)字化方式。

1 醫(yī)用X線圖像前數(shù)字化研究

前數(shù)字化是指設(shè)備無需借助其他方式而能夠直接輸出數(shù)字信息。醫(yī)用X線圖像前數(shù)字化裝備主要是指計算機X線攝影（computed radiography，CR）系統(tǒng)和直接數(shù)字化X線攝影（digital radiography，DR）系統(tǒng)，這2種系統(tǒng)都具有成像速度快、圖像質(zhì)量清晰、便于存儲等優(yōu)勢，可以通過網(wǎng)絡(luò)連接輸出數(shù)字圖像（如圖1所示），實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)會診、放射醫(yī)學無膠片化管理和計算機檢索等功能。

圖1 DR系統(tǒng)或CR系統(tǒng)工作示意圖

CR系統(tǒng)是集激光技術(shù)、電子技術(shù)、精密機械、醫(yī)學影像數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠程診斷為一體的產(chǎn)品[4]。該類系統(tǒng)使用可記錄并由激光讀出X線成像信息的成像板（imaging plate，IP）作為載體，通過X線曝光和信息讀出形成數(shù)字影像。IP板內(nèi)晶體層中的氟溴化鋇結(jié)晶接受X線曝光一次激發(fā)形成潛影，經(jīng)過CR激光閱讀器的激光掃描二次激發(fā)而產(chǎn)生熒光，經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號、模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號的影像[5]。

DR系統(tǒng)的基本組成一般分為X線機、平板探測器、數(shù)據(jù)采集器、圖像處理器、存儲器、圖像顯示器、系統(tǒng)控制器等部分?；驹硎窃谟嬎銠C控制下，由平板探測器采集含有人體信息的X線影像，并由數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，再送往圖像處理平臺重建形成數(shù)字圖像。整個過程沒有光電轉(zhuǎn)換，消除了因光電散射造成的圖像模糊，從而保證圖像的質(zhì)量[6]。

DR技術(shù)和CR技術(shù)應(yīng)用于野戰(zhàn)環(huán)境的方案主要有2種：車載式方案和移動式方案。

車載式方案即在現(xiàn)有的X線車的基礎(chǔ)上，用探測器或IP板取代原有的屏-片攝影系統(tǒng)，優(yōu)點是充分利用X線車原有的設(shè)備與空間，且數(shù)字化升級技術(shù)成熟。例如，解放軍175醫(yī)院基于現(xiàn)有的車載X線方艙內(nèi)500 mA的X線機，利用IP板取代原有的增感屏和感綠膠片，實現(xiàn)傷員X線圖像的數(shù)字化[7]。孟慶良等人開發(fā)的野戰(zhàn)CR系統(tǒng)在現(xiàn)有裝備的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了X線圖像的數(shù)字化[8]。胡海宏等人保留原車載X線機的管球一體化影像增強器，利用數(shù)字X線探測器并配合計算機升級為車載DR[9]。宋斌等人研究利用有線數(shù)字平板探測器將傳統(tǒng)X線車升級為車載DR系統(tǒng)，并結(jié)合對檢查床的改造，配合一定的防護措施，取得了預(yù)期的效果[10]。

移動式方案源自移動X線機的發(fā)展，主要是采用非晶硒平板探測器，整機結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，內(nèi)部集成球管、變壓器、電池以及動力驅(qū)動裝置等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[11]。雖然解放軍255醫(yī)院于2010年在青海玉樹地震衛(wèi)勤任務(wù)中使用了移動DR，證明了其在高強度作業(yè)環(huán)境下的使用效果[12]，但由于運輸和保養(yǎng)困難，目前移動DR主要用于床邊檢查。

然而，CR系統(tǒng)中的IP是圖像轉(zhuǎn)換的唯一媒質(zhì)，分為軟性板和剛性板2種。采用軟性板的機器體積小，速度較快，工作中存在彎曲的狀態(tài)，易折損；使用剛性板會使機器笨重，速度較慢。二者在惡劣的野戰(zhàn)環(huán)境中運行，都難以安全有效地發(fā)揮其作用[13]。而且CR的光接收角度偏小，動態(tài)范圍偏小，導(dǎo)致調(diào)整范圍偏窄，對X線曝光寬容度要求較高。因此，在現(xiàn)有野戰(zhàn)設(shè)備基礎(chǔ)上升級CR系統(tǒng)，還需對車內(nèi)機器的配置、結(jié)構(gòu)、擺放位置、防護等各方面進行調(diào)整。

而對于DR系統(tǒng)，核心部件是平板探測器，其制作工藝復(fù)雜，價格非常昂貴，而且探測器由于工藝限制只能由多塊拼接而成，結(jié)構(gòu)強度不足。一旦其中一塊損壞就必須整塊全部更換，導(dǎo)致DR系統(tǒng)在野戰(zhàn)環(huán)境下使用和維護非常困難[14]。

2 醫(yī)用X線圖像后數(shù)字化研究

后數(shù)字化方式是指立足傳統(tǒng)設(shè)備，將設(shè)備產(chǎn)生的圖文結(jié)果在機外完成數(shù)字化轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字化文件。野戰(zhàn)醫(yī)用X線后數(shù)字化研究主要包括掃描方式和攝影方式。

2.1 掃描方式

通過掃描方式，可以將圖文資料通過數(shù)字化輸入設(shè)備轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的信息。用于掃描工作的圖像傳感器通常有電荷耦合元件（charge coupled device，CCD）、接觸式圖像傳感器（constract image sensor，CIS）和光電倍增管，掃描工作中所采用的結(jié)構(gòu)通常可分為平臺式和滾筒式。

采用CIS的掃描儀必須使待掃描的資料貼近傳感器，無需使用鏡頭和其他光學系統(tǒng)，可以減小體積。但此類傳感器各感光單元之間的干擾大，導(dǎo)致清晰度不足，一般用于分辨率要求不高的便攜式掃描儀，無法用于醫(yī)用膠片的掃描[15]。

用于膠片掃描的平臺式掃描儀中，常采用CCD作為一維圖像傳感器使用。工作時，光源將光線依次掃射到圖文資料上，所產(chǎn)生的反射光或透射光經(jīng)過透鏡組，由CCD進行采集。CCD圖像傳感器根據(jù)所接收的光線強弱轉(zhuǎn)換為不同大小的電信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換形成一行圖像數(shù)據(jù)。在此工作過程中，驅(qū)動系統(tǒng)將光學系統(tǒng)、CCD與待掃描的圖文資料作相對平移，逐行完成圖文資料的數(shù)字化。由于是逐行掃描，其掃描效果較差，分辨率較低。目前，隨著CCD器件的不斷進步和運算水平的不斷提高，可以通過多個CCD采集后進行圖像拼接，實現(xiàn)高分辨率的圖像采集[16]。采用平臺式結(jié)構(gòu)和CCD傳感器進行膠片掃描時，需要在普通反射式平臺掃描結(jié)構(gòu)上增加透射適配器。在這種結(jié)構(gòu)中，為實現(xiàn)分辨率的調(diào)整，必須使用多組透鏡構(gòu)建成像光路，且需要配備輔助的透鏡旋轉(zhuǎn)部件，導(dǎo)致整機不能頻繁移動。又由于膠片與鏡頭的距離太近，掃描尺寸也受限制。因此，無法滿足野戰(zhàn)條件下醫(yī)用膠片的掃描需求。

目前，醫(yī)用膠片掃描儀主要采用滾筒式結(jié)構(gòu)，傳感器采用光電倍增管，其實質(zhì)上是一種電子管，內(nèi)部的金屬氧化物受到光線照射時，可以發(fā)射電子并經(jīng)過電場加速形成電流，即將光子轉(zhuǎn)換為電流輸出，如圖2所示。其輸出信號能在較寬范圍內(nèi)保持高度的線性輸出，可以確保顏色還原度，故多用于滾筒式掃描儀中，實現(xiàn)高靈敏度、低噪聲和寬動態(tài)范圍的圖像采集[17]。

圖2醫(yī)用X線膠片掃描儀

但是，滾筒式膠片掃描儀結(jié)構(gòu)中，借助滾筒機構(gòu)帶動膠片向固定方向移動，通過光電倍增管或CCD傳感器逐點采集圖像信息，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掃描速度慢。其缺點在于：（1）內(nèi)部的光源、透鏡和機械結(jié)構(gòu)對安裝和運行環(huán)境要求高[18]；（2）能掃描的資料種類和面積有限，掃描時間長，因此，也不能滿足野戰(zhàn)臨床影像工作的需要。

2.2 攝影方式

X線圖像后數(shù)字化的另一研究方向是采用攝影方式，就是采用技術(shù)成熟的數(shù)字相機進行圖像采集。該方式已大量運用于圖像采集，在許多領(lǐng)域都成熟應(yīng)用，如生物技術(shù)研究、特征識別等[19]，但用于醫(yī)用X線圖像數(shù)字化的研究則較少報道。有人曾使用照相機、近攝鏡、翻拍架、上光機等制作簡單工具成功對醫(yī)用膠片進行翻拍[20]，證實了采用攝影方式采集的圖像效果，但限于相機的功能，而未實現(xiàn)數(shù)字化。陳自謙等人設(shè)計了“KSD059數(shù)字化系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由圖像采集模塊和圖片管理模塊組成，可實現(xiàn)醫(yī)用X線膠片在內(nèi)的各類靜態(tài)醫(yī)療信息的后數(shù)字化。其中，膠片影像還可轉(zhuǎn)化為DICOM數(shù)字化影像，運行成本低，在基層醫(yī)院中應(yīng)用效果良好[21]。但該系統(tǒng)與膠片掃描儀相比，體積大、質(zhì)量重；而且結(jié)構(gòu)中使用大量玻璃，在野戰(zhàn)道路環(huán)境中易受損；如果光源選擇不當，所采集的圖像會存在顯著的亮斑，嚴重時影響觀片。

可見，現(xiàn)有的掃描方式和攝影方式基于當前成熟的傳感器和相機技術(shù)，可以低成本地實現(xiàn)醫(yī)用X線膠片的后數(shù)字化。但要應(yīng)用于野戰(zhàn)條件下的影像數(shù)字化工作中，2種方式必須在結(jié)構(gòu)上進行改進，要盡可能降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，減少透鏡等易損玻璃制品的使用，采用防震措施，避免在運輸和工作過程受到外部環(huán)境的影響。目前，國內(nèi)關(guān)于醫(yī)用X線圖像后數(shù)字化裝備的研究較少，而且也缺少對后數(shù)字化圖像的質(zhì)量分析和評價。

3 展望

為適應(yīng)野戰(zhàn)環(huán)境的需求，前數(shù)字化方式中的CR、DR系統(tǒng)需要進一步的改進。野戰(zhàn)CR系統(tǒng)應(yīng)進一步提升IP板的技術(shù)指標和射線防護條件，使其擁有較快的掃描速度和足夠的抗震度；對于DR系統(tǒng)，首先應(yīng)當提高平板探測器對野戰(zhàn)環(huán)境的適應(yīng)性，增強對于高低溫、顛簸等野戰(zhàn)環(huán)境的耐受能力，同時降低制造成本[10]。隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，CR、DR等前數(shù)字化設(shè)備終將得到普及，成為野戰(zhàn)衛(wèi)勤任務(wù)中的重要力量。

在前數(shù)字化設(shè)備普及之前，可以通過后數(shù)字化設(shè)備來快速提升衛(wèi)勤能力。對于掃描儀類設(shè)備，由于其機械結(jié)構(gòu)精密，而顛簸和高低溫等環(huán)境對其影響較大，故該類設(shè)備首先應(yīng)加強裝置對環(huán)境的適應(yīng)性，在此基礎(chǔ)上提高機械運動的精度。與掃描方式不同，攝影方式的核心部件——相機中，包含光學系統(tǒng)、成像感應(yīng)系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，成像效率和集成度高，可以作為一個小型獨立子系統(tǒng)，便于保存、安裝和防震。因此，只要有適當?shù)耐獠抗庠春凸ぷ骺臻g，就可以通過攝影來快速實現(xiàn)醫(yī)用X線膠片的數(shù)字化。制作體積小、易生產(chǎn)、機械精度要求低、環(huán)境適應(yīng)性好的圖像采集裝置，再配備實時圖像處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸軟件，就能夠?qū)崿F(xiàn)X線影像的采集、處理、存儲和傳輸。更為重要的是，相機還可以實現(xiàn)其他醫(yī)用圖文資料的數(shù)字化，如心電圖、B超報告單等，并將數(shù)字化處理結(jié)果以標準圖像格式進行保存、使用和傳輸。實際上，在野戰(zhàn)環(huán)境下，很難實現(xiàn)不同格式、不同類型的醫(yī)療信息向后方醫(yī)院信息系統(tǒng)傳輸，而通過攝影方式就可以很容易實現(xiàn)。

目前，攝影方式仍需研究改進的方面在于：（1）改進設(shè)備結(jié)構(gòu)，重點是設(shè)計結(jié)構(gòu)合理的攝影空間，縮小體積；（2）使用新型材料，在保證機械強度的同時減小設(shè)備本身的質(zhì)量；（3）進行抗震、抗鹽霧等環(huán)境適應(yīng)性問題研究；（4）選擇高質(zhì)量光源，避免圖像采集中存在陰影、對比度不均勻等問題。若基于攝影方式的野戰(zhàn)醫(yī)用X線膠片后數(shù)字化系統(tǒng)能夠研制成功并應(yīng)用，不僅可以很好地融入現(xiàn)有的裝備體系，而且還可減少成本的投入，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上填補野戰(zhàn)醫(yī)療信息化領(lǐng)域的空白，短期內(nèi)迅速提高野戰(zhàn)環(huán)境下醫(yī)用X線圖像的信息化水平。

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