王闖 齊宏亮 彭曉龍 程希元

1 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 （廣東 廣州 510663）

2 廣州華端科技有限公司 （廣東 廣州 510663）

3 廣州南方醫(yī)大醫(yī)療設(shè)備綜合檢測(cè)有限責(zé)任公司 （廣東 廣州 510515）

乳腺癌已位居女性惡性腫瘤發(fā)病率之首，數(shù)字乳腺體層合成成像診斷設(shè)備可以輔助對(duì)乳腺癌的預(yù)防和篩查[1,2]。自動(dòng)曝光控制（Automatic Exposure Control，AEC）是根據(jù)曝光過(guò)程中曝光狀態(tài)的變化自動(dòng)控制曝光的進(jìn)程。主要利用射線穿過(guò)被照射對(duì)象后到達(dá)膠片或探測(cè)器的射線量來(lái)控制曝光的劑量，當(dāng)?shù)竭_(dá)膠片或探測(cè)器的劑量達(dá)到預(yù)設(shè)閾值后立即關(guān)斷曝光，可以保證對(duì)不同患者以及不同體位進(jìn)行曝光時(shí)所獲得的投影數(shù)據(jù)的灰度值或感光量基本相同，且一定程度地降低了對(duì)患者的輻照劑量和技師設(shè)置曝光參數(shù)的難度[3]。本文在自動(dòng)曝光控制的概念、原理、發(fā)展和意義基礎(chǔ)上，針對(duì)設(shè)計(jì)的自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)分別從硬件、軟件和參數(shù)擬合方面進(jìn)行闡述。

1.自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)的發(fā)展

自動(dòng)曝光控制最初是由膠片和電離室實(shí)現(xiàn)的，X射線穿過(guò)被照射對(duì)象和膠片后到達(dá)電離室，當(dāng)電離室接收到的輻照達(dá)到設(shè)置閾值后關(guān)斷曝光。然而隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化平板探測(cè)器逐漸取代了傳統(tǒng)的膠片攝影，越來(lái)越多的平板探測(cè)器集成了自動(dòng)曝光控制功能，即在正式曝光之前進(jìn)行一次低劑量預(yù)曝光，通過(guò)預(yù)曝光獲取的被照射對(duì)象的圖像初步信息和設(shè)備上其余傳感器的綜合信息進(jìn)行正式曝光所需劑量的計(jì)算，然后按照計(jì)算值將正式曝光所需的劑量設(shè)置給高壓發(fā)生器，最后進(jìn)行正式曝光和圖像采集。平板探測(cè)器和智能高壓發(fā)生器的出現(xiàn)將自動(dòng)曝光控制推上了一個(gè)更高的臺(tái)階，使得曝光過(guò)程更加直觀和易于控制，在正式曝光之前，操作人員就獲知曝光所需的劑量，不同于傳統(tǒng)的電離室控制需加入備用定時(shí)器保證曝光安全。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)主要分為硬件和軟件，硬件為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和信息來(lái)源，軟件建立在硬件的基礎(chǔ)上并對(duì)硬件信息編程處理反作用于硬件。軟件和硬件的有機(jī)結(jié)合形成統(tǒng)一的自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)的硬件主要包含電源模塊，C臂、TOMO臂、整機(jī)立柱、電機(jī)、電機(jī)控制板等運(yùn)動(dòng)模塊，高壓發(fā)生器、X射線管組件、束光器、濾線柵、平板探測(cè)器等影像鏈部件，壓迫板、液晶顯示器和PC等輔助設(shè)備。

其中隔離變壓器、熔斷器、交流接觸器、電源控制板及其按鍵等構(gòu)成了系統(tǒng)的電源模塊，為整個(gè)自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)提供能量供應(yīng)和短路、過(guò)熱等安全保護(hù)功能。C臂、TOMO臂、整機(jī)立柱、伺服電機(jī)、減速機(jī)、電機(jī)控制板及其按鍵、行程開(kāi)關(guān)等構(gòu)成了系統(tǒng)的機(jī)械部分，為整個(gè)系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)支持，以便于設(shè)備能適應(yīng)各種高度的患者以及不同體位拍攝的需求。手閘、腳閘、濾線柵、束光器、平板探測(cè)器、高壓發(fā)生器、X射線管組件、影像鏈控制板以及控制盒等構(gòu)成了系統(tǒng)的影像鏈部分，此部分是曝光控制的核心部分，起到控制曝光、投影采集以及濾線柵運(yùn)動(dòng)等關(guān)鍵作用。液晶顯示器、壓迫板、主控制板、PC以及壓力傳感器、位移傳感器等構(gòu)成了系統(tǒng)的核心控制和狀態(tài)顯示部分。主控板及其外圍設(shè)備是PC和底層其他部分通信的橋梁，將下位機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)和狀態(tài)上傳到PC和顯示到液晶上，也將PC的設(shè)置參數(shù)下發(fā)到下位機(jī)的不同部分。PC端從宏觀上對(duì)整臺(tái)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)預(yù)曝光投影結(jié)合壓迫厚度、壓迫力度進(jìn)行運(yùn)算，得出正式曝光所需劑量。最后還要對(duì)采集到的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、重建、優(yōu)化、顯示等操作。以上各個(gè)硬件部分的有機(jī)配合構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

圖1. 自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2. 自動(dòng)曝光控制流程圖

數(shù)字乳腺體層合成成像的自動(dòng)曝光控制主要分為兩種模式，分別為二維圖像的自動(dòng)曝光控制（DM AEC）和三維體層圖像的自動(dòng)曝光控制（TOMO AEC）。它們的控制流程如圖2所示。

如圖2所示，DM AEC和TOMO AEC兩種采集模式與普通的DM和TOMO采集相比，主要是在正式曝光之前加入了一個(gè)低劑量的AEC預(yù)曝光[4,5]。預(yù)曝光的劑量可以根據(jù)圖像的維度以及是否加入濾線柵，并結(jié)合高壓發(fā)生器及其X射線管組件的類(lèi)型通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定標(biāo)。一般預(yù)曝光的劑量為數(shù)個(gè)mAs。

2.3 參數(shù)擬合

由于AEC的曝光控制軟件流程同普通DM和TOMO無(wú)太大差別，本文不再贅述，主要針對(duì)其不同之處進(jìn)行論述。DM AEC和TOMO AEC自動(dòng)曝光控制的關(guān)鍵都在于正式曝光劑量的計(jì)算，即尋求自變量預(yù)曝光投影、壓迫力度、壓迫厚度等同因變量曝光管電壓、管電流、曝光時(shí)間的映射關(guān)系。

這一映射關(guān)系的尋求，首先需要分別獲得DM和TOMO投影數(shù)據(jù)的臨床金標(biāo)準(zhǔn)。其次，通過(guò)金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大量的曝光試驗(yàn)，即對(duì)不同的照射對(duì)象（壓迫厚度、致密程度、壓迫力度、覆蓋面積等一項(xiàng)或多項(xiàng)有差異的乳腺或模體）進(jìn)行AEC預(yù)曝光和常規(guī)曝光，以獲得大量的樣本數(shù)據(jù)。最后，對(duì)上述樣本進(jìn)行一維或多維擬合，得到最終的映射關(guān)系。

曝光實(shí)驗(yàn)中預(yù)曝光的劑量主要是在保證對(duì)于壓迫厚度極小且致密程度低和壓迫厚度大且致密的乳腺均能呈現(xiàn)出較好的預(yù)曝光投影的前提下盡可能的低，這樣既能很好地對(duì)預(yù)曝光投影數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，又能有效地降低輻照劑量。常規(guī)曝光所需的劑量需要運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)所得投影和臨床金標(biāo)準(zhǔn)投影進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)兩者相似度極高時(shí)即為最終測(cè)定劑量。

一維和多維擬合可以運(yùn)用數(shù)學(xué)運(yùn)算工具如Excel、Matlab等進(jìn)行，然而擬合的關(guān)鍵還在于擬合維數(shù)，自變量和因變量對(duì)應(yīng)關(guān)系的選擇。映射關(guān)系選取一維擬合還是多維擬合需要根據(jù)穩(wěn)定性等因素進(jìn)行選擇，由于多維擬合所得的映射關(guān)系波動(dòng)較大，所以采用這一擬合方式時(shí)還要特別注意曝光上下限的條件，即在設(shè)置高壓發(fā)生器之前要對(duì)正式曝光劑量進(jìn)行帶通性判斷，過(guò)低或過(guò)高的劑量都不利于患者和成像。而對(duì)應(yīng)關(guān)系的確定則需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和驗(yàn)證的多次迭代進(jìn)行最終確定。

3.小結(jié)

本文主要從硬件、軟件和參數(shù)擬合三個(gè)方面對(duì)數(shù)字乳腺體層攝影的自動(dòng)曝光控制進(jìn)行了論述，提供了自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的硬件條件和軟件設(shè)計(jì)中不同于普通DM和TOMO采集的設(shè)計(jì)思路。數(shù)字化自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)使得乳腺體層攝影更加簡(jiǎn)便、直觀和易于操作，在提高圖像質(zhì)量的同時(shí)也降低了患者的受輻照劑量。

[1] 劉蕾,李席如.乳腺癌保乳手術(shù)術(shù)中放療研究進(jìn)展[J].中華內(nèi)分泌外科雜志,2017,13(2):166-169.

[2] 孫黎,Legood Rosa,楊莉.乳腺超聲和鉬靶X線對(duì)中國(guó)女性乳腺癌篩查的衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)學(xué)評(píng)價(jià)[J].中國(guó)衛(wèi)生政策研究,2017,10(4):42-50.

[3] 王鵬程,劉世民,王洪,等.X線機(jī)自動(dòng)曝光控制電離室的研制及其特性研究[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,1999,23(1):30-33.

[4] 王浩文.數(shù)字乳腺體層成像控制系統(tǒng)的研發(fā)[D].南方醫(yī)科大學(xué),2016.

[5] 吳書(shū)裕.數(shù)字乳腺體層合成成像關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南方醫(yī)科大學(xué),2017.