螺旋斷層放療設備中千伏級X 射線信號自動檢測方法的探究

張宏業

（中核安科銳（天津）醫療科技有限責任公司，天津 300300）

20 年來，螺旋斷層放療系統的圖像引導放射治療功能工作流程一直在兆伏級CT 氣體探測器的成像引導下運行。該系統外形和結構就是一臺兆伏級的螺旋CT 機，但是，在傳統CT 機球管的位置上換成了一個6MV 的小型加速器。該加速器可產生兆伏級射線，既可以像傳統螺旋CT 一樣掃描病人，在治療前產生傳統的CT 影像用于患者的擺位，也可以用調強后的射線來治療癌癥患者。治療過程相當于逆向CT 重建，可以產生非常精確的按照腫瘤形狀分布的理想劑量分布，根據該CT 影像快速計算當天患者所受劑量，依據腫瘤和解剖的變化重新優化治療計劃，產生自適應后新的治療計劃來完成剩余的分次照射，從而保證原始處方、計劃和目標能夠在整個治療過程準確無誤地得以實施。新一代螺旋斷層放療系統在原有系統的基礎上增加了千伏級影像系統，進一步顯著改進了成像平臺的圖像質量、工作流程效率以及針對患者和基于任務的成像靈活性等性能。

千伏級影像系統結構組成包括高壓發生器、球管、準直器、過濾器、非晶硅X 射線平板探測器和圖像處理系統。除了圖像處理系統，其他部件均固定在機架上。由于千伏級影像系統是在不改變原有系統機架結構尺寸的基礎上增加的新結構，成像系統在有限空間的機架中通過電纜線及信號線鏈接并傳輸控制信號，觸發球管產生射線并由平板探測器接收。在系統中增加了大量的線纜連接，增加了系統物理連接的復雜性，加大了系統在生產與使用中的失效機會。本文中，為了簡化平板探測器與球管的物理連接，提出了通過平板探測器內置的傳感器自動檢測X 射線信號的方法及工作流程做了初步探討。

1 平板探測器自動檢測的功能描述

具有大面積光電陣列的平板探測器可以與X 射線能量轉換層和基于薄膜晶體管（TFT）陣列的電子讀出層集成在一起的X 射線裝置。薄膜晶體管的工作原理基于場效應晶體管（FET）的原理。當在柵極上施加正電壓時，形成一個電場，在半導體層中形成導電通道。這使得源和漏極之間的電流可以流動，從而實現了開關的閉合狀態。X 射線信號的自動檢測是為平板探測器設計的一種內置X 射線檢測功能，具有自動感測功能的平板探測器將主動、準確地自動檢測X 射線信號，并在不與系統發生任何定時同步的情況下獲取圖像。這意味著X 射線生成系統（包括射線管、發生器）可以與X 射線采集系統（包括平板探測器和系統工作站）完全獨立，無須任何硬件連接。

2 千伏級影像系統級工作流

常規條件下，在平板探測器與高壓發生器和球管具備同步連接功能時，平板探測器在未接受到準備曝光指令時探測器面板始終處于自動掃描刷新狀態。一旦平板探測器接收到同步曝光信號后，平板探測器將停止自動刷新狀態并關斷場效應晶體管（FET）等待X 光信號。曝光完成后FET 打開并逐行讀出X 射線圖像，然后執行常規偏移圖像讀出并將每幀圖像存儲在內存中。當逐行獲取偏移圖像時，將同時進行偏移校正。偏移圖像采集完成后，平板探測器將向主機發送一張偏移校正后的圖像，之后平板探測器將再次進入自動刷新狀態等待下一次曝光指令。

然而，如果平板探測器與高壓發生器和球管在無任何硬件連接的情況下該如何讓平板探測器具備自動檢測X 射線功能，在此初步提出了一套全新的影像系統工作流將按照以下流程開始檢查并獲取圖像，如圖1所示。

圖1 X 射線自動檢測影像系統工作流

步驟0：首先啟動平板探測器；確保探測器與放療系統中的通信準備就緒；探測器內置的自動X 射線檢測器應在空閑模式下工作，并準備開始檢查X 射線信號。

步驟1：患者擺位，記錄患者信息。

步驟2：系統工作站屏幕上應顯示“X 射線自動檢測”按鈕。點擊該按鈕，啟動X 射線自動檢測的命令將從系統工作站通過有線或者無線方式發送到平板探測器。

步驟3：等待“X 射線自動檢測”按鈕變綠，并進入X 射線自動檢測模式。每個X 射線自動檢測的請求都是有時間限制的，并且可以由客戶在實用程序屏幕中設置。默認的自動檢測時間限制為10 秒。當允許的自動檢測時間用完時，“X 射線自動檢測”按鈕將變為紅色，平板探測器將退出自動檢測模式至空閑模式，系統工作站屏幕應彈出X 射線曝光禁止，以防止客戶進行X 射線曝光。

步驟4：在X 射線自動檢測超時發生前，可以初始化X 射線曝光。

步驟5：X 射線曝光停止后，平板探測器將獲取圖像，進行偏移校正，然后發送到系統進行進一步處理和顯示。

步驟6 ～8：客戶將查看顯示的預覽圖像，可能在重新定位患者并調整曝光參數后進行另一次曝光。如果圖像可以被接受，一個曝光周期完成。

第9 步：平板探測器將為下一次自動檢測做好準備，或者平板探測器進入休眠狀態。

3 X 射線平板探測器自動檢測設計說明

3.1 平板探測器的操作模式

斷電：探測器完全斷電。

空閑：探測器處于空閑狀態，正在等待檢測命令。

睡眠：探測器處于省電模式，但可檢測喚醒信號。

自動檢測：探測器自動檢測X 射線曝光，獲取圖像并保存。

3.2 探測器圖像采集模式

狀態0-刷新：平板探測器處于單行掃描模式獲取圖像并丟棄數據。

狀態1-使用單行掃描讀出成像：平板探測器內置檢測器使用單行掃描模式獲取圖像并存儲，以跳躍式掃描讀出模式讀取圖像。

狀態2-使用雙行掃描模式獲取圖像（FET 打開與FET 關閉）：平板探測器內置檢測器以雙行掃描模式獲取圖像并存儲數據，以跳躍式掃描讀出模式讀取圖像。

狀態3-FET 關閉并成像：平板探測器內置檢測器在FET 關閉模式下采集圖像并存儲行數據，以跳躍式掃描讀出模式下讀取圖像。

跳躍式掃描讀出模式是平板探測器內置檢測器通過單行掃描模式下在掃描模塊之間跳躍來連續掃描讀出圖像，如圖2 所示。S1 至S8 表示平板探測器中的數據模塊，每一個數據模塊有256 行數據信息。一個平板探測器共有8 個數據模塊，共2048 行數據信息。跳躍式掃描讀出首先讀取第1 模塊（S1）到第8 模塊（S8）的第1 行（S1-1,S2-1……S7-1,S8-1）。然后讀取從第1 模塊到第8 模塊的第2 行(S1-2, S2-2,……S7-2,S8-2)，持續讀取直到讀完從第1 個模塊到第八個模塊的第256 行。跳躍式掃描讀出模式的好處是將具有空間相鄰性的條形偽影分離為單行壞線。可以通過壞線校正方法去除單行壞線、條狀偽影）是在曝光時在單行連續讀出的過程中引入的。

圖2 跳躍式掃描讀出模式

3.3 X 射線自動檢測邏輯

X 射線檢測邏輯。

X 射線自動檢測的目的是根據圖像信息檢測X 射線信號。評估X 射線檢測機制的是探測器內置檢測器如何有效、及時地檢測到X 射線信號的上升沿和下降沿。為了防止在X 射線自動檢測過程中丟失X 射線信號產生條狀偽影，在本文中提出了平板探測器內置檢測器采用的一種解決方案來檢測X 射線信號上升沿與下降沿邊緣-FET 關斷模式結合跳躍式掃描讀出模式的方法。由于在X 射線曝光時電荷耦合發生在探測器面板中，因此，在FET 關斷模式采集期間X 射線曝光增加了信號電平。平板探測器內置檢測器將在這種情況下連續掃描數據模塊，以監測信號電平的變化。一旦平板探測器面板中的信號增加并大于基底噪聲，則可以判斷X 射線信號的存在。圖3 顯示了平板探測器在FET 關斷時如何完成X 射線的探測的工作分析。圖3（a）是平板探測器在FET 關斷的情況下連續掃描數據模塊，在圖像讀出時發生了一次5ms 的曝光，我們可以清楚地注意到一條帶狀條紋與5ms 的曝光時間相匹配。當對平板探測器面板每行進行數值做平均并獲得圖3（b）中的直方圖時，可以清晰地看到X 射線的上升沿和下降沿。因此，利用X 射線信號的上升沿和下降沿可以判斷X 射線的發生以及曝光的時長，同時也說明了利用平板探測器面板FET 關斷模式與跳躍式掃描讀出模式探測X 射線發生的可實現性。

圖3 探測器FET 關斷模式下的X 射線自動檢測

3.4 X 射線自動檢測下的圖像采集狀態轉換與圖像采集時序

當X 射線自動檢測功能被激活時，平板探測器內置檢測器將把工作模式從空閑模式切換到自動檢測模式。在自動檢測模式下，將會有兩個圖像采集循環，首先，采集X 射線圖像，然后采集偏移圖像。4 種模式狀態在X 射線圖像采集和偏移圖像采集之間往復變化。具有自動X 射線檢測功能的平板探測器的圖像采集時序如圖4所示。一旦X 射線平板探測器接收到用于自動檢測請求的主機命令，平板探測器將完成其當前的自動刷新，然后回復上位機告知平板探測器準備就緒。準備就緒的確認信息將使平板探測器從空閑模式切換到自動檢測模式。然后平板探測器將保持在雙掃描線模式（狀態2）下獲取探測器面板上的信息。

圖4 具有自動X 射線檢測功能的平板探測器的圖像采集時序

當X 射線在探測器上曝光時，探測器將盡快檢測到X 射線的上升沿并立即停止讀出模式，迅速切換到FET關斷模式（狀態3）。平板探測器將保持FET 關閉模式（狀態3），直到檢測到X射線下降沿的通知。當X射線停止時，探測器將執行常規圖像讀取并將X 射線圖像存儲在探測器內存中。

當X 射線圖像正常讀出后，平板探測器將回復至正常的掃描狀態，然后執行常規偏移圖像讀出并將圖像存儲在探測器緩存中。當逐行獲取偏移圖像時，將同時進行偏移校正。偏移圖像采集完成后，探測器將向主機發送一張偏移校正后的圖像，至此完成了一個完整的從激活X 射線自動檢測到發送校正后的圖像的過程。

4 結語

本文主要探討了在螺旋管斷層放療設備中使用非物理連接方式同步平板探測器、球管和高壓發生器的可能性，提出了利用平板探測器內置檢測器自動檢測X射線信號的方法。通過簡單的測試驗證了探測器面板FET 關斷模式與跳躍式掃描讀出模式相結合下X 射線自動檢測的可實現性。可以利用X 射線信號的上升沿和下降沿判斷X 射線的發生以及計算曝光的時長。根據以上的探討并基于常規X 射線曝光過程形成了初步的新的平板探測器的圖像采集模式與圖像采集時序。后續將針對此方法的穩定性，檢測準確率以及圖像矯正做進一步的分析研究。