螺旋断层放疗设备中千伏级X 射线信号自动检测方法的探究

张宏业

（中核安科锐（天津）医疗科技有限责任公司，天津 300300）

20 年来，螺旋断层放疗系统的图像引导放射治疗功能工作流程一直在兆伏级CT 气体探测器的成像引导下运行。该系统外形和结构就是一台兆伏级的螺旋CT 机，但是，在传统CT 机球管的位置上换成了一个6MV 的小型加速器。该加速器可产生兆伏级射线，既可以像传统螺旋CT 一样扫描病人，在治疗前产生传统的CT 影像用于患者的摆位，也可以用调强后的射线来治疗癌症患者。治疗过程相当于逆向CT 重建，可以产生非常精确的按照肿瘤形状分布的理想剂量分布，根据该CT 影像快速计算当天患者所受剂量，依据肿瘤和解剖的变化重新优化治疗计划，产生自适应后新的治疗计划来完成剩余的分次照射，从而保证原始处方、计划和目标能够在整个治疗过程准确无误地得以实施。新一代螺旋断层放疗系统在原有系统的基础上增加了千伏级影像系统，进一步显著改进了成像平台的图像质量、工作流程效率以及针对患者和基于任务的成像灵活性等性能。

千伏级影像系统结构组成包括高压发生器、球管、准直器、过滤器、非晶硅X 射线平板探测器和图像处理系统。除了图像处理系统，其他部件均固定在机架上。由于千伏级影像系统是在不改变原有系统机架结构尺寸的基础上增加的新结构，成像系统在有限空间的机架中通过电缆线及信号线链接并传输控制信号，触发球管产生射线并由平板探测器接收。在系统中增加了大量的线缆连接，增加了系统物理连接的复杂性，加大了系统在生产与使用中的失效机会。本文中，为了简化平板探测器与球管的物理连接，提出了通过平板探测器内置的传感器自动检测X 射线信号的方法及工作流程做了初步探讨。

1 平板探测器自动检测的功能描述

具有大面积光电阵列的平板探测器可以与X 射线能量转换层和基于薄膜晶体管（TFT）阵列的电子读出层集成在一起的X 射线装置。薄膜晶体管的工作原理基于场效应晶体管（FET）的原理。当在栅极上施加正电压时，形成一个电场，在半导体层中形成导电通道。这使得源和漏极之间的电流可以流动，从而实现了开关的闭合状态。X 射线信号的自动检测是为平板探测器设计的一种内置X 射线检测功能，具有自动感测功能的平板探测器将主动、准确地自动检测X 射线信号，并在不与系统发生任何定时同步的情况下获取图像。这意味着X 射线生成系统（包括射线管、发生器）可以与X 射线采集系统（包括平板探测器和系统工作站）完全独立，无须任何硬件连接。

2 千伏级影像系统级工作流

常规条件下，在平板探测器与高压发生器和球管具备同步连接功能时，平板探测器在未接受到准备曝光指令时探测器面板始终处于自动扫描刷新状态。一旦平板探测器接收到同步曝光信号后，平板探测器将停止自动刷新状态并关断场效应晶体管（FET）等待X 光信号。曝光完成后FET 打开并逐行读出X 射线图像，然后执行常规偏移图像读出并将每帧图像存储在内存中。当逐行获取偏移图像时，将同时进行偏移校正。偏移图像采集完成后，平板探测器将向主机发送一张偏移校正后的图像，之后平板探测器将再次进入自动刷新状态等待下一次曝光指令。

然而，如果平板探测器与高压发生器和球管在无任何硬件连接的情况下该如何让平板探测器具备自动检测X 射线功能，在此初步提出了一套全新的影像系统工作流将按照以下流程开始检查并获取图像，如图1所示。

图1 X 射线自动检测影像系统工作流

步骤0：首先启动平板探测器；确保探测器与放疗系统中的通信准备就绪；探测器内置的自动X 射线检测器应在空闲模式下工作，并准备开始检查X 射线信号。

步骤1：患者摆位，记录患者信息。

步骤2：系统工作站屏幕上应显示“X 射线自动检测”按钮。点击该按钮，启动X 射线自动检测的命令将从系统工作站通过有线或者无线方式发送到平板探测器。

步骤3：等待“X 射线自动检测”按钮变绿，并进入X 射线自动检测模式。每个X 射线自动检测的请求都是有时间限制的，并且可以由客户在实用程序屏幕中设置。默认的自动检测时间限制为10 秒。当允许的自动检测时间用完时，“X 射线自动检测”按钮将变为红色，平板探测器将退出自动检测模式至空闲模式，系统工作站屏幕应弹出X 射线曝光禁止，以防止客户进行X 射线曝光。

步骤4：在X 射线自动检测超时发生前，可以初始化X 射线曝光。

步骤5：X 射线曝光停止后，平板探测器将获取图像，进行偏移校正，然后发送到系统进行进一步处理和显示。

步骤6 ～8：客户将查看显示的预览图像，可能在重新定位患者并调整曝光参数后进行另一次曝光。如果图像可以被接受，一个曝光周期完成。

第9 步：平板探测器将为下一次自动检测做好准备，或者平板探测器进入休眠状态。

3 X 射线平板探测器自动检测设计说明

3.1 平板探测器的操作模式

断电：探测器完全断电。

空闲：探测器处于空闲状态，正在等待检测命令。

睡眠：探测器处于省电模式，但可检测唤醒信号。

自动检测：探测器自动检测X 射线曝光，获取图像并保存。

3.2 探测器图像采集模式

状态0-刷新：平板探测器处于单行扫描模式获取图像并丢弃数据。

状态1-使用单行扫描读出成像：平板探测器内置检测器使用单行扫描模式获取图像并存储，以跳跃式扫描读出模式读取图像。

状态2-使用双行扫描模式获取图像（FET 打开与FET 关闭）：平板探测器内置检测器以双行扫描模式获取图像并存储数据，以跳跃式扫描读出模式读取图像。

状态3-FET 关闭并成像：平板探测器内置检测器在FET 关闭模式下采集图像并存储行数据，以跳跃式扫描读出模式下读取图像。

跳跃式扫描读出模式是平板探测器内置检测器通过单行扫描模式下在扫描模块之间跳跃来连续扫描读出图像，如图2 所示。S1 至S8 表示平板探测器中的数据模块，每一个数据模块有256 行数据信息。一个平板探测器共有8 个数据模块，共2048 行数据信息。跳跃式扫描读出首先读取第1 模块（S1）到第8 模块（S8）的第1 行（S1-1,S2-1……S7-1,S8-1）。然后读取从第1 模块到第8 模块的第2 行(S1-2, S2-2,……S7-2,S8-2)，持续读取直到读完从第1 个模块到第八个模块的第256 行。跳跃式扫描读出模式的好处是将具有空间相邻性的条形伪影分离为单行坏线。可以通过坏线校正方法去除单行坏线、条状伪影）是在曝光时在单行连续读出的过程中引入的。

图2 跳跃式扫描读出模式

3.3 X 射线自动检测逻辑

X 射线检测逻辑。

X 射线自动检测的目的是根据图像信息检测X 射线信号。评估X 射线检测机制的是探测器内置检测器如何有效、及时地检测到X 射线信号的上升沿和下降沿。为了防止在X 射线自动检测过程中丢失X 射线信号产生条状伪影，在本文中提出了平板探测器内置检测器采用的一种解决方案来检测X 射线信号上升沿与下降沿边缘-FET 关断模式结合跳跃式扫描读出模式的方法。由于在X 射线曝光时电荷耦合发生在探测器面板中，因此，在FET 关断模式采集期间X 射线曝光增加了信号电平。平板探测器内置检测器将在这种情况下连续扫描数据模块，以监测信号电平的变化。一旦平板探测器面板中的信号增加并大于基底噪声，则可以判断X 射线信号的存在。图3 显示了平板探测器在FET 关断时如何完成X 射线的探测的工作分析。图3（a）是平板探测器在FET 关断的情况下连续扫描数据模块，在图像读出时发生了一次5ms 的曝光，我们可以清楚地注意到一条带状条纹与5ms 的曝光时间相匹配。当对平板探测器面板每行进行数值做平均并获得图3（b）中的直方图时，可以清晰地看到X 射线的上升沿和下降沿。因此，利用X 射线信号的上升沿和下降沿可以判断X 射线的发生以及曝光的时长，同时也说明了利用平板探测器面板FET 关断模式与跳跃式扫描读出模式探测X 射线发生的可实现性。

图3 探测器FET 关断模式下的X 射线自动检测

3.4 X 射线自动检测下的图像采集状态转换与图像采集时序

当X 射线自动检测功能被激活时，平板探测器内置检测器将把工作模式从空闲模式切换到自动检测模式。在自动检测模式下，将会有两个图像采集循环，首先，采集X 射线图像，然后采集偏移图像。4 种模式状态在X 射线图像采集和偏移图像采集之间往复变化。具有自动X 射线检测功能的平板探测器的图像采集时序如图4所示。一旦X 射线平板探测器接收到用于自动检测请求的主机命令，平板探测器将完成其当前的自动刷新，然后回复上位机告知平板探测器准备就绪。准备就绪的确认信息将使平板探测器从空闲模式切换到自动检测模式。然后平板探测器将保持在双扫描线模式（状态2）下获取探测器面板上的信息。

图4 具有自动X 射线检测功能的平板探测器的图像采集时序

当X 射线在探测器上曝光时，探测器将尽快检测到X 射线的上升沿并立即停止读出模式，迅速切换到FET关断模式（状态3）。平板探测器将保持FET 关闭模式（状态3），直到检测到X射线下降沿的通知。当X射线停止时，探测器将执行常规图像读取并将X 射线图像存储在探测器内存中。

当X 射线图像正常读出后，平板探测器将回复至正常的扫描状态，然后执行常规偏移图像读出并将图像存储在探测器缓存中。当逐行获取偏移图像时，将同时进行偏移校正。偏移图像采集完成后，探测器将向主机发送一张偏移校正后的图像，至此完成了一个完整的从激活X 射线自动检测到发送校正后的图像的过程。

4 结语

本文主要探讨了在螺旋管断层放疗设备中使用非物理连接方式同步平板探测器、球管和高压发生器的可能性，提出了利用平板探测器内置检测器自动检测X射线信号的方法。通过简单的测试验证了探测器面板FET 关断模式与跳跃式扫描读出模式相结合下X 射线自动检测的可实现性。可以利用X 射线信号的上升沿和下降沿判断X 射线的发生以及计算曝光的时长。根据以上的探讨并基于常规X 射线曝光过程形成了初步的新的平板探测器的图像采集模式与图像采集时序。后续将针对此方法的稳定性，检测准确率以及图像矫正做进一步的分析研究。