胶片与纸介质应用于医学影像记录的评析
马力1，曹厚德2
1.上海市普陀区中心医院 设备科，上海 200062；2.复旦大学附属华山医院静安分院 影像科，上海 200003
[摘 要]随着医学信息技术的快速发展，部分医疗机构开始应用纸介质取代原有的胶片作为医学影像记录介质。本文以两种介质的成像原理、硬拷贝的图像质量评价与分析为出发点，综合分析了两种方式的技术特点、成像水平，为临床应用提供参考。
[关键词]记录介质；硬拷贝；医用胶片；纸质介质
硬拷贝医疗影像的记录方式还将在临床工作中广泛使用一段时间，目前硬拷贝的记录介质主要包括传统的胶片介质和新兴的纸质介质。本文从技术原理方面对两种介质进行对比分析与介绍，以便临床工作中更好的选择和使用合适的介质。
硬拷贝照相机是指利用成像系统提供的输入信号，在“材料片”上产生不可擦除图像的装置，此“材料片”在影像技术学中称为记录介质。硬拷贝照相机的主要评价指标是空间分辨率和对比度分辨率（阈值对比度）[1-3]。空间分辨率指将点源图像的计数密度分布集中到一点的能力，在医疗影像领域，空间分辨率指影像设备在给定背景和对比度水平下所能检测到最小细节的能力。对比度分辨率（阈值对比度）指在图像的整个动态范围内，给定尺寸细节结构的被检物体和背景产生明显差异的最小对比度水平，用于低对比结构影像测定。
1 胶片和纸介质成像技术原理
医用胶片的记录方式已被应用了100多年，它以X射线作为采集影像信息的信息源，以增感屏/感光胶片作为记录影像信息的媒介，通过化学冲洗加工放大潜影，获得模拟影像。近十几年，随着数字化和成像技术的进步，影像信息记录介质也发生了新的变化，除了常用的医用胶片介质外，纸质介质也逐步在医疗中获得应用,这两种记录方式在成像方式和原理上有很大区别[4]。
1.1 医用胶片成像技术原理
在医疗影像设备中，常用的干式成像技术输出的图像是连续色调图像，即每一个输出点均可以根据图像的灰阶值输出不同的密度值[5]。连续色调图像指图像的色调在变化过程中可以连续的变化，包括深浅变化与颜色变化，图像中每个点都能正确地再现景物的阶调层次与色彩，在表现层次的变化时没有间隙。在医疗影像领域，目前的医用胶片打印机即是连续色调图像的输出设备，每一个打印点（Dot）均可以显示4096级灰阶中的任何一种灰阶度，换言之，一个像素数目（ppi）由一个每英寸打印点数（dpi）所表现。连续色调图像色调变化的浓淡或深浅是由单位面积成像物质颗粒密度构成的。医用胶片的连续色调，是在单位面积内由金属银颗粒密度构成的，连续色调图像的深浅变化是无级的。
目前在医疗影像中，医用胶片输出设备主要包括光敏热成像（Photothermographic，PTG）和非光敏性成像（Thermographic，TG）两种，即通常所说的激光热成像技术与直接式热敏成像技术。PTG成像技术以羧酸银和卤化银为成像物质基础，TG成像技术以羧酸银为成像物质基础。羧酸银本身不感光，但它在直接加热的情况下可以发生还原反应并根据温度的差异而形成不同密度。在PTG成像技术中，羧酸银是形成PTG材料银影像的银离子供应源，约占涂层银量的90%左右。目前最常用的羧酸银为山嵛酸银，此外还有硬脂酸银、花生酸银等。
羧酸银中研究最多的是硬脂酸银。研究发现，硬脂酸银是一种八元环的二聚体单元结构，[Ag(O2CXH2X-1)]2单元内的两个硬脂酸银分子之间通过共用银离子与羧酸离子成键后形成八元环的二聚体结构，Ag-O间是共价键；二聚体单元间通过较弱的Ag-O配位键相连形成长链的（聚合型）晶体，具有二维平面结构；形成的长链聚合体的链与链之间又通过范德华力的作用，使有机酸银中长链烷基彼此靠近，形成多层结构，最终形成一种具有板状结构的有机羧酸银晶体。羧酸银一般热分解温度在200 ℃以上，但由于晶体缺陷、杂质和碳链长度变化等原因，分解温度相对要低于此温度，约为150 ℃，热分解产物是游离脂肪酸和金属银。羧酸银二聚体[Ag(O2CXH2X-1)]2的热稳定性是链长的函数，即随链长的增加其分解温度提高。羧酸银在常温下为结晶体，在110～120 ℃附近发生非晶质状态相变，这种特性使硬脂酸银在热显影温度下能够成为银离子供体，而在常温条件下适合保存。
1.2 纸质介质成像技术原理
纸质介质成像技术是近年发展起来的技术，从临床应用开始，该技术就存在很大争议。纸质介质为半色调输出，通过调频和调幅来完成[6-7]。半色调是按照加网的方法，网点分为调幅网点（Amplitude Modulation Screening）和调频网点（Frequency Modulation Screening）。
调幅网点是以点的大小改变来表现图像的层次，点间距固定；调频网点以点的疏密来表现图像的层次。调幅加网技术是以网格中心元素为基础，相邻两网点的中心距离不变，网点的排列遵循一定的规律，网点形状是人为设计的。像素值的大小控制着网点面积的大小，它在加网网点数目不变的情况下，以改变网点的大小来表达图像层次的深和浅。调频加网的网点大小是固定的，当输出设备的分辨率为2400 dpi时，最小网点的直径约为10.5 μm（1/2400 inch）。
半色调图像表现的色调远小于连续色调图像，其通过网点的大小或疏密表达图像层次与色彩的变化。由于网点在空间上呈离散型分布，具有一定的距离，并且由于加网的级数总有一定的限制，半色调图像不能像连续色调图像一样实现无级变化。目前的非连续色调打印机，包括彩色喷墨打印机、家用激光打印机等，所打印的每一个最小点并不能表现出完整的灰阶层次，也即一个ppi由多个dpi所表现。
2 硬拷贝的图像质量评价与分析
硬拷贝的影像质量可以从多方面进行评估，其中最重要的参数是图像空间分辨率和对比度分辨率[8-10]。
2.1 医用胶片输出设备的空间分辨率和对比度分辨率
医用胶片输出设备所生产的图像是连续调色图像，每一个输出点均可以根据实际的像素灰阶值生成相对应的密度值。即每一个点都可以表现从0到4095的任一灰阶值，因此在胶片输出设备中，dpi等同于ppi。
目前的医疗胶片输出设备一般分为为320 dpi（ppi）、325 dpi（ppi）、508 dpi（ppi）和650 dpi（ppi）四种。以空间分辨率最低的320 dpi（ppi）为例，其每个点的像素尺寸为79 μm，即其可以达到的极限空间分辨率为79 μm（6.33 LP/mm）。
2.2 医疗纸质输出设备的空间分辨率和对比度分辨率
医疗纸质输出设备所产生的图像是半色调图像，是通过调频调幅来生成图像的，因此需要相应数量的点来表现不同的密度和对比度。换言之，根据不同的灰阶输出需求，需要相应数量的“点”来表现。例如，当需要表现出4096级灰阶时，就至少需要4095个点来表现，即64×64的点矩阵仅表现出一个像素。
从上述分析可见，如需同时表现出320 ppi和4096级灰阶的输出要求，就需要达到320×64即20480 dpi，目前的设备远无法达到如此高的dpi。目前主流的医疗纸质输出设备的dpi一般在2400左右。如果要满足每个像素4096级灰阶的输出要求，实际ppi通过以上分析进行计算：每一个像素需要64×64的点矩阵完成显示，那么实际ppi=2400÷64≈38。接下来再计算实际的分辨率，实际的像素分辨率=2.54 in÷38=668 μm。核算成近似的线对数：线对数=1000 μm÷668 μm÷2=0.75 LP/mm，远远无法满足医疗的需求。在实际工作中，图像的表现比计算结果要好很多，其原因为：由于人眼对灰度的分辨率一般为64级，一般目前的医疗纸质输出设备采用的也是这种输出灰度级，即仅用8×8的矩阵（64级灰阶）就显示了一个4096级灰阶的像素。这样它的分辨率为2400÷8=300 ppi，即每个像素尺寸为84.7 μm，相应的空间分辨率为1000 μm÷84.7 μm÷2=5.92 LP/mm。这接近于医疗胶片输出设备的空间分辨率，但是这种输出方式试图应用64级灰阶表现4096级灰阶，实际上失去了约90%以上的图像信息。
另外也有一些厂商采用了256级灰阶的输出方式，即16×16的点矩阵，试图达到灰阶和空间分辨率间的平衡。这样它的分辨率为2400÷16=150 ppi，即每个像素尺寸为169 μm，相应的空间分辨率为1000 μm÷169 μm÷2=2.96LP/mm。这样实际上是应用256级灰阶表现了4096级灰阶，同时的空间分辨率为2.96 LP/mm，同样也丢失了大量的信息。
2.3 动态范围
动态范围表示所包含的从“最暗”至“最亮”的范围。动态范围越大，所能表现的层次越丰富，同时记录的暗部细节和亮度细节越丰富。胶片和纸介质的动态范围对比，见图1。通过对比可知胶片影像输出的动态范围远大于纸介质输出，可提供更多影像信息。
图1 纸介质与胶片的输出特性曲线
胶片的最大光学密度值（Dmax）一般大于3.0，乳腺专用胶片的输出密度可达3.5以上。胶片的最小光学密度值（Dmin）一般在0.2左右，可以显示更细微的组织结构。纸质输出介质（高光相纸）的Dmax一般在2.0～2.3，Dmin一般在0.3～0.4。
由此可以看出，与纸质输出介质相比较，胶片具有更大的密度空间显示，即更大的动态范围，可以显示更多的医疗组织结构信息。这意味着，胶片介质影像可以达到更大的图像对比度，显示更多的组织特异性。
3 总结
综上所述，通过两种记录介质的不同特性（如动态范围、灰度信息、对比度等）对比发现，记录医疗诊断影像信息的最佳介质为连续色调输出的胶片。目前纸介质输出设备无论在空间分辨率还是对比度分辨率上，均无法达到医疗胶片输出设备的影像质量水平，因此在实际应用中需密切注意信息丢失和分辨率低下所引起的漏诊和误诊[11-12]。纸介质迄今为止尚不能用于精细诊断（原始诊断），只能用于影像参考及病人的信息分享。但随着图像重建技术的发展和三维重组可视化彩色图像应用的普及，纸介质应用于医学影像学记录会发挥更大价值[13-15]。
[参考文献]
[1] Schueller G,Kaindl E,Matzek WK,et al.Image Quality of a Wet Laser Printer Versus a Paper Printer for Full-Field Digital Mammograms[J].AJR,2006,186(1):38-43.
[2] Liang Z,Du X,Guo X,et al.Comparison of dry laser printer versus paper printer in full-field digital mammography[J].Acta Radiol,2010,51(3):235-239.
[3] Bley TA,Kotter E,Saueressig U,et al.Using Receiver Operating Characteristic Methodology to Evaluate the Diagnostic Quality of Radiography on Paper Prints Versus Film[J].AJR,2004,181(6):1487-1490.
[4] 晏磊,周雅,张飞舟.数字成像技术的历史、现状与展望-数字成像技术进展(一)[J].影像技术,2001,(3):1-6.
[5] 赵书臣,孙晓红,张风雷,等.干式激光打印机在放射科数字化影像中的应用体会[J].医疗卫生装备,2010,31(4):383-384.
[6] 胡寅进,郑芳,何胜洪,等.医学影像纸介质胶片打印系统的软件功能与应用分析[J].医疗卫生装备,2014,35(2):72-75.
[7] 刘虹,Cathy.DICOM纸质医疗影像输出方案的应用前景及效益分析[J].医学综述,2007,13(2):150-153.
[8] 王军清,宋云彩,李志平,等.应用传统相纸代替部分医用X线胶片的探讨[J].医疗卫生装备,2013,34(3):70-71.
[9] 孟占军,王洪泽,马超.医用数字化图像喷墨打印成像系统[J].信息记录材料,2015,16(2):41-44.
[10] 胡寅进,郑芳,何胜洪,等.医学影像纸介质打印系统原理与应用[J].中国医疗设备,2013,28(5):63-65.
[11] Choi Y,Kim JK,Lee HS,et al.Influence of intravenous contrast agent on dose calculations of intensity modulated radiation therapy plans for head and neck cancer[J].Radiother Oncol,2006,81(2):158-162.
[12] Buhr E,Gunther-Kohfahl S,Neitzel U.Simple method for modulation transfer function determination of digital imaging detectors from edge images[J].Proceeding of SPIE,2003,6(21):51-56.
[13] McMenamin PG,Quayle MR,McHenry CR,et al.The production of anatomical teaching resources using three-dimensional(3D) printing technology[J].AnatSci Educ,2014,7(6):479-486.
[14] Schmauss D,Haeberle S,Hagl C,et al.Three-dimensional printing in cardiac surgery and interventional cardiology:a single-center experience[J].Eur J Cardiothorac Surg,2015, 47(6):1044-1052.
[15] Bertassoni LE,Cecconi M,Manoharan V,et al.Hydrogel bioprinted microchannel networks for vascularization of tissue engineering constructs[J].Lab Chip,2014,14(13):2202-2211.
Evaluation of Medical Image Recording Using Film or Paper
MA Li1, CAO Hou-de2
1.Department of Equipment, Central Hospital of Shanghai Putuo District, Shanghai 200062, China; 2.Department of Imaging, Jingan Branch of Huashan Hospital Affliated to Fudan University, Shanghai 200003, China
Abstract：With the rapid development of medical information technology, some medical institutions began to use paper to replace flm as a recording medium. The evaluation of technical characteristics and imaging level of the two kinds of recording media was made in this paper from perspectives of imaging principle and hard copy image quality, which provided good reference for clinical application.
Key words：recording medium; hard copy; medical flm; paper media
[中图分类号]R445
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.021
[文章编号]1674-1633(2016)06-0084-03
收稿日期：2016-03-01
修回日期：2016-04-28