從圖像質量和放射劑量之間的平衡關系來看,乳腺X線成像是最苛刻的放射成像技術之一,需要同時滿足極好的圖像質量(對小尺寸物體和低對比度結構均可見)和很低的放射劑量(因為需要篩查大量無癥狀人群)兩方面的要求。因此,從第一臺專用的乳腺X線成像設備推出以來,人們就在既保證圖像質量又降低乳腺的X線吸收劑量方面做了很多努力。乳腺X線成像系統自動曝光控制正是這種需求的體現。本文從光譜優化、探測器發展、自動曝光控制實現方法以及自動曝光控制評價等方面綜述了乳腺X線成像系統自動曝光控制的發展歷程和現狀。
引用本文： 王國毅, 葉成幅, 吳海明, 汪天富, 張宏. 乳腺X線成像系統自動曝光控制研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(6): 1394-1399. doi: 10.7507/1001-5515.20140264 復制
引言
乳腺X線成像系統(mammography system)是用于乳腺檢查的專用設備。乳腺成像對圖像質量的要求非常高，同時需要嚴格控制乳腺對放射線的吸收劑量。而自動曝光控制(automatic exposure control,AEC)是現代乳腺X線成像系統的基本組成部分[1]，在保證圖像質量和最大限度降低輻射劑量方面起著至關重要的作用，可為不同厚度不同類型的乳腺選擇最佳的曝光參數。本文對自動曝光控制技術的研究進展作一介紹。
1 概述
乳腺X線成像系統是用于女性乳腺檢查的專用設備，與其它X線成像系統不同的是，由于乳腺組織對常規影像成像的X射線衰減區別不大(低對比度)，乳腺成像通常使用軟X射線，乳腺檢查要求能識別微小鈣化(高分辨率)，因此對圖像質量的要求非常高。同時，乳腺X線檢查對象通常是無任何癥狀的女性群體，而軟X射線很容易被人體組織吸收，乳腺組織本身也對X射線比較敏感，吸收過多放射線會增加誘發乳腺癌的風險，因此，乳腺攝影中還需要嚴格控制乳腺的吸收劑量。
AEC是現代乳腺X線成像系統中的基本組成部分[1]，在保證圖像質量和最大限度降低輻射劑量方面起著至關重要的作用，為不同厚度不同類型的乳腺選擇最佳的曝光參數。在傳統膠片系統(film-screen mammography system,FSM)中，通常是通過在片盒下面安裝一個或者多個X線探測器來實現AEC[2]。該探測器可以是一個電離室或者一組半導體二極管，用于測量通過乳腺、濾線柵和膠片之后的X線光子通量。AEC控制系統通過該探測器監控X線的曝光量，當曝光量達到設定的閾值時，就終止曝光[3]。
在計算機放射成像(computed radiography,CR)系統中，AEC的電路設計與FSM系統類似，同樣是在CR板盒下面安裝X線探測器[2]。不同之處是，CR系統的成像和顯示系統是分開的，顯示部分可以通過圖像后處理使圖像質量達到診斷要求，因而其成像時板盒接收X線的動態范圍較大。因此，對于CR系統，其AEC的設計遵循數字系統共有的一個基本原則：在圖像質量和乳腺吸收劑量之間尋找一個平衡點，以該平衡點作為終止曝光的條件。
在數字X線攝影(digital radiography,DR)系統中，AEC的控制方式根據圖像獲取方式的不同而不同。DR系統主要有兩種圖像獲取方式，一種是基于條形探測器的掃描型圖像獲取方式[4]，另一種是基于平板探測器的圖像獲取方式[5-7]。由于DR系統中圖像接收器幾乎吸收了全部的X線，因此，不能像FSM系統和CR系統那樣在圖像接收器下方安裝探測器，而是通過圖像接收器來獲取AEC控制信號。掃描型系統中，一般是通過條形探測器反饋信號控制掃描速率，或者動態改變曝光參數實現AEC[4]，由于這種獲取圖像的方式過于復雜，成本較高，圖像質量不理想，因此隨著平板探測器的發展，基于條形探測器的機型在市場上已趨于淘汰，不在本文討論范圍之內。而基于平板探測器的系統中，其AEC通常是通過預曝光的方式實現的[4, 8-9]。
2 乳腺成像最優參數的研究歷程
2.1 影響成像效果和吸收劑量的因素
不管是FSM、CR，還是DR系統，AEC的核心算法是最優曝光參數的選擇。
最優的曝光參數，是指在給定圖像質量的前提下使患者吸收X線劑量最低，或者是給定患者吸收X線劑量的條件下使圖像質量盡量提高[10]。在乳腺X線成像過程中，不管是膠片模擬機還是數字機，最基本的成像參數包括靶-濾過材料組合、管電壓(kVp)、焦點大小以及曝光時間等。影響X線束質量主要有兩個因素，即靶-濾過材料組合和管電壓。普通攝影選用大焦點成像，放大攝影選用小焦點成像。曝光時間需要控制在合適的范圍內，太短會引起曝光不足，太長會引起曝光過量，同時增加患者的吸收劑量。
已有研究表明，相對于連續光譜，在理想單能量X線情況下乳腺圖像質量可以達到最佳,且能大大降低平均腺體劑量[11]。但是，即使是理想的單能量光束，不同光子能量下的圖像質量往往也不相同，成像所需的最適合光子能量根據乳腺的厚度和成分而有所不同，通常，越厚越致密的乳腺需要的X線能量越高[12-13]。在條件允許的情況，通過切換靶-濾過材料組合選擇平均能量更高的X線譜，在相同的圖像質量下會降低吸收劑量[14]。然而，在現實中，不可能獲取絕對的單色X線，因此，我們希望通過一些方法使成像光譜盡量最優化，從而使圖像質量最佳，并且使乳腺的吸收劑量最低。一般來說，通過選用不同的靶-濾過材料組合和不同的管電壓可獲取對被成像乳腺最適合的X線譜。
2.2 曝光參數最優化的研究方法
乳腺成像中最佳光譜選擇的研究主要分為兩類，一類是實驗測量[5, 10, 15]，一類是建模仿真[16-17]。在研究光譜最優化的過程中，對于圖像質量的評價，不同的研究者使用了不同的標準，常用的有信噪比(signal to noise ratio，SNR)、對比度噪聲比(contrast-to-noise ratio,CNR)[5, 18-19]、信號差噪聲比(signal-difference-to-noise ratio,SDNR)[20]等；對于乳腺對X線的吸收劑量，則大多采用平均腺體劑量(average glandular dose,AGD)作為評價標準。
實驗測量方法差別不大，這里介紹Williams等[10]在光譜最優化方面進行的實驗測量。Williams等使用了5臺不同生產商生產的全域數字乳腺X線成像系統，分別是GE Senographe 200D、Siemens Mammomat Nobation DR、 Hologic Selenia、Fischer Senoscan以及Fuji 5000MA。同時，使用了9種類型的乳腺仿真體模，包含三種不同厚度(3、5、7 cm)和三種不同腺體-脂肪百分比(30∶70、50∶50、70∶30)，在每個仿真體模中內嵌了兩個階梯楔塊，一個成分與鈣等價，一個與腫塊等價。測量時，先進行AEC曝光，然后進行手動曝光。手動曝光時，選用每個靶-濾過材料組合和kVp對體模成像，選用使體模背景平均信號與AEC相等的管電流時間積(mAs)。每個條件下曝兩次光獲取兩幅圖像，用于噪聲分析。Williams等對光譜質量的評價標準是figure of merit(FOM)，定義為圖像信噪比的平方與平均腺體劑量的比值[15]。通過研究靶-濾過材料組合以及kVp對信噪比、劑量和FOM的影響來分析乳腺X線成像過程中光譜對圖像質量和乳腺X線吸收劑量的影響。
仿真方法大體可分為兩類：解析法和統計法。解析法是用已知的解析公式來生成系統模型，而統計法是使用隨機數發生器以及射線與物質相互作用的物理屬性來預測系統的性能。仿真過程通常會根據乳腺X線成像系統的成像過程建立一個成像鏈[8]模型，將成像系統中可能影響乳腺吸收劑量和圖像質量的因素考慮進去加以仿真。涉及到的物理過程為X線與物質的相互作用，如光電效應、康普頓散射等，還有噪聲模型以及圖像質量評估方法等。不同的研究者采用的計算方案可能會有所差異。Numamoto等[16]使用蒙特卡洛方法進行仿真；Bernhardt等[11]將仿真分為確定性和隨機性兩部分，確定性仿真忽略散射等對圖像的影響，而將這些影響采用蒙特卡洛方法進行隨機性仿真。通過仿真，可以很方便地研究各種厚度和類型的乳腺在不同成像條件下的X線吸收劑量以及圖像質量，從而為選擇最佳的成像條件提供參考和指導。將這些最佳的成像條件(即曝光參數)建立一張查找表，作為自動曝光時系統參數自動選擇的依據。
3 自動曝光控制實現方法
3.1 傳統的膠片模擬成像系統
膠片模擬系統中AEC的目的是在不同的條件下，包括乳腺性質以及曝光條件等，膠片上均能呈現合適的光密度(optical density,OD)[21]。通過膠片下方安裝的X射線探測器，檢測未被膠片吸收的殘余曝光量，推測膠片上的曝光量，當探測器接收到的劑量達到預設閾值時，停止曝光。因此，對X射線探測器的基本要求是對低能X線有較高的靈敏度、較好的動態輸出范圍和快速響應的能力。
目前國內外的膠片模擬乳腺攝影系統中，AEC比較常用的射線傳感器有電離室型、半導體型[22]。電離室利用了X射線的電離效應，將X線信號轉換成電流信號(pA～nA級)，由存在于電離室內的預置放大器轉換成電壓信號(mV～V級)，經電纜送往發生器處理電路[23]。電離室探測器的優點為能量響應好，長期穩定性好，使用壽命長,密封電離室無需溫度、氣壓修正等。但是,電離室探測器的靈敏度差,而且空間分辨率比半導體探測器差,這就在一定程度上限制了其在AEC中的應用。半導體探測器是近些年發展起來的一種新型X射線探測器，實質上是一個半導體材料高摻雜的較大體積的晶體二極管。半導體探測器在X線的照射下,會產生與X射線光子能量成正比的輸出脈沖信號,從而可探測射線的強度。根據所使用半導體材料的不同，半導體型探測器的性能差異通常比較大。
為了適應不同大小的乳腺，研發者會將探測器放置在不同的位置，根據乳腺大小通過不同的算法選擇合適的探測器。Frederick等[24]設計的AEC方式一共采用了四個半導體探測器，均平行于胸壁-乳頭方向，從胸壁側到乳頭方向分別編號為A、B、C、D，A、B、C之間間隔2 cm，C和D之間間隔4 cm。每次AEC過程中，只選用三個探測器的信號作為AEC的輸入信號。當X線強度為中間值的探測器所測得數據達到預設閾值時終止曝光，這種設計可以保證即使有一個探測器不在乳腺的覆蓋下，AEC也能正常進行。當乳腺較小時，自動選用A、B、C三個探測器；當乳腺較大時，自動選用A、C、D三個探測器，選擇標準是D探測器是否直接曝光于X射線下。
芬蘭Planmed公司開發了一種全新的AEC方式，稱為Flex-AEC，該方式包含了48個獨立工作的探測器，所有探測器均可激活，但只有乳腺下的探測器參與AEC操作。該方式可以自動探測和分析乳腺位置以及組織成分，不需要手動選擇探測器。圖 1為探測器與乳腺相對位置的示意圖。與其它AEC中的探測器位置不同的是，Flex-AEC有一些很小的探測器非常靠近胸壁側，所以它對一些特殊的乳腺也很適用，如正在做手術的乳腺或者男性乳腺等。經測試,在模擬機中Flex-AEC是基于預曝光方式實現AEC，這與其它模擬機系統的實時反饋控制方式不同。
圖1
Flex-AEC探測器與不同類型乳腺相對位置示意圖
Figure1.
Schematic of the Flex-AEC detectors position
3.2 數字成像系統
數字機系統中由于成像和顯示是分開的，獲取圖像之后可以通過一系列的處理算法對圖像數據進行處理，例如去噪、平滑或者銳化、組織均衡等，在顯示時還可以進行對比度、亮度、窗寬窗位、縮放等調節,所以成像時所需的X射線動態范圍比較大。因此，在保證圖像質量的前提下，合理降低患者的輻射劑量成為人們研究的重點。考慮到數字探測器對X線的響應特性，當X線劑量降低到一定程度時，會使圖像的信噪比降低，從而導致圖像質量達不到診斷要求。
在數字乳腺成像系統中，AEC的原則是在保證圖像質量的前提下，盡量降低乳腺的吸收劑量[8, 14]。因為不同材料的數字探測器對X線的能量累積特性并不相同，因此圖像質量與進入影像接收器的X射線特性(例如半價層、能量分布等)相關，而進入影像接收器的X射線特性受曝光參數和乳腺性質等條件的影響。乳腺吸收劑量也與進入乳腺的X射線性質和乳腺厚度、成分等相關。也就是說，圖像質量和乳腺吸收劑量均與曝光參數和乳腺性質有關。前面已討論過曝光參數對圖像質量和乳腺吸收劑量的影響，這里重點討論數字成像系統中AEC如何針對不同類型的乳腺選擇最優曝光參數。
3.2.1 CR系統
由于CR系統是在FSM系統的基礎上進行升級，將FSM系統的膠片用IP板(imaging plate)取代即可。因此CR系統的AEC方法與膠片系統相同[25]。由于IP板對X線的吸收特性和膠片可能存在一些差異，因此，在升級之后，需要對AEC進行重新校正。
3.2.2 基于平板的數字成像系統
基于平板的數字乳腺成像系統中，平板探測器同時用于獲取乳腺圖像和用作AEC傳感器，由于平板探測器響應時間的限制，無法實時反饋其接收的信號量，因此目前基于平板探測器的乳腺成像系統都采用預曝光方式[4, 8-9]。預曝光的主要目的是確定乳腺類型[26]，即致密程度。平板探測器乳腺X線成像是目前乳腺X線成像的發展趨勢。這里介紹Planmed和GE公司在基于平板的X線乳腺成像系統中采用的AEC實現方式。
Planmed的Flex-AEC在前面膠片系統部分已有介紹。在基于平板的數字成像系統中，Flex-AEC在平板探測器上劃出了48個獨立區域[4]，該48個區域的分布與圖 1相同，每個區域相當于一個獨立的劑量探測器，覆蓋在平板上100 cm2的區域。其AEC過程是，先經過低劑量的預曝光，采集分析48個區域里的信號，由于每次曝光條件下已知厚度乳腺都會有一個腺體成分為50%的理論值，因此將每個區域里采集的信號值與該腺體成分50%的理論值進行比較，由此分析乳房腺體的致密程度，再結合系統狀態(如乳腺厚度、壓力、放大因子、濾線柵等)計算出成像需要的曝光參數[4]。
GE公司乳腺成像系統中的AEC也許是市場上設計得最復雜的自動曝光控制方式。它使用了獨特的AOP(automatic optimization of parameters)機制。在其基于平板的成像系統中[8]，有一個曝光參數查找表(index table)。對于每種類型的乳腺，該查找表由三個最優的操作點(operating points)及其對應的圖像質量(image quality,IQ)和乳腺平均腺體劑量組成。三個操作點分別對應GE提供給用戶選擇的三種模式：CNT(圖像質量優先模式)、STD(標準模式)和DOS(劑量優先模式)[25]，其中CNT模式圖像質量最佳，DOS模式乳腺吸收劑量最低，STD介于CNT模式和DOS模式之間。GE通過一系列的計算和驗證，保證這些操作點在相同的圖像質量情況下，其乳腺吸收劑量最低；或者在相同乳腺吸收劑量的條件下，其圖像質量最佳。在Senographe DS(2003)系統中，根據乳腺放射厚度(radiological thickness)和成分(composition)劃分乳腺類型，每個操作點由四個參數組成：靶材料、過濾、kV和探測器劑量(detector dose)，圖像質量由對比度噪聲比描述。在自動曝光模式下，當曝光開關按下后，首先是一次低劑量的預曝光(例如4 mAs)，系統獲取預曝光圖像之后進行分析，根據最致密區域計算乳腺的放射厚度[25]，根據放射厚度、壓迫板實際厚度以及壓力，判斷出乳腺成分。基于放射厚度、乳腺成分和系統設置(如是否有放大等)，從曝光查找表中選擇最適合的曝光操作點(靶材料、過濾、kV和探測器劑量)，最后根據探測器劑量計算所需的mAs。
4 自動曝光控制評價標準
完整的AEC系統除了能針對不同厚度不同類型的乳腺提供最佳的曝光參數之外，還至少應該具備以下一些功能特性：安全中斷、可重復性(穩定性)等。安全中斷功能要求系統在AEC故障或者計算出來的曝光參數無法達到時終止曝光。可重復性要同時滿足短期和長期的可重復性，要求在相同乳腺厚度和類型的情況下曝光之后的圖像效果一致。
對于膠片模擬機，其AEC功能的要求是膠片的光密度保持在一定范圍之內，避免曝光不足和曝光過度。例如，歐洲標準要求不同成像條件下的光密度變化范圍不超過參考中間值的±0.15 OD[27]，我國國標GBZ186-2007要求與4 cm模體成像的OD值相比在±0.2 OD之內。
對于數字機AEC的評價目前還沒有統一的標準[21,28- 29]，主要原因是不同的廠商對于數字圖像的成像方法和質量評估方法不一樣[6, 30]，但目標都是在低劑量條件下提供優質的圖像。例如由EUREF等出版的第四版《歐洲乳腺癌檢查診斷質量評估指導手冊》(European Guidelines for Quality Assurance in Breast Cancer Screening and Diagnosis)是對不同厚度的仿真體模成像，然后計算未經處理圖像的CNR是否在規定的范圍內作為評價標準。GE Senographe DS(2003)采用的是這種評價標準[8]。Siemens NovationDR FFDM系統的AEC設計則采用SDNR作為圖像質量的評價標準[11]。
5 總結及展望
從圖像質量和放射劑量之間的平衡關系來看，乳腺X線成像是最苛刻的放射成像方式之一，因為它同時要求極好的圖像質量(對小尺寸物體和低對比度結構均可見)和很低的放射劑量(因為需要篩查大量無癥狀人群)。AEC就是在這兩者之間尋求完美的平衡。隨著乳腺成像專用平板探測器的發展，目前全域數字乳腺X成像系統正在越來越多地替代傳統的屏-片系統[5]，最優光譜的選擇已經從Mo/Mo、Mo/Rh、Rh/Rh等靶-濾過材料組合發展到基于鎢靶的光譜[31]。例如，Siemens NovationDR FFDM系統[11]提供W/Rh光譜，Hologic最新基于非晶硒平板的系統[31]使用W/Rh和W/Ag。由于平板探測器對X線的能量響應度高，使用鎢靶結合現代平板技術可以避免傳統乳腺成像中鎢靶對比度不高的劣勢，同時鎢靶的使用可以大大降低乳腺的吸收劑量，因此在未來乳腺成像領域中鎢靶的使用是最優光譜選擇的方向。
引言
乳腺X線成像系統(mammography system)是用于乳腺檢查的專用設備。乳腺成像對圖像質量的要求非常高，同時需要嚴格控制乳腺對放射線的吸收劑量。而自動曝光控制(automatic exposure control,AEC)是現代乳腺X線成像系統的基本組成部分[1]，在保證圖像質量和最大限度降低輻射劑量方面起著至關重要的作用，可為不同厚度不同類型的乳腺選擇最佳的曝光參數。本文對自動曝光控制技術的研究進展作一介紹。
1 概述
乳腺X線成像系統是用于女性乳腺檢查的專用設備，與其它X線成像系統不同的是，由于乳腺組織對常規影像成像的X射線衰減區別不大(低對比度)，乳腺成像通常使用軟X射線，乳腺檢查要求能識別微小鈣化(高分辨率)，因此對圖像質量的要求非常高。同時，乳腺X線檢查對象通常是無任何癥狀的女性群體，而軟X射線很容易被人體組織吸收，乳腺組織本身也對X射線比較敏感，吸收過多放射線會增加誘發乳腺癌的風險，因此，乳腺攝影中還需要嚴格控制乳腺的吸收劑量。
AEC是現代乳腺X線成像系統中的基本組成部分[1]，在保證圖像質量和最大限度降低輻射劑量方面起著至關重要的作用，為不同厚度不同類型的乳腺選擇最佳的曝光參數。在傳統膠片系統(film-screen mammography system,FSM)中，通常是通過在片盒下面安裝一個或者多個X線探測器來實現AEC[2]。該探測器可以是一個電離室或者一組半導體二極管，用于測量通過乳腺、濾線柵和膠片之后的X線光子通量。AEC控制系統通過該探測器監控X線的曝光量，當曝光量達到設定的閾值時，就終止曝光[3]。
在計算機放射成像(computed radiography,CR)系統中，AEC的電路設計與FSM系統類似，同樣是在CR板盒下面安裝X線探測器[2]。不同之處是，CR系統的成像和顯示系統是分開的，顯示部分可以通過圖像后處理使圖像質量達到診斷要求，因而其成像時板盒接收X線的動態范圍較大。因此，對于CR系統，其AEC的設計遵循數字系統共有的一個基本原則：在圖像質量和乳腺吸收劑量之間尋找一個平衡點，以該平衡點作為終止曝光的條件。
在數字X線攝影(digital radiography,DR)系統中，AEC的控制方式根據圖像獲取方式的不同而不同。DR系統主要有兩種圖像獲取方式，一種是基于條形探測器的掃描型圖像獲取方式[4]，另一種是基于平板探測器的圖像獲取方式[5-7]。由于DR系統中圖像接收器幾乎吸收了全部的X線，因此，不能像FSM系統和CR系統那樣在圖像接收器下方安裝探測器，而是通過圖像接收器來獲取AEC控制信號。掃描型系統中，一般是通過條形探測器反饋信號控制掃描速率，或者動態改變曝光參數實現AEC[4]，由于這種獲取圖像的方式過于復雜，成本較高，圖像質量不理想，因此隨著平板探測器的發展，基于條形探測器的機型在市場上已趨于淘汰，不在本文討論范圍之內。而基于平板探測器的系統中，其AEC通常是通過預曝光的方式實現的[4, 8-9]。
2 乳腺成像最優參數的研究歷程
2.1 影響成像效果和吸收劑量的因素
不管是FSM、CR，還是DR系統，AEC的核心算法是最優曝光參數的選擇。
最優的曝光參數，是指在給定圖像質量的前提下使患者吸收X線劑量最低，或者是給定患者吸收X線劑量的條件下使圖像質量盡量提高[10]。在乳腺X線成像過程中，不管是膠片模擬機還是數字機，最基本的成像參數包括靶-濾過材料組合、管電壓(kVp)、焦點大小以及曝光時間等。影響X線束質量主要有兩個因素，即靶-濾過材料組合和管電壓。普通攝影選用大焦點成像，放大攝影選用小焦點成像。曝光時間需要控制在合適的范圍內，太短會引起曝光不足，太長會引起曝光過量，同時增加患者的吸收劑量。
已有研究表明，相對于連續光譜，在理想單能量X線情況下乳腺圖像質量可以達到最佳,且能大大降低平均腺體劑量[11]。但是，即使是理想的單能量光束，不同光子能量下的圖像質量往往也不相同，成像所需的最適合光子能量根據乳腺的厚度和成分而有所不同，通常，越厚越致密的乳腺需要的X線能量越高[12-13]。在條件允許的情況，通過切換靶-濾過材料組合選擇平均能量更高的X線譜，在相同的圖像質量下會降低吸收劑量[14]。然而，在現實中，不可能獲取絕對的單色X線，因此，我們希望通過一些方法使成像光譜盡量最優化，從而使圖像質量最佳，并且使乳腺的吸收劑量最低。一般來說，通過選用不同的靶-濾過材料組合和不同的管電壓可獲取對被成像乳腺最適合的X線譜。
2.2 曝光參數最優化的研究方法
乳腺成像中最佳光譜選擇的研究主要分為兩類，一類是實驗測量[5, 10, 15]，一類是建模仿真[16-17]。在研究光譜最優化的過程中，對于圖像質量的評價，不同的研究者使用了不同的標準，常用的有信噪比(signal to noise ratio，SNR)、對比度噪聲比(contrast-to-noise ratio,CNR)[5, 18-19]、信號差噪聲比(signal-difference-to-noise ratio,SDNR)[20]等；對于乳腺對X線的吸收劑量，則大多采用平均腺體劑量(average glandular dose,AGD)作為評價標準。
實驗測量方法差別不大，這里介紹Williams等[10]在光譜最優化方面進行的實驗測量。Williams等使用了5臺不同生產商生產的全域數字乳腺X線成像系統，分別是GE Senographe 200D、Siemens Mammomat Nobation DR、 Hologic Selenia、Fischer Senoscan以及Fuji 5000MA。同時，使用了9種類型的乳腺仿真體模，包含三種不同厚度(3、5、7 cm)和三種不同腺體-脂肪百分比(30∶70、50∶50、70∶30)，在每個仿真體模中內嵌了兩個階梯楔塊，一個成分與鈣等價，一個與腫塊等價。測量時，先進行AEC曝光，然后進行手動曝光。手動曝光時，選用每個靶-濾過材料組合和kVp對體模成像，選用使體模背景平均信號與AEC相等的管電流時間積(mAs)。每個條件下曝兩次光獲取兩幅圖像，用于噪聲分析。Williams等對光譜質量的評價標準是figure of merit(FOM)，定義為圖像信噪比的平方與平均腺體劑量的比值[15]。通過研究靶-濾過材料組合以及kVp對信噪比、劑量和FOM的影響來分析乳腺X線成像過程中光譜對圖像質量和乳腺X線吸收劑量的影響。
仿真方法大體可分為兩類：解析法和統計法。解析法是用已知的解析公式來生成系統模型，而統計法是使用隨機數發生器以及射線與物質相互作用的物理屬性來預測系統的性能。仿真過程通常會根據乳腺X線成像系統的成像過程建立一個成像鏈[8]模型，將成像系統中可能影響乳腺吸收劑量和圖像質量的因素考慮進去加以仿真。涉及到的物理過程為X線與物質的相互作用，如光電效應、康普頓散射等，還有噪聲模型以及圖像質量評估方法等。不同的研究者采用的計算方案可能會有所差異。Numamoto等[16]使用蒙特卡洛方法進行仿真；Bernhardt等[11]將仿真分為確定性和隨機性兩部分，確定性仿真忽略散射等對圖像的影響，而將這些影響采用蒙特卡洛方法進行隨機性仿真。通過仿真，可以很方便地研究各種厚度和類型的乳腺在不同成像條件下的X線吸收劑量以及圖像質量，從而為選擇最佳的成像條件提供參考和指導。將這些最佳的成像條件(即曝光參數)建立一張查找表，作為自動曝光時系統參數自動選擇的依據。
3 自動曝光控制實現方法
3.1 傳統的膠片模擬成像系統
膠片模擬系統中AEC的目的是在不同的條件下，包括乳腺性質以及曝光條件等，膠片上均能呈現合適的光密度(optical density,OD)[21]。通過膠片下方安裝的X射線探測器，檢測未被膠片吸收的殘余曝光量，推測膠片上的曝光量，當探測器接收到的劑量達到預設閾值時，停止曝光。因此，對X射線探測器的基本要求是對低能X線有較高的靈敏度、較好的動態輸出范圍和快速響應的能力。
目前國內外的膠片模擬乳腺攝影系統中，AEC比較常用的射線傳感器有電離室型、半導體型[22]。電離室利用了X射線的電離效應，將X線信號轉換成電流信號(pA～nA級)，由存在于電離室內的預置放大器轉換成電壓信號(mV～V級)，經電纜送往發生器處理電路[23]。電離室探測器的優點為能量響應好，長期穩定性好，使用壽命長,密封電離室無需溫度、氣壓修正等。但是,電離室探測器的靈敏度差,而且空間分辨率比半導體探測器差,這就在一定程度上限制了其在AEC中的應用。半導體探測器是近些年發展起來的一種新型X射線探測器，實質上是一個半導體材料高摻雜的較大體積的晶體二極管。半導體探測器在X線的照射下,會產生與X射線光子能量成正比的輸出脈沖信號,從而可探測射線的強度。根據所使用半導體材料的不同，半導體型探測器的性能差異通常比較大。
為了適應不同大小的乳腺，研發者會將探測器放置在不同的位置，根據乳腺大小通過不同的算法選擇合適的探測器。Frederick等[24]設計的AEC方式一共采用了四個半導體探測器，均平行于胸壁-乳頭方向，從胸壁側到乳頭方向分別編號為A、B、C、D，A、B、C之間間隔2 cm，C和D之間間隔4 cm。每次AEC過程中，只選用三個探測器的信號作為AEC的輸入信號。當X線強度為中間值的探測器所測得數據達到預設閾值時終止曝光，這種設計可以保證即使有一個探測器不在乳腺的覆蓋下，AEC也能正常進行。當乳腺較小時，自動選用A、B、C三個探測器；當乳腺較大時，自動選用A、C、D三個探測器，選擇標準是D探測器是否直接曝光于X射線下。
芬蘭Planmed公司開發了一種全新的AEC方式，稱為Flex-AEC，該方式包含了48個獨立工作的探測器，所有探測器均可激活，但只有乳腺下的探測器參與AEC操作。該方式可以自動探測和分析乳腺位置以及組織成分，不需要手動選擇探測器。圖 1為探測器與乳腺相對位置的示意圖。與其它AEC中的探測器位置不同的是，Flex-AEC有一些很小的探測器非常靠近胸壁側，所以它對一些特殊的乳腺也很適用，如正在做手術的乳腺或者男性乳腺等。經測試,在模擬機中Flex-AEC是基于預曝光方式實現AEC，這與其它模擬機系統的實時反饋控制方式不同。
圖1
Flex-AEC探測器與不同類型乳腺相對位置示意圖
Figure1.
Schematic of the Flex-AEC detectors position
3.2 數字成像系統
數字機系統中由于成像和顯示是分開的，獲取圖像之后可以通過一系列的處理算法對圖像數據進行處理，例如去噪、平滑或者銳化、組織均衡等，在顯示時還可以進行對比度、亮度、窗寬窗位、縮放等調節,所以成像時所需的X射線動態范圍比較大。因此，在保證圖像質量的前提下，合理降低患者的輻射劑量成為人們研究的重點。考慮到數字探測器對X線的響應特性，當X線劑量降低到一定程度時，會使圖像的信噪比降低，從而導致圖像質量達不到診斷要求。
在數字乳腺成像系統中，AEC的原則是在保證圖像質量的前提下，盡量降低乳腺的吸收劑量[8, 14]。因為不同材料的數字探測器對X線的能量累積特性并不相同，因此圖像質量與進入影像接收器的X射線特性(例如半價層、能量分布等)相關，而進入影像接收器的X射線特性受曝光參數和乳腺性質等條件的影響。乳腺吸收劑量也與進入乳腺的X射線性質和乳腺厚度、成分等相關。也就是說，圖像質量和乳腺吸收劑量均與曝光參數和乳腺性質有關。前面已討論過曝光參數對圖像質量和乳腺吸收劑量的影響，這里重點討論數字成像系統中AEC如何針對不同類型的乳腺選擇最優曝光參數。
3.2.1 CR系統
由于CR系統是在FSM系統的基礎上進行升級，將FSM系統的膠片用IP板(imaging plate)取代即可。因此CR系統的AEC方法與膠片系統相同[25]。由于IP板對X線的吸收特性和膠片可能存在一些差異，因此，在升級之后，需要對AEC進行重新校正。
3.2.2 基于平板的數字成像系統
基于平板的數字乳腺成像系統中，平板探測器同時用于獲取乳腺圖像和用作AEC傳感器，由于平板探測器響應時間的限制，無法實時反饋其接收的信號量，因此目前基于平板探測器的乳腺成像系統都采用預曝光方式[4, 8-9]。預曝光的主要目的是確定乳腺類型[26]，即致密程度。平板探測器乳腺X線成像是目前乳腺X線成像的發展趨勢。這里介紹Planmed和GE公司在基于平板的X線乳腺成像系統中采用的AEC實現方式。
Planmed的Flex-AEC在前面膠片系統部分已有介紹。在基于平板的數字成像系統中，Flex-AEC在平板探測器上劃出了48個獨立區域[4]，該48個區域的分布與圖 1相同，每個區域相當于一個獨立的劑量探測器，覆蓋在平板上100 cm2的區域。其AEC過程是，先經過低劑量的預曝光，采集分析48個區域里的信號，由于每次曝光條件下已知厚度乳腺都會有一個腺體成分為50%的理論值，因此將每個區域里采集的信號值與該腺體成分50%的理論值進行比較，由此分析乳房腺體的致密程度，再結合系統狀態(如乳腺厚度、壓力、放大因子、濾線柵等)計算出成像需要的曝光參數[4]。
GE公司乳腺成像系統中的AEC也許是市場上設計得最復雜的自動曝光控制方式。它使用了獨特的AOP(automatic optimization of parameters)機制。在其基于平板的成像系統中[8]，有一個曝光參數查找表(index table)。對于每種類型的乳腺，該查找表由三個最優的操作點(operating points)及其對應的圖像質量(image quality,IQ)和乳腺平均腺體劑量組成。三個操作點分別對應GE提供給用戶選擇的三種模式：CNT(圖像質量優先模式)、STD(標準模式)和DOS(劑量優先模式)[25]，其中CNT模式圖像質量最佳，DOS模式乳腺吸收劑量最低，STD介于CNT模式和DOS模式之間。GE通過一系列的計算和驗證，保證這些操作點在相同的圖像質量情況下，其乳腺吸收劑量最低；或者在相同乳腺吸收劑量的條件下，其圖像質量最佳。在Senographe DS(2003)系統中，根據乳腺放射厚度(radiological thickness)和成分(composition)劃分乳腺類型，每個操作點由四個參數組成：靶材料、過濾、kV和探測器劑量(detector dose)，圖像質量由對比度噪聲比描述。在自動曝光模式下，當曝光開關按下后，首先是一次低劑量的預曝光(例如4 mAs)，系統獲取預曝光圖像之后進行分析，根據最致密區域計算乳腺的放射厚度[25]，根據放射厚度、壓迫板實際厚度以及壓力，判斷出乳腺成分。基于放射厚度、乳腺成分和系統設置(如是否有放大等)，從曝光查找表中選擇最適合的曝光操作點(靶材料、過濾、kV和探測器劑量)，最后根據探測器劑量計算所需的mAs。
4 自動曝光控制評價標準
完整的AEC系統除了能針對不同厚度不同類型的乳腺提供最佳的曝光參數之外，還至少應該具備以下一些功能特性：安全中斷、可重復性(穩定性)等。安全中斷功能要求系統在AEC故障或者計算出來的曝光參數無法達到時終止曝光。可重復性要同時滿足短期和長期的可重復性，要求在相同乳腺厚度和類型的情況下曝光之后的圖像效果一致。
對于膠片模擬機，其AEC功能的要求是膠片的光密度保持在一定范圍之內，避免曝光不足和曝光過度。例如，歐洲標準要求不同成像條件下的光密度變化范圍不超過參考中間值的±0.15 OD[27]，我國國標GBZ186-2007要求與4 cm模體成像的OD值相比在±0.2 OD之內。
對于數字機AEC的評價目前還沒有統一的標準[21,28- 29]，主要原因是不同的廠商對于數字圖像的成像方法和質量評估方法不一樣[6, 30]，但目標都是在低劑量條件下提供優質的圖像。例如由EUREF等出版的第四版《歐洲乳腺癌檢查診斷質量評估指導手冊》(European Guidelines for Quality Assurance in Breast Cancer Screening and Diagnosis)是對不同厚度的仿真體模成像，然后計算未經處理圖像的CNR是否在規定的范圍內作為評價標準。GE Senographe DS(2003)采用的是這種評價標準[8]。Siemens NovationDR FFDM系統的AEC設計則采用SDNR作為圖像質量的評價標準[11]。
5 總結及展望
從圖像質量和放射劑量之間的平衡關系來看，乳腺X線成像是最苛刻的放射成像方式之一，因為它同時要求極好的圖像質量(對小尺寸物體和低對比度結構均可見)和很低的放射劑量(因為需要篩查大量無癥狀人群)。AEC就是在這兩者之間尋求完美的平衡。隨著乳腺成像專用平板探測器的發展，目前全域數字乳腺X成像系統正在越來越多地替代傳統的屏-片系統[5]，最優光譜的選擇已經從Mo/Mo、Mo/Rh、Rh/Rh等靶-濾過材料組合發展到基于鎢靶的光譜[31]。例如，Siemens NovationDR FFDM系統[11]提供W/Rh光譜，Hologic最新基于非晶硒平板的系統[31]使用W/Rh和W/Ag。由于平板探測器對X線的能量響應度高，使用鎢靶結合現代平板技術可以避免傳統乳腺成像中鎢靶對比度不高的劣勢，同時鎢靶的使用可以大大降低乳腺的吸收劑量，因此在未來乳腺成像領域中鎢靶的使用是最優光譜選擇的方向。
