1、2022年8月5日星期五第三章数字化第三章数字化X线机成像线机成像设备设备第一节 概述数字X线设备的发展数字X线设备是指把X线透射图像数字化并进行图像处理的一种X线设备。分类 计算机X线摄影(Computed Radiography,CR)数字X线摄影(Digital Radiography,DR)特点 辐射剂量小、密度分辨力高、图像后处理功能强、便于数字影像存储及远距离传输。空间分辨力不如胶片高。2空间分辨率空间分辨率(Spatial Resolution)在 High Contrast情况下区分相邻 最小物体的能力,(又称“High Contrast Resolution”)决定影像清晰度
2、。常用多少线对/厘米，即LP/CM3密度分辨率密度分辨率(Density Resolution)低对比度情况下分辨物体密度微小差别的能力(又称“Low Contrast Resolution”)受影像清晰度&噪声影响。4数字化X线机5Digital RAD Imaging6医院放射科数字化网络ImagesWorklistImage RetrievalNew Images Report Images Medical dataHIS/RISPatient DataWorklistArchivalClinical ReviewLaser CameraDICOM Print7数字图像 将二维图像以二维
3、数字点阵的方式表示的图像叫数字图像。二维数字图像中每一点称为像素。一般医学图像大小有256 256，512 512，1024 1024等。像素的黑白程度称为灰度，用一个数值表示，这个数值的最大值称为灰阶，灰阶一般有256级、1024级，对应地可表示为8bit、10bit。灰阶决定了图像的对比度，即内容层次。8256 256，8bit64 256 256 返回返回9图像的大小图像的大小32000 2000像素的数字图像所显示内容与像素的数字图像所显示内容与X射线射线胶片相当胶片相当3对于对于CT和和MRI图像，通常图像，通常512 512就够了就够了3图像小，则重建速度快，所需存储空间小，传输图
4、像小，则重建速度快，所需存储空间小，传输速度快速度快10几种X线图像数字化的方式胶片扫描系统影像增强器+CCD+图像板计算机X线摄影(Computed Radiography,CR)数字X线摄影(Digital Radiography,DR)11胶片扫描系统扫描仪计算机X线胶片专用设备专用设备12影像增强器+CCD+图像板X线线X线线影像增强影像增强器器计算机处理系统计算机处理系统电视摄像电视摄像管管CCD或真或真空摄像管空摄像管电视信号处理电视信号处理 A/D 转换转换(图像板图像板)数字信数字信号号显示显示打印打印球球管管人人体体13第二节 线计算机摄影装置系统原理和概念计算机X线摄影（成
5、像）系统（Computed Radiography，简称CR）CR是由日本富士公司于七十年代研制，八十年代推出，九十年代上市的计算机X线摄影系统。CR的关键是用影像板（IP）取代X线胶片，摄片后由激光扫描仪读出IP板上的潜影，并转换成数字信号传入计算机作图像处理。14CR系统的基本结构15影像板(Image Plate,IP)16影像板结构17181920影像板成像原理 射入IP的线被PSL荧光物质吸收，释放出电子。部分电子散布在荧光物质内呈半稳态，形成潜影，完成线信息的采集和存储。当用激光束逐行扫描（二次激发）已有潜影的IP时，半稳态的电子转换成荧光，所产生的荧光强度与第一次激发时线的能量精
6、确地成正比，完成光学影像的读出。21n白色三角表示未曝光nX线作用使电子激发，并储存起来，用灰色三角表示n在激光的作用下，储存的能量被激发出来n激发出来的能量以可见光的形式释放n三角又变成了白色，表示储存能量已全部释放22IP的特性：发射与激发光谱nIP受激发而释放出的光子波长与光强的关系称为发射光谱。最强波长为390400nm n激发激光波长与释放光子强度的关系称为激发光谱。最强在600nm左右n保证光电倍增管在400nm 处有最高的检测效率，对提高影像的信噪比很重要23IP的特性：时间响应特征n停止用激光照射荧光体时，发光衰减并逐渐终止。IP的PSL强度衰减速度很快，不会发生采集和读出信息
7、的重叠。n光发射寿命期为0.8s。24IP的特性：动态范围n直线性在1到10000范围内具有良好动态范围n可精确检测到组织间极小的X线吸收差异曝光3.03.0胶片胶片影像屏影像屏密度输出10000100001000100010101001000.20.21.01.08008004004002002001600160010010025IP的特性：存储信息的消退nX线激发IP后，潜影存储于荧光体中，在读取前一部分电子随时间延长将逃逸，从而使第二次激发时的荧光强度减少，称为消退。nIP消退很微弱，8h减少25%。受时间、温度影响。n受X线照射后，尽快读取。26IP的特性：天然辐射与黑斑nIP不仅对X
8、线敏感，对其他电磁波也敏感，如紫外线、射线等。n来自天然放射性元素、IP板上微量放射性元素、宇宙射线。n长期存放会产生小黑斑。n使用前必须激光擦除，以消除可能存在的任何潜影。nIP上的荧光体对线的敏感度高于普通线胶片，保存要有很好的屏蔽。27读出装置原理28具体地，读出分两步（）用一束微弱激光粗扫IP，立即算出读出图像的直方图。（）自动调整光电倍增管的灵敏度及放大器的增益，再用高强度激光精细地读出潜像，实现数字化，经过各种图像处理，获得最佳的适于诊断的数字线图像。29影响图像质量的因素n激光束的直径n光电及传动系统的噪声n数字化影响v取样频率低“马赛克”伪影v量化级数少“等高线”伪影一般数字化
9、取样间隔为0.10.2mm，像素的灰度级为bit时，就能获得满意的数字图像。30256 256，8bit64 256 256 返回返回31 常规线照片的影像特性是由照相条件、增感屏及胶片决定，不能加以改变。CR系统则不同，由于使用高精度扫描及读出的数字信号可通过计算机进行图像后处理，所以能在大范围内改善图像质量，最终得到稳定、高质量的图像。计算机图像处理32图像处理环节图像处理环节图像读出过程的处理图像读出过程的处理：图像读出灵敏度自动：图像读出灵敏度自动设定，自动获得最佳密度和对比度的图像；设定，自动获得最佳密度和对比度的图像；图像显示过程的处理图像显示过程的处理：显示图像的特殊处理，：显示
10、图像的特殊处理，以获得较高诊断价值的图像，也称后处理；以获得较高诊断价值的图像，也称后处理；图像存储和记录过程的处理图像存储和记录过程的处理：在不影响图像：在不影响图像质量的基础上压缩图像，并可进行保存和传质量的基础上压缩图像，并可进行保存和传输，还可用激光相机打印出图像。输，还可用激光相机打印出图像。33图像读出灵敏度自动设定n为在不同X线剂量下，获得相同的图像质量（图像密度稳定），采用灵敏度自动设定功能n预读程序流程34 通过对直方图的分析和计算，自动确定X线剂量范围，再算出有诊断价值的PSL量的范围，即读取装置的输入信号范围，从而决定本次读出IP图像的最佳条件（决定光电倍增管的灵敏度和放
11、大器的增益）。因此，不论以何种条件摄影，读出灵敏度自动设定装置会自动校正X线曝光量的误差，使读取装置的输出信号总处于一定范围内，形成稳定的数字图像密度，以最佳的密度在胶片或显示器上重现。35图像读出灵敏度自动设定 大曝光剂量例1和小曝光剂量例236图像后处理n灰阶处理n空间频率处理n动态范围压缩n减影处理n叠加处理3738图像的储存和记录装置n磁带n硬盘n光盘n磁光盘（MOD）39CR特点(总结)n实现了传统X线图像的数字化；n提高了图像的密度分辨率；n能实现图像后处理，增加了显示信息的功能；n降低了X线曝光量（为常规X线摄影剂量的1/51/10）；n可以不用胶片，而是以数字形式用磁盘或光盘存
12、储，还能把信息传输给PACS。40第三节 线数字摄影装置nDR分为直接数字分为直接数字X线摄影（线摄影（direct DR,DDR）和）和间接数字间接数字X线摄影（线摄影（indirect DR,IDR）nIDR是指由是指由I.I-TV或胶片先获得模拟或胶片先获得模拟X线影像，再线影像，再转换成数字图像的方法转换成数字图像的方法nDDR是指采用是指采用X线探测器直接将线探测器直接将X线转换为数字线转换为数字信号的方法信号的方法41IDR的工作原理的工作原理透射透射X线线I.I光学系统光学系统电视摄像机电视摄像机A/D数字图数字图像信号像信号42IDR的主要缺陷的主要缺陷n由于由于I.I和摄像管
13、中的光散射和电子散射，引入了和摄像管中的光散射和电子散射，引入了附加的对比度损失；附加的对比度损失；n电视摄像管的动态范围小，不能发现微小的组织电视摄像管的动态范围小，不能发现微小的组织差异；差异；nI.I的视野小，边缘和中心分辨力不一致。的视野小，边缘和中心分辨力不一致。43DDR 采用一维或二维X线探测器直接把X线转换为模拟电信号，然后进行数字化的方法，不同于IDR的先获得模拟图像，再对模拟图像进行数字化的方法。分为扫描投影DDR和平板探测器DDR。44扫描投影扫描投影DDRo点扫描法点扫描法 优点：散射体积很小，减少了因散射引起的图像质量下优点：散射体积很小，减少了因散射引起的图像质量下
14、降；光电倍增管的灵敏度高，可以降低降；光电倍增管的灵敏度高，可以降低X线的剂量；线的剂量；缺点：运动机构比较复杂，扫描时间较长；缺点：运动机构比较复杂，扫描时间较长；o线（扇）形扫描法线（扇）形扫描法 比点扫描系统的速度快，对比点扫描系统的速度快，对X线源的利用也充分。线源的利用也充分。4546平板探测器平板探测器DDR 20世纪世纪90年代中期出现平板型探测器（年代中期出现平板型探测器（flat panel detector,FPD）：）：n非晶态硒非晶态硒FPD：将：将X线直接转换成数字信号；线直接转换成数字信号；n非晶态硅非晶态硅FPD：先经闪烁发光晶体转换成可见光，：先经闪烁发光晶体转
15、换成可见光，再转换为数字信号。再转换为数字信号。47非晶态硒平板探测器技术参数技术参数 平板尺寸：平板尺寸：17 17（英寸）（英寸）灰度等级：灰度等级：14bit 像素：像素：720万个像素点万个像素点 分辨率：分辨率：3.1LP/MM 曝光间隔：曝光间隔：6秒秒48组成封装在暗盒内，由集电矩阵、硒层、电介质、保护层等构成。集电矩阵由按阵元方式排列的薄膜晶体管（thin-film transistor,TFT）组成，非晶态硒层涂在集电矩阵上，对线敏感，并有很高的解像能力。49硒型FPD原理50像素矩阵读出方式 由于放大器和由于放大器和A/DA/D转换器都在探测器转换器都在探测器暗盒内，从外部
16、看，暗盒内，从外部看，探测器暗盒是接收探测器暗盒是接收线图像后直接输出数线图像后直接输出数字图像。字图像。信号读出后，扫信号读出后，扫描电路自动清除硒层描电路自动清除硒层中的潜影和电容存储中的潜影和电容存储的电荷，以保证探测的电荷，以保证探测器能反复使用。器能反复使用。51非晶态硅型平板探测器52碘化铯闪烁发光晶体覆盖在光电二极管矩阵上，每个光电管就是一个像素，由薄膜非晶态氢化硅制成。线入射到闪烁晶体层时被转换为可见光，再由光电二极管矩阵转换为电信号，在光电二极管自身的电容上形成存储电荷，每个像素的存储电荷量与入射线强度成正比。53平板数字探测器（小结）材料种类材料种类：CCD探测器 CMOS
17、探测器 非晶硅探测器 非晶硒探测器Thin Film Transistor array薄膜晶体管阵列 54DDR与与CR的比较的比较nDDR的图像清晰度优于的图像清晰度优于CR，主要由像素尺寸决定，主要由像素尺寸决定，CR在读出潜影过程中，激光穿到在读出潜影过程中，激光穿到IP深部时产生散深部时产生散射使图像模糊，降低了图像的分辨力；射使图像模糊，降低了图像的分辨力；nDDR的噪声源比的噪声源比CR少，没有二次激励引入的噪声，少，没有二次激励引入的噪声，/高；高；nDDR的拍片速度快于的拍片速度快于CR，拍片间隔为，拍片间隔为5s，CR拍拍片间隔片间隔1min以上；以上；55nDDR的的X线转
18、换效率高，而线转换效率高，而CR利用潜影成像，信利用潜影成像，信号随时间而衰减；号随时间而衰减；nDDR探测器寿命长，可用探测器寿命长，可用10年，年，CR图像板可用图像板可用1年；年；nDDR有升级为透视的能力，但不能应用于常规有升级为透视的能力，但不能应用于常规X线机，线机，CR不能透视，但可与原有的不能透视，但可与原有的X线摄影设备线摄影设备配套工作，取消胶片暗盒。配套工作，取消胶片暗盒。56DDR的主要问题的主要问题n大面积大面积TFT在工业生产中存在较大难度，现只能在工业生产中存在较大难度，现只能用小块拼成；用小块拼成；n虽在时间分辨率上优于虽在时间分辨率上优于CR，但还不能满足心血
19、，但还不能满足心血管设备的要求，不能适应快速连续拍摄的管设备的要求，不能适应快速连续拍摄的X线造线造影检查；影检查；n提高读出和建像速度是主攻方向之一。提高读出和建像速度是主攻方向之一。57第四节 数字减影血管造影装置n20世纪60年代出现过X线照片减影术(Radiography Image Subtraction)，主要用于脑血管造影。n80年代的数字减影技术主要应用于血管造影，所以又叫数字减影血管造影技术(DSA，Digital Subtraction Angiography)58DSA技术原理把人体同一部位两帧影像相减（不含对比剂与对比剂充盈影把人体同一部位两帧影像相减（不含对比剂与对比
20、剂充盈影像），消去两帧图像的相同部分，得到造影剂充盈的血管图像。像），消去两帧图像的相同部分，得到造影剂充盈的血管图像。血管像的对比度较低，必须对减影像进行对比度增强处理，但影血管像的对比度较低，必须对减影像进行对比度增强处理，但影像信号与噪声同时增大，所以要求原始影像有高的信噪比，才能像信号与噪声同时增大，所以要求原始影像有高的信噪比，才能使减影像清晰。使减影像清晰。59DSA60DSA室室61DSADSA的工作方式的工作方式一、时间减影一、时间减影u脉冲影像（脉冲影像（PI）方式）方式 每秒摄取数帧影像，曝光线脉宽每秒摄取数帧影像，曝光线脉宽100ms左右。剂量左右。剂量较高，所得影像的信
21、噪比较高，普遍采用，主要用于脑较高，所得影像的信噪比较高，普遍采用，主要用于脑血管、颈动脉、肝动脉、四肢动脉等活动较缓慢的部位；血管、颈动脉、肝动脉、四肢动脉等活动较缓慢的部位；u超脉冲影像（超脉冲影像（SPI）方式）方式 每秒每秒630帧。能实时观察，较高的动态清晰度。能帧。能实时观察，较高的动态清晰度。能适应肺动脉、冠状动脉、心脏等快速活动的脏器，影像适应肺动脉、冠状动脉、心脏等快速活动的脏器，影像的运动模糊小，但对的运动模糊小，但对X线机的要求高；线机的要求高；63u连续影像（连续影像（CI）方式）方式每秒每秒25帧连续影像。能显示快速运动部位，如心脏、帧连续影像。能显示快速运动部位，如
22、心脏、大血管，时间分辨力高。大血管，时间分辨力高。X线管的负荷相当大，要用热容线管的负荷相当大，要用热容量大的量大的X线管；线管；u心电图（心电图（ECG）触发脉冲方式）触发脉冲方式 主要用于心脏大血管的主要用于心脏大血管的DSA检查，曝光与心脏血管搏检查，曝光与心脏血管搏动节律相匹配，保证影像系列中每帧影像与心律同相位，动节律相匹配，保证影像系列中每帧影像与心律同相位，消除因心脏搏动引起的伪影。消除因心脏搏动引起的伪影。64二、能量减影二、能量减影n几乎同时用两种不同的管电压（如几乎同时用两种不同的管电压（如70kV和和130kV）取得两帧影像，进行减影处理。取得两帧影像，进行减影处理。n要
23、求管电压能在两种能量之间进行高速切换，增要求管电压能在两种能量之间进行高速切换，增加了加了X线机的复杂性，一般线机的复杂性，一般X线机不能采用这种方线机不能采用这种方法。法。n不易消除骨骼的残影。不易消除骨骼的残影。65能量减影能量减影左侧为标准胸片，右侧为高能肋骨片，中间为去骨影后的肺组织片左侧为标准胸片，右侧为高能肋骨片，中间为去骨影后的肺组织片66三、混合减影三、混合减影n在造影剂未注入前，先做一次双能量减影，获得在造影剂未注入前，先做一次双能量减影，获得含部分骨组织信号的影像，将此影像同血管注入含部分骨组织信号的影像，将此影像同血管注入造影剂后的双能量减影像作减影处理，就得到单造影剂后
24、的双能量减影像作减影处理，就得到单纯的血管影像。纯的血管影像。n对设备和对设备和X线管负载的要求都较高。线管负载的要求都较高。67DSA对设备的特殊要求nX线发生装置 要求X线管能承受连续脉冲曝光的负荷，对于中、大型DSA设备，X线管热容量在200kHU以上，管电压40150kV，管电流8001250mA。采用中频和高频技术，产生几乎纯直流高压。68n影像增强器可变视野影像增强器。为提高灵敏度和分辨力，输入屏采用碘化铯材料。在输入屏发光体和光电层之间有几十万条光纤，把每个像素的光耦合到光电层，从而使影像有较高的亮度和分辨力，提高了I.I的转换效率。69n电视摄像机要求摄像管高灵敏度、高分辨力、
25、低残像，视频通道有补偿电路，保证输出高信噪比、高保真的视频信号。CCD将有望取代真空摄像管。70n线剂量管理在保证图像质量的条件下尽量减少病人接受的线照射剂量，由下列技术组成：（）栅控技术：在每次脉冲曝光的间隔向旋转阳极施加一个负电压，抵消曝光脉冲的启辉和余辉，从而消除软射线，提高有效射线质量，减小脉冲宽度。71（）光谱滤过技术：在I.I或线管头的窗口处放置铝滤过板，以消除软射线，减少二次辐射，优化线频谱。I.I前放置的滤线栅可消除线穿过人体时的散射线，可降低线辐射剂量约20%。72（）脉冲透视技术：是在透视图像数字化的基础上实现的，能对脉冲透视图像进行增强、平滑、除噪等滤波处理，改善图像的清
26、晰度。较常规透视辐射剂量减少40%。（）图像冻结技术：每次透视的最后一帧图像被暂存并保留在显示器上，可减少不必要的透视，总透视时间明显缩短，达到减少辐射剂量的目的。73n体位记忆技术为手术医生设计了投照体位记忆装置，能存储多达100个体位，各种体位可事先预设，也可在造影中随时存储，使造影程序化，加快造影速度。74n自动跟踪回放技术当形臂转到需要的角度进行透视观察时，系统能自动搜索并重放该角度已有的造影像，供医生诊断或介入治疗时参考；也可根据图像自动将臂转到该位置重新进行透视造影。这种技术特别有利于心、脑血管造影，尤其是冠状动脉介入治疗手术。75现代DSA新技术nECG触发脉冲方式由于每一时刻心
27、脏运动处在不同的相位上，为了使掩模像和造影像的相位尽可能接近，以减少减影像的运动伪影，要求相减的像相位一致，通常采用ECG触发线脉冲方式。以ECG中R波作为相位的基准，在ECG门控采集时，如线曝光与R波标记同步，就能得到由R波定时的减影像。该方式主要用于心脏大血管的DSA检查，曝光与心脏血管搏动节律匹配，保证影像系列中每帧影像同相位，消除因心脏搏动引起的伪影。76n旋转血管造影DSA采集图像的同时，C臂绕病人作旋转运动，对血管作180度参数采集，人体保持静止，线管头和增强器作同步运动，从而获得三维血管像。这项技术明显增加了观察角度，获得了更多诊断信息，对脑血管、心腔和冠状动脉血管造影尤其适用。77计算机在成像中的作用计算机在成像中的作用越来越显著越来越显著对一张胸片的图像处理对一张胸片的图像处理79对比度增强对比度增强80低通滤波低通滤波81高通滤波高通滤波82肋骨的边缘提取肋骨的边缘提取83
