第六章：数字X线设备

第六章数字X线设备数字X线设备指把X线透射图像数字化并进行图像处理，再转换成模拟图像显示的一种X线设备。数字化X线成像设备的出现，对实现医学影像信息管理的现代化合实用性具有非常重要的意义。数字X线成像设备的分类CR:(computedradiography)计算机X线摄影DR:(digitalradiography)数字X线摄影DSA:(digitalsubtractionangiography)数字减影血管造影，是数字透视（DF）的典型代表CR:X线—影像板（IP板）——图像处理—图像记录与储存DR：X线—平板探测器（FPD）—图像处理—图像记录与储存DF：X线—人体—X–TV获得模拟视频信号—A/D—图像存储并处理—图像相减—D/A—图像显示需要指出的是，国内习惯把计算机X线摄影称谓CR，这种称谓简洁，实用。但是它还有很多学名，存储荧光体数字X线摄影（digitalradiographywithstoragephosphors），数字发光X线摄影（digitalluminescenceradiography），光激励发光X线摄影（photostimulableluminescence，PSLradiography），在国外，特别是从物理学角度分析计算机X线摄影（CR）时，较多采用光激励存储荧光体（photostimulablestoragephosphor,PSP）成像的称谓。数字化X线成像优点（比较屏一片系统）1）对比度分辨高2）辐射剂量小：量子检出率（DQE）60%3）图像后处理功能强大4）大容量光盘存储数字影像，方便接入PACS系统，高效、低耗、省时、省空间地实现影像储存，传输和诊断。数字化X线成像的缺点1、空间分辨力低：20-40LP/cm，胶片则达到50-70LP/cm(理论值）。2、成本高3、收费高空间分辨力：分辨细微结构的能力。密度分辨力：区分不同组织密度的能力，CT对组织的密度分辨力较X线高，若CT分辨力为0.5%，即两种组织差别等于或0.5%时即可分辨出来。第一节计算机X线摄影装置用存储屏记录x线影像，通过激光扫描使存储信号转换成光信号，此光信号经过光电倍增管转换成电信号，再经A/D转换后，输入计算机处理，形成高质量的数字图像。一、CR的分类组成及原理按用途不同分为通用型和专用型两种。1．通用型CR是将IP置入与屏-胶系统类似的暗盒内，曝光后在阅读器进行读取。其特点是手工搬运、更换暗盒，可适用于原有X线机和使用屏-胶系统暗盒进行的所有X线摄影检查项目。2．专用型CR其读取设备与滤线器摄影床或立位摄影架结合在一起，即卧式摄影专用型和立位摄影专用型。IP结构与通用型CR基本一致，IP经过X线曝光后，直接被传送到信号读取和残影消除部分处理，然后重复使用。其特点是功能相对单一，但不需要手工操作，对于同类工作效率高，适于专科或大型综合性医院。（二）CR的基本组成1.影像读取装置2.控制台3.后处理工作站4.存储装置（三）CR工作原理1.影像采集与转换2.影像处理3.影像存储与输出1.影像采集常规x线摄影中使用增感屏／胶片组台系统的成像方式已众所周知，在X线照片上最终形成的影像元法直接数字化。CR系统解决的关键问题之一即是开发了一种既可接受模拟信息，又可实现模拟信息数字化的信息载体，即成像板(IP)。这样，采集的信息则可应用数字图像信息处理技术进一步处理，实现数字化处理、贮存与传输。2.影像转换CR系统中，IP经X线照射后被激发(第一次激发)。经第一次激发的IP上贮存有空间上连续的模拟信息，为使该信息数字化．IP要由激光束扫描(第二次激发)读出。CR系统的读出装置中的激光发生器发射激光束(氦—氖激光束波长为623nm，半导体激光束波长为670一690nm)，在与IP垂直的方向上依次扫描整个IP表面。IP上的荧光体被二次激发即发生光激发发光或称光致发光现象，产生荧光*荧光的强弱与第一次激发时的能量精确成比例，即呈线性正相关。该荧光由沿着激光扫描线设置的高效光导器采集和导向，导入光电倍增管，被转换为相应强弱的电信号。继而，电信号被馈入模拟/数字转换器转换为数字信号。至此，CR系统完成了模拟信号到数字信号的转换。3.信息处理读取到的图像显示在荧光屏上，根据诊断的特殊需要进行影像的后处理。CR影像处理主要包括灰阶处理、空间频率处理和减影处理。影像读取过程完成后，IP残余的影像数据可通过强光灯照射擦除，然后重复利用。影像经过后处理能增加诊断信息，提高诊断的正确性。射入IP板的X线量子————————释放电子（其中部分电子散布在荧光物内呈半稳态，形成潜影，完成X线信息的采集和存储）——————使潜影（半稳态电子）转换成荧光（PSL现象，光致发光现象），荧光强度与第一次激发（照射）时X线量成正比，完成光学影像读出（光信号）——————电信号————计算机处理——高质量数字图像被PSL荧光物吸收激光束扫描二次激发光电倍增管A/D转换二、影像板（IP）CR影像不是直接记录于胶片，而是先记忆在IP上，IP可重复使用，但无影像显示功能。（一）IP的结构表面保护层防止荧光层受到损伤。要求其不随外界温度和湿度而变化，透光率高并且非常薄。如：聚酯树脂类纤维。光激励发光（photonstimulationlight，PSL）荧光层：它由PSL荧光物混于多聚体溶液中，涂在基板上制成。PSL荧光物是一种特殊的荧光物质，它能把第一次照射它的光信号记录下来，当它再次受到光刺激时，就会发出与第一次照射光能量呈正比的荧光信号。多聚体溶液的作用是使荧光物的晶体互相结合。荧光物的晶体尺寸平均为4～7μm。晶体直径越大，PSL现象也越强，但图像清晰度下降。基板保护荧光层免受外力的损伤。为防止激光在荧光物质层和支持层之间发生界面反射，将支持层制成黑色，提高图像清晰度。背面保护层防止各张影像板之间在使用过程中的摩擦损伤而设计的。表面保护层荧光层基板背面保护层（二）IP成像原理射入IP的x线量子呗Ip荧光层内的PSL荧光体吸收，释放出电子。其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态，形成潜影，完成x线信息的采集和存储。当用激光来扫描已有潜影的IP时，半稳态的电子转换成光量子，即发生光激励发光现象。产生的荧光强度与第一次激发时x线的能量精确的成正比，完成光影像的读出。IP输出信号还需由读取装置继续完成光电转换和A/D转换，经计算机图像处理后，形成数字图像。（三）IP的特性发射光谱与激发光谱PSL荧光物可发出蓝-紫光，发光强度依激发IP光线的波长而变，把PSL强度与读取光波波长的关系曲线称为激发光谱。用波长为600nm左右的红色氦-氖激光读取时效果最佳。在读取激光激发下，已存储X线图像的IP中PSL荧光物发射出强度与X线强度成正比的蓝-紫光，峰值波长为390～400nm。PSL强度与其波长的关系曲线称为发射光谱。发射光谱与激发光谱的峰值应有一定间距，而且，还应保证光电倍增管在400nm波长处有最高的检测效率，这对提高图像的信噪比很重要。发射光谱与激发光谱时间响应特征动态范围存储信息的消退天然辐射的影响（四）IP的类型和规格1.按用途高分辨率型和普通型。2.按基板类型硬基板和软基板3.按读取方式单面阅读和双面阅读4.按尺寸8X10、10X12、14X17等。（五）IP使用注意事项用一张较大的IP来记录影像,可减少胶片尺寸的选择次数IP再使用时，最好重做一次光照射，以消除可能存在的任何潜影IP要求很好的屏蔽放置IP时，最好不要叠放，阻止荧光层被划伤。出现灰尘时，应用专用的清洁液清洁。消除潜影即时读取三、读取装置（一）结构1、暗合型读取装置：将IP置入与常规x线摄影暗合类似的盒内，它可替代常规摄影暗合在任何x线机上使用。2、无暗合型读取装置：IP在x线曝光后直接被传送到激光扫描和潜影消除部分处理，供重复使用。（二）读出原理具体地说，分两步：①用一束微弱的激光瞬间粗略地扫描IP，并计算潜影的PSL发光强度②在获取上述信息后，自动调整光电倍增管的灵敏度及放大增益，再用高强度的激光精细地读出潜影，实现数字化。（三）影响影像质量的因激光束的直径光电及传动系统的噪声x线量子噪声、光量子噪声、外来光与反射光的干扰、光学系统的噪声、电流稳定程度、机械传导系统的稳定程度数字化的影响模拟信号的取样和量化会产生量化噪声和伪影。例如，取样频率低会产生“马赛克”状伪影，量化级数不够会产生等高线状伪影。信号数字化会使图像的空间分辨力降低，应将数字化程度控制在人眼和显示器分辨力的范围内，过高将使数据量增加，从而使图像处理时间过长。CR图像的空间分辨力与IP的特性、激光和取样频率有关，激光束直径小、IP中荧光物对激光的散射少、取样频率高，空间分辨力就高。四、计算机图像处理（一）图像处理的环节主要有三个环节：①与系统检测功能有关的处理，涉及图像读取装置输入信号和输出信号之间的关系，利用适当的图像读出技术，保证整个系统在很宽的动态范围内自动获得具有最佳密度和对比度的图像。②与图像信息的存储和记录有关的处理。涉及图像记录装置，要求能得到高质量的照片记录，并在不降低图像质量的前提下压缩图像数据，以节省存储空间和高效率地传输信息。③与图像信息的存储和记录有关的处理，要求在不影响诊断疾病的前提下，压缩图像数据节省空间。（二）图像读出灵敏度自动设定：为了自动控制图像读出特性，实现图像密度的稳定，即克服X线成像期间由于曝光过度或不足产生的图像密度的不稳定性，CR系统设计了图像读出灵敏度自动设定功能。识别处理的步骤1.测定探测的起始点2.测定照射野边缘的候补点3.照射野形状的修正（三）图像处理技术1.灰阶变换处理：胶片密度D与数字信号I0的线性关系D=h·f(I1)，其中f(I1)表示灰阶变换函数改变灰阶函数，就能自由控制X线剂量一胶片密度关系，因此，在CR中，X线剂量的允许范围大。只要在适当设置的范围内曝光，都能在胶片上获得良好的影像。2.空间频率处理：通过频率响应的调节来影响图像的锐度，边缘增强为常用的技术。3.减影处理将0.4~1.2MM厚的铜板置于两张IP之间，一次曝光得到不同能量的两张IP,分别读取IP后得到两幅图像，然后由专用软件进行图像处理，便可分别获得常规、骨组织、软组织三幅图像。4.叠加处理为了在一张影像上表现出更多的信息量，可心把多张IP重叠起来摄影，将其信息量叠加平均处理，从而提高信噪比，改善影像质量。5.动态范围压缩：动态范围处理在灰阶处理与空间频率处理之前进行，分为低密度区域为中心和以高密度区域的中心压缩，前者使原始图像低密度区的密度增高后者使高密度区的密度值降低，两者使图像的动态范围变窄。总之，灰阶变换处理（影响对比度）和空间频率处理（影响锐度）通常相结合，低对比度处理和强的空间频率处理相结合，能提供较大层次范围并实现边缘增强。五、暗盒型CR实例略第二节x线数字摄影装置（DR）DR的定义X线探测器直接把X线转换为电信号进行数字化的方法，不同于先获得模拟图像，再对模拟图像进行数字化的方法。DR的分类根据DR成像技术的不同，目前主要分为直接数字化X线成像（非晶硒）、间接数字化X线成像（非晶硅）、CCDX线成像、多丝正比电离室成像四种类型。一、DR的基本结构由X线探测器、图像处理器、图像显示器等组成。1.X线探测器它是将X线信息转换为电信号的器件。探测器把X线模拟信号转换为数字信号，送计算机处理。2.数据采集器3.图像处理器其功能主要包括各种图像处理，如灰阶变换、黑白反转、图像滤波降噪、放大、各种测量、数字减影等。4.存储器用于记忆若干幅数字影像。5.影像监视器数字影像经数/模转换后形成不同亮度的像素，按一定的显示矩阵在监视器上重现。6.系统控制器由计算机主机和其他控制电路组成，完成整个系统的指挥和协调。二、DR的工作原理数字摄影系统以影像增强系