数字X线成像基础

数字X线成像基础海南医学院临床学院/附属医院医学影像技术学教研室王绥煌•为什么要提出数字X线成像？•1．传统屏-片X线成像：X线→被检体→屏-片系统（潜影）→暗室处理→X线照片（模拟影像）。•（1）三维组织成像在二维平面上，重叠影像；•（2）X线影像一旦产生，图像质量就不能改善；•（3）不便于图像的储存、管理和传输，发展受到限制。2．数字X线成像优势：（1）密度分辨力高：屏-片系统只能达到26灰阶，数字图像达210～14灰阶；（2）可进行图像后处理：窗口技术、灰度变换、对比度调节、特征提取…（3）可高保真地进行图像存储、调阅、传输，实现PACS、远程会诊、无胶片化。3．数字X线成像•1983年，富士公司推出存储荧光体方式-CR系统。•1997年以后，数字X线摄影设备相继问世：数字透视（digitalfluoroscopy，DF）直接转换FPD（a-Se）数字X线摄影间接转换FPD（CsI＋a-Si）CCD＋摄像机数字减影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）数字X线成像检测器是X线影像数字技术重要研制对象。数字图像的特征（一）模拟与数字1．模拟：是以某种范畴的表达方式如实地反映另一种范畴。如普通X线摄影，是X线透过人体内部组织器官的投影，不同的密度差别为任何一个局部所接收的辐射强度的模拟；也是相应成像组织结构对X射线衰减程度的模拟。2．模拟信号：信息量的变化随着时间或距离的改变而连续地变化的信号。3．模拟影像：由模拟量构成的图像。是以一种直观的物理量来连续地、形象地表现另一种物理场的情况。影像中的灰度是空间位置的连续函数，影像中的点和点之间是连续的，密度随着坐标点的变化是连续改变的。4．数字：是由数字量组成的。是以一种规则的数字量的集合来表示的信号。模拟信号可以转换成数字信号，完成这种转换的元件是A/D转换器（ADC），它把模拟量转换成离散的数字量。数字信号可以转换成模拟信号？图像处理的方法有模拟式和数字式两种。由于数字计算技术的迅猛发展，数字图像处理技术得到了广泛的应用。我们日常生活中见到的图像一般是连续形式的模拟图像，所以数字图像处理的一个先决条件就是将连续图像离散化，转换为数字图像。图像的数字化包括采样和量化两个过程。设连续图像f(x,y)经数字化后，可以用一个离散量组成的矩阵g(i,j)（即二维数组）来表示。)1,1()1,1()0,1()1,1()1,1()0,1()1,0()1,0()0,0(),(nmfmfmfnffgnfffjig（2-1）矩阵中的每一个元素称为像元、像素或图像元素。而g(i,j)代表(i,j)点的灰度值，即亮度值。以上数字化有以下几点说明：（1）由于g(i,j)代表该点图像的光强度，而光是能量的一种形式，故g(i,j)必须大于零，且为有限值，即：0＜g(i,j)＜∞。（2）数字化采样一般是按正方形点阵取样的，除此之外还有三角形点阵、正六角形点阵取样。如图2-1所示。（3）以上是用g(i,j)的数值来表示(i,j)位置点上灰度级值的大小，即只反映了黑白灰度的关系.图2-1采样网格(a)正方形网格;(b)正六角形网格(a)(b)（二）数字图像•数字图像：将一幅图像分成有限个像素（pixel）的小区域，每个像素中的灰度平均值用一个整数来表示。•图像矩阵（imag1ngmatrix）：数字图像所有像素的阵列。•数字图像的图像矩阵是一个整数值的二维数组。•矩阵（matrix）：一个横成行、纵成列的数字方阵。•图像矩阵采集矩阵（acquisionmatrix）：每幅画面观察视野所含像素的数目；•显示矩阵（displaymatrix）：监示器上显示的图像像素数目。1．图像矩阵大小与图像关系•矩阵大小根据应用和成像系统的容量决定。一幅图像中包含的像素数目等于图像矩阵行与列数目的乘积。•图像的像素数少，像素尺寸大，图像的空间分辨力低；像素数量多，图像的空间分辨力高（LP/mm）。•图像的像素数是由像素大小和整个图像的尺寸决定的。像素数与像素大小的乘积决定视野（fieldofview，FOV）。图像矩阵大小固定，FOV增加图像空间分辨力降低。1．图像矩阵大小与图像关系2．灰度级数与数字图像关系•ADC将连续变化的灰度值转化为一系列离散的整数灰度值，量化后的整数灰度值称为灰度级（灰阶graysca1e），对应于各个灰度值的黑白程度称灰标。•量化后灰度级数量由2N决定，N（bit）表示每个像素的灰度精度。每个像素灰度精度范围从1位到10位（1024个灰度级）•图像灰度精度的范围为图像的灰度分辨力（对比度分辨力或密度分辨力）。2．灰度级数与数字图像的关系（三）数字图像术语1.矩阵－采集矩阵、显示矩阵、观察视野（FOV）2.象素与体素3.数据－原始数据、显示数据、重建4.采集时间与重建时间5.噪声与信噪比6.灰阶与比特7.亮度响应与动态范围8.窗口技术－窗宽与窗位9.ADC与DAC、软件与硬件数字图像的形成1．图像数据采集（1）抽样（sampling）或采样：ADC把视频图像的每条线都分成一行像素。经抽样，图像被分解成在时间和空间上离散的像素，但像素的灰度值仍是连续值，还需把每个像素连续的灰度值变成离散值。采样：图像在空间上的离散化称为采样。也就是用空间上部分点的灰度值代表图像，这些点称为采样点。由于图像是一种二维分布的信息，为了对它进行采样操作，需要先将二维信号变为一维信号，再对一维信号完成采样。具体做法是，先沿垂直方向按一定间隔从上到下顺序地沿水平方向直线扫描，取出各水平线上灰度值的一维扫描。而后再对一维扫描线信号按一定间隔采样得到离散信号，即先沿垂直方向采样，再沿水平方向采样这两个步骤完成采样操作。对于运动图像（即时间域上的连续图像），需先在时间轴上采样，再沿垂直方向采样，最后沿水平方向采样由这三个步骤完成。对一幅图像采样时，若每行（即横向）像素为M个，每列（即纵向）像素为N个，则图像大小为M×N个像素。在进行采样时，采样点间隔的选取是一个非常重要的问题，它决定了采样后图像的质量，即忠实于原图像的程度。采样间隔的大小选取要依据原图像中包含的细微浓淡变化来决定。一般，图像中细节越多，采样间隔应越小。根据一维采样定理，若一维信号g(t)的最大频率为ω，以T≤1/2ω为间隔进行采样，则能够根据采样结果g(iT)(i=…,-1,0,1，…)完全恢复g(t)，即iiTtsiTgtg)()()(式中ttts2)2sin()(图2-2采样示意图采样行采样列像素行间隔采样间隔一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率低，质量差，严重时出现像素呈块状的国际棋盘效应；采样间隔越小，所得图像像素数越多，空间分辨率高，图像质量好，但数据量大。（2）图像灰度的量化：是把原来连续变化的灰度值变成量值上离散的有限个等级的数字量。量化过程中，每一个被采样像素的亮度值都取整数，所取的数值决定了数字图像的灰度值，并且精确地对应于像素的原点。一幅图像由不同的灰度值组成。量化的级数越多数字化带来的误差越小。常用灰度：8位256个、10位1024个灰度级。量化：模拟图像经过采样后，在时间和空间上离散化为像素。但采样所得的像素值（即灰度值）仍是连续量。把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。图2-3（a）说明了量化过程。若连续灰度值用z来表示，对于满足zi≤z≤zi+1的z值，都量化为整数qi。qi称为像素的灰度值，z与qi的差称为量化误差。一般，像素值量化后用一个字节8bit来表示。如图2-3（b）所示，把由黑—灰—白的连续变化的灰度值，量化为0～255共256级灰度值，灰度值的范围为0～255，表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色为从黑到白。图2-3（a）量化；(b)量化为8bit连续灰度值量化值(整数值)灰度标度灰度量化Zi＋1ZiZi－1qi＋1qi－125525412812710……(a)(b)量化等级越多，所得图像层次越丰富，灰度分辨率高，图像质量好，但数据量大；量化等级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，会出现假轮廓现象，图像质量变差，但数据量小。但在极少数情况下对固定图像大小时，减少灰度级能改善质量，产生这种情况的最可能原因是减少灰度级一般会增加图像的对比度。例如对细节比较丰富的图像数字化。2．图像重建•计算机接收数据采集系统的数字信号后，立即进行数据处理，重建出一幅图像。•再经计算机输出，于监视器屏幕上显示出来。•同时将图像数据进行存储，以备随时调用、处理或显示。3、数字图像转换包括ADC和DAC两个过程。4．数字化图像获取方式1）.过渡方式－电视摄像、扫描仪、固态摄像机、采集卡2）.间接方式－CR、II-TV、非晶硅探测器、CCD3）.直接方式－非晶硒和多丝正比电离室数字图像处理1.图像滤过2.图像降噪3.图像对比度调节4.图像增强5.兴趣区处理6.图像锐化7.边缘检测和突出轮廓数字图像显示技术1.液晶显示2.等离子体显示3.电致发光显示4.平板型阴极射线管与场发射显示计算机辅助诊断(CAD)1.概述2.CAD在乳腺疾病中的应用3.CAD在胸部疾病中的应用•20世纪70年代,国外首先将CAD应用于乳腺诊断•80年代对胸部疾病的CAD技术进行大量研究,取得成果•90年代由于DR的快速发展,加速了CAD技术的研究和临床应用•CAD的本质:利用计算机视觉解释医学图像的内涵,弥补医生凭肉眼观察图像发现异常征象、主观分析影像学表现易出现判断失误的不足•CAD技术主要基于PACS•CAD的意义•CAD的方法：A.肿块的自动检测原始图像预处理特征提取分类良性/恶性/正常B.钙化点的检测分类C.CAD在细胞学检查方面的应用•CAD在胸部疾病中应用主要集中在胸片的心脏和肺野的自动分析,肺结节、气胸的检测，肺间质渗出、肿块和钙化的分类，鉴别诊断等•肺癌是最常见的恶性肿瘤，治疗依赖早期发现，早期发现有困难，所以早期诊断是CAD追求目标