第四章-數(shù)字X線成像

1、第四章 數(shù)字X線成像沈乃澎沈乃澎 講師講師醫(yī)學(xué)影像系影像技術(shù)教研室醫(yī)學(xué)影像系影像技術(shù)教研室主要內(nèi)容第一節(jié) 數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識(shí)第二節(jié) 計(jì)算機(jī)X線攝影CR成像原理（四象限理論）CR圖像處理第三節(jié) 數(shù)字X線攝影直接型FPD 間接型FPD第四節(jié) 數(shù)字剪影血管攝影DSA原理與方法第五節(jié) 數(shù)字X線圖像質(zhì)量2022-6-292目的要求掌握CR成像四象限理論數(shù)字圖像處理基本技術(shù)DSA原理與方法熟悉直接型FPD和間接型FPD的原理數(shù)字圖像的基本處理數(shù)字X線圖像質(zhì)量的影響因素了解CR、DR、DSA新技術(shù)2022-6-293第一節(jié) 數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)字X 線成像技術(shù)是傳統(tǒng)的X 線技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。2022-

2、6-294數(shù)字圖像的特點(diǎn)從應(yīng)用角度分析，數(shù)字圖像與模擬圖像相比具有其自身的特點(diǎn)：1密度分辨力高 屏-片系統(tǒng)的密度分辨力只能達(dá)到26灰階，數(shù)字圖像的密度分辨力可達(dá)到210l2灰階。2可進(jìn)行后圖像處理 只要保留原始數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)診斷需要，有針對(duì)性的對(duì)圖像進(jìn)行處理，以達(dá)到改善圖像質(zhì)量，增加診斷信息，提高診斷準(zhǔn)確性的目的。3可以高保真地存儲(chǔ)、調(diào)閱、傳輸或拷貝 數(shù)字圖像可以存儲(chǔ)于磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)及各種記憶卡中，并可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)閱、傳輸。2022-6-2952022-6-296一、數(shù)字圖像概念數(shù)字圖像：將一幅圖像空間位置分成有限個(gè)像素的小區(qū)域，每個(gè)像素中的灰度平均值用一個(gè)整數(shù)來(lái)表示，這種圖像信息便是數(shù)字信

3、號(hào)，圖像信息為數(shù)字信號(hào)的圖像就是數(shù)字圖像。2022-6-297數(shù)字圖像與圖像矩陣、灰度級(jí)數(shù)的關(guān)系圖像矩陣 圖像矩陣中的行與列的數(shù)目一般都是2 的倍數(shù)。一幅圖像中包含的像素?cái)?shù)目等于圖像矩陣行數(shù)與列數(shù)的乘積。2022-6-298灰度級(jí)數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)變化的灰度值轉(zhuǎn)化為一系列離散的整數(shù)灰度值，量化后的整數(shù)灰度值又稱(chēng)為灰度級(jí)（gray level）或灰階。每個(gè)像素的灰度精度范圍從l 位（2 個(gè)灰度級(jí)）到12 位（4096 個(gè)灰度級(jí)）2022-6-299二、數(shù)字圖像有關(guān)的基本概念1體素（voxel） 代表一定厚度的三維空間的人體體積單元。是一個(gè)三維的概念。2像素（pixel） 組成數(shù)字圖像的基本

4、單元。是一個(gè)二維概念，是體素在成像平面的表現(xiàn)。3像素值 是像素的灰度值或強(qiáng)度值，一個(gè)像素只具有一個(gè)灰度值。4矩陣（matrix） 像素組成的橫成行、縱成列的數(shù)字方陣。5模/數(shù)轉(zhuǎn)換（analog/data, A/D) 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并賦予相應(yīng)量級(jí)，該元件稱(chēng)ADC。2022-6-29106窗口技術(shù)（window technology） 選擇適當(dāng)?shù)拇皩挻参粊?lái)觀察圖像，使病變部位清晰的顯示出來(lái)。7空間分辯力（spatial resolution） 是指圖像能分辨相鄰兩點(diǎn)的能力，常用能分辨兩個(gè)點(diǎn)間的最小距離來(lái)表示。又稱(chēng)幾何分辨力。8密度分辯力（density resolution） 圖像中可辨認(rèn)

5、低密度差別的最小極限，即對(duì)細(xì)微密度差別的分辨能力（數(shù)字圖像灰度精度的范圍）。又稱(chēng)為圖像的灰度分辨力（或?qū)Ρ榷确直媪Γ?噪聲（noise） 影像上觀察到的亮度水平隨機(jī)出現(xiàn)的波動(dòng)，是統(tǒng)計(jì)學(xué)而不是檢測(cè)性的。10.信噪比（SNR） 信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度之比。2022-6-2911三、數(shù)字圖像的形成1圖像數(shù)據(jù)采集 是通過(guò)各種接收器件模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，包括抽樣（sampling)和量化(quantization) ：（1）分割：是將圖像分割成若干個(gè)小單元(空間取樣)處理（下圖a）（2）采樣：對(duì)一幅圖像采樣時(shí)該圖像中像素的每一個(gè)亮點(diǎn)被采樣，亮點(diǎn)的光強(qiáng)度通過(guò)光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（模擬信號(hào)）（下圖b）（

6、3）量化：連續(xù)的灰度值變成離散的有限個(gè)等級(jí)的數(shù)字量。每一個(gè)被采樣像素的亮度值都取整數(shù)，為該點(diǎn)灰度值，并精確地對(duì)應(yīng)于像素點(diǎn)。整數(shù)表示的電子信號(hào)取決于原始信號(hào)的強(qiáng)度，并且與原始信號(hào)的強(qiáng)度成正比。2022-6-29122022-6-29132信號(hào)處理 計(jì)算機(jī)接受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)后，立即進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：根據(jù)需要采取放大、濾波或降噪等處理方法，并將像素的位置信息與強(qiáng)度信息結(jié)合，重建出一幅圖像。3圖像顯示 計(jì)算機(jī)將信號(hào)處理后重建的圖像輸出至監(jiān)視器屏幕上顯示。同時(shí)，將所接受到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以備隨時(shí)調(diào)用、顯示或重建。2022-6-2914四、數(shù)字圖像的基本處理1圖像增強(qiáng) 圖像增強(qiáng)是增強(qiáng)圖像中某些有用

7、信息，削弱或去除無(wú)用信息。如：增強(qiáng)圖像對(duì)比度、提高信噪比、強(qiáng)調(diào)組織邊緣等。2圖像運(yùn)算 圖像運(yùn)算分為代數(shù)運(yùn)算和幾何運(yùn)算。圖像代數(shù)運(yùn)算是指對(duì)兩幅或兩幅以上的圖像進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，處理的基本單位是像素，通過(guò)運(yùn)算改變像素灰度值，但不改變像素之間的相對(duì)位置關(guān)系。圖像幾何運(yùn)算是指對(duì)圖像進(jìn)行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切、鏡像等改變像素相對(duì)位置的處理。2022-6-29153圖像變換 圖像變換是指將圖像轉(zhuǎn)換到頻率域或其他非空間域的變換域中進(jìn)行處理。4圖像分割 圖像分割是按照某種原則將圖像分成若干個(gè)有意義的部分，使得每一部分都符合某種一致性要求。5三維重建 三維圖像重建是指利用獲得的連續(xù)二維斷層圖像信息，按照體

8、繪制、面繪制等運(yùn)算方法，重建出反映組織三維信息的三維影像。2022-6-2916第二節(jié) 計(jì)算機(jī)X 線攝影計(jì)算機(jī)X 線攝影（CR）是使用可記錄并由激光讀出X 線影像信息的成像板（IP）作為載體，經(jīng)X 線曝光及信息讀出處理，形成數(shù)字式平片影像。CR 系統(tǒng)中入射到IP 的X 線量子被IP 的成像層內(nèi)的熒光顆粒吸收，釋放出電子，其中一部分電子散布在成像層內(nèi)呈半穩(wěn)定狀態(tài)，形成潛影（信息記錄）；當(dāng)用激光照射已形成的潛影時(shí)，半穩(wěn)定狀態(tài)的電子轉(zhuǎn)變?yōu)楣饬孔?，發(fā)生光激勵(lì)發(fā)光（PSL）現(xiàn)象，光量子隨即由光電倍增管檢測(cè)到，并被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（信息讀出）；然后數(shù)字信號(hào)被傳送到存儲(chǔ)與顯示元

9、件中作進(jìn)一步處理與顯示（信息的處理與記錄）。2022-6-29172022-6-2918一、CR 系統(tǒng)特點(diǎn)CR 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：1IP 可重復(fù)使用 2具有多種處理技術(shù) 3靈敏度高 具有較高的空間分辨力4具有高的線性度 5動(dòng)態(tài)范圍大 6寬容度大 7高度的識(shí)別性 8可數(shù)字化存儲(chǔ)2022-6-2919CR 系統(tǒng)的缺點(diǎn)：1時(shí)間分辨力較差 不能滿足動(dòng)態(tài)器官結(jié)構(gòu)的顯示；2空間分辨力不如常規(guī)的X 線照片。2022-6-2920二、成像板成像板（IP）結(jié)構(gòu)： IP 由保護(hù)層、PSL 物質(zhì)層、基板等組成。2022-6-29212特性 IP 的固有特征是X 線輻射劑量與激光束激發(fā)的PSL 強(qiáng)度之間的在1:104范圍內(nèi)

10、是線性的，該線性關(guān)系使CR 系統(tǒng)具有高的敏感性和寬的動(dòng)態(tài)范圍。IP 可以重復(fù)使用，在IP 再次使用前，應(yīng)當(dāng)用強(qiáng)光照射，消除可能存在的潛影。在使用中，應(yīng)注意避免IP 出現(xiàn)擦傷。由于IP 中的熒光物質(zhì)對(duì)放射線、紫外線的敏感度遠(yuǎn)高于普通X 線膠片，因此攝影前、后的IP都要屏蔽。攝影后的IP 上的潛影會(huì)因光的照射而消褪，所以必須避光。避光不良或漏光的IP 上的圖像會(huì)因貯存的影像信息量減少而變得發(fā)白，這與普通膠片正好相反。2022-6-2922三、CR 成像基本原理CR 系統(tǒng)成像可用四象限理論來(lái)描述其成像基本原理。1影像信息采集（第一象限） CR 系統(tǒng)的影像是通過(guò)一種涂在IP 上的特殊物質(zhì)-光激勵(lì)發(fā)光物

11、質(zhì)來(lái)完成影像信息的采集，光激勵(lì)發(fā)光（PSL）的強(qiáng)度與二次激發(fā)光（激光）的波長(zhǎng)有關(guān)。2022-6-29232影像信息讀?。ǖ诙笙蓿?貯存在PSL 物質(zhì)中的影像信息是以模擬信號(hào)的形式記錄下來(lái)的，要將其讀出并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，需使用激光掃描讀出裝置（稱(chēng)光激勵(lì)發(fā)光掃描儀或PSL 掃描儀）。2022-6-29243影像信息處理（第三象限） 由第二象限輸入的信息經(jīng)影像處理裝置（IPC）處理，顯示出適用于診斷的影像，顯示的特征是可以獨(dú)立控制的，可根據(jù)診斷要求施行各種處理。如動(dòng)態(tài)范圍壓縮處理、諧調(diào)處理、空間頻率處理、減影處理等，能在較大的范圍內(nèi)改變影像特性。4影像再現(xiàn)（第四象限） 饋入影像記錄裝置（IRC）的

12、影像信號(hào)重新被轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)以獲得X 線照片。第四象限決定了CR 系統(tǒng)中輸出的X 線照片的特性曲線。四象限理論中，第一象限涉及IP 的固有特性，在系統(tǒng)運(yùn)行中是不能調(diào)節(jié)的，第二至四象限則在系統(tǒng)運(yùn)行中可充分調(diào)節(jié)，實(shí)施影像處理功能。2022-6-29252022-6-2926四、CR 系統(tǒng)的圖像處理CR 系統(tǒng)中實(shí)施圖像處理功能分為三個(gè)主要環(huán)節(jié)：第一個(gè)環(huán)節(jié)是與系統(tǒng)的檢測(cè)功能有關(guān)的處理，即第二象限功能。該處理環(huán)節(jié)稱(chēng)為曝光數(shù)據(jù)識(shí)別（EDR）。第二個(gè)環(huán)節(jié)是與顯示的影像特征有關(guān)的處理，即第三象限功能。這一環(huán)節(jié)的功能在于通過(guò)各種特定處理（如諧調(diào)處理、頻率處理、減影處理等）為診斷醫(yī)生提供滿足不同診斷要求的、具有較

13、高診斷價(jià)值的影像。第三個(gè)環(huán)節(jié)是與影像信息的存儲(chǔ)與傳輸功能有關(guān)的處理，即第四象限功能。這個(gè)功能是獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的照片記錄，并在不衰減影像質(zhì)量的前提下實(shí)施影像數(shù)據(jù)的壓縮，以達(dá)到高效率的存儲(chǔ)與傳輸。2022-6-29272022-6-2928（一）與檢測(cè)功能有關(guān)的處理直方圖分析五種類(lèi)型：用于骨骼皮膚的顯示；用于骨骼軟組織的顯示；用于胃腸道鋇劑造影檢查的顯示；著重突出軟組織信息的軟組織顯示；著重突出骨骼信息的骨骼顯示。2022-6-2929（二）與顯示功能有關(guān)的處理顯示功能的處理包括：動(dòng)態(tài)范圍（dynamic range）壓縮處理、諧調(diào)（層次）處理（gradation processing）、空間頻率處

14、理（ spatialfrequency processing）和能量減影處理（ energy subtraction processing）。CR 圖像處理操作界面如右圖所示。2022-6-29301動(dòng)態(tài)范圍壓縮處理指將原始影像信號(hào)的信息范圍按照診斷的需要、用適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗瘮?shù)進(jìn)行壓縮處理，使不需要的信號(hào)被壓縮掉，需要的信號(hào)清楚地顯示出來(lái)。動(dòng)態(tài)范圍壓縮處理在諧調(diào)處理與空間頻率處理之前施行。2022-6-29314減影處理 是通過(guò)采用一定的技術(shù)來(lái)消除無(wú)關(guān)結(jié)構(gòu)的背景影像，使需要觀察的結(jié)構(gòu)能更清楚地顯示。CR 系統(tǒng)也可完成血管造影與非造影影像的減影功能。CR 系統(tǒng)中減影方式有：時(shí)間減影和能量減

15、影。2022-6-2932CR 系統(tǒng)與DSA 設(shè)備相比有下述優(yōu)點(diǎn)：IP 覆蓋范圍大，可克服DSA 設(shè)備中影像增強(qiáng)管（I.I）視野較小的限制；IP 的空間分辨力比I.I-TV 系統(tǒng)高；IP 的動(dòng)態(tài)范圍寬，利于曝光區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)具有明顯密度差別時(shí)信息的采集；曝光劑量低。2022-6-2933五、影響CR 影像質(zhì)量的因素CR 系統(tǒng)成像過(guò)程中，對(duì)影像質(zhì)量的影響主要在于信息的采集、信息的讀出、信息的處理與記錄四個(gè)環(huán)節(jié)中，尤其以IP 的特征和閱讀器的性能為重要。1決定系統(tǒng)響應(yīng)性的因素（1）進(jìn)入IP 的散射線（2）激光束在IP 熒光層上的散射（3）電子系統(tǒng)的響應(yīng)特征2噪聲 CR 系統(tǒng)中存在著兩種噪聲，即量子噪

16、聲（X 線量依賴(lài)性噪聲）和固有噪聲（非X 線量依賴(lài)性噪聲），量子噪聲又分為X 線量子噪聲和光量子噪聲。2022-6-2934第三節(jié) 數(shù)字X 線攝影一、影像信息接收器（一）直接轉(zhuǎn)換型平板探測(cè)器直接轉(zhuǎn)換FPD 分為非晶硒（a-Se）為光電材料的FPD 和多絲正比電離室型（現(xiàn)在已很少使用）。1非晶硒（a-Se）平板探測(cè)器（1）組成：a-Se FPD 由X 線轉(zhuǎn)換、探測(cè)元陣列、高速信號(hào)處理和數(shù)字影像傳輸單元等組成。2022-6-29352022-6-29362022-6-2937（2）成像原理：2022-6-2938（二）間接轉(zhuǎn)換平板探測(cè)器間接轉(zhuǎn)換平板探測(cè)器又分為碘化銫+非晶硅（CsIa-Si）和電荷

17、藕合器件（CCD）攝像機(jī)兩種。1CsIa-Si 平板探測(cè)器 與直接轉(zhuǎn)換FPD 的區(qū)別主要在于熒光材料層和探測(cè)元陣列層。（1）組成：a-Si FPD 由熒光材料、探測(cè)元陣列、信號(hào)讀取和信號(hào)處理單元等組成（下圖）2022-6-29392022-6-2940（2）工作原理：位于探測(cè)器頂層的CsI 閃爍晶體將入射的X 線圖像轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光圖像；位于CsI 層下的a-Si 光電二極管陣列將可見(jiàn)光圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖像，每一個(gè)像素的電荷量與入射的X 線強(qiáng)度成正比，同時(shí)該陣列還將空間上連續(xù)的X 線圖像轉(zhuǎn)換為一定數(shù)量的行和列構(gòu)成的點(diǎn)陣式圖像；在中央時(shí)序控制器的統(tǒng)一控制下，位于行方向的行驅(qū)動(dòng)電路與位于列方向的讀取電路

18、將電荷信號(hào)逐行取出，轉(zhuǎn)換為串行脈沖序列并量化為數(shù)字信號(hào)。獲取的數(shù)字信號(hào)經(jīng)通信接口電路傳送至圖像處理器，形成X 線數(shù)字圖像。上述過(guò)程完成后，掃描控制器自動(dòng)對(duì)探測(cè)器內(nèi)的感應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行掃描，去除潛影。2022-6-29412CCD攝像機(jī)探測(cè)器 TV 攝像機(jī)有攝像管攝像機(jī)和CCD（電荷藕合器件）攝像機(jī)。CCD系統(tǒng)和攝像管相比，在穩(wěn)定性、幾何精確度、信號(hào)一致性和體積方面都有優(yōu)越性。但CCD 攝像機(jī)與其它X 線轉(zhuǎn)換設(shè)備如影像增強(qiáng)器或閃爍體相匹配時(shí)，優(yōu)點(diǎn)就不如平板探測(cè)器那么明顯。CCD 攝像機(jī)陣列技術(shù)是采用近百個(gè)性能一致的CCD 攝像機(jī)整齊排列在同一平面上，它們前方一定距離（共同的焦點(diǎn)）上是一張熒光屏。X 線

19、對(duì)被檢體曝光時(shí)，熒光屏發(fā)出人體組織的可見(jiàn)光影像，每一個(gè)CCD 攝影機(jī)攝取一定范圍的熒光影像，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，將圖像拼接，形成一幅完整的圖像。2022-6-2942二、成像性能數(shù)字X 線成像比屏-片系統(tǒng)、CR 系統(tǒng)成像的成像性能更優(yōu)越，主要有三個(gè)方面。1X 線敏感度 高X 線敏感度是X 線透視的首要條件。直接轉(zhuǎn)換方法的感度取決于a-Se 層的X 線吸收效率。2022-6-29432X 線響應(yīng)特性在管電壓80kVp，X 線管前放置20mm 鋁板測(cè)量對(duì)應(yīng)于X 線劑量的電子信號(hào)。電子信號(hào)在很寬的X 線曝光范圍內(nèi)顯示出良好的線性，在X 線曝光量過(guò)高的特殊情況下達(dá)到飽和。這些優(yōu)秀的X

20、 線探測(cè)器性能在從X 線透視到攝影的寬范圍內(nèi)都是適用的。2022-6-29443空間分辨力2022-6-2945第四節(jié) 數(shù)字減影血管造影數(shù)字減影血管造影（DSA）是計(jì)算機(jī)與常規(guī)X 線血管造影相結(jié)合的一種檢查方法。2022-6-29462022-6-2947DSA 成像裝置由影像增強(qiáng)器-攝像機(jī)、對(duì)數(shù)放大-A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、影像處理機(jī)及顯示裝置等組成。2022-6-2948一、DSA 原理DSA 中用來(lái)數(shù)字化并相減的信號(hào)取自攝像機(jī)的輸出端，它是由透過(guò)人體后的X 線強(qiáng)度決定的。當(dāng)單能窄束X 線通過(guò)兩均勻介質(zhì)時(shí)，X 線射出強(qiáng)度IT和入射X 線強(qiáng)度I0之間服從指數(shù)衰減規(guī)律。2022-6-2949DSA 成像過(guò)程：攝制普通片，制成蒙片；攝制血管造影片（充盈圖像）；將蒙片與血管造影片加權(quán)減影即得到DSA 圖像。2022-6-2950二、減影方式1時(shí)間減影 DSA 的常用方式。在注入的對(duì)比劑進(jìn)入ROI 之前，將一幀或多幀圖像作為蒙片儲(chǔ)存起來(lái)，并與含有對(duì)比劑的造影像一一相減。時(shí)間減影又可分為常規(guī)方式、脈沖方式、超脈沖方式等。20