數(shù)字X線成像課件

第四章數(shù)字X線成像沈乃澎講師shennp@163.com醫(yī)學(xué)影像系影像技術(shù)教研室第四章數(shù)字X線成像沈乃澎講師主要內(nèi)容第一節(jié)數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識第二節(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2022/10/312主要內(nèi)容第一節(jié)數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識2022/10/232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)2022/10/313目的要求掌握2022/10/233第一節(jié)數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識數(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。2022/10/314第一節(jié)數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識數(shù)字X線成像技術(shù)是傳統(tǒng)的X線技術(shù)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210~l2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，有針對性的對圖像進(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、調(diào)閱、傳輸或拷貝數(shù)字圖像可以存儲于磁盤、磁帶、光盤及各種記憶卡中，并可隨時進(jìn)行調(diào)閱、傳輸。2022/10/315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2022/10/3162022/10/236一、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像素的小區(qū)域，每個像素中的灰度平均值用一個整數(shù)來表示，這種圖像信息便是數(shù)字信號，圖像信息為數(shù)字信號的圖像就是數(shù)字圖像。2022/10/317一、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像素的數(shù)字圖像與圖像矩陣、灰度級數(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。2022/10/318數(shù)字圖像與圖像矩陣、灰度級數(shù)的關(guān)系圖像矩陣圖像矩陣中的灰度級數(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)灰度值又稱為灰度級（graylevel）或灰階。每個像素的灰度精度范圍從l位（2個灰度級）到12位（4096個灰度級）2022/10/319灰度級數(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。是一個三維的概念。2．像素（pixel）組成數(shù)字圖像的基本單元。是一個二維概念，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，一個像素只具有一個灰度值。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)

模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并賦予相應(yīng)量級，該元件稱ADC。2022/10/3110二、數(shù)字圖像有關(guān)的基本概念1．體素（voxel）代表一定厚6．窗口技術(shù)（windowtechnology）選擇適當(dāng)?shù)拇皩挻参粊碛^察圖像，使病變部位清晰的顯示出來。7．空間分辯力（spatialresolution）是指圖像能分辨相鄰兩點(diǎn)的能力，常用能分辨兩個點(diǎn)間的最小距離來表示。又稱幾何分辨力。8．密度分辯力（densityresolution）圖像中可辨認(rèn)低密度差別的最小極限，即對細(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，是統(tǒng)計(jì)學(xué)而不是檢測性的。10.信噪比（SNR）信號強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度之比。2022/10/31116．窗口技術(shù)（windowtechnology）選擇適當(dāng)三、數(shù)字圖像的形成1．圖像數(shù)據(jù)采集是通過各種接收器件模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，包括抽樣（sampling)和量化(quantization)：（1）分割：是將圖像分割成若干個小單元(空間取樣)處理（下圖a）（2）采樣：對一幅圖像采樣時該圖像中像素的每一個亮點(diǎn)被采樣，亮點(diǎn)的光強(qiáng)度通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號（模擬信號）（下圖b）（3）量化：連續(xù)的灰度值變成離散的有限個等級的數(shù)字量。每一個被采樣像素的亮度值都取整數(shù)，為該點(diǎn)灰度值，并精確地對應(yīng)于像素點(diǎn)。整數(shù)表示的電子信號取決于原始信號的強(qiáng)度，并且與原始信號的強(qiáng)度成正比。2022/10/3112三、數(shù)字圖像的形成1．圖像數(shù)據(jù)采集是通過各種接收器件模擬信2022/10/31132022/10/23132．信號處理計(jì)算機(jī)接受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)字信號后，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)將信號處理后重建的圖像輸出至監(jiān)視器屏幕上顯示。同時，將所接受到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以備隨時調(diào)用、顯示或重建。2022/10/31142．信號處理計(jì)算機(jī)接受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)字信號后，立即進(jìn)行數(shù)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)圖像中某些有用信息，削弱或去除無用信息。如：增強(qiáng)圖像對比度、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，通過運(yùn)算改變像素灰度值，但不改變像素之間的相對位置關(guān)系。圖像幾何運(yùn)算是指對圖像進(jìn)行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、錯切、鏡像等改變像素相對位置的處理。2022/10/3115四、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3．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。2022/10/31163．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，半穩(wěn)定狀態(tài)的電子轉(zhuǎn)變?yōu)楣饬孔樱l(fā)生光激勵發(fā)光（PSL）現(xiàn)象，光量子隨即由光電倍增管檢測到，并被轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（信息讀出）；然后數(shù)字信號被傳送到存儲與顯示元件中作進(jìn)一步處理與顯示（信息的處理與記錄）。2022/10/3117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2022/10/31182022/10/2318一、CR系統(tǒng)特點(diǎn)CR系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：1．IP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．動態(tài)范圍大6．寬容度大7．高度的識別性8．可數(shù)字化存儲2022/10/3119一、CR系統(tǒng)特點(diǎn)CR系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：2022/10/2319CR系統(tǒng)的缺點(diǎn)：1．時間分辨力較差不能滿足動態(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。2022/10/3120CR系統(tǒng)的缺點(diǎn)：2022/10/2320二、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。2022/10/3121二、成像板成像板（IP）結(jié)構(gòu)：IP由保護(hù)層、PSL物質(zhì)2．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)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。2022/10/31222．特性2022/10/2322三、CR成像基本原理CR系統(tǒng)成像可用四象限理論來描述其成像基本原理。1．影像信息采集（第一象限）CR系統(tǒng)的影像是通過一種涂在IP上的特殊物質(zhì)-光激勵發(fā)光物質(zhì)來完成影像信息的采集，光激勵發(fā)光（PSL）的強(qiáng)度與二次激發(fā)光（激光）的波長有關(guān)。2022/10/3123三、CR成像基本原理CR系統(tǒng)成像可用四象限理論來描述其成2．影像信息讀?。ǖ诙笙蓿┵A存在PSL物質(zhì)中的影像信息是以模擬信號的形式記錄下來的，要將其讀出并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，需使用激光掃描讀出裝置（稱光激勵發(fā)光掃描儀或PSL掃描儀）。2022/10/31242．影像信息讀?。ǖ诙笙蓿┵A存在PSL物質(zhì)中的影像信息3．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）的影像信號重新被轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號以獲得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。2022/10/31253．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2022/10/31262022/10/2326四、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主要環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)是與系統(tǒng)的檢測功能有關(guān)的處理，即第二象限功能。該處理環(huán)節(jié)稱為〝曝光數(shù)據(jù)識別〞（EDR）。第二個環(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、具有較高診斷價(jià)值的影像。第三個環(huán)節(jié)是與影像信息的存儲與傳輸功能有關(guān)的處理，即第四象限功能。這個功能是獲得質(zhì)量優(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)到高效率的存儲與傳輸。2022/10/3127四、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2022/10/31282022/10/2328（一）與檢測功能有關(guān)的處理直方圖分析五種類型：①用于骨骼～皮膚的顯示；②用于骨骼～軟組織的顯示；③用于胃腸道鋇劑造影檢查的顯示；④著重突出軟組織信息的軟組織顯示；⑤著重突出骨骼信息的骨骼顯示。2022/10/3129（一）與檢測功能有關(guān)的處理2022/10/2329（二）與顯示功能有關(guān)的處理顯示功能的處理包括：動態(tài)范圍（dynamicrange）壓縮處理、諧調(diào)（層次）處理（gradationprocessing）、空間頻率處理（spatialfrequencyprocessing）和能量減影處理（energy

subtractionprocessing）。CR圖像處理操作界面如右圖所示。2022/10/3130（二）與顯示功能有關(guān)的處理2022/10/23301．動態(tài)范圍壓縮處理指將原始影像信號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，使不需要的信號被壓縮掉，需要的信號清楚地顯示出來。動態(tài)范圍壓縮處理在諧調(diào)處理與空間頻率處理之前施行。2022/10/31311．動態(tài)范圍壓縮處理2022/10/23314．減影處理是通過采用一定的技術(shù)來消除無關(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：時間減影和能量減影。2022/10/31324．減影處理是通過采用一定的技術(shù)來消除無關(guān)結(jié)構(gòu)的背景影像，CR系統(tǒng)與DSA設(shè)備相比有下述優(yōu)點(diǎn)：①IP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；②IP的空間分辨力比I.I-TV系統(tǒng)高；③IP的動態(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信息的采集；④曝光劑量低。2022/10/3133CR系統(tǒng)與DSA設(shè)備相比有下述優(yōu)點(diǎn)：①IP覆蓋范圍大，五、影響CR影像質(zhì)量的因素CR系統(tǒng)成像過程中，對影像質(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，即量子噪聲（X線量依賴性噪聲）和固有噪聲（非X線量依賴性噪聲），量子噪聲又分為X線量子噪聲和光量子噪聲。2022/10/3134五、影響CR影像質(zhì)量的因素CR系統(tǒng)成像過程中，對影像質(zhì)量第三節(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）平板探測器（1）組成：a-SeFPD由X線轉(zhuǎn)換、探測元陣列、高速信號處理和數(shù)字影像傳輸單元等組成。2022/10/3135第三節(jié)數(shù)字X線攝影一、影像信息接收器2022/10/232022/10/31362022/10/23362022/10/31372022/10/2337（2）成像原理：2022/10/3138（2）成像原理：2022/10/2338（二）間接轉(zhuǎn)換平板探測器間接轉(zhuǎn)換平板探測器又分為碘化銫+非晶硅（CsI＋a-Si）和電荷藕合器件（CCD）攝像機(jī)兩種。1．CsI＋a-Si平板探測器與直接轉(zhuǎn)換FPD的區(qū)別主要在于熒光材料層和探測元陣列層。（1）組成：a-SiFPD由熒光材料、探測元陣列、信號讀取和信號處理單元等組成（下圖）2022/10/3139（二）間接轉(zhuǎn)換平板探測器2022/10/23392022/10/31402022/10/2340（2）工作原理：位于探測器頂層的CsI閃爍晶體將入射的X線圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像；位于CsI層下的a-Si光電二極管陣列將可見光圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖像，每一個像素的電荷量與入射的X線強(qiáng)度成正比，同時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；在中央時序控制器的統(tǒng)一控制下，位于行方向的行驅(qū)動電路與位于列方向的讀取電路將電荷信號逐行取出，轉(zhuǎn)換為串行脈沖序列并量化為數(shù)字信號。獲取的數(shù)字信號經(jīng)通信接口電路傳送至圖像處理器，形成X線數(shù)字圖像。上述過程完成后，掃描控制器自動對探測器內(nèi)的感應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行掃描，去除潛影。2022/10/3141（2）工作原理：位于探測器頂層的CsI閃爍晶體將入射的X2．CCD＋攝像機(jī)探測器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，優(yōu)點(diǎn)就不如平板探測器那么明顯。CCD攝像機(jī)陣列技術(shù)是采用近百個性能一致的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線對被檢體曝光時，熒光屏發(fā)出人體組織的可見光影像，每一個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，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。2022/10/31422．CCD＋攝像機(jī)探測器TV攝像機(jī)有攝像管攝像機(jī)和CCD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，主要有三個方面。1．X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。2022/10/3143二、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2．X線響應(yīng)特性在管電壓80kVp，X線管前放置20mm鋁板測量對應(yīng)于X線劑量的電子信號。電子信號在很寬的X線曝光范圍內(nèi)顯示出良好的線性，在X線曝光量過高的特殊情況下達(dá)到飽和。這些優(yōu)秀的X線探測器性能在從X線透視到攝影的寬范圍內(nèi)都是適用的。2022/10/31442．X線響應(yīng)特性2022/10/23443．空間分辨力2022/10/31453．空間分辨力2022/10/2345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。2022/10/3146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2022/10/31472022/10/2347DSA成像裝置由影像增強(qiáng)器-攝像機(jī)、對數(shù)放大-A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、影像處理機(jī)及顯示裝置等組成。2022/10/3148DSA成像裝置由影像增強(qiáng)器-攝像機(jī)、對數(shù)放大-A/D轉(zhuǎn)換一、DSA原理DSA中用來數(shù)字化并相減的信號取自攝像機(jī)的輸出端，它是由透過人體后的X線強(qiáng)度決定的。當(dāng)單能窄束X線通過兩均勻介質(zhì)時，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。2022/10/3149一、DSA原理DSA中用來數(shù)字化并相減的信號取自攝像機(jī)的DSA成像過程：①攝制普通片，制成蒙片；②攝制血管造影片（充盈圖像）；③將蒙片與血管造影片加權(quán)減影即得到DSA圖像。2022/10/3150DSA成像過程：①攝制普通片，制成蒙片；②攝制血管造影片（二、減影方式1．時間減影DSA的常用方式。在注入的對比劑進(jìn)入ROI之前，將一幀或多幀圖像作為蒙片儲存起來，并與含有對比劑的造影像一一相減。時間減影又可分為常規(guī)方式、脈沖方式、超脈沖方式等。2022/10/3151二、減影方式1．時間減影DSA的常用方式。在注入的對比劑2．能量減影能量減影也稱為雙能減影（dual-energysubtraction）、K-緣減影。進(jìn)行某ROI血管造影時，幾乎同時用兩個不同的管電壓取得兩幀圖像對其相減，由于兩幀圖像是由兩種不同的能量攝制的，故稱之為能量減影。3．混合減影混合減影是基于時間與能量兩種減影方式相結(jié)合的減影方法。其基本原理是，在注入對比劑前后各使用一次能量減影，獲得的注入對比劑前后能量減影像各一幀，對這兩幀能量減影圖像再減影一次，即得到混合減影圖像。值得注意的是，經(jīng)過兩次減影，信號有所減少，噪聲有所增大。SNR大幅度地減少。補(bǔ)救辦法有，加大曝光量和使用濾過。2022/10/31522．能量減影能量減影也稱為雙能減影（dual-energy三、影響DSA圖像質(zhì)量的因素影響DSA圖像質(zhì)量的主要因素有噪聲與運(yùn)動偽影。1．噪聲DSA圖像的噪聲主要包括X線穿過被檢體時的散射噪聲、攝影機(jī)的噪聲、A/D轉(zhuǎn)換噪聲等。其中散射噪聲是最主要的噪聲之一，取決于被檢體厚度，被檢體越厚，散射越多，噪聲越大。2．運(yùn)動偽影是在攝片過程中由于被檢者的運(yùn)動而產(chǎn)生的偽影。DSA系統(tǒng)均有消除運(yùn)動偽影的功能，以便于實(shí)現(xiàn)最佳匹配。但是如果運(yùn)動偽影過大，則可能使兩幀圖像無法匹配。運(yùn)動偽影可以由受檢者運(yùn)動所造成，也可以由成像系統(tǒng)不穩(wěn)定所致。此外，對比劑濃度、攝片的時間、受檢者的部位、心臟的跳動、腹部的蠕動及受檢者的精神狀態(tài)也是影響DSA成像質(zhì)量的重要因素。2022/10/3153三、影響DSA圖像質(zhì)量的因素影響DSA圖像質(zhì)量的主要因素課堂小結(jié)CR成像的四象限理論數(shù)字圖像后處理圖像后處理與模擬X線成像理論的對照數(shù)字化FPD的原理DSA的原理DR新技術(shù)2022/10/3154課堂小結(jié)CR成像的四象限理論2022/10/23542022/10/3155謝謝2022/10/2355謝謝第四章數(shù)字X線成像沈乃澎講師shennp@163.com醫(yī)學(xué)影像系影像技術(shù)教研室第四章數(shù)字X線成像沈乃澎講師主要內(nèi)容第一節(jié)數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識第二節(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2022/10/3157主要內(nèi)容第一節(jié)數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識2022/10/232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)2022/10/3158目的要求掌握2022/10/233第一節(jié)數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識數(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。2022/10/3159第一節(jié)數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識數(shù)字X線成像技術(shù)是傳統(tǒng)的X線技術(shù)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210~l2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，有針對性的對圖像進(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、調(diào)閱、傳輸或拷貝數(shù)字圖像可以存儲于磁盤、磁帶、光盤及各種記憶卡中，并可隨時進(jìn)行調(diào)閱、傳輸。2022/10/3160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2022/10/31612022/10/236一、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像素的小區(qū)域，每個像素中的灰度平均值用一個整數(shù)來表示，這種圖像信息便是數(shù)字信號，圖像信息為數(shù)字信號的圖像就是數(shù)字圖像。2022/10/3162一、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像素的數(shù)字圖像與圖像矩陣、灰度級數(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。2022/10/3163數(shù)字圖像與圖像矩陣、灰度級數(shù)的關(guān)系圖像矩陣圖像矩陣中的灰度級數(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)灰度值又稱為灰度級（graylevel）或灰階。每個像素的灰度精度范圍從l位（2個灰度級）到12位（4096個灰度級）2022/10/3164灰度級數(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。是一個三維的概念。2．像素（pixel）組成數(shù)字圖像的基本單元。是一個二維概念，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，一個像素只具有一個灰度值。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)

模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并賦予相應(yīng)量級，該元件稱ADC。2022/10/3165二、數(shù)字圖像有關(guān)的基本概念1．體素（voxel）代表一定厚6．窗口技術(shù)（windowtechnology）選擇適當(dāng)?shù)拇皩挻参粊碛^察圖像，使病變部位清晰的顯示出來。7．空間分辯力（spatialresolution）是指圖像能分辨相鄰兩點(diǎn)的能力，常用能分辨兩個點(diǎn)間的最小距離來表示。又稱幾何分辨力。8．密度分辯力（densityresolution）圖像中可辨認(rèn)低密度差別的最小極限，即對細(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，是統(tǒng)計(jì)學(xué)而不是檢測性的。10.信噪比（SNR）信號強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度之比。2022/10/31666．窗口技術(shù)（windowtechnology）選擇適當(dāng)三、數(shù)字圖像的形成1．圖像數(shù)據(jù)采集是通過各種接收器件模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，包括抽樣（sampling)和量化(quantization)：（1）分割：是將圖像分割成若干個小單元(空間取樣)處理（下圖a）（2）采樣：對一幅圖像采樣時該圖像中像素的每一個亮點(diǎn)被采樣，亮點(diǎn)的光強(qiáng)度通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號（模擬信號）（下圖b）（3）量化：連續(xù)的灰度值變成離散的有限個等級的數(shù)字量。每一個被采樣像素的亮度值都取整數(shù)，為該點(diǎn)灰度值，并精確地對應(yīng)于像素點(diǎn)。整數(shù)表示的電子信號取決于原始信號的強(qiáng)度，并且與原始信號的強(qiáng)度成正比。2022/10/3167三、數(shù)字圖像的形成1．圖像數(shù)據(jù)采集是通過各種接收器件模擬信2022/10/31682022/10/23132．信號處理計(jì)算機(jī)接受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)字信號后，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)將信號處理后重建的圖像輸出至監(jiān)視器屏幕上顯示。同時，將所接受到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以備隨時調(diào)用、顯示或重建。2022/10/31692．信號處理計(jì)算機(jī)接受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)字信號后，立即進(jìn)行數(shù)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)圖像中某些有用信息，削弱或去除無用信息。如：增強(qiáng)圖像對比度、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，通過運(yùn)算改變像素灰度值，但不改變像素之間的相對位置關(guān)系。圖像幾何運(yùn)算是指對圖像進(jìn)行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、錯切、鏡像等改變像素相對位置的處理。2022/10/3170四、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3．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。2022/10/31713．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，半穩(wěn)定狀態(tài)的電子轉(zhuǎn)變?yōu)楣饬孔樱l(fā)生光激勵發(fā)光（PSL）現(xiàn)象，光量子隨即由光電倍增管檢測到，并被轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（信息讀出）；然后數(shù)字信號被傳送到存儲與顯示元件中作進(jìn)一步處理與顯示（信息的處理與記錄）。2022/10/3172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2022/10/31732022/10/2318一、CR系統(tǒng)特點(diǎn)CR系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：1．IP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．動態(tài)范圍大6．寬容度大7．高度的識別性8．可數(shù)字化存儲2022/10/3174一、CR系統(tǒng)特點(diǎn)CR系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：2022/10/2319CR系統(tǒng)的缺點(diǎn)：1．時間分辨力較差不能滿足動態(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。2022/10/3175CR系統(tǒng)的缺點(diǎn)：2022/10/2320二、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。2022/10/3176二、成像板成像板（IP）結(jié)構(gòu)：IP由保護(hù)層、PSL物質(zhì)2．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)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。2022/10/31772．特性2022/10/2322三、CR成像基本原理CR系統(tǒng)成像可用四象限理論來描述其成像基本原理。1．影像信息采集（第一象限）CR系統(tǒng)的影像是通過一種涂在IP上的特殊物質(zhì)-光激勵發(fā)光物質(zhì)來完成影像信息的采集，光激勵發(fā)光（PSL）的強(qiáng)度與二次激發(fā)光（激光）的波長有關(guān)。2022/10/3178三、CR成像基本原理CR系統(tǒng)成像可用四象限理論來描述其成2．影像信息讀取（第二象限）貯存在PSL物質(zhì)中的影像信息是以模擬信號的形式記錄下來的，要將其讀出并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，需使用激光掃描讀出裝置（稱光激勵發(fā)光掃描儀或PSL掃描儀）。2022/10/31792．影像信息讀取（第二象限）貯存在PSL物質(zhì)中的影像信息3．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）的影像信號重新被轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號以獲得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。2022/10/31803．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2022/10/31812022/10/2326四、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主要環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)是與系統(tǒng)的檢測功能有關(guān)的處理，即第二象限功能。該處理環(huán)節(jié)稱為〝曝光數(shù)據(jù)識別〞（EDR）。第二個環(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、具有較高診斷價(jià)值的影像。第三個環(huán)節(jié)是與影像信息的存儲與傳輸功能有關(guān)的處理，即第四象限功能。這個功能是獲得質(zhì)量優(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)到高效率的存儲與傳輸。2022/10/3182四、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2022/10/31832022/10/2328（一）與檢測功能有關(guān)的處理直方圖分析五種類型：①用于骨骼～皮膚的顯示；②用于骨骼～軟組織的顯示；③用于胃腸道鋇劑造影檢查的顯示；④著重突出軟組織信息的軟組織顯示；⑤著重突出骨骼信息的骨骼顯示。2022/10/3184（一）與檢測功能有關(guān)的處理2022/10/2329（二）與顯示功能有關(guān)的處理顯示功能的處理包括：動態(tài)范圍（dynamicrange）壓縮處理、諧調(diào)（層次）處理（gradationprocessing）、空間頻率處理（spatialfrequencyprocessing）和能量減影處理（energy

subtractionprocessing）。CR圖像處理操作界面如右圖所示。2022/10/3185（二）與顯示功能有關(guān)的處理2022/10/23301．動態(tài)范圍壓縮處理指將原始影像信號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，使不需要的信號被壓縮掉，需要的信號清楚地顯示出來。動態(tài)范圍壓縮處理在諧調(diào)處理與空間頻率處理之前施行。2022/10/31861．動態(tài)范圍壓縮處理2022/10/23314．減影處理是通過采用一定的技術(shù)來消除無關(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：時間減影和能量減影。2022/10/31874．減影處理是通過采用一定的技術(shù)來消除無關(guān)結(jié)構(gòu)的背景影像，CR系統(tǒng)與DSA設(shè)備相比有下述優(yōu)點(diǎn)：①IP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；②IP的空間分辨力比I.I-TV系統(tǒng)高；③IP的動態(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信息的采集；④曝光劑量低。2022/10/3188CR系統(tǒng)與DSA設(shè)備相比有下述優(yōu)點(diǎn)：①IP覆蓋范圍大，五、影響CR影像質(zhì)量的因素CR系統(tǒng)成像過程中，對影像質(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，即量子噪聲（X線量依賴性噪聲）和固有噪聲（非X線量依賴性噪聲），量子噪聲又分為X線量子噪聲和光量子噪聲。2022/10/3189五、影響CR影像質(zhì)量的因素CR系統(tǒng)成像過程中，對影像質(zhì)量第三節(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）平板探測器（1）組成：a-SeFPD由X線轉(zhuǎn)換、探測元陣列、高速信號處理和數(shù)字影像傳輸單元等組成。2022/10/3190第三節(jié)數(shù)字X線攝影一、影像信息接收器2022/10/232022/10/31912022/10/23362022/10/31922022/10/2337（2）成像原理：2022/10/3193（2）成像原理：2022/10/2338（二）間接轉(zhuǎn)換平板探測器間接轉(zhuǎn)換平板探測器又分為碘化銫+非晶硅（CsI＋a-Si）和電荷藕合器件（CCD）攝像機(jī)兩種。1．CsI＋a-Si平板探測器與直接轉(zhuǎn)換FPD的區(qū)別主要在于熒光材料層和探測元陣列層。（1）組成：a-SiFPD由熒光材料、探測元陣列、信號讀取和信號處理單元等組成（下圖）2022/10/3194（二）間接轉(zhuǎn)換平板探測器2022/10/23392022/10/31952022/10/2340（2）工作原理：位于探測器頂層的CsI閃爍晶體將入射的X線圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像；位于CsI層下的a-Si光電二極管陣列將可見光圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖像，每一個像素的電荷量與入射的X線強(qiáng)度成正比，同時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；在中央時序控制器的統(tǒng)一控制下，位于行方向的行驅(qū)動電路與位于列方向的讀取電路將電荷信號逐行取出，轉(zhuǎn)換為串行脈沖序列并量化為數(shù)字信號。獲取的數(shù)字信號經(jīng)通信接口電路傳送至圖像處理器，形成X線數(shù)字圖像。上述過程完成后，掃描控制器自動對探測器內(nèi)的感應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行掃描，去除潛影。2022/10/3196（2）工作原理：位于探測器頂層的CsI閃爍晶體將入射的X2．CCD＋攝像機(jī)探測器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，優(yōu)點(diǎn)就不如平板探測器那么明顯。CCD攝像機(jī)陣列技術(shù)是采用近百個性能一致的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線對被檢體曝光時，熒光屏發(fā)出人體組織的可見光影像，每一個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，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。2022/10/31972．CCD＋攝像機(jī)探測器TV攝像機(jī)有攝像管攝像機(jī)和CCD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，主要有三個方面。1．X線