數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理培訓(xùn)課件

主要內(nèi)容第一節(jié)數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識第二節(jié)計算機(jī)X線攝影第三節(jié)數(shù)字X線攝影第四節(jié)數(shù)字減影血管造影1數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023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)與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。圖4-1數(shù)字X線成像系統(tǒng)框圖2數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023一、數(shù)字圖像概念數(shù)字圖像：如果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。與數(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度值，一個像素只具有一個灰度值。3數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20234.矩陣（matrix）

：

一個橫成行、縱成列的數(shù)字方陣。5.采集矩陣（acquisionmatrix）：每幅畫面觀察視野所含像素的數(shù)目；6.顯示矩陣（displaymatrix）：監(jiān)示器上顯示的圖像像素數(shù)目。7.視野（fieldofview，F(xiàn)OV）：擬進(jìn)行檢查容積的選定區(qū)域。8.位深(bitdepth)：

又稱位分辨力(bitresolution)，代表一幅圖像中包含的二進(jìn)制位的數(shù)量。8位深(28)表示有256種灰度或彩色組合。9.模/數(shù)(analogidata，A/D)：指把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，即把連續(xù)的模擬信號分解為離散的信息，并分別賦予相應(yīng)的數(shù)字量級，完成這種轉(zhuǎn)換的元件稱模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。4數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/202310.灰階(grayscale)：在影像或顯示器上所呈現(xiàn)的黑白圖像上的各點表現(xiàn)出不同深度灰色，把白色與黑色之間分成若干級，稱為灰度等級，表現(xiàn)的灰度(或亮度)信號的等級差別稱為灰階。為適應(yīng)人視覺的最大等級范圍，灰階一般只有16個刻度，但每一刻度內(nèi)又有4級連續(xù)變化的灰度，共有64個連續(xù)的不同灰度的過渡等級。11.原始數(shù)據(jù)(rawdata)：由探測器直接接收到的信號，經(jīng)放大后再通過A/D轉(zhuǎn)換所得到的數(shù)據(jù)。12.顯示數(shù)據(jù)(displaydata)：組成某層面圖像的數(shù)據(jù)，亦即該層面各體素灰度值的矩陣中的數(shù)據(jù)。5數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/202313.動態(tài)范圍(dynamicrange)：對光電轉(zhuǎn)換器而言，亮度響應(yīng)并非從零水平開始，也不會持續(xù)無限大的亮度，響應(yīng)的有用最大與最小亮度值之比即為動態(tài)范圍。14.窗口技術(shù)(windowtechnology)：是調(diào)節(jié)數(shù)字圖像灰階亮度的一種重要方法。即選擇適當(dāng)?shù)拇皩捄痛拔粊碛^察圖像，使病變部位清晰地顯示出來。15.窗寬(windowwidth，WW)：表示數(shù)字圖像所顯示灰階范圍，即放大的灰度范圍上下限之差。16.窗位(windowlevel，WL)：又稱窗水平。是圖像顯示中放大的灰度范圍的平均值，即放大灰度范圍的灰度中心值。6數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/202317.空間分辨力(spatialresolution)：又稱高對比分辨力，是指圖像能分辨相鄰兩點的能力，常用能分辨兩點的最小距離來表示。通常用LP/mm表示。18.密度分辨力(densityresolution)：又稱低對比分辨力，是指在低對比情況下分辨物體密度微小差別的能力。通常用百分?jǐn)?shù)表示。19.時間分辨力(temporalresolution)：成像系統(tǒng)單位時間可采集的圖像數(shù)。20.噪聲(noise)：為圖像中可見的斑點、細(xì)粒、網(wǎng)紋或雪花狀的異常結(jié)構(gòu)，是影響影像質(zhì)量的重要因素，它掩蓋或降低了某些影像細(xì)節(jié)的可見度，使獲得的影像不清晰。在X線數(shù)字成像中，影像上觀察到的亮度水平隨機(jī)出現(xiàn)的波動稱為噪聲。從本質(zhì)上分析，噪聲主要是統(tǒng)計學(xué)而不是檢測性的。

7數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/202321.信噪比(signalnoiseratio，SNR)：在實際的信息中一般都包含有信號和噪聲。用來表征信號強度同噪聲強度之比的參數(shù)稱為信號噪聲比。SNR值愈大，噪聲對信號的影響愈小，信息傳遞質(zhì)量就愈高。22.調(diào)制傳遞函數(shù)(modulationtransferfunction，MTF)：是以空間頻率ω為變量的函數(shù)。各個ω值都有自己的調(diào)制傳遞值和相位傳遞值。用于評價成像系統(tǒng)對物體成像的再現(xiàn)能力。23.噪聲功率譜(noisepowerspectrum，NPS)：又稱威納頻譜，表示圖像中單位長度上噪聲能量隨空間頻率變化的分布情況，其值是噪聲自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換。能量是指影像的微小密度差。24.量子檢出效率(detectivequantumefficiency，DQE)：成像系統(tǒng)的有效量子的利用率。8數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023圖像矩陣大小與圖像關(guān)系：矩陣大小根據(jù)應(yīng)用和成像系統(tǒng)的容量決定。一幅圖像中包含的像素數(shù)目等于圖像矩陣行與列數(shù)目的乘積。圖像的像素數(shù)少，像素尺寸大，圖像的空間分辨力低；像素數(shù)量多，圖像的空間分辨力高（LP/mm）。圖像的像素數(shù)是由像素大小和整個圖像的尺寸決定的。像素數(shù)與像素大小的乘積決定視野（fieldofview，F(xiàn)OV）。圖像矩陣大小固定，F(xiàn)OV增加圖像空間分辨力降低。二、數(shù)字圖像與圖像矩陣、灰度級數(shù)的關(guān)系9數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023二、數(shù)字圖像與圖像矩陣、灰度級數(shù)的關(guān)系1．與圖像矩陣的關(guān)系：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數(shù)目等于圖像矩陣行數(shù)與列數(shù)的乘積。10數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20232．與灰度級數(shù)的關(guān)系：

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）11數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023三、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（如成像板、探測器、CCD攝像管、檢測器、探頭等），將曝光或掃描等形式收集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)采集大都經(jīng)過三個步驟：分割、采樣、量化（1）分割：是將圖像分割成若干個小單元的空間取樣處理。12數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023三、數(shù)字圖像的形成（2）采樣：對一幅圖像采樣時該圖像中像素的每一個亮點被采樣，亮點的光強度通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號（模擬信號）。（3）量化：量化過程中，每一個被采樣像素的亮度值都取整數(shù)（0、正數(shù)或負(fù)數(shù)），所取的數(shù)值決定了數(shù)字圖像的灰度值，并且精確地對應(yīng)于像素點。整個量化過程，整數(shù)表示的電子信號完全取決于原始信號的強度，并且與原始信號的強度成正比。13數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20232．圖像重建：計算機(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度信息結(jié)合，重建出一幅圖像。3．圖像顯示：計算機(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。14數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023四、數(shù)字圖像的特點從應(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：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。15數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023五、數(shù)字圖像的基本處理常用的醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像處理技術(shù)有：圖像增強、圖像運算、圖像變換、圖像分割及圖像重建等。1．圖像增強：圖像增強是增強圖像中某些有用信息，削弱或去除無用信息。如：增強圖像對比度、提高信噪比、強調(diào)組織邊緣等。2．圖像運算：

圖像運算分為代數(shù)運算和幾何運算。圖像代數(shù)運算：是指對兩幅或兩幅以上的圖像進(jìn)行加、減、乘、除運算，處理的基本單位是像素，通過運算改變像素灰度值，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。16數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20233．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、面繪制等運算方法，重建出反映組織三維信息的三維影像。面繪制適于重建單個臟器組織，重在顯示組織外觀形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)，但不描述組織內(nèi)部信息，信息利用率較小。臨床常用的面繪制有表面陰影顯示（SSD）。體繪制適于多個臟器組織的重建，尤其對于相互包含的多重組織顯示效果較好，其算法充分利用圖像數(shù)據(jù)，反映的診斷信息更多。臨床常用的體繪制有最大密度投影（MIP）、容積再現(xiàn)（VR）等。17數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/202318數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/202319數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023第二節(jié)計算機(jī)X線攝影計算機(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?，發(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）。20數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/202321數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023一、CR系統(tǒng)特點CR系統(tǒng)的優(yōu)點：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22數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023CR系統(tǒng)的缺點：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。23數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023二、成像板1.成像板（

Imagingplate，IP）結(jié)構(gòu)：IP由保護(hù)層、PSL物質(zhì)層、基板等組成。24數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023IP及暗盒25數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023（1）表面保護(hù)層：防止PSL物質(zhì)層在使用過程中受到損傷。用聚酯樹脂類纖維制造。

（2）PSL物質(zhì)層：將PSL物質(zhì)混于多聚體溶液中，涂在基板上干燥而成。具有適度的柔軟性和機(jī)械強度，不因濕度、溫度和放射線、激光等影響發(fā)生物理性質(zhì)變化。PSL物質(zhì)結(jié)晶體顆粒的平均直徑在4～7μm，晶體顆粒直徑增大，發(fā)光量增強，影像清晰度降低。（3）基板：保護(hù)PSL物質(zhì)層免受外力損傷。材料是聚酯樹脂纖維膠膜，厚度在200～350μm。為避免激光在PSL物質(zhì)層和基板之間發(fā)生界面反射，提高影像清晰度，基板制成黑色。為防止光透過基板而影響到下一張IP，在基板上加一個吸光層。

（4）背面保護(hù)層：為防止使用過程中IP之間的摩擦損傷，避免輸運過程中產(chǎn)生靜電干擾的導(dǎo)電層。材料同表面保護(hù)層。26數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20232．成像板的原理X線→PSL物質(zhì)（BaFXEu2+晶體），發(fā)出熒光，熒光強度與入射X線量相關(guān)，形成潛影→激光掃描→電信號（模擬信號）→A/D轉(zhuǎn)換（數(shù)字信號）。27數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023(1)發(fā)射與激發(fā)光譜:當(dāng)X線初次照射摻雜Eu2+的BaFXEu2+晶體時，其吸收光譜在37keV處有一銳利、鋸齒形的不連續(xù)吸收，這是晶體中鋇原子的K緣所致。被X線激活的BaFXEu2+晶體在受到二次激發(fā)光照射時，作為發(fā)光中心的Eu2+可發(fā)出波長峰值約為390~400nm的紫色熒光，熒光的強度主要取決于作為一次激發(fā)光的X線的照射量。28數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023IP第2次讀出光線以600nm左右波長的紅光最佳，它可最有效地激發(fā)PSL，稱為激發(fā)光譜。發(fā)射光譜與激發(fā)光譜波長的峰值間需有一定的差別，以保證二者在光學(xué)上的不一致，從而達(dá)到影像最佳的SNR。29數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20233．IP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。30數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20234．IP使用注意事項（1）IP使用前應(yīng)用強光照射，消除存在的潛影；（2）儲存在PSL物質(zhì)中的影像信息隨儲存時間的延長而衰減，所以曝光后IP必須在8h內(nèi)掃描讀出；（3）IP不僅對X線敏感，對紫外線、α射線、β射線、γ射線以及電子等電磁波也敏感，攝影前、后的IP都要屏蔽。避光不良或漏光的IP上的圖像會因儲存的影像信息量減少而變得發(fā)白。（4）注意避免IP出現(xiàn)擦傷。31數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023三、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）的強度與二次激發(fā)光（激光）的波長有關(guān)。影像信息采集影像信息讀取影像信息處理影像再現(xiàn)32數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20232．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）。圖4-11CR系統(tǒng)影像讀取原理示意圖影像信息讀取33數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/202334數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20233．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。影像信息處理35數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20234．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。儲存在PSL物質(zhì)中的X線影像是一種潛影，由激光掃描儀讀取并輸入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，還需要變換成人眼能看見的影像。常用的方法有:熒光屏顯示、用多幅照相機(jī)將熒光屏顯示的影像拍攝到膠片上、用激光照相機(jī)直接將影像信號記錄下來。影像再現(xiàn)36數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023四象限理論中，第一象限涉及IP的固有特性，在系統(tǒng)運行中是不能調(diào)節(jié)的，第二至四象限則在系統(tǒng)運行中可充分調(diào)節(jié)，實施影像處理功能。影像信息采集影像信息讀取影像信息處理影像再現(xiàn)37數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023四、CR系統(tǒng)的圖像處理CR系統(tǒng)中實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)量的前提下實施影像數(shù)據(jù)的壓縮，以達(dá)到高效率的存儲與傳輸。38數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20234-1239數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023（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。40數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023（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（energysubtractionprocessing）。CR圖像處理操作界面如右圖所示。41數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20231．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。42數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20234．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。43數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023CR系統(tǒng)與DSA設(shè)備相比有下述優(yōu)點：①IP覆蓋范圍大，可克服DSA設(shè)備中影像增強管（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。44數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023五、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。45數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023CR系統(tǒng)的優(yōu)點及其應(yīng)用價值1.可降低X線劑量胸部投照：常規(guī)X線攝影的1/20~1/7；胃腸道造影：為常規(guī)X線攝影的1/20；泌尿與盆腔：為1/8~1/22.可與原有的X線攝影設(shè)備匹配工作充分利用醫(yī)院原有X光機(jī),避免資源浪費。3.具有多種圖像后處理功能如測量（大小、面積、密度）、局部放大、對比度轉(zhuǎn)換、對比度反轉(zhuǎn)、影像邊緣增強技術(shù)、多幅顯示及減影等。提高影像質(zhì)量，避免重照4.可數(shù)字化存儲

實現(xiàn)醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像的數(shù)字化基礎(chǔ)便于并入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)行圖像存儲與傳輸；省去膠片費用及存儲膠片空間。46數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023CR系統(tǒng)當(dāng)前的不足及缺點1、時間分辨力較差，不能滿足動態(tài)器官和結(jié)構(gòu)的顯示2、空間分辨力還稍顯不足類似于膠片掃描儀只能單次攝片，缺乏高級應(yīng)用軟件流程長，速度慢勞動強度高輻射劑量大IP板為消耗品科技含量低，成本較低47數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023無論是成像方式上，還是工作流程上，CR與常規(guī)X-ray系統(tǒng)相比均沒有根本性的改變。CR僅僅是常規(guī)X-ray的數(shù)字化，而不是數(shù)字化的X-ray。48數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023第三節(jié)數(shù)字X線攝影20世紀(jì)90年代初，X線物理研究人員認(rèn)識到平板探測器(flatpaneldetector，F(xiàn)PD)將是X線成像的一個重要技術(shù)性突破，不久便開始對其進(jìn)行開發(fā)研究。將薄膜晶體管(thinfilmtransistor，TFT)陣列技術(shù)應(yīng)用于二維平面X線探測元陣列，加速了實用裝置的開發(fā)研究。隨后，用于乳腺和胸部X線攝影的樣機(jī)開始投放市場。1995年北美放射年會上報道了基于Se的直接轉(zhuǎn)換型FPDo

1997年出現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)換和間接轉(zhuǎn)換型FPD開發(fā)的報道。近年用于數(shù)字透視和攝影的30幀/秒的大面積FPD已逐步應(yīng)用于臨床，可提高空間分辨力和高對比度的數(shù)字動態(tài)影像和靜態(tài)影像。49數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023第三節(jié)數(shù)字X線攝影數(shù)字X線攝影是指計算機(jī)控制下，采用一維或二維的X線探測器直接把X線影像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號習(xí)技術(shù)。DR與CR相比，具有五個優(yōu)點：①曝光劑量降低，被檢者受照射劑量更小；②時間分辨力明顯提高，在曝光后幾秒內(nèi)即可顯示圖像；③具有更高的動態(tài)范圍，DQE和MTF性能好；④能覆蓋更大的對比度范圍，使圖像層次更豐富；⑤操作快捷方便，省時省力，提高工作效率。DR主要的成像方法有：直接型FPD（DDR）、間接型FPD（IDR）、MWPC（multi-wireproportionalchamber，多絲正比電離室型）和CCD技術(shù)等。DR技術(shù)發(fā)展的焦點是FPD的動態(tài)顯示能力，希望新FPD能用于從普通X線攝影到胃腸道、心血管對比研究的各種檢查，可向臨床提供更多有診斷價值的信息。50數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023第三節(jié)數(shù)字X線攝影一、直接轉(zhuǎn)換型平板探測器（Flatpaneldetector,FPD）直接型FPD也叫電子暗盒(electroniccassette)，主要由導(dǎo)電層、電介層、Se層、頂層電極、集電矩陣層、玻璃襯底、保護(hù)層，以及高壓電源和輸入輸出電路組成，其中Se層和集電矩陣層最為重要。51數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023(一)基本結(jié)構(gòu)1.X線轉(zhuǎn)換單元：應(yīng)用a-Se為光電材料將X線轉(zhuǎn)換成電子信號。當(dāng)X線照射a-Se層時，由于光電導(dǎo)性產(chǎn)生一定比例的正負(fù)電荷。通過使用幾千伏的電壓，使產(chǎn)生的電荷以光電流的形式沿電場移動，并且由于探測元陣列的存在而使電荷無丟失或散落的聚集起來。52數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20232.探測元陣列單元用TFT技術(shù)在一玻璃基層上組裝幾百萬個探測元的陣列，每個探測元包括一個電容和一個TFT，且對應(yīng)圖像的一個像素。諸多像素被安排成二維矩陣，按行設(shè)門控線，按列設(shè)圖像電荷輸出線。53數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20233.高速信號處理單元產(chǎn)生地址信號并隨后激活探測元陣列單元中探測元的TFT。作為對這些地址信號的響應(yīng)而讀出的電子信號被放大后送到ADC。4.數(shù)字影像傳輸單元對數(shù)字信號的固有特性進(jìn)行補償，并將數(shù)字信號傳送到主計算機(jī)。在X線透視中，動態(tài)影像的采集達(dá)到30幅/秒，相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸速度應(yīng)超過109位。54數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023（二）工作原理：集電矩陣由按陣元方式排列的TFT組成，a-Se涂覆在集電矩陣上。當(dāng)X線照射a-Se層時，由于光電導(dǎo)性產(chǎn)生一定比例的電子-空穴對，在頂層電極和集電矩陣間外加高壓電場的作用下，電子和空穴以電流形式沿電場移動，導(dǎo)致TFT的極間電容將電荷元丟失或散落地聚集起來，電荷量與人射光子成正比。這樣，每個TFT成為一個采集圖像的最小單元(像素)。每個像素區(qū)域內(nèi)形成一個場效應(yīng)管，起開關(guān)作用。讀出時，某一行被給予電壓，這一行的開關(guān)就被打開，電荷從被選中行的所有電容中按順序逐一送到外電路。55數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023在大型電路中，這樣將產(chǎn)生幾個信號必須同時被讀出，TFT被來自高速處理單元的地址信號激活時，聚集的電荷就會被以電信號的形式讀取到高速信號處理單元中，經(jīng)讀出放大器放大后被同步地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。56數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023補充1：探測器DQE

DQE（檢測量子效率）是指成像系統(tǒng)中輸出信號(信噪比平方)與輸入信號(信噪比平方)之比?？梢越忉尀槌上裣到y(tǒng)中有效量子的利用率。DQE值越高(最高值為1，即100％利用)，有效量子利用率高，輸出信息也就越高，實際是不可能。57數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023補充2：焦點的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF焦點的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulationtransferfunctiom,MTF)：是指X管焦點面上光源使肢體成像時，肢體組織影像再現(xiàn)率的函數(shù)關(guān)系。在同一個空間頻率值時，MTF值越大的焦點，成像性能好；MTF值越小的焦點，成像性能差。MTF的閾值：0≤MTF≤1。MTF=1，表示成像系統(tǒng)的輸入與對比度相等。MTF=0，表示成像系統(tǒng)的輸出對比度為0，即影像消失。這意味著成象系統(tǒng)不能把輸入影象信息全部再現(xiàn)出來。換言之,凡是經(jīng)過成象系統(tǒng)所獲得的影象,都程度不同地?fù)p失了輸入影象的信息。58數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023補充2：焦點的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF按國際上的統(tǒng)一規(guī)定:若僅研究以空間頻率ω(LP/mm)為變量的光學(xué)傳遞函數(shù)的絕對值部分內(nèi)容的，稱作調(diào)制傳遞函數(shù)MTF(ModulationTransferFunetion)；若僅研究以空間頻率ω(LP/mm)為變量的光學(xué)傳遞函數(shù)的相位傳遞值部分內(nèi)容的，稱作相位傳遞函數(shù)PTF(Phasetransferfunction)；若將PTF與MTF兩部分結(jié)合起來為研究內(nèi)容的，就稱作光學(xué)傳遞函數(shù)OTF(Opticaltransferfunction)。59數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023二、間接型轉(zhuǎn)換平板探測器間接型FPD是一種以a-Si光電二極管陣列為核心的X線影像間接轉(zhuǎn)換探測器。在X線照射下，F(xiàn)PD的閃爍體或熒光體層將X線光子轉(zhuǎn)換為可見光，而后由具有光電二極管作用的a-Si陣列轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^外圍電路檢出及A/D轉(zhuǎn)換，獲得數(shù)字圖像。由于其經(jīng)歷了X線-可見光-電荷-數(shù)字圖像的成像過程，通常稱作間接轉(zhuǎn)換型FPD。a-SiFPD具有成像速度快、良好的空間及密度分辨力、高SNR、直接數(shù)字輸出等優(yōu)點，從而被廣泛的應(yīng)用于各種數(shù)字化X線成像裝置。60數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023(一)基本結(jié)構(gòu)a-SiFPD基本結(jié)構(gòu)由CsI閃爍體層、a-Si光電二極管陣列、行驅(qū)動電路以及圖像信號讀取電路四部分構(gòu)成。

61數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20231.熒光材料層即CsI閃爍體。閃爍體是一種吸收X線并把能量轉(zhuǎn)換為可見光的化合物。

CsI閃爍體吸收X線量子并將其轉(zhuǎn)換成可見光，與a-Si光譜靈敏度的峰值相匹配。好的閃爍體對每個X線光子可以產(chǎn)生許多個可見光光子，每lkeVX線輸出20-50個可見光光子。閃爍體通常是高原子序數(shù)的物質(zhì)，有高的X線接收能力。因為Cs具有高原子序數(shù)，是X線接收器的好材料。FPD所采用的碘化銫閃爍體(cesiumiodidescintillator)材料由連續(xù)排列的針狀CsI晶體構(gòu)成。62數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023圖4-29圖4-30CsI的X線吸收系數(shù)是X線能量的函數(shù)，隨著X線能量的增加，CsI材料的吸收系數(shù)逐漸降低；材料厚度增加吸收系數(shù)升高。在常規(guī)診斷用X線能量范圍內(nèi)，CsI材料具有優(yōu)于Se材料及其他X線熒光體材料的吸收性能。從理論上講，增加材料的厚度可提高材料的吸收系數(shù)，但增加材料的厚度會導(dǎo)致圖像分辨力的降低。CsI發(fā)射光譜與a-Si光電二極管波長峰值為550nm，且具有很好的匹配關(guān)系和CsI晶體具有良好的X線-電荷轉(zhuǎn)換特性63數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023(3)結(jié)構(gòu)化碘化銫晶體(CsI:Tl)的空間頻率響應(yīng):線性系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)通常采用系統(tǒng)的MTF表示，在系統(tǒng)應(yīng)用的空間頻率范圍內(nèi)MTF值越高，則空間頻率特性越好，對于影像系統(tǒng)來說可以獲得更好的圖像對比度。出于提高M(jìn)TF的需要，應(yīng)盡量采用薄的X線轉(zhuǎn)換層；但降低轉(zhuǎn)換層的厚度又會帶來X線吸收效率的降低。這是在轉(zhuǎn)換材料的選擇和設(shè)計上需要平衡的一對矛盾，因此人們通常選用稀有重元素的化合物作為制備X線閃爍體的材料。另一方面人們還從改變晶體結(jié)構(gòu)著手來改善空間頻率響應(yīng)特性。結(jié)構(gòu)化(似光纖結(jié)構(gòu))CsI:Tl晶體正是在這一指導(dǎo)思想下提出的一個較好的解決方案。與粉末狀閃爍體相比，此種結(jié)構(gòu)對于層厚的依賴大為降低，具有較好的空間頻率響應(yīng)特性。64數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023當(dāng)然，結(jié)構(gòu)化CsI:Tl晶體的光波導(dǎo)特性并不意味著可以無限制地增加閃爍體的厚度，其他的限制性因素也需要加以考慮，如視差效應(yīng)(X線人射角應(yīng)小于由像素大小、轉(zhuǎn)換層厚度決定的角度)等。65數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20232.探測元陣列層每個探測元包括一個a-Si光電二極管和起開關(guān)作的TFT。在運行時，TFT關(guān)閉，給光電二極管一個外部反向偏置電壓，通過閃爍體的可見光產(chǎn)生的電荷聚集在二極管上。讀取時，給TFT一電壓使其打開，電荷就會由二極管沿數(shù)據(jù)線流出，以電信號的形式“讀”到信號處理單元。66數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023a-Si光電二極管陣列：測器陣列由間距143μm的a-Si光電二極管排列，17〞×17〞探測器由3000行×3000列共900萬個像素構(gòu)成。每一像素由a-Si光電二極管、開關(guān)二極管、行驅(qū)動線和列讀出線構(gòu)成。同一行所有像素的行驅(qū)動線相連，同一列所有像素的列讀出線相連，構(gòu)成探測器矩陣的總線系統(tǒng)。a-Si光電二極管陣列完成可見光圖像向電荷圖像轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)連續(xù)圖像的點陣化采樣。67數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20233.探測器外圍電路由時序控制器、行驅(qū)動電路、讀出電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信及控制電路組成。在時序控制器的統(tǒng)一指揮下，行驅(qū)動電路將像素的電荷逐行檢出。讀出電路由低功耗CMOS模擬集成電路構(gòu)成，該芯片集成多路開關(guān)，將并行的列脈沖信號轉(zhuǎn)換為串行脈沖信號。讀出電路上包含的A/D轉(zhuǎn)換電路將脈沖信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過數(shù)字接口發(fā)送到圖像處理器。4.探測器系統(tǒng)接口包括:①圖像數(shù)據(jù)光纖接口，圖像數(shù)據(jù)被編碼為160Mbit/s串行數(shù)據(jù)流，通過光電轉(zhuǎn)換器發(fā)送給數(shù)據(jù)光纖。900萬像素圖像矩陣的讀出時間為1.2秒，圖像采集循環(huán)的典型時間間隔為5秒；②雙向通信接口用于控制及狀態(tài)信息的傳輸。68數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023(二)工作原理位于FPD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變化與入射X線的強度成正比，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)成的點陣式圖像，點陣的密度決定了圖像的空間分辨力。在中央時序控制器的統(tǒng)一控制下，居于行方向的行驅(qū)動電路與居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，從而形成X線數(shù)字圖像。69數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023三、多絲正比電離室型多絲正比電離室（MWPC）型直接數(shù)字X線攝影，是中興醫(yī)療公司與俄羅斯科學(xué)院核物理研究所于1999年在中國共同研制成功的低劑量直接數(shù)字化X線機(jī)，或稱為低劑量X線機(jī)，采用一種狹縫式的線掃描裝置。組成：多絲正比電離室由主機(jī)部分、探測系統(tǒng)、掃描機(jī)構(gòu)、計算機(jī)系統(tǒng)和其它輔助系統(tǒng)組成。多絲正比電離室與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的直接數(shù)字化的探測系統(tǒng)無需A/D轉(zhuǎn)換，采集效率高，其背景噪聲為

零

，動態(tài)范圍理論上高達(dá)

104

。

70數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023CCD攝像機(jī)技術(shù)CCD目前在視頻和數(shù)字照相領(lǐng)域用作照相機(jī)的影像獲取部件，CCD數(shù)字放射成像系統(tǒng)使用這些設(shè)備及光學(xué)裝置為閃爍器發(fā)出的光線成像。71數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023CCD技術(shù)（光學(xué)透鏡式、狹縫掃描式、光纖圓錐式）X線光子可見光閃爍體透鏡鏡面CCD傳感器

CCD陣列轉(zhuǎn)換閃爍體/CCD/光纖陣列球管準(zhǔn)直裝置

光子閃爍體可見光光纖錐體

電子CCD72數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/202373數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023DSA的發(fā)展20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了X線照片減影技術(shù)(radiographicimagesubtraction)20世紀(jì)70年代電子計算機(jī)技術(shù)逐步應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，數(shù)字X線成像技術(shù)(digitalradiography)迅猛發(fā)展1978年由美國亞利桑納大學(xué)的實驗小組研制成功第一臺數(shù)字減影機(jī)，1980年在北美放射學(xué)會(RSNA)的芝加哥會議上公布于世第四節(jié)數(shù)字減影血管造影74數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023數(shù)字減影血管造影機(jī)(DSA)75數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023數(shù)字減影血管造影機(jī)(DSA)76數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023血管造影CT機(jī)77數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023數(shù)字減影血管造影（DSA）是計算機(jī)與常規(guī)X線血管造影相結(jié)合的一種檢查方法。78數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023造影圖像—減影圖像==蒙片79數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023DSA成像裝置由影像增強器-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。80數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023一、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線射出強度IT和入射X線強度I0之間服從指數(shù)衰減規(guī)律。81數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023一、DSA原理血管內(nèi)注入碘對比劑前：血管內(nèi)注入碘對比劑后：或：或：注入碘對比劑前與后透過X線強度為：減影后的信號只與對比劑（血管）的厚度成正比，與骨和軟組織的結(jié)構(gòu)無關(guān)。82數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023DSA成像過程：①攝制普通片，制成蒙片（mask）；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。注入造影劑前的影像注入造影劑后的影像相減后的影像83數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/202384數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023二、減影方式1．時間減影2．能量減影3．混合減影85數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023二、減影方式1．時間減影是DSA的常用方式。在注入的對比劑進(jìn)入

ROI（regionofinterest，感興趣區(qū)域），之前，將一幀或多幀圖像作為蒙片（mask）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。86數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/20232．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。原理：利用物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子序數(shù)Z不同，在不同的X線能下,具有不同的吸收系數(shù)的特點，進(jìn)行加權(quán)減影計算，從而減去一種組織影像，顯示需要組織的影像。87數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023（1）兩次曝光法：在曝光中切換X線管輸出的能量，得到兩幅不同能量的照片進(jìn)行減影(DR)；（2）一次曝光法：在暗盒中放置兩塊IP，中間放一塊銅板，兩塊IP在同一時間曝光，但兩幅影像的曝光能量不同，實施能量減影。88數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023X被照體IP1IP2銅濾板單次曝光法設(shè)備結(jié)構(gòu)圖HL89數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/2023雙次曝光法能量減影原理

探測器X被照體LH

探測器X被照體讀出Q1

讀出Q2kVp1時間軟組織骨組織Q1kVp2時間軟組織骨組織Q2加權(quán)減影Qs=a×Q2-b×Q1090數(shù)字X線成像醫(yī)療影像成像原理1/7/202