第三章數(shù)字X成像設備A

第三章數(shù)字X線成像設備

DigitalX-rayImagingDevice

自從1972年X線CT問世后，醫(yī)學成像領域出現(xiàn)了數(shù)字化浪潮，但傳統(tǒng)X線影像的數(shù)字化最晚。1980年CR和DR系統(tǒng)出現(xiàn)產(chǎn)品，到了80-90年代才推出一些實用的X線數(shù)字成像設備。

數(shù)字X線成像設備是指把X線透射影像數(shù)字化，并進行圖像處理后，再變換成模擬圖像顯示的一種X線設備。數(shù)字化X射線成像

——傳統(tǒng)的X射線技術與計算機技術結合的產(chǎn)物X線源人體檢測器（模擬信號）數(shù)字化設備（A/D轉換）計算機處理數(shù)/模(D/A)轉換器顯示/攝影

數(shù)字化X射線成像系統(tǒng)框架獲得數(shù)字化圖像的方法主要有兩種類型，一個是把傳統(tǒng)的X射線膠片上的模擬信息數(shù)字化，另一個是直接從檢測裝置獲得數(shù)字化的圖像。傳統(tǒng)的X射線膠片數(shù)字化常用的方法有兩個，一是通過電視攝像機掃描X射線膠片，并對獲得的視頻信號進行模數(shù)轉換從而得到數(shù)字化圖像，其特點是獲取圖像的速度快，操作簡單，價格便宜，但圖像質量一般；二是主要采用電荷耦合器件（CCD，Charge-CoupledDevice）實現(xiàn)圖像的數(shù)字化，圖像質量優(yōu)于視頻掃描系統(tǒng)，但轉換時間較長。獲得數(shù)字化圖像的方法電荷耦合元件又稱為CCD圖像傳感器，是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數(shù)字信號。CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數(shù)字信號。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。2.直接從檢測裝置獲得數(shù)字化的圖像最簡單的實現(xiàn)方法是類似膠片視頻掃描系統(tǒng)，直接從監(jiān)視器獲得模擬輸出，然后用捕捉幀的方法將其轉化為數(shù)字圖像。另一種實現(xiàn)方法是在現(xiàn)有成像設備的基礎上改進圖像接收部件，如使用影像板或者數(shù)字熒光X線攝影，由于不用改變現(xiàn)有的檢查過程，因此容易實現(xiàn)。圖像數(shù)字化方式之一：膠片掃描系統(tǒng)掃描儀計算機X線膠片圖像數(shù)字化方式之二：影像增強器+CCD+圖像板——DF

數(shù)字透視（digitalfluoroscopy）/數(shù)字熒光攝影（digitalfluorography）X線X線影像增強器計算機處理系統(tǒng)電視攝像管CCD或真空攝像管電視信號處理

A/D轉換(圖像板)數(shù)字信號顯示打印X線球管人體圖像數(shù)字化方式之三：計算機攝影

(CR,ComputedRadiography)圖像數(shù)字化方式之四：直接數(shù)字化攝影

(DDR,DirectDigitizedRadiography)1.圖像質量高2.X射線劑量減少3.實時顯示、調整圖像4.可實現(xiàn)無膠片化5.易于管理6.易于融入PACS系統(tǒng)7.智能化處理數(shù)字醫(yī)學X射線影像設備的特點清晰的數(shù)字圖像計算機實時成像處理后的圖像根據(jù)成像原理不同這類設備可分為*計算機X線攝影系統(tǒng)（computedradiography，CR）*數(shù)字熒光X線攝影（digitalfluorography，DF)*數(shù)字X線攝影系統(tǒng)（digitalradiography，DR）

該系統(tǒng)分為：

直接數(shù)字X線攝影（directDR，DDR）

間接數(shù)字X線攝影（indirectDR，IDR）

X線束的形狀：CR和DF屬于錐形成像

數(shù)字圖像：顯示為二維點陣或矩陣，一幅圖像中包含的每個點和矩陣中的小單元叫做像素，是構成圖像的最小元素，像素的數(shù)目等于矩陣的行數(shù)和列數(shù)的乘積，X圖像的矩陣一般為正方矩陣，256×256、512×512、1024×1024。

A/D轉換是數(shù)字圖像的關鍵，A/D轉換器的位數(shù)越高，精度越高。8位A/D轉換有256個灰階，10位A/D轉換有1024個灰階。數(shù)字圖像的空間分辨力取決于像素的尺寸和A/D轉換器的采樣時鐘頻率，對比度分辨率取決于A/D轉換器和D/A轉換器的位數(shù)。3.1計算機X線攝影系統(tǒng)（CR）

CR系統(tǒng)數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)

3.1計算機X線攝影系統(tǒng)（CR）

一、CR的基本組成和工作原理

控制計算機影像板影像讀取裝置（X射線影像數(shù)字）圖像處理裝置圖像記錄裝置（數(shù)字信號光信號）圖像存儲裝置（光盤、磁帶等）熒光屏膠片激光照相機CR相片自動洗相機透射X射線

*透射人體的X射線入射到影像板，影像板接受到該信息后，形成潛影記憶下來。*然后由影像讀取裝置將該信息讀下來，該信息實現(xiàn)光電轉換→數(shù)字信號。*由計算機對信息進行處理，如大小測量、放大、灰階處理、空間頻率處理、減影處理等。*信息記錄利用光盤存儲，診斷需要用的模擬影像照片可用激光打印膠片，熱敏打印膠片，及熱敏紙記錄。此外信息還能直接在熒光屏上顯示影像。CR成像的基本原理原理：以影像板（IP）替代X線膠片作介質，經(jīng)X線照射后，X線量子被IP板成像層的熒光顆粒吸收，釋放出電子，其中一部分電子散布在成像層內呈半穩(wěn)定狀態(tài)，當用激光照射時，半穩(wěn)定的電子轉變?yōu)楣饬孔訌亩l(fā)光，光線被光電管檢測形成數(shù)字信號，經(jīng)計算機處理獲得圖像，這就是CR(ComputedRadiography，計算機攝影)技術。

二、影像板(imagingplate,IP)

1．IP的結構IP結構示意圖材料：氟鹵化鋇(BariumFluorohalide)保護層：防止熒光層受損，透光率很高，很薄。

輝盡性熒光物質層（photostimulatedluminescencesubstuane）：它把第一次照射光的信號記錄下來，當再次受到光刺激時，會釋放存儲的信號，即發(fā)出與第一次激發(fā)光所帶信息相關的熒光，這叫

光激勵發(fā)光。基板：保護熒光層免受外力的損傷。背面保護層：其材料和作用與表面保護層相同。

2．IP的成像原理

射入IP的X線光子被IP熒光層內的輝盡性熒光體吸收，釋放出電子。其中部分電子散布在熒光體內呈半穩(wěn)定態(tài)，形成潛影，完成X線信息的采集和存儲。然后用激光束掃描(二次激發(fā))已有潛影的IP時，光激發(fā)輝盡發(fā)光現(xiàn)象(光致發(fā)光)，產(chǎn)生的熒光強度與第一次入射激發(fā)時X線的能量成正比，完成光學影像的讀出。IP的輸出信號還需由讀取裝置繼續(xù)完成光電轉換為電信號A/D轉換，才能形成數(shù)字圖像。IP板靈敏度高，使曝光劑量降低1/8-1/2分辨率高，一般可達3.3LP/CM動態(tài)范圍寬速度慢，不同動態(tài)觀察空間分辨率不如常規(guī)X線機攝影圖像數(shù)字乳腺多槽式計算機X線攝影系統(tǒng)

富士醫(yī)療器材（上海）有限公司研發(fā)

富士XG5000多用途FCR閱讀器柯達DIRECTVIEWCR

3．IP的特性

IP的動態(tài)范圍：IP發(fā)出的熒光量依賴于第一次激發(fā)的X線量，具有良好的動態(tài)范圍。IP的時間響應特性：當停止用激光照射熒光體時，輝盡發(fā)光按其衰減規(guī)律逐漸終止。

IP存儲信息的消退：在IP中的模擬影像被存儲于熒光體內在讀出前的存儲期間，一部分被俘獲的光電子將逃逸，從而使受激發(fā)時的發(fā)光強度減小，這種現(xiàn)象稱為消退。二．讀取裝置1．讀出原理

儲存在輝盡性熒光物質中的影像為潛像信息，隨著激光掃描系統(tǒng)的控制，影像板勻速的移動，激光束由擺動式反光鏡或旋轉多面體反光鏡進行反射，對影像板整體進行精確而均勻地掃描。受激光激發(fā)產(chǎn)生的輝盡性熒光被高效光導器采集和導向，經(jīng)光電倍增管進行光電轉換和放大，再由A／D轉換成數(shù)字圖像信號。掃描完一張影像板后，得到一幅完整的數(shù)字圖像。

記錄在IP上的X線信息分兩步讀出。

第一步：用一束微弱的激光瞬時粗略地掃描IP，立即計算出X線影像的輝盡發(fā)光量的直方圖；

第二步：是在獲取上述信息的基礎上，自動調整光電倍增管的靈敏度及放大器的增益，再用高強度的激光精細地讀出X線影像，并實現(xiàn)數(shù)字化。2．結構1）暗盒型讀取裝置：將IP置入與常規(guī)X線攝影暗盒類似的盒內，經(jīng)X線曝光后的暗盒，從CR讀取裝置的暗盒插入孔送入讀取裝置內，這一操作可以在明室完成。然后IP被自動取出，由激光來掃描，讀出潛影信息送到潛影消除部分，經(jīng)強光照射，消除IP上的潛影。此后IP被送回暗盒內，封閉暗盒，暗盒被送出讀取裝置，供反復使用，整個過程是自動和連續(xù)進行的。2）無暗盒讀取裝置：該裝置集投照、讀取于一體，有立式和臥式。需要專用機器，不能與常規(guī)X線攝影設備匹配。IP在X線曝光后直接被送到激光掃描和潛影消除部分處理，供重復使用。3．影響圖像質量的因素

1）激光束的直徑和頻率：激光點的直徑越小，則讀取的信息量就越多，得到的圖像質量越好。2)光電和傳動系統(tǒng)的噪聲：X線量子噪聲是在X線被IP吸收過程中產(chǎn)生的，與IP檢測到的X線量成反比。3）數(shù)字化的影響：在A／D轉換過程中，對模擬信號進行采樣和量化，也會產(chǎn)生量化噪聲和偽影。三．計算機圖像處理1．圖像讀取技術

為了保護圖像的質量，CR系統(tǒng)都設計了圖像讀出靈敏度自動設定功能。在程序上設計了自動預讀程序，以完成第一次光掃描的直方圖分析，根據(jù)分析情況設置第二次掃描的條件，流程如下：2．圖像的后處理1）灰階處理：在CR系統(tǒng)中，由于圖像讀取裝置是把某個需要范圍內的圖像信號變成數(shù)字信號，控制數(shù)字信號可以得到以何種密度再現(xiàn)。在這里用灰階變換函數(shù)，以函數(shù)控制（輸出信號），改變灰階函數(shù)可以自由控制X線劑量—膠片密度關系。

例如在胸部攝影中，肺野和縱隔部位的密度差別很大，可以選用灰階函數(shù)上段部分提高肺野區(qū)域的對比度，抑制縱隔區(qū)域的對比度，既很好地顯示肺野內結構，又可防止在輸出圖像中縱隔的密度與骨密度過于接近，提高了縱隔內不同軟組織的分辨層次。2）空間頻率處理：

是指通過頻率響應的調節(jié)來影響圖像的銳利度。邊