计算机x线摄像系统

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1、 计 算 机 X 线 摄 像 系 统Computed Radiography(CR)一，CR成像原理一、CR成像基本原理 二、CR系统的工作流程 三、CR的四象限理论一、CR成像原理一、CR基本原理一、CR成像原理（一）CR系统的工作流程1、信息采集：传统的X线摄影都是以普通的X线 胶片为探测器，接受一次性曝光后，经冲洗来形 成影像，但所获得的影像始终是一种模拟信息， 不能进行任何处理。CR系统实现了用影像板来接 受X线下的模拟信息，然后经过模/数转换来实现 影像的数字化，从而使传统的X线影像能够进入 存储系统进行处理和传输。一、CR成像原理2、信息转换：是指存储在IP上的X线模拟信息转 化为

2、数字化信息的过程。CR的信息转换部分主要 由激光阅读仪、光电倍增管和模/数转换器组成。 IP在X线下受到第一次激发时储存连续的模拟信息 ，在激光阅读仪中进行激光扫描时受到第二次激 发，而产生荧光（荧光的强弱与第一次激发时的 能量精确地成比例，呈线性正相关），该荧光经 高效光导器采集和导向，进入光电倍增管转换为 相应强弱的电信号，然后进行增幅放大、模数转 换成为数字信号。一、CR成像原理3、信息处理：是指用不同的相关技术根据诊断的 需要实施对影像的处理，从而达到影像质量的最 优化。CR的常用处理技术包括有谐调处理技术、 空间频率处理技术和减影处理技术。一、CR成像原理4、信息的存储与输出：在CR

3、系统中，IP被扫描 后所获得的信息可以同时进行存储和打印。影像 信息一般被存储在光盘中，随刻录随读取，一盘 存储量为2G的光盘（有A、B两面），在压缩比 为1:20的前提下，若每幅影像平均所占据的存储 空间是4M，那么，每面盘可以存图像5000幅。而 且能够长久的作为网络资源保存，以供检索和查 询为医学诊断提供帮助。一、CR成像原理CR系统本身存在着一个小网络，能够 实现影像的储存和传输，那么信息的输出 是指一个是向其它的网络输送影像资料， 另一个是传送影像信息到打印机上进行打 印输出。打印的方式主要是激光胶片、热 敏胶片和热敏打印纸三种类型。进行打印 的图像可以来自激光阅读仪、影像处理工 作

4、站和光盘存储系统。一、CR成像原理（二）IP中X线信息影像的阅读过程1、IP置于暗盒内，利用传统X线设备曝光，X线 穿透被照体后与IP发生作用，形成潜影。2、潜影经过激光扫描进行读取，IP被激励后，以 紫外线形式释放出存储的能量。这种现象叫光激 励发光（PSL）。3、利用光电倍增管，将发射光转换成电信号。一、CR成像原理4、电信号在计算机屏幕上重建成可见影像，并 根据诊断的特性要求进行影像的后处理。影像读取过程完成后，IP的影像数据可通过施与强光来消除，这就使得IP可重复使用。一、CR成像原理一、CR成像原理影像板上涂有一层“光激励荧光体（PSP）”， 选用的材料必须具有“光激励发光（PSL）

5、”的特 性。许多化合物具有这种特性，但适宜X线摄影 所需要特性的却为数不多。最接近X线摄影要求 的化合物是“碱土卤化物”，如BaFBr:Eu2+， BaF(BrI):Eu2+，BaSrFBr:Eu2+。一、CR成像原理微量的Eu2+混杂物加在PSP中，以改变它的 结构和物理特性。微量的混杂物，也叫作活化剂 ，替代了晶体中的碱土，形成了发光中心。曝光后，由于X线吸收而发生电离，在PSP晶 体中产生电子/空穴对。一个电子/空穴对将一个 Eu2+跃迁到激发态Eu3+，当Eu3+返回到基态Eu2+ 时会产生可见光，以俘获电子的形式存储的能量 形成潜影。 一、CR成像原理这种存储的能量形成潜影，随着时间

6、推移，潜 影会由于磷光的产生而自然消退。如果用适当波 长的可见光激励，激励发光的过程可以立即释放 出部分俘获的能量，发出的可见光为产生数字化 影像的信号。一、CR成像原理积存在已曝光BaFBr:Eu荧光体中的“电子” 潜影与激活的光激励发光复合物 （F中心）相对 应，局部的电子数量与大曝光范围的一次X线量 直接呈正比，一般超过10000比1（是曝光量的4 个数量级）。 一、CR成像原理Eu3+-F中心复合物的激励和存储电子的释放 至少需要2eV的能量，给定波长的高度聚焦激光 源最容易完成此任务，最常用的是HeNe（ =633nm）和“二极管”（ 680nm）产生的激 光。一、CR成像原理633

7、680nm390490 nm400nm一、CR成像原理激光扫描是由HeNe或二极管发出的激光束， 经由几个光学组件后对荧光板进行扫描。首先， 激光束分割器将激光的一部分输出到监视器，通 过参照探测器的使用来补偿强度的涨落。这一点 很重要，因为被激励可见光的强度取决于激励激 光源的强度。 一、CR成像原理激光束的大部分能量被扫描镜（旋转多角反射 镜或摆动式平面反射镜）反射，通过光学滤过器 、遮光器和透镜装置，从而提供一个同步的扫描 激光束。为了保持恒定的聚焦和在PSP板上的线 性扫描速度，激光束经过了一个f-q透镜到达一个 静止镜面（一般是圆柱状和平面镜面的组合）。 激光点在荧光体上的分布调整为

8、一个直径为1/e2 的高斯分布，在大多数阅读仪系统中大约为 100m。一、CR成像原理激光束横越荧光体板的速度的调整，要根据激 励后发光信号的衰减时间常数来确定（ BaFBr:Eu2+约为0.8ms），这是一个限制读出时 间的主要因素。激光束能量决定着存储能量的释 放，影响着扫描时间、荧光滞后效果和残余信号 。较高的激光能量可以释放更多的俘获电子，但 后果是由于在荧光体层中激光束深度的增加和被 激发可见光的扩散而引起空间分辨率降低。一、CR成像原理到达扫描线的终点时，激光束折回起点 。荧光体屏同步移动，传输速度经过调整 使得激光束的下次扫描从另一行扫描线开 始。荧光体屏的移动距离等于沿快速扫描

9、 方向的有效采样间隔，从而确保采样尺寸 在X和Y方向上相等。荧光屏的扫描和传送 继续以光栅的样子覆盖屏的整个区域。 一、CR成像原理扫描方向、激光扫描方向、或快速扫 描方向都是指沿激光束偏转路径的方向； 慢扫描、屏扫描、或副扫描方向是指荧光 屏传送方向。屏的传送速度根据给定屏的 尺寸来选择，使扫描和副扫描方向上的有 效采样尺寸相同。激光经过荧光屏时光激 励发光（PSL）的强度正比于这个区域吸收 的X线能量。一、CR成像原理读出过程结束后，残存的潜影信号保留在荧光 屏中。在投入下一次重复使用之前，需要用高强 度的光源对屏进行擦除。除非是极度曝光过度， 在擦除过程中，几乎所有的残存俘获电子都能有

10、效去除。在有些系统中，屏的擦除是与整体曝光 量相关联的过程，由此较长的曝光需要较长的擦 除周期。一、CR成像原理光激励发光（PSL）从荧光屏的各个方向发 射出来，光学采集系统（沿扫描方向上位于激光- 荧光体界面的镜槽或丙烯酸可见光采集导向体） 捕获部分发射的可见光，并将其引入一个或多个 光电倍增管（PMT）的光电阴极。光电阴极材料 的探测敏感度与PSL的波长（例如400nm）相匹 配。 一、CR成像原理从光电阴极发射出的光电子经过一系列 PMT倍增电极的加速和放大，增益（也就 是探测器的感度）的改变可通过调整倍增 电极的电压来实现，因此可以获得有用输 出电流以适应满足适宜影像质量的曝光量 。P

11、MT输出信号的动态范围比荧光板高的 多，在整个宽曝光范围上获得高信号增益 。 一、CR成像原理可见光强度相对于一次辐射曝光量的改变在1- 10000或“四个数量级放大”的范围内呈线性。输 出信号的数字化需要最小和最大信号范围的确认 ，因为大多数临床使用曝光量在100-400动态范 围内改变。 一、CR成像原理在一些光激励荧光体（PSP）阅读仪中，用 一束低能量的激光粗略的预扫描已曝光的PSP接 受器进行采样，确定有用的曝光范围。然后调整 光电倍增管（PMT）的增益（增加或降低），在 高能量扫描时对PSL进行数字化。绝大多数系统 中，PMT放大器预调整为对0.01mR至100mR曝 光范围产生的

12、光缴励发光（PSL）的敏感。一、CR成像原理大多数PSP阅读仪系统然后用模拟对数放大器 或“平方根”放大器对PMT输出信号进行放大。对 数转换为一次X线曝光量和输出信号幅度之间提 供一种线性关系，平方根放大为量子噪声与曝光 量提供线性关系。无论哪种情况，信号的总体动 态范围被压缩以保护在整个有限离散灰阶数量上 的数字化精度。一、CR成像原理数字化是将模拟信号转换成离散数字值的一 个两步过程，信号必须被采样和量化。采样确定 了PSP接受器上特定区域中PSL信号的位置和尺 寸，量化则确定了在采样区域内信号幅度的平均 值。PMT的输出在特定的时间频率和激光扫描速 率下测量，然后根据信号的幅度和可能数

13、值的总 量，将其量化为离散整数。 一、CR成像原理模数转换器（ADC）转换PMT信号的速率远 大于激光的快速扫描速率（大约快出2000倍，与 扫描方向的像素数相对应）。特定信号在扫描线 上某一物理位置的编码时间与像素时钟相匹配， 因此，在扫描方向上，ADC采样速率与快速扫描 （线）速率间的比率决定着像素大小。 一、CR成像原理副扫描方向上，荧光板的传输速度与快速扫 描像素尺寸相匹配，以使得扫描线的宽度等同于 像素的长度（也就是说，像素是“正方形”的）。 像素尺寸一般在100200m，据接受器的尺寸 而定。一、CR成像原理由于来自PMT的模拟输出在最小和最大电压 之间具有无限范围的可能值，所以A

14、DC要将此信 号分解成一系列离散的整数值（模拟到数字单位 ）以完成信号幅度的编码。用于近似模拟信号的“ 位”数，或者“像素浓度”决定了整数值的数量。一、CR成像原理PSP系统一般有10、12或16位ADC，故而 有210=1024、212=4096、216=65536个可能数 值来表达模拟信号幅度。Kodak使用16位数字 化形式来执行最终12位/像素影像的数字化对数 转换。 一、CR成像原理其它生产商在信号的预数字化时使用模拟对 数放大器（Fuji）或平方根放大器（Agfa）。当 ADC的位数（量化等级）受限时，模拟放大可以 在信号估算时避免量化误差。二、四象限理论 计算机X线摄影（CR）系

15、统，应用数字成 像处理技术，把从成像板（IP）上阅读到的 X线影像信息（模拟量）变换为能进行诊断 的数字图像，通过显示器或胶片显示出来 ，提供诊断。二、四象限理论 信息的转换和图像处理是由影像阅读处理器完成 的。 CR系统在进行读取时能把它们变成具有理想密度 和对比度的影像，实行这种功能的装置就是曝光 数据识别器（EDR）。 曝光数据识别器能把握图像的质量，依靠的是图 像识别技术，诸如：分割曝光识别、曝光野识别 和直方图分析。二、四象限理论 EDR是利用在每种成像采集菜单（成像部 位和摄影技术）中X线影像的密度和对比度 具有自己独特的性质而运作的，EDR数据 来自于IP和成像菜单，在成像分割模

16、式和曝 光野的范围被识别后，就得出了每一幅图 像的密度直方图。对于不同的成像区域和 采集菜单，直方图都有不同的类型相对应 。 二、四象限理论 由于这种特性，运用有效地成像数据的最 大值S1和最小值S2的探测来决定阅读条件 ，从而获得与原图像一致的密度和对比度 ，阅读条件由两个参数来决定，阅读的灵 敏度与宽容度，更具体地说是光电倍增管 的灵敏度和放大器的增益。调整以后，将 得到有利于处理和储存的理想成像数据。二、四象限理论对曝光数据识别器（EDR）的功能 和CR系统运作原理归纳为四个象限 来进行描述，故称 为四象限理论。二、四象限理论第一象限表示X线的曝光量 与IP的光激发发光强 度的关系。它是IP的 一个固有特性，即光 激发发光强度与X线 曝光量成线性比例关 系，两者之间超过 1:104范围。二、四象限理论X线被照体IP两者关系二、四象限理论从横座标看，越向右表 示X线曝光量越大。IP接 受曝光量越大的部分，光 激发发光强度越强，产生 频率就越高；反之，X线 曝光量越小，IP二次激发 后发光强度越弱，频率低 。用直方图可以表示IP激 发发光不