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1、第三章 数字X线成像设备,Digital X-ray Imaging Device,自从1972年X线CT问世后，医学成像领域出现了数字化浪潮，但传统X线影像的数字化最晚。1980年CR和DR系统出现产品，到了80-90年代才推出一些实用的X线数字成像设备。 数字X线成像设备是指把X线透射影像数字化，并进行图像处理后，再变换成模拟图像显示的一种X线设备。,数字化X射线成像 传统的X射线技术与计算机技术结合的产物,X 线 源,人 体,检测器 （模拟信号）,数字化设备 （A/D转换）,计算机处理,数/模( D/A) 转换器,显 示 / 摄 影,数字化X射线成像系统框架,获得数字化图像的方法主要有两
2、种类型，一个是把传统的X射线胶片上的模拟信息数字化，另一个是直接从检测装置获得数字化的图像。 传统的X射线胶片数字化 常用的方法有两个，一是通过电视摄像机扫描X射线胶片，并对获得的视频信号进行模数转换从而得到数字化图像，其特点是获取图像的速度快，操作简单，价格便宜，但图像质量一般；二是主要采用电荷耦合器件（CCD，Charge-Coupled Device）实现图像的数字化，图像质量优于视频扫描系统，但转换时间较长。,获得数字化图像的方法,电荷耦合元件又称为CCD图像传感器，是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像
3、素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。,2. 直接从检测装置获得数字化的图像 最简单的实现方法是类似胶片视频扫描系统，直接从监视器获得模拟输出，然后用捕捉帧的方法将其转化为数字图像。另一种实现方法是在现有成像设备的基础上改进图像接收部件，如使用影像板或者数字荧光X线摄影，由于不用改变现有的检查过程，因此容易实现。,图像数字化方式之一：胶片扫描系统,扫描仪,计算机,X线胶片,图像数字化方式之二：影像增强器+CC
4、D+图像板 DF 数字透视（digital fluoroscopy） /数字荧光摄影（digital fluorography）,图像数字化方式之三：计算机摄影 (CR, Computed Radiography),图像数字化方式之四：直接数字化摄影 (DDR, Direct Digitized Radiography),1. 图像质量高 2. X射线剂量减少 3. 实时显示、调整图像 4. 可实现无胶片化 5. 易于管理 6. 易于融入PACS系统 7. 智能化处理,数字医学X射线影像设备的特点,清晰的数字图像,计算机实时成像,处理后的图像,根据成像原理不同这类设备可分为,*计算机X线摄影系
5、统（computed radiography，CR）,*数字荧光X线摄影（digital fluorography ，DF ),*数字X线摄影系统（digital radiography，DR） 该系统分为： 直接数字X线摄影（direct DR，DDR） 间接数字X线摄影（indirect DR，IDR）,X线束的形状：CR和DF属于锥形成像,数字图像：显示为二维点阵或矩阵，一幅图像中包含的每个点和矩阵中的小单元叫做像素，是构成图像的最小元素，像素的数目等于矩阵的行数和列数的乘积，X图像的矩阵一般为正方矩阵，256256、512512、10241024。,A/D转换是数字图像的关键，A/D转
6、换器的位数越高，精度越高。8位A/D转换有256个灰阶，10位A/D转换有1024个灰阶。数字图像的空间分辨力取决于像素的尺寸和A/D转换器的采样时钟频率，对比度分辨率取决于A/D转换器和D/A转换器的位数。,3.1 计算机X线摄影系统（CR）,CR系统,数字化X线摄影系统,3.1 计算机X线摄影系统（CR）,一、CR的基本组成和工作原理,* 透射人体的X射线入射到影像板，影像板接受到该信息后，形成潜影记忆下来。,* 然后由影像读取装置将该信息读下来，该信息实现光电转换数字信号。,* 由计算机对信息进行处理，如大小测量、放大、灰阶处理、空间频率处理、减影处理等。,* 信息记录利用光盘存储，诊断
7、需要用的模拟影像照片可用激光打印胶片，热敏打印胶片，及热敏纸记录。此外信息还能直接在荧光屏上显示影像。,CR成像的基本原理,原理：以影像板（IP）替代X线胶片作介质，经X线照射后，X线量子被IP板成像层的荧光颗粒吸收，释放出电子，其中一部分电子散布在成像层内呈半稳定状态，当用激光照射时，半稳定的电子转变为光量子从而发光，光线被光电管检测形成数字信号，经计算机处理获得图像，这就是CR (Computed Radiography， 计算机摄影)技术。,二、影像板(imaging plate, IP),1IP的结构,IP结构示意图,材料：氟卤化钡(Barium Fluorohalide),保护层：防
8、止荧光层受损，透光率很高，很薄。,辉尽性荧光物质层（photostimulated luminescence substuane）： 它把第一次照射光的信号记录下来，当再次 受到光刺激时，会释放存储的信号，即发出 与第一次激发光所带信息相关的荧光，这叫 光激励发光。,基板：保护荧光层免受外力的损伤。,背面保护层：其材料和作用与表面保护层相同。,2IP的成像原理,射入IP的X线光子被IP荧光层内的辉尽性荧光体吸收，释放出电子。其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态，形成潜影，完成X线信息的采集和存储。然后用激光束扫描(二次激发)已有潜影的IP时，光激发辉尽发光现象(光致发光)，产生的荧光强度与第一
9、次入射激发时X线的能量成正比，完成光学影像的读出。IP的输出信号还需由读取装置继续完成光电转换为电信号A/D转换，才能形成数字图像。,IP板,灵敏度高，使曝光剂量降低1/8-1/2 分辨率高，一般可达3.3LP/CM 动态范围宽 速度慢，不同动态观察 空间分辨率不如常规X线机摄影图像,数字乳腺多槽式计算机X线摄影系统,富士医疗器材（上海）有限公司研发,富士XG5000多用途FCR阅读器,柯达 DIRECTVIEW CR,3IP的特性,IP的动态范围：IP发出的荧光量依赖于第一次激发的X线量，具有良好的动态范围。,IP的时间响应特性：当停止用激光照射荧光体时，辉尽发光按其衰减规律逐渐终止。,IP
10、存储信息的消退：在IP中的模拟影像被存储于荧光体内在读出前的存储期间，一部分被俘获的光电子将逃逸，从而使受激发时的发光强度减小，这种现象称为消退。,二读取装置,1读出原理,储存在辉尽性荧光物质中的影像为潜像信息，随着激光扫描系统的控制，影像板匀速的移动，激光束由摆动式反光镜或旋转多面体反光镜进行反射，对影像板整体进行精确而均匀地扫描。受激光激发产生的辉尽性荧光被高效光导器采集和导向，经光电倍增管进行光电转换和放大，再由AD转换成数字图像信号。扫描完一张影像板后，得到一幅完整的数字图像。,记录在IP上的X线信息分两步读出。 第一步：用一束微弱的激光瞬时粗略地扫描IP，立即计算出X线影像的辉尽发光
11、量的直方图； 第二步：是在获取上述信息的基础上，自动调整光电倍增管的灵敏度及放大器的增益，再用高强度的激光精细地读出X线影像，并实现数字化。,2结构,1）暗盒型读取装置：将IP置入与常规X线摄影暗盒类似的盒内，经X线曝光后的暗盒，从CR读取装置的暗盒插入孔送入读取装置内，这一操作可以在明室完成。然后IP被自动取出，由激光来扫描，读出潜影信息送到潜影消除部分，经强光照射，消除IP上的潜影。此后IP被送回暗盒内，封闭暗盒，暗盒被送出读取装置，供反复使用，整个过程是自动和连续进行的。 2）无暗盒读取装置：该装置集投照、读取于一体，有立式和卧式。需要专用机器，不能与常规X线摄影设备匹配。IP在X线曝光
12、后直接被送到激光扫描和潜影消除部分处理，供重复使用。,3影响图像质量的因素,1）激光束的直径和频率：激光点的直径越小，则读取的信息量就越多，得到的图像质量越好。 2) 光电和传动系统的噪声：X线量子噪声是在X线被IP吸收过程中产生的，与IP检测到的X线量成反比。 3）数字化的影响：在AD转换过程中，对模拟信号进行采样和量化，也会产生量化噪声和伪影。,三计算机图像处理,1图像读取技术,为了保护图像的质量，CR系统都设计了图像读出灵敏度自动设定功能。在程序上设计了自动预读程序，以完成第一次光扫描的直方图分析，根据分析情况设置第二次扫描的条件，流程如下：,2图像的后处理,1）灰阶处理：在CR系统中，
13、由于图像读取装置是把某个需要范围内的图像信号变成数字信号，控制数字信号可以得到以何种密度再现。在这里用灰阶变换函数，以函数控制（输出信号），改变灰阶函数可以自由控制X线剂量胶片密度关系。,例如在胸部摄影中，肺野和纵隔部位的密度差别很大，可以选用灰阶函数上段部分提高肺野区域的对比度，抑制纵隔区域的对比度，既很好地显示肺野内结构，又可防止在输出图像中纵隔的密度与骨密度过于接近，提高了纵隔内不同软组织的分辨层次。,2）空间频率处理： 是指通过频率响应的调节来影响图像的锐利度。边缘增强技术，通过增加高频响应，使结构的边缘得到增强，突出轮廓。 3）动态范围压缩： 动态范围处理在灰阶处理与空间频率处理之前进行，以低密度区域为中心压缩，使原始图象低密度区域的密度值增高，将使图象的动态范围压缩变窄。 4）减影处理：实现时间减影或能量减影。,3计算机对图象存储和记录装置的控制 存储单元： 磁盘 硬盘 光盘 激光照相机 等,
