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1、湘南湘南湘南湘南学院学院学院学院医学影像系医学影像系医学影像系医学影像系影像技术教研室影像技术教研室影像技术教研室影像技术教研室 数字数字X线成像线成像数字X 线成像技术是传统的X 线技术与计算机技术结合的产物。1983年，日本富士公司首先推出了存储荧光体方式-CR系统，解决了常规x线摄影数字化问题。目前包括数字荧光摄影（digital fluorography, DF）、CR、DR。第一节 数字图像基础知识一、数字图像数字数字图像像：将一幅图像空间位置分成有限个像素的小区域，每个像素中的灰度平均值用一个整数来表示，这种图像信息便是数字信号，图像信息为数字信号的图像就是数字图像。1 1图像像矩
2、矩阵的的大小与大小与图像的像的关系关系 图像矩阵中的行与列的数目一般都是2的倍数。一幅图像中包含的像素数目等于图像矩阵行数与列数的乘积。像素数量和尺寸的大小与图像的关系。视野。数字化影像：像素、矩阵与视野2 2数字数字图像像与与灰度灰度级数的数的关系关系A/D转换器将连续变化的灰度值转化为一系列离散的整数灰度值，量化后的整数灰度值又称为灰度级（graylevel）或灰阶。每个像素的灰度精度范围从l位（2个灰度级）到12位（4096个灰度级）。密度分辨力。二二、数字数字图像像基本基本概念概念1像素（像素（pixelpixel） 组成数字图像的基本单元。是一个二维概念，是体素在成像平面的表现。2体
3、素（体素（voxelvoxel） 代表一定厚度的三维空间的人体体积单元。是一个三维的概念。3像素像素值 是像素的灰度值或强度值，一个像素只具有一个灰度值。4矩矩阵（matrix）表示由像素组成的，横成行、纵成列的数字方阵。体素像素数字矩阵5、采集矩阵（采集矩阵（acquisition matrix）：数字x线摄影时每幅图像观察视野所含像素的数目。6、显示矩阵：显示矩阵：显示器上显示的图像像素数目。通常为512*512或1024*1024.7、视野（视野（field of view，FOV）：）： 拟进行检查容积的选定区域。8、位深（位深（bit depth）：）：代表一幅图像中包含的二进制位的
4、数量。9、模模/数：数：指把模拟信号转换为数字形式，即把连续的模拟信号分解为离散的信息，并分别赋予相应的数字量级。10、灰灰阶：在影像或显示器上所呈现的黑白图像上的各点表现出不同深度灰色，把白色与黑色之间分成若干级，成灰度等级，表现的灰度（或亮度）信号的等级差别称为灰阶。11、原始数据原始数据：由探测器直接接收到的信号，经放大后再通过模数转换器转换所得到的的数据。12、显示数据示数据：组成某层面图像的数据，亦即该层面各体素灰度值的矩阵中的数据。13、动态范范围：光电转换器响应的有用最大与最小亮度值之比。14、窗口技术窗口技术：调节数字图像灰阶亮度的一种方法。15、窗宽窗宽：表示数字图像所显示灰
5、阶范围。16、窗位窗位：图像显示中放大的灰度范围的平均值。17空间分辩力（空间分辩力（spatial resolution） 是指图像能分辨相邻两点的能力，常用能分辨两个点间的最小距离来表示。又称几何分辨力。18密度分辩力（密度分辩力（density resolution） 图像中可辨认低密度差别的最小极限，即对细微密度差别的分辨能力（数字图像灰度精度的范围）。又称为图像的灰度分辨力（或对比度分辨力）。19时间分辩力（时间分辩力（temporal resolution） 成像系统对被检体组织运动部位的瞬间成像能力。20、噪声（噪声（noise）：）：图像中可见的斑点、细粒、网纹或雪花状的异常结
6、构，是影响影像质量的重要因素。21、信噪比（信噪比（signal noise ratio SNR）：用来表征信号强度同噪声强度之比的参数。22、调制传递函数（调制传递函数（MTF）用于评价成像系统对物体成像的再现能力。23、量子检出效率（量子检出效率（DQE）成像系统的有效量子的利用率。三、数字图像的形成1 1图像数据采集像数据采集 是通过各种接收器件（如成像板、探测器、CCD摄像管、检测器、探头等），将曝光或扫描等形式收集到的模拟信号转换成数字信号。数字图像的数据采集大都经过三个步骤：（1）分割：分割：是将图像分割成若干个小单元的空间取样处理。（2）采样：采样：对一幅图像采样时该图像中像素的
7、每一个亮点被采样，亮点的光强度通过光电倍增管转换成电信号（模拟信号）。（3）量化：量化：量化过程中，每一个被采样像素的亮度值都取整数（0、正数或负数），所取的数值决定了数字图像的灰度值，并且精确地对应于像素点。整个量化过程，整数表示的电子信号完全取决于原始信号的强度，并且与原始信号的强度成正比。2 2图像像显示：示： 计算机接受数据采集系统的数字信号后，立即进行数据处理：根据需要采取放大、滤波或降噪等处理方法，并将像素的位置信息与强度信息结合，重建出一幅图像，计算机将信号处理后重建的图像输出至监视器屏幕上显示。同时，将所接受到的图像数据进行存储，以备随时调用、显示或重建。四、数字图像的特点从应
8、用角度分析，数字图像与模拟图像相比具有其自身的特点：1 1密度分辨力高密度分辨力高 屏-片系统的密度分辨力只能达到26灰阶，数字图像的密度分辨力可达到210l2灰阶。2 2可可进行后行后图像像处理理 只要保留原始数据，就可以根据诊断需要，有针对性的对图像进行处理，以达到改善图像质量，增加诊断信息，提高诊断准确性的目的。3 3可以高保真地存可以高保真地存储、调阅、传输或拷或拷贝 数字图像可以存储于磁盘、磁带、光盘及各种记忆卡中，并可随时进行调阅、传输。五、数字图像的基本处理常用的医学数字图像处理技术有：图像增强、图像运算、图像变换、图像分割及图像重建等。1 1图像增像增强 图像增强是增强图像中某
9、些有用信息，削弱或去除无用信息。（1）增强图像对比度：线性转换、非线性转换、窗口技术、矫正、灰度反转。空空间域域处理方法理方法。（2）提高信噪比：增强影像信息，降低噪声对诊断的干扰。图像平滑技术。（3）锐化：强调组织边缘技术。2图像运算图像运算 图像运算分为代数运算和几何运算。图像代数运算图像代数运算是指对两幅或两幅以上的图像进行加、减、乘、除运算，处理的基本单位是像素，通过运算改变像素灰度值，但不改变像素之间的相对位置关系。图像几何运算图像几何运算是指对图像进行缩放、平移、旋转、错切、镜像等改变像素相对位置的处理。3 3图像像变换 图像变换是指将图像转换到频率域或其他非空间域的变换域中进行处
10、理。常用于医学图像的重建、图像信息压缩或图像编码。4 4图像分割像分割 图像分割是按照某种原则将图像分成若干个有意义的部分，使得每一部分都符合某种一致性要求。5三维重建 三维图像重建是指利用获得的连续二维断层图像信息，按照体绘制、面绘制等运算方法，重建出反映组织三维信息的三维影像。面绘制适于重建单个脏器组织，重在显示组织外观形态和空间结构，但不描述组织内部信息，信息利用率较小。临床常用的面绘制有表面表面阴影显示（阴影显示（SSD）。体绘制适于多个脏器组织的重建，尤其对于相互包含的多重组织显示效果较好，其算法充分利用图像数据，反映的诊断信息更多。临床常用的体绘制有最大密度投影（最大密度投影（MI
11、P）、容积再现（VR）等。第二节 计算机X 线摄影计算机X线摄影（CR）是使用可记录并由激光读出X线影像信息的成像板（IP）作为载体，经X线曝光及信息读出处理，形成数字式平片影像。特点：特点：1、实现了常规x线摄影的信息数字化；2、能提高图像的分辨、显示能力，动态范围宽，突破了常规x线摄影技术的固有局限；3、可实现各种图像的后处理功能，增加显示信息的层次；4、可实现PACS及远程医疗；5、IP板可重复使用，可与原有x线摄影设备匹配工作。CR系统的缺点：缺点：1时间分辨力较差，不能满足动态器官结构的显示；2空间分辨力不如常规的X线照片。CR成像过程：入射到IP 的X 线量子被IP 的成像层内的荧
12、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，形成潜影（信息记录）；当用激光照射已形成的潜影时，半稳定状态的电子转变为光量子，发生光激励发光（光激励发光（PSL）现象）现象，光量子随即由光电倍增管检测到，并被转化为电信号，再经A/D 转换器转换为数字信号（信息读出）；然后数字信号被传送到存储与显示元件中作进一步处理与显示（信息的处理与记录）。一、成像板成像板（IP）结构：IP由保护层、PSL物质层、基板等组成。二、CR 成像基本原理CR系统成像可用四象限理论来描述其成像基本原理。1 1影像信息采集（第一象限）影像信息采集（第一象限） CR系统的影像是通过一种涂在IP上的特殊
13、物质-光激励光激励发光物光物质来完成影像信息的采集，。X线辐射剂量与激光束激发的光激励发光（PSL）强度之间的关系。两者关系在一定范围内是线性的。2 2影像信息影像信息读取（第二象限）取（第二象限） 贮存在PSL物质中的影像信息是以模拟信号的形式记录下来的，要将其读出并转换成数字信号，需使用激光扫描读出装置（称光激励发光扫描仪或PSL扫描仪）。输入信号与输出信号之间的关系。3 3影像信息影像信息处理（第三象限）理（第三象限） 由第二象限输入的信息经影像处理装置（IPC）处理，显示出适用于诊断的影像，显示的特征是可以独立控制的，可根据诊断要求施行各种处理。如动态范围压缩处理、谐调处理、空间频率处
14、理、减影处理等，能在较大的范围内改变影像特性。4影像再现（第四象限）影像再现（第四象限） 馈入影像记录装置（IRC）的影像信号重新被转换为光学信号以获得X 线照片。第四象限决定了CR 系统中输出的X 线照片的特性曲线。四象限理论中，第一象限涉及IP 的固有特性，在系统运行中是不能调节的，第二至四象限则在系统运行中可充分调节，实施影像处理功能。第三节 数字X 线摄影数字x线摄影是指在计算机控制下，采用x线探测器直接把x线影像信息转化为数字信号的技术。与CR相比的优势：1、曝光剂量降低；2、时间分辨力明显提高；3、具有更高的动态范围，DQE和MTF性能好；4、能覆盖更大的对比度范围，图像层次更丰富
15、；5、操作快捷方便，提高工作效率。一、直接转换型平板探测器直接转换FPD 分为非晶硒（a-Se）为光电材料的FPD 和多丝正比电离室型（现在已很少使用）。1基本结构：基本结构：非晶硒（a-Se）平板探测器（1）组成：a-Se FPD 由X 线转换、探测元阵列、高速信号处理和数字影像传输单元等组成。（二二）成像原理成像原理：直接转换FPD是直接将x线光子通过电子转换为数字图像。透过人体的x线作用于电子暗盒内的Se层时，由于x线强度不同，Se层光电导体按吸收x线能量的大小产生正负电荷对，顶层电极与集电矩阵间的高电压在Se层产生电场，使正负电荷分离，正电荷移向集电矩阵储存于电容器内，矩阵电容器所储存
16、的电荷与x线强度成正比。扫描控制器扫描电路，读取一个矩阵电容单元的电荷，将电信号转换为数字信号，数字图像数据在系统控制器 内储存、处理，最后重建图像在显示器上显示。扫描控制器自动对电子暗盒内的感应介质进行恢复。间接转换平板探测器是以非晶硅（CsIa-Si）光电二极管阵列为核心的x线影像间接转换探测器。1CsIa-Si平板探测器与直接转换FPD的区别主要在于荧光材料层和探测元阵列层。（一一）组成成：a-SiFPD由荧光材料、探测元阵列、信号读取和信号处理单元等组成二、间接接转换型平板探测器（二二）工作原理工作原理：CsI闪烁晶体将入射的X线图像转换为可见光图像；a-Si光电二极管阵列将可见光图像
17、转换为电荷图像，每一个像素的电荷量与入射的X线强度成正比；读取电路将电荷信号逐行取出，转换为数字信号。获取的数字信号经通信接口电路传送至图像处理器，形成X线数字图像。上述过程完成后，扫描控制器自动对探测器内的感应介质进行扫描，去除潜影。第五节 数字X线图像质量影响数字成像质量的因素（一）基本因素1、空间分辨力、空间分辨力高对比度分辨力对于物体空间大小（几何尺寸）鉴别能力。用LP/mm来表示，或用可辨别最小物体的直径来表示。决定因素：像素的大小像素的大小数量多，尺寸小，空间分辨力高；反之，图像空间分辨力就降低。像素大小=视野大小/矩阵大小当视野大小固定时，矩阵越大像素尺寸越小；矩阵不变，视野增大像素尺寸随之增大；像素数量与像素大小的乘积决定视野。2、密度分辨力、密度分辨力低对比分辨力在低对比情况下分辩物体密度微小差别的能力。以百分数表示。决定因素：位深（比特）位深（比特）。比特值越大，信息量越大，量化的精度越高，密度分辨力越好。目前多数为8,12,16.3、噪声、噪声影像图像质量的不利因素主要有量子噪声、电子元件形成的噪声及重建算法形成的噪声。可用增加曝光量的方法来调整噪声含量，使之降低
