第四章 数字X线成像(医学影像成像原理)

医学影像成像理论第四章数字X线成像主要内容第一节数字图像基础知识第二节计算机X线摄影第三节数字X线摄影第四节数字减影血管造影第一节数字图像基础知识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。图4-1数字X线成像系统框图一、数字图像概念数字图像：如果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。与数字图像有关的基本概念：1.体素（voxel）：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。2.像素（pixel）：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。3.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.矩阵（matrix）：一个横成行、纵成列的数字方阵。5.采集矩阵（acquisionmatrix）：每幅画面观察视野所含像素的数目；6.显示矩阵（displaymatrix）：监示器上显示的图像像素数目。7.视野（fieldofview，FOV）：拟进行检查容积的选定区域。8.位深(bitdepth)：又称位分辨力(bitresolution)，代表一幅图像中包含的二进制位的数量。8位深(28)表示有256种灰度或彩色组合。9.模/数(analogidata，A/D)：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，完成这种转换的元件称模/数转换器(ADC)。10.灰阶(grayscale)：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，称为灰度等级，表现的灰度(或亮度)信号的等级差别称为灰阶。为适应人视觉的最大等级范围，灰阶一般只有16个刻度，但每一刻度内又有4级连续变化的灰度，共有64个连续的不同灰度的过渡等级。11.原始数据(rawdata)：由探测器直接接收到的信号，经放大后再通过A/D转换所得到的数据。12.显示数据(displaydata)：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.动态范围(dynamicrange)：对光电转换器而言，亮度响应并非从零水平开始，也不会持续无限大的亮度，响应的有用最大与最小亮度值之比即为动态范围。14.窗口技术(windowtechnology)：是调节数字图像灰阶亮度的一种重要方法。即选择适当的窗宽和窗位来观察图像，使病变部位清晰地显示出来。15.窗宽(windowwidth，WW)：表示数字图像所显示灰阶范围，即放大的灰度范围上下限之差。16.窗位(windowlevel，WL)：又称窗水平。是图像显示中放大的灰度范围的平均值，即放大灰度范围的灰度中心值。17.空间分辨力(spatialresolution)：又称高对比分辨力，是指图像能分辨相邻两点的能力，常用能分辨两点的最小距离来表示。通常用LP/mm表示。18.密度分辨力(densityresolution)：又称低对比分辨力，是指在低对比情况下分辨物体密度微小差别的能力。通常用百分数表示。19.时间分辨力(temporalresolution)：成像系统单位时间可采集的图像数。20.噪声(noise)：为图像中可见的斑点、细粒、网纹或雪花状的异常结构，是影响影像质量的重要因素，它掩盖或降低了某些影像细节的可见度，使获得的影像不清晰。在X线数字成像中，影像上观察到的亮度水平随机出现的波动称为噪声。从本质上分析，噪声主要是统计学而不是检测性的。21.信噪比(signalnoiseratio，SNR)：在实际的信息中一般都包含有信号和噪声。用来表征信号强度同噪声强度之比的参数称为信号噪声比。SNR值愈大，噪声对信号的影响愈小，信息传递质量就愈高。22.调制传递函数(modulationtransferfunction，MTF)：是以空间频率ω为变量的函数。各个ω值都有自己的调制传递值和相位传递值。用于评价成像系统对物体成像的再现能力。23.噪声功率谱(noisepowerspectrum，NPS)：又称威纳频谱，表示图像中单位长度上噪声能量随空间频率变化的分布情况，其值是噪声自相关函数的傅立叶变换。能量是指影像的微小密度差。24.量子检出效率(detectivequantumefficiency，DQE)：成像系统的有效量子的利用率。图像矩阵大小与图像关系：矩阵大小根据应用和成像系统的容量决定。一幅图像中包含的像素数目等于图像矩阵行与列数目的乘积。图像的像素数少，像素尺寸大，图像的空间分辨力低；像素数量多，图像的空间分辨力高（LP/mm）。图像的像素数是由像素大小和整个图像的尺寸决定的。像素数与像素大小的乘积决定视野（fieldofview，FOV）。图像矩阵大小固定，FOV增加图像空间分辨力降低。二、数字图像与图像矩阵、灰度级数的关系二、数字图像与图像矩阵、灰度级数的关系1．与图像矩阵的关系：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。2．与灰度级数的关系：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）三、数字图像的形成1．图像数据采集：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：分割、采样、量化（1）分割：是将图像分割成若干个小单元的空间取样处理。三、数字图像的形成（2）采样：对一幅图像采样时该图像中像素的每一个亮点被采样，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．图像重建：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。3．图像显示：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．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210~l2灰阶。2．可进行后图像处理：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．可以高保真地存储、调阅、传输或拷贝：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．图像增强：图像增强是增强图像中某些有用信息，削弱或去除无用信息。如：增强图像对比度、提高信噪比、强调组织边缘等。2．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：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：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．图像变换：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理。4．图像分割：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（MIP）、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。CR系统中入射到IP的X线量子被IP的成像层内的荧光颗粒吸收，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，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（PSL）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、CR系统特点CR系统的优点：1．IP可重复使用2．具有多种处理技术3．灵敏度高，具有较高的空间分辨力4．具有高的线性度5．动态范围大6．宽容度大7．高度的识别性8．可数字化存储CR系统的缺点：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。二、成像板1.成像板（Imagingplate，IP）结构：IP由保护层、PSL物质层、基板等组成。IP及暗盒（1）表面保护层：防止PSL物质层在使用过程中受到损伤。用聚酯树脂类纤维制造。（2）PSL物质层：将PSL物质混于多聚体溶液中，涂在基板上干燥而成。具有适度的柔软性和机械强度，不因湿度、温度和放射线、激光等影响发生物理性质变化。PSL物质结晶体颗粒的平均直径在4～7μm，晶体颗粒直径增大，发光量增强，影像清晰度降低。（3）基板：保护PSL物质层免受外力损伤。材料是聚酯树脂纤维胶膜，厚度在200～350μm。为避免激光在PSL物质层和基板之间发生界面反射，提高影像清晰度，基板制成黑色。为防止光透过基板而影响到下一张IP，在基板上加一个吸光层。（4）背面保护层：为防止使用过程中IP之间的摩擦损伤，避免输运过程中产生静电干扰的导电层。材料同表面保护层。2．成像板的原理X线→PSL物质（BaFXEu2+晶体），发出荧光，荧光强度与入射X线量相关，形成潜影→激光扫描→电信号（模拟信号）→A/D转换（数字信号）。(1)发射与激发光谱:当X线初次照射掺杂Eu2+的BaFXEu2+晶体时，其吸收光谱在37keV处有一锐利、锯齿形的不连续吸收，这是晶体中钡原子的K缘所致。被X线激活的BaFXEu2+晶体在受到二次激发光照射时，作为发光中心的Eu2+可发出波长峰值约为390~400nm的紫色荧光，荧光的强度主要取决于作为一次激发光的X线的照射量。IP第2次读出光线以600nm左右波长的红光最佳，它可最有效地激发PSL，称为激发光谱。发射光谱与激发光谱波长的峰值间需有一定的差别，以保证二者在光学上的不一致，从而达到影像最佳的SNR。3．IP特性IP的固有特征是X线辐射剂量与激光束激发的PSL强度之间的在1:104范围内是线性的，该线性关系使CR系统具有高的敏感性和宽的动态范围。4．IP使用注意事项（1）IP使用前应用强光照射，消除存在的潜影；（2）储存在PSL物质中的影像信息随储存时间的延长而衰减，所以曝光后IP必须在8h内扫描读出；（3）IP不仅对X线敏感，对紫外线、α射线、β射线、γ射线以及电子等电磁波也敏感，摄影前、后的IP都要屏蔽。避光不良或漏光的IP上的图像会因储存的影像信息量减少而变得发白。（4）注意避免IP出现擦伤。三、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．影像信息采集（第一象限）CR系统的影像是通过一种涂在IP上的特殊物质-光激励发光物质来完成影像信息的采集