第十一章--数字X线设备

第十一章数字X线设备设备学教研室韩丰谈1.定义：数字X线设备是指把X线透射图像数字化并进行图像处理，再变换成模拟图像显示的一种X线设备。2分类：⑴根据成像原理：分为CR、数字荧光摄影（digitalfluoroscopy，DF）、DR、DSA。①CR:是用存储屏记录X线影像，通过激光扫描使存储信号转换成光信号，此光信号经光电倍增管转换成电信号，再经A/D转换后，输入计算机处理，形成高质量的数字图像。②DF:是穿过病人的X线被影像增强器接收后，经X线电视系统转换为模拟视频信号，再经A/D转换后，输入计算机处理，形成高质量的数字图像。③DR:分为：直接数字X线摄影（directDR，DDR）和间接数字X线摄影（indirectDR，IDR）。DDR是采用X线探测器直接将X线图像变成电信号，再转化为数字图像。IDR是先从I.I-TV成像链或照片获得X线信息的模拟图像，再转换成数字图像，前者的成像原理与DF相同，后者是利用数字化扫描仪把照片上记录的模拟信息数字化。⑵根据X线束的形状：可分为锥形成像法、扇形和笔形束成像法。３.数字X线成像与传统的增感屏-胶片成像比较优点：（1）对比度分辨力高：对低对比度的物体具有良好的检测能力，量化深度可达14~16bit，而屏/胶成像的动态范围约102，量化深度约6bit。（2）辐射剂量小：数字X线成像设备对X线能量的利用率高，其量子检出效率（detectivequantumefficiency，DQE）可达60%以上。（3）成像质量高：能用计算机进行图像后处理，以便更精细地观察感兴趣的细节，一些具有广阔应用前景的新技术（如三维X线成像技术、双能量X线成像技术等）都是以数字成像技术为前提的。（4）数字影像所具有的优点：可利用大容量的、光盘存储数字影像，消除用胶片记录X线影像带来的种种不便，并能进入PACS，实施联网，更高效、低耗、省时间、省空间地实现影像的贮存、传输和诊断。（5）对比度分辨力高：数字X线设备的空间分辨力不如胶片，约为2~4LP/mm，胶片的空间分辨力在理论上能达到5~7LP/mm，但散射光使胶片的感光范围发散，导致锐度（与空间分辨力有关）下降。数字X线设备使用的探测器采取特殊技术减少了漫射，较好地避免了锐度下降，使对比度分辨力明显提高。在实际应用中可满足绝大多数的诊断需要。第一节X线计算机摄影装置一、基本组成与工作原理CR的结构如图11-2所示，它主要有信息采集、信息转换、信息处理、信息存储和记录等部分组成。信息采集是以存储屏代替胶片，接受并记忆X线摄影信息，形成潜影信息；信息转换由读取装置来实现，用光电倍增管接收存储屏发出的荧光，并实现光电转换，再经A/D转换器变换成数字信号。信息处理由计算机来完成，对数字化的X线影像作各种相关的后处理，如大小测量、放大、灰阶处理、空间频率处理、减影处理等。信息记录利用存储媒体，如光盘等，通常在存储前进行数据压缩；用于诊断的模拟影像照片可通过激光照相机打印激光胶片获得；也可采用热敏打印胶片或热敏纸等记录影像。激光打印胶片是常规的记录方式。CR信息还能直接在荧光屏上显示影像。透射X线影像记录装置（数字信号→光信号）影像板影像读取装置（X线影像→数字）影像处理装置控制计算机影像存储装置（光盘、磁带等）荧光屏胶片自动洗相机CR相片激光橡机二、影像板（一）结构1．表面保护层：要求它不随外界温度和湿度而变化，透光率高并且非常薄2．光激励发光（PSL）荧光层：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．3．基板：保护荧光层免受外力的损伤．4．背面保护层：防止各张影像板之间在使用过程中的摩擦损伤//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////########################################################3333333333333333333333333333333////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////（二）成像原理射入IP的X线量子被IP荧光层内的PSL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。当用激光来扫描（二次激发）已有潜影的IP时，半稳态的电子转换成光量子，即发生光激励发光现象（简称光致发光现象）。产生的荧光强度与第一次激发时X线的能量精确地成正比，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和A/D转换，经计算机图像处理后，形成数字影像。（三）特性1．发射光谱与激发光谱2．时间响应：IP的PSL强度衰减速度很快，不会发生采集和读出信息的重迭．3．动态范围：IP发射荧光的量依赖于第一次激发的X线量，在1:104的范围内具有良好的动态范围．4．存储信息的消退：X线激发IP后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，从而使第二次激发时荧光体发射的PSL强度减少，这种现象称消退。读出前存储8小时的IP，其发光量将减少25%5．天然辐射的影响：IP不仅对X线敏感，对其它形式的电磁波也敏感，如紫外线、γ射线等，三、读取装置（一）结构CR系统的读取装置可分为：暗盒型和无暗盒型．1．暗盒型读取装置如图11-4所示，其特征是将IP置入与常规X线摄影暗盒类似的盒内，它可以代替常规摄影暗盒在任何X线机上使用。经X线曝光后的暗盒，从CR读取装置的暗盒插入孔插入读取装置内，暗盒插入读取装置后，IP被自动取出，由激光扫描读出潜影信息；然后IP被传送到潜影消除部分，经强光照射后，消除IP上的潜影。此后IP被传送回暗盒内，暗盒自动封闭后被传送出读取装置，供反复使用，整个过程自动、连续。。IP缓冲堆栈IP分类器病人信息摄影信息输入部分计算机/图像处理部分影像板暗盒暗盒插口读取部分消除部分2．无暗盒读取装置该装置配备在专用机器上，常规X线摄影设备不能配备此装置。配备此装置的机器集投照、读取于一体，有立式和卧式两种形式。IP在X线曝光后直接被传送到激光扫描和潜影消除部分处理，供重复使用。（二）读出原理随着高精度电动机带动IP匀速移动，激光束由摆动式反光镜或旋转多面体反光镜进行反射，对IP整体进行精确而均匀地逐行扫描。受激光激发产生的PSL荧光被高效导光器采集和导向传输到光电倍增管的光电阴极上，经光电倍增管进行光电转换和放大后，再经A/D转换为数字影像信号。这一过程反复进行，扫描完一张IP后，得到一幅完整的数字影像。四、计算机图像处理常规X线照片的影像特性是由照相条件、增感屏及胶片决定的，不能加以改变。CR系统则不同，由于使用高精度扫描及读出的数字信号可通过计算机进行图像后处理，所以能够在大范围内改变影像特性，最终得到稳定、高质量的影像。（一）图像处理的环节CR的图像处理主要有三个环节：①是与系统检测功能有关的处理，涉及图像读取装置输入信号和输出信号之间的关系，利用适当的影像读出技术，保证整个系统在很宽的动态范围内自动获得具有最佳密度和对比度的图像。②是与显示功能有关的处理。涉及图像处理装置。通过各种特殊处理（如灰阶处理、频率处理、减影处理等）为医生提供可满足不同诊断目的、具有较高诊断价值的影像，常称为后处理。③是与图像信息的存储和记录有关的处理。涉及图像记录装置，要求能得到高质量的照片记录，并在不降低影像质量的前提下压缩影像数据，以节省存储空间和高效率地传输信息。（三）激光照相机因诊断、阅片的需要，常用激光照相机把数字X线影像记录在专用胶片上，该专用胶片对特定波长的激光具有较高的敏感度。图11-10激光照相机结构示意图1．基本结构和功能：（1）激光发生器：它是胶片打印的能量来源，产生半导体激光或氦氖激光。（2）光调制器：它将来自计算机的数字影像信号调制成激光强度信号。（3）光学扫描器：它由摆动式反光镜或多面体旋转式反光镜组成，使激光束扫描胶片。（4）胶片传输系统：保证胶片按照与扫描激光束垂直的方向高精度地匀速移动，由电动机、引导轴、打印滚筒等组成。（5）供片库：存储未感光的胶片，可容纳100~200张。。2．工作原理胶片在传送系统控制下朝一个方向高精度地匀速移动，同时激光束相对于胶片移动方向反复作垂直扫描，因此激光束是以二维方式顺序逐行扫描整张胶片。激光束的光强度受计算机输出的数字影像信号调制，激光束经旋转多面镜的反射作线扫描，装载胶片的打印滚筒和激光束同步，胶片在激光束的照射下曝光形成CR平片影像。第二节X线数字摄影装置一、间接X线数字摄影装置1．基本结构IDR的基本结构如图11-11所示。（1）X线图像接收器：把X线图像转换为可见图像（光信号或电信号）,例如I.I-TV成像链。（2）数据采集器：把模拟信号转换为数字信号，主要由A/D转换器组成。（3）图像处理器：主要包括各种数据查找表，专用运算器等，根据需要进行各种图像处理，如灰阶变换、黑白反转、图像滤波、数字减影等。（4）存储器：帧存储器用于记忆若干幅数字图像，海量存储器用于存档。（5）图像监视器：数字图像经D/A转换后形成不同亮度的像素，按一定的显示矩阵结构在监视器上重现。（6）系统控制器：由计算机主机和其它控制电路组成，完成整个系统的指挥和协调。影像监视器影像接收器数据采集器影像处理器存储器X线机系统控制器图11-11DR系统的结构框图（二）工作原理IDR的基本工作原理框图：IDR由I.I把作为信息载体的X线转换为可见光，再由CCD或真空摄像管转换成模拟视频信号，再经A/D转换后形成数字图像信号。这是最先得到实际使用的IDR设备。I．I光学系统电视摄像机A/D数字影像信号二、直接X线数字摄影装置DDR指采用一维或二维X线探测器直接把X线转换为模拟电信号进行数字化的方法。（１）20世纪70年代末到80年代中期的DDR采用X线扫描投影，再经放大合成为二维图像的成像方法。（２）20世纪90年代中期出现了使用平板型探测器（flatpaneldetector，FPD）的DDR，FPD有将X线直接转换成数字信号的非晶态硒；也有先经闪烁发光晶体转换成可见光，再转换为数字信号的非晶态硅。DDR又可分为扫描投影DDR和平板探测器DDR。（一）扫描投影DDR1．点扫描法2．线（扇）形扫描法（二）DDR使用的X线探测器1．气体电离室探测器小的电离室加收集极。收集极是一组蚀刻在印刷电路板上的金属丝，沿X线入射方向排列分布。每个收集极金属丝都与一个放大器相连。X线入射到电离室内，使室内气体电离，在极间电场的作用下，正离子和电子分别向两电极移动，形成电离电流，此电离电流与入射的X线强度成正比。按顺序读出各单元电离电流的大小，就构成了图像的一条扫描线，机械扫描系统使X线管头和探测器阵列作同步扫描运动，对病人进行逐层扫描，获得图像的各行扫描线，形成了二维的X线投影图像。2．非晶态硒型平板探测器封装在类似胶片夹的暗盒内，主要由集电矩阵、硒层、电介层、顶层电极和保护层等构成。集电矩阵由按阵元方式排列的薄膜晶体管（thin-filmtransistor，TFT）组成，非晶态硒层涂覆在集电矩阵上，它对X线敏感，并有很高的解像能力。3．非晶态硅型FPD第三节数字减影血管造影装置一、减影技术的基本内容：把人体同一部位的两帧影像相减，从而得出它们的差值部分。不含对比剂的影像称为掩模像（maskimage）或蒙片，注入对比剂后得到的影像称为造影像或充盈像。广义地说，掩模像是被减的影像，而造影像则是减去的影像，相减后得到减影像。由DSA的物理基础可知：减影后的图像信号与对比剂的厚度成正比，与对比剂和血管的吸收