4.-数字X线设备

第四章数字X线设备4.1概述4.2计算机X线摄影设备4.3数字X线摄影设备4.4数字减影血管造影设备12020/3/282020/3/2824.1概述数字X线设备是指把X线透射图像数字化并进行处理，再转换为数字图像显示的一种X线设备。根据成像原理不同，这类设备可分为：①计算机X线摄影系统（computedradiography,CR）②数字X线摄影系统（digitalradiography,DR）③数字荧光X线摄影系统（digitalfluorography,DF）DSA数字血管造影是DF的典型代表3CR是用存储屏记录X线影像，通过激光扫描使存储信号转换为光信号，再经A/D转换后，输入计算机处理，形成高质量的数字图像。DR可分为间接数字X线摄影（indirectDR）和直接数字X线摄影（directDR）。IDR是先从X-TV或X线胶片获得模拟图像，再利用数字化扫描仪把胶片上记录的模拟信息数字化，转换为数字图像。DDR是采用X线探测器直接将X线影像变为电信号，再转化为数字图像。DF是X线被影像增强器接受后，经X-TV系统转换为模拟视频信号，再经A/D转换器变换为数字图像信号，输入计算机处理，形成高质量的数字图像。4数字X线成像与传统的增感屏－胶片成像相比：①改善了图像显示的质量用户在获得了数字化图像后，很容易对它作各种灰度处理，使它来适应显示器的动态范围。例如灰度级的“窗口处理”。②减少对病人的照射剂量在传统的X线成像系统中，病人的照射剂量与接受器的灵敏度以及胶片的曝光性能有关。在数字X线成像系统中，上述两项约束可以放宽，只要图像中信噪比足够高就可以了。在低剂量照射中损失的一部分对比度可以在图像后处理中将灰度调整过来。5③图像后处理功能现代数字图像处理技术可以对所获得的数字图像进行各种有效的处理。例如，用低通滤波的方法可以去除噪声；用高通滤波的方法增强图像的边缘。后面将要介绍的DSA技术就是在图像数字化基础上实现的。低通滤波高通滤波6④可利用大容量的光盘、硬盘存储数字影像，消除用胶片记录X线带来的种种不便，并可方便地接入PACS，实施联网，更高效、低耗、省时间、省空间地实现影像的存储、传输、诊断。综上所述，数字X线设备的发展对远程放射学系统的发展具有决定性的影响，这些设备将成为大、中型医院放射科的主导设备，具有广阔的发展前景。7影像信号（模拟图像）的数字化①数字图像显示为二维的矩阵，一幅图像矩阵中的小单元叫象素，是构成数字图像的最小元素。将一幅模拟图像分割为N×N（N行N列）个象素的，这一过程称为采样，这就是空间分辨率（用N表示）。89空间分辨率分别为512、256、128、64、32、16，可见采样频率低会出现“马赛克”效应10②用数值表示象素的值，也就是灰阶（灰度级），这一过程称作量化，这就是对比度分辨率。如8位（8bit）量化，就是256级灰阶。灰阶黑灰白012825511A/D转换器是实现X线图像数字化的关键部件，对X线影像进行采样和量化。A/D转换器的采样频率越高，数字图像的空间分辨率就越高；A/D转换器的位数越大（量化程度越大），数字图像的对比度分辨率就也越大，如8位A/D有256级灰阶，10位A/D有1024级灰阶。2020/3/28124.2计算机X线摄影装置4.2.1分类、基本结构4.2.2影像板4.2.3读取装置4.2.5图像存储装置4.2.6评价标准4.2.7使用注意事项和保养133.2.1分类、基本结构CR用存储荧光屏作面探测器。它采用影像板（imageplate,IP）作探测器。CR与常规X线摄影相比，除了信息数字化带来的优点外，还具有对比度分辨率高、辐射剂量小等优点。但其空间分辨率不如胶片的高。14CR主要由信息采集、信息转换、信息处理、信息存储和记录等部分组成。15163.2.2影像板CR影像不是直接记录于胶片上，而是先记录在影像板（IP）上，IP可以重复使用，但它不能直接显像。3.2.2.1结构：光激励发光（photonstimulationlight,PSL）荧光层173.2.2.2成像原理射入IP的X线量子被PSL荧光层内的PSL荧光物吸收，释放出电子。其中部分电子分布在荧光物内呈半稳态，形成潜影，完成X线信息的采集和存储。当激光束逐行扫描（二次激发）已有潜影的IP时，半稳态的电子转换成荧光，即发生PSL现象，亦称光致发光现象。所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。183.2.3读取装置分类与结构CR系统的读取装置可分为暗盒型和无暗盒型①暗盒型读取装置其特征是将IP置于与常规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。由激光读出潜影信息；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，送回暗盒内，供反复使用。19读出原理存储在PSL荧光物质中的图像是潜像，存储的形式为连续模拟信号，要将其读出并转换为数字化信号，需要下图所示的激光扫描系统。受激光激发产生的PSL荧光20更具体地说，存储在IP上的潜像分两步读出：①用一束微弱的激光瞬间粗略地扫描IP，并立即计算出潜像的PSL发光强度的直方图；横坐标为灰度级的值，纵坐标为某个灰度级出现的次数（或百分比）。为了便于表示，往往将纵坐标用出现概率表示。21②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潜像，并实现数字化。影响CR图像质量的因素PSL物质的特性；读取系统的电、光学特性①激光束的直径②光电及传动系统的噪声③数字化的影像A/D转换器中采样频率和量化级数。前者关系着数字图像的空间分辨率，后者关系着数字图像的对比度分辨率。223.2.4计算机图像处理常规X线照片的影像特征是由照相条件、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处理，所以能够在大范围内改善图像质量，最终获得稳定、高质量的图像。（1）图像处理的环节（2）图像读出灵敏度自动设定克服X线成像期间由于曝光过度或曝光不足产生的图像密度不稳定型。自动预读程序，进行直方图分析，从而自动确定X线剂量范围，决定本次读出IP图像的最佳条件，具体的说就是光电倍增管的灵敏度和放大器的增益。（3）图像的后处理灰阶变换处理（影响对比度，拉伸灰度级）；空间频率处理（影响锐度，边缘增强）；动态范围压缩233.2.5图像存储装置载体：硬盘、可刻录光盘DVD；PACS2020/3/28244.3X线数字摄影装置4.3.1构成4.3.2分类4.3.3工作原理4.3.4注意事项4.3.5CR与DR的比较25DR(digitalradiography)的研究开始于上世纪70年代末，是在影像增强器-TV系统的基础上发展起来的，利用A/D转换器将模拟视频信号数字化，再进行计算机图像处理。DR的分类：间接X线数字摄影装置IDR直接X线数字摄影装置DDR1995年11月在RSNA（RadiologicalSocietyofNorthAmerica芝加哥国际医学影像技术产品展）上展出了第一台性能优于CR的DDR样机。构成/4.3.2分类262018RSNA-AIfaster,safer,quantitative,preciseandaffordable274.3.3工作原理1.间接X线数字摄影装置IDR基本结构X线机图像接收器数据采集器图像处理器存储器系统控制器监视器I.I-TV成像链A/D软件/硬件28工作原理IDR由影像增强器把作为信息载体的X线转换为可见光，再由CCD（一种半导体器件，具有光敏特性，即在光照射下能产生与光强度成正比的电子电荷量，可形成电信号）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。光学系统A/D数字图像信号29目前，采用CCD器件的I.I-TV成像链系统的采样矩阵4096×4096像素，灰度分辨力达12Bit，采样速度已达64帧/秒。IDR系统的主要缺陷I.I和摄像管中的光散射，引起的图像质量下降。I.I的视野小，边缘和中心分辩力不一致。30•直接X线数字摄影装置DDRDDR指采用X线探测器直接把X线转换为模拟电信号并进行数字化的方法，不同于先获得模拟图像（可见光图像），再对模拟图像进行数字化的方法。早期的DDR采用X线扫描投影，再经放大合成为二维图像。90年代中期，平板型探测器(flatpaneldetectorFPD)型DDR。31DDR扫描投影DDR平板探测器DDR非晶态硒型非晶态硅型非晶态硒：将X线直接转换为数字信号。非晶态硅：X线先经闪烁发光晶体转换成可见光，再转换为数字信号的。321.扫描投影DDR①点扫描法X线束逐点对人体扫描。闪烁晶体（碘化钠）探测器内将X线转换成可见荧光后，被反光材料反射到光电倍增管变成电信号，输出电脉冲序列信号，经A/D转换为数字信号，构成一幅二维图像。电脉冲信号数字图像像素33点扫描法的优点是光散射体积小，减少了光散射引起的图像质量下降；缺点是机械运动复杂，扫描时间长。②线（扇）形扫描法X线经狭缝准直成线束或扇束，在任意在任一瞬间只照射人体某一薄层，探测器输出按“行”分布的电信号，扫描一次的电脉冲序列信号经A/D转换后，变成数字图像中“行”。342.DDR使用的X线探测器①气体电离室探测器由许多单元组成一行的直线阵列，每个单元构成一个像素，大小0.5mm×0.5mm，惰性气体1cm探测器阵列收集极平面放大器金属丝，流过电离电流35②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、电介质、定层电级和保护层。集电矩阵由薄膜晶体管(thin-filmtransistor,TFT)呈矩阵型排列，非晶态硒涂抹在集电矩阵上，它对X线敏感，有很高的解像能力。36硒型FPT的工作原理顶层电极集电矩阵入射X线光子在硒层中产生电子－空穴对TFT存储电荷储存电荷量与入射X线强度成正比，每个TFT就成为一个采集图像的最小单元：像素。37像素信息的读取TFT像素的尺寸直接决定图像的空间分辨率，如每个像素139μm×139μm，在17’×14’的范围内有多少像素?1英寸＝2.5400厘米行像素:17×2.54×10-2/(139×10-6)=3106列像素:14×2.54×10-2/(139×10-6)=255817×14英寸非晶硒数字平板探测器的像素3106×2558数字图像入射X线硒型探测器暗盒A/D38③非晶态硅型FPD把碘化铯闪烁发光晶体覆盖在光电二极管矩阵上,每个光电管就是一个像素，由薄膜非晶态氢化硅制成。入射X线数字图像可见光电信号A/D393.DDR实例①多丝正比扫描投影X线机金属丝放大器探测器40②平板探测器DDR非晶态硒FPD和非晶态硅型FPD都封装在暗盒内41FPD安装在立式胸片架上，X线束锥形成像17×14英寸非晶硒直接数字平板探测器4243444546474.DDR与CR的比较①DDR的图像清晰度优于CR②DDR的噪声源比CR少，S/N信躁比高③DDR的拍片速度快于CR④DDR的X线转换效率高于CR⑤DDR的使用寿命比CR长⑥DDR有升级为透视的能力，CR取代胶片2020/3/28484.4数字减影血管造影装置4.4.1基本结构4.4.2影响图像质量的因素4.4.3对X线机的要求4.4.4X线球管及探测器支撑装置4.4.5导管床4.4.6高压注射器4.4.7数字系统4.4.8DSA系统的特殊功能4.4.9图像质量参数及检测4.4.10日常维护与保养DSA是上世纪80年代兴起的一种医学影像学新技术，是计算机与常规X线血管造影相结合的一种新型检查方法。减影技术的基本内容是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或蒙片，注入对比剂后得到的影像称为造影像或充盈像。图像后处理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系数有关，与背景无关。在减影图像中，