第三章 数字X线成像设备.docx

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1、第三章 数字线成像设备尽管新型的医学影像设备不断出现，传统的线摄影还是常规检查的主流方式，目前70以上的诊断用 线影像仍是采用增感屏胶片方式摄取的，不能进人PACS（图象的存储、传输系统）。因此，使常规线影像数字化或记录在胶片上的信息数字化，对实现医学影像信息管理的现代化和实用化具有重要意义。本章着重阐述数字线成像设备的基本结构、功能和应用特点等内容。第一节 概 述一、数字线成像设备的发展数字线成像设备是指把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线设备。根据成像原理的不同，这类设备可分为计算机线摄影（）系统、数字荧光线摄影（）系统和数字线摄影（）系统。是用存储屏记录线影像

2、，通过激光扫描使存储信号转换成光信号，再用光电倍增管转换成电信号，然后经A/D转换后，输人计算机处理，成为高质量的数字图像。是线被影像增强器接收后，经线电视系统转换为模拟视频信号，再用A/D转换器变换为数字图像信号。可分为直接数字X线摄影（）和间接数字X线摄影（）。是指采用X线探测器直接将X线影像转化为数字图像的方法IDR是指由I电视系统或胶片先获得模拟的线影像，再转换成数字图像的方法，前者的成像原理与相同，后者是利用数字化扫描仪把胶片上记录的模拟信息数字化。根据线束的形状又可分为锥形成像法、扇形和笔形束成像法。和属于锥形成像。由于探测器的种类有一维探测器和二维探测器，成像方式各异；一维探测器

3、采用扇形平面线束或笔形线束进行扫描投影，二维探测器则采用锥形照射。如图所示。自从年线CT问世后，医学影像领域出现了数字化浪潮，但传统线影像的数字化最晚。年出现飞点扫描的系统，年在北美放射学会的产品展览会上和的展品引起了全世界的关注，从此，以系统为代表的 DF得到了高速发展，年又研制出 系统。20世纪 年代中期，各国厂商竞相开发DR和CR；世纪 年代又大力研制直接 DR的探测器，推出了一些实用的DDR设备。数字线成像与传统的增感屏一胶片成像相比，有许多优点：对比度分辨率高辐射剂量小成像质量高 能用计算机进行图像后处理，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（如三维线成像技术、双能

4、量线成像技术等）都是以数字成像技术为前提的。可利用大容量的光盘存储数字图像，消除用胶片记录线影像带来的种种不便，并能进人，实施联网，更高效、低耗、省时间、省空间地实现图像的储存、传输和诊断。综上所述，数字线成像设备的发展对远程放射学系统的发展具有决定性的影响，这些设备在世纪将成为大中型医院放射科的主导设备，因此具有广阔的发展前景。二、影像信号的数字化传统线摄影的影像具有从白色到黑色这样一个连续的灰阶范围，它是线透过人体内部器官的投影，像素的亮度也是连续变化，可取亮度最大值和最小值之间的任意值。这种亮度或灰度可连续变化的影像是模拟影像，不能直接进行计算机处理。（一）数字图像在上显示的图像信号都是

5、模拟信号，信号的幅值随时间作连续变化。按一定的时间间隔读取模拟信号瞬时的幅值，称为把信号离散化或采样。把离散信号的时间变量和幅值都用若干位二进制数来表示，称为信号的量化。把模拟信号离散化和量化就实现了信号的数字化。数字信号具有抗干扰性强，且能计算机处理等优点。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或矩阵中的小单元叫像素，是构成数字图像的最小元素。（二）数据采集系统的主要部件A/D转换器是实现线图像数字化的关键部件，它把模拟图像信号分解成彼此分离的信息，把图像的连续灰度分离为不连续的灰阶，并赋予每个灰阶相应的二进制数字。A/D转换器的位数越多，数字化的精度就越高。数字图像信号只有经

6、过转换器交换成模拟图像信号后才能在监视器上显示D/A转换器把以数字表示的像素灰阶转换为视频信号电平，形成不同亮度的像素。第二节 计算机线摄影系统年出现了第一台系统，它可以代替普通线胶片成像。用存储荧光屏（）作面探测器，如影像板（）；其它的面探测器还有闪烁晶体加光电二极管阵列、闪烁晶体加CCD和非结晶硒探测器等。一、的基本组成和工作原理的结构主要有信息采集、信息转换、信息处理和信息储存及记录等几部分（图-2）。信息采集：是以存储屏代替胶片，接受并记忆线摄影信息，形成潜影。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

7、机来完成，是对数字化的线图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，通常在储存前进行数据压缩；用于诊断需要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等记录，而激光打印胶片是常规的记录方式。信息还能直接在荧光屏上显示影像。下面介绍系统的结构和功能。二、影 像 板影像不是直接记录于胶片，而是先记忆在上I可以重复使用，但没有影像显示功能。（一）I的结构（图）表面保护层 此层的作用是为了在使用过程中，防止荧光层受到损伤而设计的。因此，要求它不随外界温度和湿度而变化，透光率高并且非常薄。聚酯树脂类纤维具有此种特性，常用于制造这

8、种保护层。辉尽性荧光物质层 辉尽性荧光物是一种特殊的荧光物质，它把第一次照射光的信号记录下来，当再次受到光刺激时，会释放储存的信号。基板 基板的作用是保护荧光层免受外力的损伤，材料也是聚酯树脂纤维胶膜。背面保护层 是为防止各影像板之间在使用过程中的摩擦损伤而设计的，其材料与表面保护层相同。（二）I成像原理射人的线光子被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）已有潜影的时，即发生光激发辉尽发光现象（简称光致发光现象）；产生的荧光强度与第一次激发时线的能量成正比，完成光学影像的读出。的输出信号还需由读

9、取装置继续完成光电转换和A/D转换，才能形成数字图像。三、读取装置（一）结构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置人与常规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。经线曝光后的暗盒，从读取装置的暗盒插人孔送人读取装置内，这一操作可以在明室完成。暗盒进人读取装置后IP被自动取出，由激光来扫描，读出潜影信息，然后被送到潜影消除部分，经强光照射，消除上的潜影。此后被送回暗盒内，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。不同尺寸的读取时间是相同的。图是暗盒型读取装置的结构。无暗盒读取装置 该装置集投照、读取于一体，有立式

10、和卧式。需要专用机器，不能与常规线摄影设备匹配。在线曝光后直接被送到激光扫描和潜影消除部分处理，供重复使用。读出的数字图像信息连同病人的信息（如病历号、姓名、日期等）、摄影条件（照相部位等）一并输入计算机，进行图像处理。病人信息可以通过磁卡或专门的录入装置输人或修改，最终合成打印在照片上。输人的信息也是记录和检索的依据。（二）读出原理储存在辉尽性荧光物质中的影像为潜像，以连续模拟信号的形式记录，要将其输出并转换成数字化信号，需采用如图所示的激光扫描系统。随着影像板匀速移动，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

11、集和导向经光电倍增管进行光电转换和放大，再由A/D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。更具体地讲，记录在IP上的线信息分两步读出。首先，用一束微弱的激光瞬时粗略地扫描，立即计算出线影像的辉尽发光量的直方图；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线影像，并实现数字化。读取装置输出的数字图像信号、从控制台输人的摄影信息、直方圆信息以及系统内部程序等一起送到计算机，经过各种图像处理，获得最佳的适合于诊断的数字线图像。四、计算机图像处理常规线摄片的影像特性是由摄像条件、增感屏及胶片决定的，不能加以改变。系统则不同

12、，由于使用高精度扫描及读出信号数字化，通过计算机处理能够在大范围内改变影像特性，最终得到稳定而高质量的图像。（一）图像处理的环节（二）图象读出灵敏度自动设定（三）图像的后处理图像的后处理，主要包括动态范围压缩、灰阶交换、空间频率处理等。此外还有一些特殊处理，例如减影处理、叠加处理。五、图象储存和记录装置适合于储存医学图像的媒体主要有磁带、硬盘和光盘。若把线数字图像记录在胶片上，常采用激光照相机和多幅照相机。激光照相机：因诊断、阅片的需要，常用激光照相机把数字线图像记录在胶片上，下面说明其结构、工作原理和特点等。图是激光照相机的结构示意图。基本结构和功能 激光照相机的主要组成部分如下：（1）激光

13、发生器：是胶片打印的能量来源，常用半导体激光器和气体激光器。（）光调制器：以计算机输人的数字图像信号调制激光强度。（）光学扫描器：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。（）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移动，由电动机、引导轴、打印滚筒等组成。（）供片库：储存未感光的胶片，可容纳张。工作原理 胶片在传送系统控制下朝一个方向高精度地移动，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扫描整张胶片。激光束的光强度受计算机输出的数字图像信号调制。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动作同步，胶片在激光束的照射

14、下曝光形成平片图像。综上所述C系统具有常规线摄影方式不可能具备的各种处理功能，可综合运用各种处理功能，获得符合诊断要求的高质量图像；曝光剂量显著降低，可为常规线摄影剂量的1/51/10；可与现有的线成像设备匹配使用；节省胶片，可数字存储（如光盘），降低成本；可并人PACS，以各种方式传输。第三节 数字线摄影系统世纪年代末开始了数字线摄影（）的研究，在线电视系统的基础上，利用A/D 转换器使模拟视频信号数字化，实现计算机处理。随着微电子、光电子和计算机技术的发展，数字线摄影的探测器和设备也加速发展，1995年出现了第一台性能优于的样机。一、的基本结构和工作原理的基本结构系统的基本组成如图所示，它

15、包括：（1）X线影像接收器 把线图像转换为可见图像（光信号或电信号）或直接转换为数字信号。（）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。（）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。（）存储器 用于记忆若干幅数字图像。（）图像监视器 数字图像经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。（）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。.DR的工作原理 下面以X线电视系统成像方式的系统为例介绍其工作原理，其成像原理框图如图所示。该系统由.I.I把作为信息载

16、体的线转换为可见光，再由真空摄像管转换成视频信号，经转换后形成数字图像信号。这是最先得到实际使用的设备。二、直接数字线摄影系统指采用一维或二维线探测器直接把线转换为模拟电信号进行数字化的方法。（一）数字扫描投影X线摄影点扫描法 用很细的线束逐点对人体进行扫描，在任一时刻人体只有一个很小的点接受线照射。在具有很高量子检出效率的闪烁晶体探测器（如碘化钠或锗酸铋）内线转换成可见荧光后，被反光材料反射到光电倍增管变换为电信号，输出与人射线强度成正比的电脉冲。在图（）中，用机械扫描系统实现线束的扫描，在每一个位置，病人保持不动，线管和探测器同步平移跨过病人。逐点扫描一行后，病人在垂直方向移动一小步，再重

17、复平移过程。不同时刻透过病人的线经探测器转换，输出电脉冲序列，它反映了扫描路径上各点物质结构的信息。电脉冲序列经A/D转换后，按顺序一行一行地存储起来，就组成一幅二维图像。点扫描法的优点是散射体积很小，减少了因散射引起的图像质量下降；由于光电倍增管的灵敏度高，可以降低线的剂量。缺点是运动机构比较复杂，扫描时间较长。线（扇）形扫描法线经狭缝准直形成线束或扇束，在任一瞬间只照射人体某一薄层，通过被检体到达探测器后，转换成具有被检体上某一行信息的电信号，该信号经A/D转换后，变为数字线图像中的“行”。该系统工作时，使被检体相对于线束和探测器作平移运动，探测器输出按“行”分布的电信号，经 A/D转换后

18、按顺序存储起来，构成二维数字图像。图一豆（）是线扫系统的示意图，探测器的尺寸应覆盖病人被照射的宽度，由多个探测器排列成一行。线扫描系统比点扫描系统的速度快，对线源的利用也充分。（二）DDR使用的 线探测器1.气体电离室探测器2.非晶态硒型平板探测器3.非晶态硅型平板探测器（三）系统实例多丝正比室扫描投影线机 该设备主要由线管、高压电源、水平狭缝、多丝正比室、机械扫描系统、数据采集、计算机控制及处理系统组成，如图3-17所示。（）多丝正比室：它是一种气体探测器，可以看成由许多独立的正比计数管组合而成。其基本结构是在两块平行的大面积金属板之间平行并列许多条金属丝。室内充以惰性气体（如氩气）或有机气

19、体。由于正比室对电离电荷有放大作用，故具有较高的探测灵敏度。另外每根金属丝上收集的电荷正比于其附近的初始电离电荷，亦即正比于该处的人射辐射强度。（）系统工作原理 以线管发射的锥形线束经水平狭缝准直后形成平面扇形线束。线通过病人射人水平放置的多丝正比室窗口，被探测器接收后，机械扫描器使线管、水平狭缝及探测器沿垂直方向作均匀的同步平移扫描，到达新位置后再作水平照射投影；如此重复进行，就完成一幅图像的采集。多丝正比室的每根金属丝都与一路放大器相连，经A/D转换器将电压信号数字化后，输人计算机进行图像处理。监视器既可显示存储器内未经处理的图像，又可显示计算机处理后的图像。与 的比较：的图像清晰度优于

20、，主要由像素尺寸决定。在读出潜影过程中，激光穿过I深部时，产生散射使图像模糊，降低了图像的分辨率。的噪声源比C少，没有二次激励过程引人的噪声，因此S/N高。的拍片速度快于，拍片间隔为5，直接出片。拍片间隔以上，从摄影到胶片显像需。的线转换效率高，而利用潜影成像，信号随时间而衰减，故曝光剂量比高。探测器寿命长，可用年，的图像板可用互年。有升级为透视的能力，但不能应用于常规线机；CR不能透视，但能与原有的线摄影设备匹配工作，取消洗片机。第四节 数字减影血管造影系统数字减影血管造影（）是世纪 年代兴起的一种医学图像学新技术，是计算机与常规线血管造影相结合的一种新的检查方法。一、的基本组成和原理减影技

21、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；不含造影剂的影像称为掩模像或蒙片，注人造影剂后得到的影像称为造影像或充盈像。广义地说掩模像是要去减造影像的影像而造影像则是被减去的影像，相减后得到的影像是减影像。减影像中骨骼和软组织等背景影像被消除，只留下含有造影剂的血管影像。在实施减影处理前，常需对线图像作对数变换处理。对数变换可利用对数放大器或置于A/D转换器后的数字查找表来实现，使数字图像的灰度与人体组织对线的衰减系数成比例。由于血管像的对比度较低，必须对减影像进行对比度增强处理，但影像信号和噪声同时增大，所以要求原始影像有高的信噪比，才能使减影像清晰。二、的工作方式时

22、间减影是其常用的方式，在注人的造影剂进人感兴趣区之前将一帧或多帧影像作为掩模像存储，并与按时间顺序出现的造影像一相减。这样，两帧中相同的影像部分被消除，而造影剂通过血管时形成的高密度部分被突出地显示。这种工作方式因掩模像和造影像获得的时间先后不同故称为时间减影。它的不足之处是在摄影过程中由于病人自主或不自主的运动，使掩模像和造影像不能精确匹配，导致影像出现配准不良的伪影或模糊。鉴于减影中采用的掩模像和造影像的帧数、采集时间不同，又可分为下列方式：1 脉冲影像(P I)方式 采用间歇线脉冲来形成掩模像和造影像，每秒摄取数帧影像，脉冲持续时间一般大于视频信号一帧的时间。在造影剂未流人感兴趣血管时摄

23、取掩模像，在造影剂逐渐扩散的过程中对线影像进行采集和减影，得到一系列连续而有间隔的减影像系列，每帧减影像之间的间隔较大。超脉冲影像（）方式 方式以每秒 帧的速率进行线脉冲摄像，然后逐帧高速反复减影，具有频率高、脉宽窄的特点。具有较高的动态清晰度。连续影像（C I ）方式 方式与透视一样不线连续照射，得到与摄像机同步的、频率为每秒帧的连续影像，所用线可以是连续的，也可以是脉冲的。所得减影像的信噪比很低。能显示快速运动的部位如心脏、大血管。时间间隔差（）方式 前述的几种减影方式都用造影剂未注人造影部位血管时的影像作掩模像，用含有造影剂的序列线影像作造影像进行减影，方式则不固定掩模像，而是随机确定一

24、帧影像，再与其后一定间隔的造影像进行减影处理，以后逐帧相减，形成减影像序列。5.心电图（ECG）触发脉冲方式 由于每一时刻心脏运动处在不同的相位上，为了使掩模像和造影像的相位尽可能接近，以减少减影像的运动伪影，要求相减的像对心脏运动同步，通常使用触发线脉冲方式。三、的基本结构DSA和普通的系统不同，不仅要把线影像数字化，还要取得较好质量的血管减影像，因此，系统有一系列特殊要求。（一）X线发生和显像系统包括线管、高压发生器、影像增强器、光学系统、电视摄像机和监视器等。线发生器 要求线管能承受连续脉冲曝光的负荷量；要求高压发生器能产生稳定的直流高压；线机能以多脉冲方式快速曝光，成像速度最高达150

25、帧/秒。影像增强器 为了提高灵敏度和分辨率，输人展采用碘化铯等材料制成。新研制的平板型增强器，在输入屏发光体和光电层之间有几十万条光纤，把每个像素的光耦合到光电层，从而使影像有较高的亮度，提高了转换效率。光学系统 为了适应所用线剂最范围大的特点，要求使用大孔径、光圈可自动调节的镜头，有的镜头还内含电动的中性滤光片，以防止摄人强光。电视摄像机 要求摄像管具有高灵敏度、高分辨率和低残像的特点视频通道要有各种补偿电路，保证输出高信噪比、高保真的视频信号。监视器 要求配备高清晰度、大屏幕的监视器。高性能的监视器使用环境亮度传感器，自动调节亮度；无闪烁的平面显相像管在场频高于100时实现无闪烁影像显示。

26、线影像亮度的自动控制 在DSA中由于被摄对象的组织密度变化大，应保证在各种不同的摄影对象和摄影条件下部能得到有足够诊断信息的影像，消除模糊及晕光。X线剂量管理 在保证影像质量的条件下尽量减少病人接受的线照射剂量，是剂量管理系统的任务，它由一系列现代技术组成。（1）栅控技术：在每次脉冲曝光的间隔向栅极加一负电位，抵消曝光脉冲的启辉和余辉，从而消除软射线，提高有效射线质量，缩短脉冲宽度。（）光谱滤过技术：在线管的窗口放置铝滤板，以消除软射线，减少二次辐射，优化了线的频谱。（）脉冲透视技术：是在透视影像数字化的基础上实现的，因此能对脉冲透视影像进行增强、平滑、除噪等滤波处理，改善影像的清晰度。（）影

27、像冻结技术：每次透视的最后一帧影像被暂存，并且保留在监视器上显示，称为影像冻结。充分利用此技术，可以减少不必要的透视，明显缩短总透视时间，达到减少辐射剂量的目的。（二）机械系统主要包括机架和检查床，要求它们的运动范围大、速度快、全方位。机架 有形臂、U形臂、双形臂、臂等；安装方式有座地或悬吊两种，可保证造影从多个方向切人；能做到全方位选择和观察投射角度，以减少死角，尽量不妨碍手术医生的操作。判断机架的性能主要看臂的旋转和纵向运动（臂的向左前斜、向右前斜旋转的角度和向头、向脚轴向运动的范围，运动的速度和稳定性，影像增强器的上下运动，要求设备能自动显示臂的位置、角度等数据。检查床的纵向、横向运动范

28、围要大，并可以左右旋转。（三）影像数据采集和存储系统大容量实时影像存储器一般采用动态存储器，由于最高实时存取速度要达到每秒 帧的影像，所以必须通过视频总线传输，同时也要有计算机总线接口，以便进行读写控制和实现帧存与硬盘之间影像转存。（四）计算机系统在DSA系统中，计算机主要用于系统控制和影像后处理。系统控制 控制流程如图所示，以计算机为主体控制整个设备。根据控制流程需要连接的信号如下：（1）启动开关信号：启动开关闭合使线机接受计算机控制，由计算机对线机发出曝光准备信号；发出光阑控制信号，使光圈孔径缩小。启动开关闭合使造影过程开始，计算机启动高压注射器，并对线机发出曝光信号。（）联络信号：X线机准备完毕后，向计算机发出准备就绪信号，表示可以进行脉冲曝光。曝光开始后，向A/D转换电路发出采样开始信号；转换结束后，通知计算机读取数字信号，再次进行脉冲曝光，采集下一帧影像。2. 影像后处理主要包括：对数变换处理、移动性伪影的校正处理、改善影像的时间滤过处理和自动参数分析功能。