医用x线机数字与胶片成像原理的对比

医用 X 线机数字与胶片成像原理的对比 【摘要】传统胶片 X 光机成像过程是基于光化学理论，数字 X 光机则基于 光电子学理论。X 光胶片采用卤化银为主要的感光材料，因为被摄体的影像是 由卤化银还原成颗粒状银所构成。数字 X 线成像设备是指把 X 线透射图像数字 化并进行图像处理后，再变换成模拟图像显示的一种 X 线设备。 【关键词】计算机 X 线摄影（CR） 数字 X 线摄影（DR） 成像原理 【正文】 一 传统 X 光胶片成像原理 传统胶片 X 光机成像过程是基于光化学理论，数字 X 光机则基于光电子 学理论。X 光胶片采用卤化银为主要的感光材料，感光乳剂中卤化银颗粒大小 和颗粒度是最重要的参数之一。因为被摄体的影像是由卤化银还原成颗粒状银 所构成。在感光过程中，卤化银颗粒是单个地起作用的，每个颗粒形成潜影的 一个显影单位。在正常曝光范围内，可显影的颗粒数目随着曝光量的增加而增 加。感光层中卤化银颗粒最小的直径仅有 50nm，大部分颗粒在 01-4m 之间。 卤化银颗粒大易感光，卤化银颗粒小不易感光。卤化银颗粒小的胶片感光度小， 反之则大；卤化银颗粒越小分辨率和质感越好。在 X 光胶片的制备过程中，故 意加入杂质并使非常小而均匀的杂质颗粒与卤化银感光乳剂非常均匀地涂布在 胶片上，越均匀胶片质量越好，越均匀感光中心分布就越均匀，图像的分辨率 和质感越好。 卤化银的晶体结构为正六方体。这样的理想结构是稳定的，没有光敏性， 也就是不会被感光。只有具有缺陷的点阵结构排列才能造成晶体结构的薄弱环 节，而这些成为感光中心的薄弱环节才使卤化银晶体具有感光性。胶片感光层 曝光时，光量子作用于卤化银晶体上，卤离子首先吸收光量子，释放出一个自 由电子后变成卤原子，卤原子组成卤分子后离开晶体晶格结构被明胶吸收，自 由电子则迅速移向感光中心并固定下来。这样感光中心便成了吸附很多电子的 负电场带电体。晶体内的晶格间银离子在电场作用下被引向电场，银离子反过 来俘获聚集在感光中心的电子，结果被还原成银原子。还原后的金属银原子也 被固定在该感光中心上，从而使感光中心进一步扩大，扩大了的感光中心又不 断地俘获光解出来的电子，周而复始，感光中心不断长大，达到一定程度就曝 光合适，这时的感光中心形成的显影中心构成影像的潜影核，潜影则是由无数 显影中心构成并经过后期化学显影和定影过程形成我们需要的影像。 二. 数字 X 线成像原理 数字 X 线成像设备是指把 X 线透射图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 X 线设备。根据成像原理的不同，这类设备可分为计算 机 X 线摄影（Computed radiography，CR）系统、数字减影血管造影（DSA） 系统、数字 X 线摄影（Digital radiography， DR）系统。 CR 是用存储介质记录 X 线影像，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是信号，经 A/D 转换后，输入计算机处理，成为高质量 的数字图像。 DR 分直接数字 X 线摄影（Direct DR ， DDR）和间接数字 X 线摄影 （Indirect DR， IDR）。 DDr 指采用一维或二维 X 线探测器直接将 X 线转换为 电信号再形成数字信号的方法。一维探测器有多丝正比室、气体电离室等，采 用扇形平面 X 线来进行扫描投影，再经放大合成为二维影像。二维探测器有将 X 线直接转换为数字信号的非晶态硒平板探测器（ Flat panel detector， FPD）； 也有先经闪烁发光晶体转换为可见光，再转换为数字化电信号的非晶态硅平板 探测器。平板探测器暗盒内含 A/D 转换，从外部看， X 线经探测器暗盒直接输 出数字信号。另外，用 X 线电荷耦合器件也能直接把 X 线转换为数字信号。 IDR 指 X 线影像经 X 线胶片或影像增强器电视（II-TV）成像链先获 得 X 线信息的模拟影像，再转换为数字信号的方法。 70 年代末开始了数字 X 线摄影（DR）的研究，在 II-TV 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。 70 年代末到 80 年 代中遥 DDR 采用 X 线扫描投影成像方法，90 年代中期出现了使用 FPD 的 DDR。 1997 年 STERLING，TRIXELL 等公司推出了非结晶硒和非结晶硅 X 线探 测器。非结晶硒探测器的原理是用非结晶硒涂在薄膜晶体管（TFT ）阵列上， 每个薄膜晶体管的单元尺寸为 139*139（um），14*17 英寸范围内单元数是 2560*3027。入射的 X 线光子在硒层中产生电子、空穴对，在外加电场的作用 下，电子和空穴向相反的反方向运动，形成电流，电流在薄膜晶体管中积分成 为储存电荷。每一个晶体管的储存量对应于入射光子的能量和数量，每一个薄 膜晶体管就成为一个像素。在每一个像素范围内还制造出一个场效应管，它起 开关作用，由控制电路触发把像素储存电荷按顺序逐一传送到外电路。像素信 号经放大后转换为 14bit 数字信号，而后又这些数据建成影像。 非晶硅探测器的原理有所不同，它的像素都是由光电二极管和薄膜晶体管 组成。光电二极管有非晶态氢化硅制成，它在可见光照射下产生电流。在光电 二极管矩阵上覆盖着一层闪烁发光晶体层，X 线光子通过闪烁发光晶体层转换 为可见光光子，它激发光电二极管产生电流，电流在光电二极管自身电容上积 分形成储存电荷，每个像素的储存电荷量与入射的 X 线光子能量成正比。在控 制电路的作用下，按一定规律把各个像素的储存电荷读出，并形成 14bit 的数字 信号输出，由计算机建立图像。由于探测器的动态范围可达 1：100000，信号 读出为 14bit，而传统胶片的动态范围为 1：1000，所以 DR 的密度分辨率高于 传统胶片。 目前 GE 公司在原来基础上开发出了整体的数字平板，原先的多块拼接的 非晶硅探测器上约有 300um 宽的盲区，物体结构如 250um*450um 的钙化灶将 完全无法显示。整体的非晶硅数字平板探测器具有很短的数据读出时间，仅为 0125 秒，至少快于其他数字平板 10