数字医学X射线影像设备的类型.doc

数字医学X射线影像设备的类型及其特点X射线成像系统的发展医学X射线影像设备主要由三大部分构成X射线发生装置、成像系统和其他辅助装置。 X射线发生装置主要有X射线管、高压发生器和控制台三大部分。早期的X射线设备采用的是离子X线管和电子X线管。人们已经发现阻碍影像清晰度提高的主要原因是运动模糊和几何模糊。克服运动模糊度就需要缩短曝光时间，但为了有足够的能量成像，就需要增加X射线管的功率。产生几何模糊是因为非点光源的问题，需要减小焦点的尺寸。早期传统的用于摄影的医学X射线影像设备的成像系统主要就是感光胶片，它直接接受X射线的照射并发生光化学反应产生不同密度的组织器官影像。后来由于增感屏的使用，使X射线影像质量大大提高。传统的用于透视的医学X射线影像设备的成像系统主要就是荧光屏，它的亮度很低，医生必须在暗室中操作，影像的细微结构可见度差，分辨率不高，同时医生和病人接受的X线剂量也较大。后来影像增强器-电视系统的使用，不但使亮度增加近万倍，实现了白光透视，而且灵敏度和分辨力也提高了。更有意义的是形成清晰影像所需的X射线剂量大大减少，降低了对患者的辐射伤害。从上个世纪的中期开始，电视摄像机和监视器成为成像系统的一部分。电视摄像机将增强器上的影像摄下来，并显示在监视器出现了电视透视。随着计算机的应用和发展，在上世纪80年代，电视透视与计算机相结合，电视摄像机拍摄到的增强后影像，通过模数转换器将影像信息转换成数字信号，送入电子计算机进行处理，计算机X射线放射影像CR设备和数字X射线放射影像DR设备先后出现，成像系统发生了革命性变化，CR的影像板（IP板）、DR的平板探测器，使X射线成像向数字化方向发展，功能的图像后处理系统，使影像质量进一步提高。从传统的X射线影像设备发展到现代数字化X射线影像设备，发展的主要动力就是人们追求的低剂量照射和高品质的影像，医学X射线影像设备的主要描述指标（1）X射线光源尺寸 包括光源直径和X光发射角度。（2）X射线管的电压和电流（3）X射线剂量（4）信噪比：有用的图像信息(信号)与无用信息(噪声)的数量之比（5）可探测的量子效率(DQE) ：描述的是数字化探测器将X线转换成输出影像的能力。DQE值越大，获取一幅图像所需的X线剂量越小。 （6）动态曝光范围（指可生成有用的信号的一定曝光范围）（7）调制传递函数(MTF，反映的是一个成像系统提取其目标的对比度作为目标清晰度函数的能力)医学X射线影像设备成像质量的主要描述指标（1）对比度（密度分辨率）指X射线图像上相邻组织影像的密度差。（2）空间分辨率空间分辨率反映了影像对细微结构的分辨能力和组织重建能力，由单位面积内像素的数目所决定。数字成像方式中图像单位面积像素数目远远低于模拟方式。所以数字成像的空间分辨率不如传统模拟X射线图像的空间分辨率高。（3）图像的灰度级灰度级的数量由2N决定，N是二进制数的位数，常称为位，用来表示每个像素的灰度精度。 影响X射线影像设备成像质量的主要因素 （1）散射线 散射线的形成是由X射线原发射线照射到被照体与其相互作用时产生的，通常把一切离开原发射线方向的辐射称为散射线。它对照片具有感光作用，能产生影像密度，形成灰雾，使照片灰雾增加，影响图像锐利度和对比度，使影像变得模糊严重影响照片的诊断价值。 （2）曝光条件 若曝光条件过低，就有可能遗漏诊断信息，在图像中表现为斑点、细粒、网状或雪花状的异常结构;曝光条件过高，能使一些轻微病变很容易被穿透，各组织间对比度减小，分辨率降低。 （3）信号转换过程 对于数字化X射线影像设备，在模拟信号和数字信号的相互转换过程中，不可避免的会有信号损失。 （4）图像的后处理 图像的后处理虽然可以帮助我们得到高质量的影像，但如果使用不当也会带来负面影响 医学X射线影像设备的分类 按成像方式分类（1）模拟方式：传统的医学X射线影像设备采用的是模拟技术。模拟式X线设备的成像系统包括增感屏-胶片系统、影像增强器-电视系统等，具有曝光时间短，空间分辨率高及图像信息量大等优点。 （2）数字方式：现代数字化的医学X射线影像设备采用的是数字技术。是为适应对X射线图像进行储存、处理、显示和传输而发展起来的。 按管电流量的大小分类（1）小型X线机（管电流100mA）（2）中型X线机（100mA管电流400mA ）（3）大型X线机（500mA管电流1000mA ）（4）超大型X线机（1000mA管电流）传统医学X射线影像设备的特点1. 历史悠久，检查费用较低，应用广泛。2. 照射剂量大，分辨率受限。传统X射线影像设备是采用模拟技术，利用X射线的穿透作用、荧光效应和化学感光效应,以胶片或感光屏为图像的载体, 使穿过人体后的X射线发生不同的衰减，由此在胶片或感光屏上得到密度不同、明暗程度不同的二维平面模拟图像。早期的X射线影像设备的结构比较简单，成像所需的曝光时间长，患者接受检查时所受到的辐射量很大。另外受图像载体的限制，所用的是卤化物胶片，图像分辨率的只能达到分子颗粒级。由此造成了X射线的使用效率不高。 3. 影像不能后处理，不利于存储和传输。数字医学X射线影像设备的类型数字医学X射线影像设备，根据成像原理不同，可分为计算机X射线影像（Computed Radiography，CR）设备系统和数字X射线影像（Digital Radiography，DR）设备系统。据报道，最新的类型是计算机普通X射线影像设备。获得数字化图像的方法获得数字化图像的方法主要有两种类型，一个是把传统的X射线胶片上的模拟信息数字化，另一个是直接从检测装置获得数字化的图像。1、间接数字化 常用的方法有两个，一是通过电视摄像机扫描X射线胶片，并对获得的视频信号进行模数转换从而得到数字化图像，其特点是获取图像的速度快，操作简单，价格便宜，但图像质量一般；二是早期DR主要采用电荷耦合器件（CCD，Charge-Coupled Device）实现图像的数字化，图像质量优于视频扫描系统，但转换时间较长，加装CCD探测器，可以将传统X线机改装为数字方式。DR早期间接非晶硅探测方式也属于此类。2、直接从检测装置获得数字化的图像最简单的实现方法是类似胶片视频扫描系统，直接从监视器获得模拟输出，然后用捕捉帧的方法将其转化为数字图像。似于CT设备，探测器接收到X线信号，转变为可见光，由光电转换器变为电信号，再经模拟/数字转换器（A/D）转为数字信号，输入计算机处理。另一种实现方法是在现有成像设备的基础上改进图像接收部件，如CR使用影像板或者数字荧光X线摄影，由于不用改变现有的检查过程，因此容易实现。现代数字X射线放射影像（Digital Radiography，DR）设备与早期间接非晶硅方式不同，是用非晶硒平板探测器（Detector）直接接收X射线并转换为数字化信号。数字医学X射线影像设备的特点1、图像质量高2. X射线剂量减少3. 实时显示、调整图像4. 可实现无胶片化5. 易于管理6易于融入PACS系统7. 智能化处理计算机X射线影像（CR）设备系统（1）CR数字化影像的形成和处理 计算机X射线影像（Computed Radiography，CR）设备系统，采用间接数字化X线成像技术，利用影像板（Imaging Plate，IP)上的感光物质，经X射线曝光也就是第一次激发，记录病人某一部位的影像信号，形成潜影，这个潜影是模拟影像。然后影像板（IP）经激光扫描仪扫描也就是第二次激发，来读出影像。至此，已将模拟影像转化成了数字影像。第二次激发过的（IP）用强光照射，使影像板上的潜影消失，这样影像板就可以反复使用,好的影像板可以重复使用万次以上。CR系统将获得的数字影像转换为可见图像有三种方式：1)利用荧光屏显示，在荧屏上显示出人眼可见的灰阶图像，供观察和分析；2)用多幅相机将荧光屏显示的影像通过光学系统照射到胶片上；3)用激光打印机直接将影像信号记录在胶片上。数字影像还可被传送到医院局域网或PACS系统中，用于诊断、存储、处理和检索，也可用磁盘和光盘长期保存。 CR设备与传统X射线设备相比优势还在于，图像处理系统可对产生的影像数字化信号进行处理。图像处理主要功能有五个：窗位处理、灰阶处理、多重处理、X线吸收率减影处理和数字减影血管造影处理。1) 窗位处理：为了更好地显示某一范围内的数字信号所反映的组织结构，以某一数字信号为中心选取一定范围的数字信号予以增强，来增加影像的对比度。2)灰阶处理：对CR获得的数字化图像进行灰阶处理，在人眼能分辨的范围内进行选择，以达到最佳的视觉效果3)多重处理:将多张影像板（IP）重叠起来摄影，对其影像信息进行叠加处理，以提高图像质量。4) x线吸收率减影处理：根据不同组织对X线的吸收率不同，采用两个不同的摄影条件，以其中的一帧为负片进行减影，从而可消去某些组织的影像。如胸片经这种形式的处理后可将胸骨影消去，以更好地显示肺野(窗)。5)数字减影血管造影处理:对人体的某一部位在加入造影剂之前拍片，得到一幅图像，然后加入造影剂，得到血管造影图像即蒙片，将两幅图像相减，进行减影处理，得到数字减影像。（2）CR设备的特点1）传统x射线能摄照的部位都可以用CR设备成像，所不同的是CR图像是由一系列的像素点构成的数字化图像。2）CR设备拍摄条件的宽容范围较大，获取病人X射线图像所需的X射线剂量比传统方法大大减少。3）CR设备动态特性比传统X射线系统有明显提高，CR输出的图像清晰度大大高于传统图像，有利诊断。4）图像信息可由磁盘或光盘储存，网络传输。5）CR设备的不足在于，图像的时间分辨率不够，不能适应现代医学发展的需要，所以CR设备的发展方向就是要提高时间分辨率。其次是由于散射，空间分辨率低于DR。（3）CR成像系统的发展CR成像系统的主要改进和提高主要体现在三个方面：IP板（影像板）、IP板阅读器和软件。数字X射线影像（DR）设备系统数字X射线放射影像（Digital Radiography，DR）是利用电子技术将X射线影像的信息的载体转变为电子载体，X射线照射人体后不直接作用于胶片，而是被探测器（Detector）接收并经模拟/数字转换器（A/D）转换为数字化信号，获得X射线的衰减值（attenuation value）的数字矩阵，经计算机处理，重建成图像。影像的密度分辨率比普通X射线照片高，空间分辨力接近普通X射线照片，包含的诊断信息丰富。数字图像数据可利用计算机显示，进行进一步处理、存储和传输，能够更有效地使用诊断信息，提高信息利用率及X射线摄影检查的诊断价值。早期的DR是采用增感屏加光学镜头耦合的CCD（数字化耦合器）来获取数字化X线图像，有一点类似影像增强器加CCD的工作方法，这种技术被认为是第一代的DR技术。现在普遍应用的DR主要是采用平板探测器（FPD）对X线产生的图像信号进行扫描和直接读出，成像原理是先将X线信号转变为可见光，通过光电2极管组成的藻膜层（TFT）进行聚集，由专门的读出电路直接读出送计算机系统进行处理。目前平板探测器分为以非晶硅为代表的间接转换数字摄影（IDDR）和以非晶硒为代表的直接转换数字摄影（DDR）两种类型。由此，数字X射线成像（DR）亦可分为非直接数字放射影像（IDDR）和直接数字放射影像（DDR）。而狭义上的直接数字化影像是指直接数字放射影像（DDR），采用影像直接转换技术的数字放射影像，是真正意义上的直接数字化X射线放射影像。DR设备的特点（5点）：1）DR设备具有较高的空间分辨力和低噪声率。由于直接转换为电信号，可避免其他成像方式如屏胶体系、CR等X 射线照射磷物质后散射引起的图像锐利度减低，空间分辨力接近普通X射线照片，因此可获得高清晰图像，并可获得高性能的调制传递函数MTF曲线。 2）DR设备具有低的辐射剂量高的密度分辨率。DR设备可以检查出对比度低1%的病变部位, 而在传统技术中做不到。同时，在患者身上测量到的表面剂量只有传统照射的几分之一。提高了X 射线光子的转换效率也称为量子检测效率(DQE)。3）DR成像速度快。采集时间10ms以下，成像时间仅为几秒，在屏幕上可即刻观察到图像，数秒后传送至后处理工作站，还根据需要即可打印激光胶片。4）DR设备采用直接转换技术得到数字图像，有效的解决了图像的存档、管理与传输，影像信息可用光盘刻录，成本低廉，利用网络传输方便、效率高，为医学影像实现全数字化和无胶片化奠定了基础。5）DR设备的发展方向：主要是直接成像的非晶硒平板检测器的不断改进和提高，重点是像素再缩小，提高图像的分辨率；提高检测器对X线的转换率，降低X线剂量；研发高质量的图像处理软件，进一步提高图像质量。CR和DR的比较相同点：（1）CR与DR的相同点都是将x射线影像信息转化为数字影像信息，其曝光宽容度相对与普通的增感屏，胶片系统体现出明显优势。（2）都采用数字技术，都有很宽的曝光宽容度，因而允许照相中的技术误差，即使在一些曝光条件难以掌握的部位，也能获得很好的图像。（3）都可利用计算机显示，进行进一步处理、存储和传输，可以根据临床需要进行各种图像后处理，如对比度调整，图像拼接以及局部放大等各种功能，前后对比，定量分析提供依据。区别：（1）CR系统由于自身的结构原因，x射线照射影像板时，存在着散射，会有潜像模糊，使图像模糊，降低了图像空间分辨率，因此CR系统的不足之处主要为时间与空间分辨率较差，不能满足动态器官和结构的显示。而DR无光学散射而引起的图像模糊，其清晰度主要由像素尺寸大小决定。（2）CR系统更适用于X射线平片摄影。DR系统则比较适用于透视与点片摄影及各种造影检查。胸部为DR最适合的部位，胸部组织密度差异大，不同的后处理，更有利于发现病变，特别是纵隔心影后隔下肋骨重叠的部位的病变。DR明显扩大了常规胸片不能涵盖的范围。（3）CR系统需要一定的技术经验以取得合适的摄影条件来获得质量好的图像，使其操作的简易性和图像质量的稳定性稍逊于DR。 数字医学X射线影像设备的应用 1. 数字医学X射线影像设备在医学诊断中的应用 （1） 多用途的数字X射线透视摄影设备可用于常规检查、创伤和骨科检查，应用广泛，对头颅、脊柱、胸腔、腹部和四肢等都可以进行透视和摄影。这类设备功能多，结构复杂，一般在使用时，要通过按键选择，调节设备使之适合于某种检查。因此这类设备的发展方向不仅是要有高质量的图像还要操作简便。 （2） 胃肠诊断X射线设备由于消化道与胆、肝脏及胰腺等器官均由软组织组成。缺乏自然对比度，在临床上，为了达到更好的效果，还经常利用造影剂进行造影检查。（3）口腔摄影X射线设备