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中北大学学位论文 基于平板成像器件的数字血管减影技术 摘要 在当前的临床实践中，数字血管减影技术是一种有效的血管可视化工具。特别是近 年来，基于平板成像器件的数字血管减影技术逐渐取代了传统的胶片和影像增强器型减 影技术，成为医疗诊断中必不可少的工具。如何使减影更加清晰也成了近年来研究的热 点。 本文以平板探测器型d s a 为主要研究对象，比较了基于平板成像器件的d s a 和基于 影像增强器件的d s a 的主要差别，通过结果可以看到平板成像d s a 具有很大的显影优势。 在数字血管减影的研究上，对于成像条件比较好的d s a 图像，可以使用直接减影的方法。 但大部分d s a 图像在进行减影时会受到背景器官的影响，因此本文采用了基于对数变换 的减影方法，该方法使减影后的血管更加清晰可见。在减影的过程中，由于病人本身和 人体器官不可避免的移动，使减影图像出现伪影。针对这种现象，本文介绍d s a 图像中 的配准技术，通过图像的配准尽量减少伪影对正常诊断的影响。根据血管图像的特点， 采取特征点方法对图像进行配准。首先在造影图像上选取特征点，然后在原始图像上进 行特征点偏移量的计算。在此基础上应用带有平滑参数的薄板样条插值方法，通过改变 平滑参数来控制形变和平滑程度，从而对两幅图像进行配准。实验结果显示可以有效消 除伪影。目前，绝大部分d s a 图像都是满足d i c o m 3 0 标准的，本文通过深入研究d i c o m 标准，来对d s a 图像做正确的解析，并可以用v c + + 6 0 实现d s a 图像的显示。 数字血管减影技术由于能够动态显示血管的流动情况，从而清晰显示病灶，提高疾 病发现率与诊断的准确率，降低造影剂的使用，提高了手术的安全性，降低了手术成本， 因此，其应用前景将十分广阔。 关键词：数字血管减影，平板探测器，图像配准，d i c o m 标准 中北大学学位论文 d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h yt e c h n i q u eb a s e do n t h ef i a tp a n e li m a g i n gd e v i c e a b s t r a c t a u t h o r ：z h a n g b o - s h u t u t o r ：w a n gm i n g q u a n i nc u r r e n tc l i n i cp r a c t i c e ，d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y ( d s a ) t e c h n i q u ei sa n e f f i c a c i o u sv i s u a l i z a t i o nt o o lf o rt h eb l o o dv a s c u l a rs t r u c t u r e s e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ， d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h yt e c h n i q u eg r a d u a l l yt a k e sp l a c eo ft r a d i t i o n a lf i l ma n di m a g e i n t e n s i f i e rm o d e ld s a a n di tb e c o m e sa b s o l u t e l yn e c e s s a r yt o o li nm e d i c a ld i a g n o s i s h o w t om a k es u b t r a c t i o nm o r ec l e a rb e c o m eo far e s e a r c hh o t s p o ti nt h ef i e l do fm e d i c a li m a g i n g i nr e c e n t l y t h ef i a tp a n e ld e t e c t o rd s ai sr e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ed i f f e r e n c ei sc o m p a r e d w i t hf i a tp a n e ld s aa n di m a g ei n t e n s i f i e rd s a b yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ec a ns e et h a t f l a tp a n e ld e t e c t o rd s ah a so b v i o u sa d v a n t a g e i nt h es t u d yo fd s a t e c h n i q u e ，t h eb e t t e ri m a g ee f f e c tc a nu s ed i r e c t l ys u b t r a c tm e t h o d b u tm o s to fd s a i m a g ea r ea f f e c t e db yb a c k g r o u n do r g a n si ns u b t r a c t i o n ，s ot h i sp a p e r u s e t h el o g a r i t h m i ct r a n s f o r m a t i o ns u b t r a c t i o nm e t h o d t h i sm e t h o dm a k e st h ev a s c u l a ri m a g e w a ss u b t r a c t e dm o r ec l e a r l y i nt h ec o u r s eo fs u b t r a c t i o n ，t h ei m a g ea p p e a r sa r t i f a c t sb e c a u s e p a t i e n t sh u m a no r g a n si n e v i t a b l em o v i n g i nt h i st h e s i s ，i m a g er e g i s t r a t i o np r o b l e mi nd s a t e c h n i q u ei sd i s c u s s e da n dan e wi m a g er e g i s t r a t i o na p p r o a c hi su s e d f i r s t l y , t h ee v e n l y c h o s e ns m a l ln u m b e ro fp o i n t so nt h ev a s c u l a rc e n t e r l i n e sf o r m st h ec o n t r o lp o i n t ss e t s e c o n d l y , c o n t r o lp o i n t so f f s e ti sc a l c u l a t e di nt h em a s ki m a g e f i n a l l y , as m o o t h e dt h i n - p l a t e s p l i n e s ( t p s ) i n t e r p o l a t i o nf u n c t i o ni su s e dt oc o n d u c ti m a g ew a r p i n gt o w a r d st h em a s k i m a g eb a s e do nt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lp o i n ts e t s t h es m o o t h e dt h i n p l a t es p l i n e s 中北大学学位论文 i n t e r p o l a t i o nf u n c t i o nc a nc o n t r o lt h ew a r p i n ga n ds m o o t hd e g r e eb ya d j u s t i n gt h es m o o t h p a r a m e t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h i sm e t h o dc a nm a k et h em a s ki m a g er e g i s t r a t i o n a tp r e s e n t ，m o s td s a i m a g ef o l l o w sd i c o m3 0s t a n d a r d ，i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ed s a i m a g ei sd i s p l a y e db yr e s e a r c hd i c o ms t a n d a r d ，a n dad s ai m a g ed i s p l a ys o f t w a r ei s d e v e l o p e db yv c + + 6 0p r o g r a m m i n g t h ed s a t e c h n i q u ec a nd y n a m i c a l l yd i s p l a yt h ev a s c u l a rf l o w i n gc o n d i t i o n ，c l e a r l y d i s p l a yl e s i o n s ，i m p r o v ed i s e a s e sd i s c o v e r - r a t ea n dd i a g n o s t i ca c c u r a c y , w h i c hc a nd e c r e a s e t h ec o n t r a s ta g e n tu s i n g ，i m p r o v eo p e r a t i o ns a f e t ya n dr e d u c eo p e r a t i o nc o s t i naw o r d ，t h e d s a t e c h n i q u ew i l lh a v ee x t e n s i v ea p p l i a n c ea n dw i d ep r o s p e c t k e y w o r d s ：d s a ，f p d ，i m a g er e g i s t r a t i o n ，d i c o ms t a n d a r d 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：速篮圭论文作者签名：逊盟j = e ll ：妒哆泌 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：0 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文： 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：多垒鳢一叟 日期：27 呈篁! ! 童尘 导师签名：日期：塑墨：皇：垒 中北大学学位论文 1 1 课题的背景和意义 1 绪论 医学是关系到人类身心健康的应用学科，1 8 9 5 年伦琴发现的x 射线开创了对人体内 部器官进行影像诊断的新纪元，并产生了种类繁多的医学图像，医学的诊断方式发生了 翻天覆地的变化。现代医学己经越来越离不开医学图像的处理，医学图像在临床诊断、 教学科研等方面正发挥着极其重要的作用。 数字减影血管造影技术( d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y ，d s a ) 是一种在医学 诊断和介入治疗中起重要作用的技术，它是数字放射学中重要的组成部分，是由计算机 进行影像处理的先进的x 射线诊断技术【。它利用计算机处理数字化的血管图像，并把 它们相减以得到更清楚的血管图像的技术。它是一种使x 射线序列图片中的血管可视化 的强大的技术，在临床应用已经有多年的时间。现今已成为血管疾病无创诊断与介入治 疗手术导航的重要依据，广泛应用于x 射线序列成像中的血管的可视化系统中【2 一】。 过去的血管减影采用光学减影技术可部分消除骨骼和软组织的重叠图像，使血管显 影变得较为清晰。d s a 则是利用计算机处理数字化的医学图像信息，以消除骨骼和软组 织图像的减影技术，是新一代血管造影的成像技术【4 】。d s a 主要用于全身各部位血管的 检查、诊断和治疗。 d s a 技术是常规血管造影术和计算机处理技术相结合的产物，其大致过程简言之为： x 射线穿过人体各解剖结构形成荧光影像，经成像器件之后由采集装置采集而形成视频 影像，通过模数转换形成数字图像，这些数字信息输入计算机后，再经减影、对比度 增强等处理，产生数字减影图像。它主要用于全身各部位血管的诊断和治疗，应用前景 十分广阔。同时对d s a 系统及其图像处理算法的研究和设计也将成为医学影像方面新的 热点。 1 2 数字血管减影技术简介 中北大学学位论文 在一个血管造影序列中，最初的几幅图像( 造影剂还没有进入血管) 没有显现出血 管，我们把它们称为蒙片( m a s ki m a g e ) 。所谓的减影也就是将之后的活片( 造影剂充 满血管后得到的图像，l i v ei m a g e ) 与蒙片相减，理想情况下应该就能得到图1 1 所示 的只含有血管的高对比度图像。 澎弦蕴落j f 嫩黪纠蚪 游j 怨黪斧m ，i 菪j 葭塞 幼憝 哗氍豫翟 图1 1 数字血管减影的原理图 d s a 的基本原理是将注入造影剂前后拍摄的两帧x 射线图像经数字化输入图像计算 机，通过减影、增强和再成像过程来获得清晰的纯血管影像，同时实时地显现血管影像 随时间推移的动态变化状况，与常规血管造影相比，d s a 具有对比度分辨率高，检查时 间短，造影剂用量少，浓度低，患者对x 射线吸收量明显降低以及节省胶片等优点，在 血管疾患的临床诊断中，具有十分重要的意义。 1 3x 射线平板成像技术 医学影像技术是医疗信息的重要组成部分，成像技术尤其是计算机技术与医学影像 一2 中北大学学位论文 学结合的数字化成像技术是医学影像学发展的趋势。x 射线计算机断层成像( c t ) 、磁共 振成像( m r i ) 、数字化超声及多普勒，单光子发射断层扫描( s p e c t ) 及正电子发射断 层扫描( p e t ) 等数字成像技术相继产生，开创了一个以计算机数字化成像为特征的现 代医学影像技术时期。但医院中常规大量应用的普通x 射线数字化技术尤其是动态成像 方面并未得到彻底解决。 八十年代后期，一种新的使用硒和硅作为感应媒体的x 射线检测成像方法，引起了 人们的注意，这就是x 射线平板探测器( f l a tp a n e ld e t e c t o r ，f p d ) 成像技术。而平 板o s a 技术更是近几年发展起来并已广泛应用于临床的一项新技术。它采用x 射线平板 探测器技术直接获取数字化影像。目前应用于d s a 系统的平板探测器有非晶体硅f p d 技 术和非晶体硒f p d 技术两种，其中以非晶体硅f p d 技术较为常用。非晶体硅f p d 的显像 层由碘化铯闪烁体和非晶硅薄膜光电二极管阵列组成。它的运行机制是碘化铯i 刈烁体把 吸收的x 射线光子转化为可见光，由许多光电二极管把可见光转化为电荷( 每个光电二 极管都代表一个像素或一个图像元素) ，每个像素的电荷由低噪声电子装置检出并经过 a d 转换后形成数字化图像信息，送往图像处理器。该数字探测器取代了对图像质量有 影响的部件，拥有较高的量子探测效率，它对原始图像信号的捕获率超过8 0 。而当使 用影响增强器系统( 传统d s a ) 时，原始图像信号经过光栅、影像增强器、光学系统、 电视摄像机或c c d 固定摄像机等多级处理后，多次弱化，最终可利用的信号还不到5 0 。 由于平板探测器d s a 技术能捕捉到的信息量较多而损失最少，信噪比明显提高，因而与 传统d s a 技术相比，血管造影的图像质量能得到进一步的改善 5 】，如图1 2 所示。 图1 2 脑部血管的平板d s a 的显示效果图 一3 - 中北大学学位论文 由上图可以看出，它可以清晰显示脑部动脉血管和毛细血管的分布，提高了疾病发 现率与诊断的准确率。 1 4 数字血管减影的研究现状及意义 d s a 用于介入放射学治疗是最理想的技术，它目前已广泛用于临床，主要用于血管 疾病的诊断、疗效的观察，其应用如下所述。 头颈部血管系统的检查：对颅脑肿瘤和脑血管病的诊断具有重要价值，尤其对肿瘤 染色有独到之处，较一般动脉造影为好，广泛应用于颈动脉与椎动脉起始部、颈内、颈 外及椎基底动脉系统的检查，如图1 3 ( a ) 所示的颈内动脉血管狭窄。它的诊断灵敏度、 特异性和正确性都很高。 胸部血管系统的检查：d s a 对心脏及大血管的显示相当满意，能清楚显示主动脉弓、 升主动脉及降主动脉：对主动脉夹层动脉瘤具有很好的诊断价值，对大动脉炎可以很好 地显示病变范围，能清楚显示肺动脉；对主动脉狭窄、主动脉瘤的形态的诊断也具有重 要价值。 腹部血管系统的检查：腹主动脉及其主要干支如肾动脉、腹腔动脉及其属支，肠系 膜上及其肠系膜下动脉等在d s a 检查中均能很好地显示。在有腹部动脉狭窄，尤其有 严重的动脉粥样硬化狭窄时，用动脉插管变得困难，此时采用d s a 可显示它的优越性。 目前，腹部血管的d s a 检查中，应用最广泛的是肝、肾动脉造影。 四肢血管系统的检查：d s a 可以诊断四肢动脉及其干支的狭窄和闭塞，但对于肱动 脉的细小分支和侧支循环却难以显示。也可用于显示动脉瘤、动脉畸形。图1 3 ( b ) 所显 示的就是人体下肢动脉的造影图像。 介入放射学的应用：在介入放射学中，利用d s a 的引导管方式，能实时显示导管 或导丝在血管内推进的情况，并清楚地观察其与血管的关系，使其头部的定位更为精确， 因而能加速选择性或超选择性插管的操作。也有助于各种介入性操作，如出血病灶和畸 形血管的栓塞，肿瘤血管的栓塞或局部注入化学药物，采用气囊导管对狭窄的血管施行 腔内成形术等。 脑血管病的检查：特别是对于动脉瘤、动静脉畸形等定性定位诊断，更是最佳的诊 4 中北大学学位论文 断手段。不但能提供病变的确切部位，而且对病变的范围及严重程度，亦可清楚地了解， 为手术提供较可靠的客观依据。 另外，对于缺血性脑血管病，也有较高的诊断价值。d s a 可清楚地显示动脉管腔狭 窄、闭塞、侧支循环建立情况等，对于脑出血、蛛网膜下腔出血，可进一步查明导致出 血的病因，如动脉瘤、血管畸形、海绵状血管瘤等。 其它方面的应用：d s a 可用于观察肿瘤的供血情况，对肿瘤的良、恶性鉴别和手术 疗法的选择有很大帮助，d s a 也为各种术后并发症和疗效观察提供了一个方便而准确的 方法。能清楚地显示吻合口的情况，移植血管与原来血管的相互关系，以及其它各血管 的情况。肾移植后可用于鉴别急性肾小管坏死，急性排斥和手术并发症，以确定适当的 治疗措施。可以区分脓肿、血肿、囊性淋巴瘤以及假性动脉瘤。 ( a ) 颈内动脉血管狭窄减影图像( b ) 下肢动脉血管减影 图1 3 不同部位血管图像 1 5 国内外发展动态 数字减影血管造影技术自从上世纪8 0 年代兴起以来就一直是医学影像领域研究的 重点。它是继c t 之后，在x 射线诊断技术方面又一重大突破，所以也一直是该领域研 究的热点问题。 当d s a 刚刚出现时，它就已应用于心血管系统诊疗，并逐步代替了七八十年代的 a o t 、p u c k 、点片照相机。当时的评价是用数字系统的软件功能代替了硬件设备。但是 否能全面代替x 射线设备直到十年前还有争论。随着技术进步，d s a 有了长足发展：实 - 5 - 中北大学学位论文 时d s a 、旋转d s a 、三维成像等，都是近年来的进步。这使得d s a 的应用范围迅速扩大， 全面替代了各种传统技术。至此，心血管造影系统这个在上世纪七八十年代最庞大、精 尖的x 射线系统得到大大简化【6 】。它使专用支架上减少了许多负荷，如点片相机、p u c k 换片器、光路分配器、电影摄影机等；控制室则减少了相应一些控制柜。今天，影像增 强器也可以被平板探测器所代替，这些都是d s a 技术近年来的发展。 随着平板探测器技术的完善以及计算机技术的发展，平板探测器应用到最新的d s a 设备中。平板探测器型d s a 能够分辨出面成像所不能看到的人体组织的细微差别，密度 分辨率高，低辐射剂量，能获得良好的图像质量。 为了获得动态观察效果，最近几年来经常出现了旋转d s a 。它利用两次旋转动作， 第一次旋转采集一系列蒙片像，第二次旋转注射造影剂在相同角度采集活动图像，进行 减影获得序列减影图像。这增加了空间感，提高了诊断正确率。三维成像技术就是利用 旋转d s a 的转动，获得血管在多个方向的投影，从而重建出血管的三维立体图像，提高 了显示效果。此外，血管外介入诊断和治疗也突飞猛进，主要原因就是导引技术的迅速 发展。 综上所述，数字血管减影技术能够动态显示血管的流动状况，从而清晰显示病灶， 提高疾病发现率与诊断的准确率，降低造影剂的使用，提高了手术的安全性，降低了手 术成本。因此它越来越多地出现在医院的放射和介入治疗科。 1 6 本文结构 本文的大概章节结构如下： 第1 章即绪论，主要介绍了本文研究背景，现状和意义以及国内外的研究现状。 第2 章介绍了基于平板成像的数字血管减影系统。平板成像技术广泛应用于医学射 线检测中，它逐渐代替了传统的影像增强器型检测设备。本章详细介绍了平板成像技术 的优点以及在d s a 中的应用，并和传统的d s a 减影图像进行了比较。 第3 章主要介绍了数字血管减影的方法。首先介绍了数字减影出现的背景和理论基 础。在此基础上对获得的血管图像进行减影的实现。根据部分d s a 图像减影不清晰的情 况，提出了基于对数变换的减影方法，使血管显示得更清晰，有利于医学诊断。 6 中北大学学位论文 第4 章重点介绍了d s a 图像的配准技术。在d s a 图像获取的过程中，血管的偏移是 不可避免的。d s a 图像配准就是消除这种偏移从而去除伪影的方法。本章介绍了控制点 的选择，蒙片偏移量的求取和薄板样条插值技术等来消除伪影，并给出了实验结果。 第5 章介绍了d s a 图像的显示和传输。本章首先分析了医学图像的d i c o m 标准，通 过研究该标准能够实现d s a 医学图像的正确解析。同时还描述了医学图像在p a c s 系统 中的传输和应用。 第6 章是全文的总结和展望。 7 中北大学学位论文 2 平板成像d s a 系统 平板探测器( f l a tp a n e ld e t e c t o r ，f p d ) 早在八十年代就被应用到医学数字化摄 像机上，而后又应用于动态图像的透视。九十年代平板成像技术开始应用于心脏血管d s a 成像中，并逐步扩大了其使用范围。 近年来，传统的i i - t v 影像器电视成像方式发生了革命性的变化，影像增强器、 光学系统、摄像头、模数转换器全部被一块平板探测器所取代。从平板探测器上直接获 得了数字化图像，避免了传统影像链的每一个环节所造成的失真、噪声以及分辨率下降， 减少了外围复杂的控制部分，使控制更直接更简单，而其显示出的优良图像是传统的成 像方式所不能比拟的，受到了心脏和放射介入届的瞩目和一致好评。 2 1 影像增强器型探测系统 影像增强器由增强管、管容器、电源、光学系统以及支架等部分组成。主要部分是 影像增强管，前端即面积大的一端是输入屏，它接受x 射线辐射产生光电子流；管壁内 有聚焦电极；后端即面积小的一端为输出屏，它接受电子轰击发光，使输入屏的图像增 强数千倍亮度在输出屏上成像，输出屏的前方是锥筒形的加速电极( 即阳极) ；增强管 是用玻璃制的真空管，里面保持了高度真空。金属外壳即管容器具有保护增强管、防爆、 防散射、防外界磁干扰、防高压电击的作用。 其工作原理简要介绍如下：首先由x 射线管射出x 射线，穿过物体，在增强管的输 入屏形成x 射线影像，并变成可见光图像，这种可见光图像经过与输入屏相连的光电阴 极，便有光电阴极发射出光电子。接下来光电子在聚焦电极及阳极形成的电子透镜的作 用下，聚焦加速后在输出荧光屏上形成缩小了的电子影像，电子影像再经输出屏转化为 可见光图像。最后，输出屏上的图像由光学系统送到电视c c d 上，就可以在电视监视器 上进行观察，输送到d v d 上可以录像，输送到d s a 设备上就可以进行减影等。 但这种影像增强系统的一个最主要的缺点就是成像环节多，容易造成图像信息的丢 失和噪声的增加，并且分辨率也相对较低。所以由更为先进的平板探测器代替传统的影 9 中北大学学位论文 像增强器系统是发展的必然趋势。 2 2 平板探测器的应用 平板成像技术用于数字影像学，作为放射科的一项完全的数字解决方案现在已被广 泛接受。应用这种技术，在影像质量，工作流程及剂量存储等方面已有实质性进展。动 态医学平板探测器具有在高动态范围，大面积环境下获得高分辨率图像，以及在低剂量 范围，高帧频环境下获得中分辨率图像的功能。因此平板动态医学探测器将使一系列的 摄像片及透视临床应用在同一种x 射线影像模式下完成。正因为其具有如此的优点，所 以才在医学检测系统得以广泛应用，并有可能取代传统的影像增强器电视成像技术。 2 2 1 平板探测器简介 平板探测系统主要由x 射线源、平板成像器件、命令处理与同步控制、图像采集卡 和计算机等组成。 作为其中最主要的平板成像器件是由闪烁层、具有光电二极管作用的非晶硅层和按 阵元方式排列的薄膜晶体管层所组成的。薄膜晶体管像元的大小直接决定图像的空间分 辨力，每一个像元具有电荷接收电极，信号存储电容及信号传输器，通过数据网线与扫 描电路连接；扫描控制器由计算机控制的矩阵扫描电路，恢复电路及扫描数据转换装置 组成；系统控制器是计算机的主机系统，包括操作程序，图像处理程序，图像存储、打 印、网络管理等；而摄影后的图像则有计算机的监视器负责显示。 2 2 2 平板探测器的工作原理 x 射线透过物体后，有不同程度的衰减，作用于闪烁层上，x 射线光子先转换成可 见光，然后由非晶硅光电层转换成电荷信号，与t f ，i 阵列放大器一起将电荷储存于薄膜 晶体管器内的电容中，矩阵电容所存的电荷与x 射线影像成正比，随后扫描控制器控制 扫描电路读取一个矩阵电容单元的电荷，将电信号转换为数字化信号，数字化图像数据 1 0 中北大学学位论文 在系统控制器内储存、处理，在影像监视器上显示。上述过程完成后扫描控制器自动对 成像板内的感应介质进行恢复。 2 2 3 平板探测器的成像过程 平板探测器的成像过程如图2 1 所示，首先其内部的闪烁晶体屏将x 射线转化为可 见光，再经光电转换，在每个像元产生电荷并进行累积。除图像读出的瞬间过程，每个 像元都在不停地累积光电荷。在图像读出过程中，电荷逐行从每个像元的电容传出；来 自同一行的像元电荷被放大、数字化，然后写到一个先入先出( f i f o ) 队列中；处于f i f o 队列的数据通过数据传输传送到计算机处理系统中。 图2 。l 乎板探测器的成像过程 2 2 4 平板探测器的种类 平板探测器根据结构不同分为两种，一种是直接型平板探测器，主要由硒材料组成， 该探测器直接将x 射线信号转换为电信号，以非晶硒材料作为x 射线转换膜。其结构和 原理为：用非晶态硒涂覆在薄膜晶体管( t f r ) 阵列上，透过人体后的入射x 射线在硒层 中产生电子空穴对，在外施偏压的电场作用下，电子和空穴对向相反方向移动形成电 流，随之在t f t 积分形成储存电荷，存储的电荷与x 射线光子能量与数量成正比，每个 薄膜晶体管作为一个基本单元称之为像素，在扫描控制器的触发控制下，按顺序依次读 取每个像素存储的电荷，该信号经过有源阵列放大后直接送到a d c 电路同步进行a d 转 换形成图像的数字信号。转换后数字信号的数值大小和电信号的强度( 电压的高低) 呈正 比。其转换过程为：x 射线硒一电荷一非晶硅薄膜晶体管( t f ，i ) 一数字信号。 1 1 中北大学学位论文 另一种是间接型平板探测器，由碘化铯构成的闪烁体层、非晶硅阵列层、信号读出 电路和石英玻璃衬体等部分组成。其工作原理为：x 射线光子激发碘化铯闪烁体层产生 荧光，碘化铯激发出为5 5 0 n m 的荧光，正是非晶硅光谱灵敏度的峰值，通过针状晶体传 输非晶硅二极管阵列接受荧光信号并将其转换为电信号，信号送到对应的非晶硅薄膜晶 体管并在其电容器上形成存储电荷，由信号读出电路读出并将其数字化后送计算机重建 图像。同样，转换后数字信号的数值大小也和电信号的强度( 电压的高低) 呈正比。其转 换过程为：x 射线一碘化铯一可见光一非晶硅光敏二极管( t f d ) 阵列一非晶硅薄膜晶体管 ( t f t ) 阵列一数字信号。 2 2 5 平板探测器的噪声来源及抑制 随着设备数字化时代的到来，x 射线平板探测器成像技术将被广泛应用到社会各领 域之中，尤其在医学领域将更为普遍。但是，它仍然存在许多问题需要解决，特别是成 像的噪声干扰问题，逐渐成为一个重要的方面。而影响其成像质量的因素有很多，如平 板探测器、控制电路噪声及x 射线散射等。为了降低成像系统噪声，可在系统各个环节 采取降噪措施，另外，图像处理也是消除噪声的有效手段。 噪声的来源主要有以下方面：数据采集过程中探测器相邻行之间干扰所产生的随机 噪声；叠加在实际射线响应输出上的干扰所产生的偏差；像元响应的不一致性，即在均 匀射线强度照射下，探测器像元响应的不均匀程度，它与像元射线强度到像素值转换的 整个过程有关【7 1 。 由于系统中各类噪声的成因及其表现各不相同，很难找到一个统一的消除方法，因 此对各类噪声分别根据自身特点采用不同的消除方法是必要的。对于随机噪声，最有效 的校正途径就是采用多幅图像叠加取平均的方法。对于偏差的消除，可采用均匀射线强 度下采集的待校正图像相同位置的灰度减去暗场图像( 没有x 射线照射平板探测器的情 况下获取一幅图像) 某行的灰度，这样会使图像灰度分布趋于一致，减少偏差的产生。 对于像元响应的不一致性，由于各种射线条件下得到的图像都叠加了暗场图像所代表的 偏差成分，所以任意两幅图像相减的结果，就是二者对应射线强度的差值在各像元的实 际响应，这样就减少了像元响应的不一致性。 1 2 中北大学学位论文 2 2 6 平板探测器在d s a 上的应用 数字减影设备随着科学技术日新月异的变化而不断发展，它根据介入检查和治疗的 深入开展而日臻完善。 为了适应d s a 技术的微创性、可重复性强、定位准确等特点，并且随着平板探测器 技术的完善和计算机技术的发展，平板探测器已经应用到最新的d s a 设备中。 d s a 设备中的f p d 有直接方式和间接方式两种类型。直接方式的平板探测器的空间 分辨率优于间接方式，并且在临床有意义的空间分辨范围下具有更好的量子检出效能特 性。f p d 型d s a 的主要优势体现在以下方面：平板探测器的动态范围与探测灵敏度和密 度分辨率有关，当射线穿过探测器时，x 射线被严格限制在很窄的缝隙中，克服了散射 造成的干扰，本底噪声几乎为o ，探测灵敏度高，是原本被本底噪声淹没的微弱的x 射 线也能被检测出来，能够分辨出面成像不能看到的人体组织更加细微的密度差别，密度 分辨率高，提高了图像质量；在f p d 的窄缝隙中，又消除了7 0 的散射线，仅需5 m s 扫 描每一个像素，因此，只须用很低的辐射剂量，就可以获得良好的图像质量。 大型d s a 设备采用旋转曝光方式的三维信息采集以实现三维图像显示。旋转速度从 最初的每秒1 5 度，到目前最快的每秒6 0 度。快速的旋转使得在造影过程中造影剂的用 量减少，缩短了“短暂缺血”的时间，使患者更安全。 2 3 平板成像系统的组成 本文中所用数字成像系统的成像器件采用的是美国v a r i a n 公司生产的p a x s c a n 2 5 2 0 平板探测器，它是世界上第一个具有实时成像功能的非晶硅平板式探测器，它获取 图像快，图像质量好，结构紧凑，具有多种工作模式。而且由于它的方便灵活，所以应 用非常广泛。该探测器属于非晶硅间接成像，其非晶硅面阵尺寸为2 5 厘米2 0 厘米， 像元尺寸为1 2 7 微米，采集一帧图像所用的时间是3 4 秒，图像灰度深度为1 2 比特。 系统主要组成部分如图2 2 所示： ( 1 ) 射线源：用于产生一定能量的x 射线，穿透人体，在人体中由于被骨骼或器 官吸收而产生强度上的差异，从而能使患者的血管信息到达接收器。 - 13 - 中北大学学位论文 ( 2 ) 平板成像器件：采用非晶硅间接成像的平板成像器件用于接收穿透人体并已 经携带信息的图像信号。 ( 3 ) 命令处理与同步控制：命令处理装置的作用是将平板成像器件接收的图像信 息转换成数字信号，并经过校正、降噪后发送到计算机供用户使用。因为图像系统对图 像的采集分为曝光和读出两个阶段，从而要求图像系统工作和射线源发出电子束在时序 上要有一定的配合关系，即射线源与平板采集的同步。同步控制电路就主要完成该任务， 它根据平板探测器的工作状态来使x 射线源产生或停止产生x 射线。 ( 4 ) 图像采集卡：采用加拿大m a t r o x 公司生产的m e t e o r i i d i g i t a l 图像采集卡， 它价格低廉，可以采集标准的模拟彩色黑白视频信号，并将强大的函数扩展性能集成 到了采集卡上，在图像采集领域有着广泛的应用。利用其对医学图像进行采集也是它应 用的重要方面。 ( 5 ) 计算机：用于接收来自采集卡的图像信号并实现显示、处理、保存等功能， 同时还能实时监控平板探测器的工作状态。 图2 2 平板成像系统的组成 1 4 中北大学学位论文 2 4 平板d s a 的优点 正因为平板d s a 相对普通d s a 具有不可比拟的优势，使它在临床上的应用更加广泛。 总的来说，平板d s a 主要优点如下所述： ( 1 ) 其成像方式有别于传统方式，由于其成像环节明显减少，避免了图像信息( 一 是在胶片增感屏系统中x 射线照射使增感屏发生可见光后使x 射线胶片再感光，二是 胶片在暗室进行化学处理过程中会有信息的丢失或增加噪声) 的丢失； ( 2 ) x 射线探测器的动态范围越大，对低对比度( 密度差别小) 的物体的探测能力 就越强，能提供的信息就越多，所得图像对医生诊断疾病的参考价值就越大。普通x 射 线胶片的动态范围约为l 比1 0 0 ，所以只能分辨出组织密度差别大于1 的物体。而数字 化x 射线成像技术中探测器系统的动态范围可达支1 比5 0 0 0 及至1 比1 0 0 0 0 ，所以x 射线数字摄影可分辨组织密度差别小于1 的物体，具有很高的对比度分辨力及较大的曝 光宽容度。x 射线数字影像的空间分辨力一般不及普通x 射线胶片。而空间分辨力也不 是确定图像细节的唯一因素。在对比度较差的情况下，尽管图像的空间分辨力很高，但 人眼仍然不能分辨出其细节的变化。而数字化x 射线成像技术由于其探测器的动态范围 比较大，对低对比度差异物体检查性好，并可用图像处理技术，对低对比度物体进行灰 度变换，能将这种微小的灰度差异突出显示出来。所以，虽然x 射线数字影像的空间分 辨力低于传统x 射线胶片，但经过图像处理技术处理后，仍然能为医生提供比传统x 射 线胶片影像丰富得多的诊断依据。目前，平板探测器所采用的t f t 像元大小常为0 2 m m 以下，当采集面积为1 7 8 i r a 2 1 6 m m 时，图像像素矩阵为1 2 8 0 1 5 3 6 ，空间分辨力约为 3 5 l p m m ，接近传统成像方式。而密度分辨率高于传统胶片，因此，经平板成像后的图 像具有较高解像力，能够满足临床常规x 射线摄影的需要； ( 3 ) 平板探测器的x 射线敏感性高，确保了图像信噪比高，已证明其图像的信噪 比和x 射线的敏感性相当于或好于普通的胶屏系统，由于采用1 2 b i t 的图像数字化转换， 图像灰阶范围大，层次丰富； ( 4 ) 放射剂量小，曝光宽容度大，曝光条件容易掌握； ( 5 ) 可以根据临床需要进行各种图像后处理，如各种图像滤波，窗宽窗位、谐调、 放大缩小，以及黑白转换，图像拼接，数字减影以及测量距离、面积、密度等功能，为 1 5 中北大学学位论文 影像诊断中的细节观察、前后对比、定量诊断及功能诊断提供技术支持； ( 6 ) 图像可以直接以符合国际标准的数字化格式存储，由计算机进行档案管理， 可在医院p a c s 上传输，在影像工作站的高分辨显示屏上显示，供医生诊断，并可将数 据传至激光相机打印； ( 7 ) 其成像板被设计为平板状，可以方便地应用于目前普遍在医院应用的各种常 规x 射线摄影设备中，取代传统的胶屏系统。可作为x 射线机的一个永久性、固定性设 备。临床使用中不须接触暗盒内的各种器件，x 射线曝光后计算机自动扫描读取信息， 在控制室内的监视器上可显示出图像，操作简单，使用效率高、成本低。而且由于x 射 线剂量宽容度大，简化了操作过程。 平板探测器d s a 成像与传统影像增强成像系统的比较如下图2 3 所示：在相同部位 注入造影剂后由计算机采回的血管图像，( a ) 图是传统d s a 图像，( b ) 图是平板d s a 图像。 从图中可以看出，平板探测器d s a 的动态范围更大，成像效果更加清晰，减少了肌肉和 骨骼对血管的影响，其显示效果明显好于影像增强器d s a 的成像效果。 ( a ) 传统d s a 成像( b ) 平板d s a 图像 图2 3 平板d s a 与传统d s a 动脉血管对比图 16 中北大学学位论文 ( a ) 正常椎动脉( b ) 椎一基底动脉发育不良 ( c ) 正常颈动脉( d ) 颈动脉缺损 图2 4 平板d s a 对椎动脉疾病的诊断 图2 4 是平板d s a 对椎动脉疾病诊断的减影图像，( a ) 和( b ) 显示了椎一基底动脉发 育不良的血管状况。而通过( c ) 和( d ) 的对比则可以看到颈动脉缺损时的图像。由此说明 平板d s a 清晰的显示效果可以很好地显示各种不同部位的血管疾病，为医生的诊断提供 可靠的帮助。 随着更新技术的应用和新软件的开发及性能的不断完善，数字化平板成像d s a 终将 取代i i t v 成像系统，具有广阔的发展前景。 2 5 本章小结 17 澄 中北大学学位论文 x 射线平板探测器成像技术是2 0 世纪9 0 年代末期出现的新一代医学数字影像技术。 与传统成像技术相比较，x 射线平板探测器成像技术具有影像质量高、动态范围大、低 畸变、体积小巧，利于集成等优势，特别是采用平板探测器后，可以在较低剂量下仍保 持良好的信噪比，获得高质量影像，从而克服了进行心脏、脊椎血管检查时的剂量门槛 限制，大大减小了长时间介入手术对患者和医生的伤害。其次，随着x 射线平板探测器 的应用以及相应的透射旋转三维成像技术的发展，传统放射成像方式在三维成像技术方 面的劣势也得到克服。能很好地将三维影像与实时影像融合已成为放射介入设备新的优 势。 18 中北大学学位论文 3 数字血管减影技术的研究 d s a 是数字减影技术的简称，过去采用光学减影技术可部分消除骨骼和软组织的重 叠图像，使血管显影变得较为清晰。d s a 则是利用计算机处理数字化的医学图像信息， 以消除骨骼和软组织图像的减影技术，是新一代血管造影的成像技术。它主要用于全身 各部位血管的检查、诊断和治疗。 3 1 数字血管减影技术的历史 1 8 9 5 年伦琴发现了x 射线几周后，h a s c h e k 和l i n d e n t h a l 就进行了手的动脉血管 造影的研究。1 9 2 3 年b e r b e r i c h 和h i r s h 首次在人体上作了血管造影检查。1 9 3 1 年 f o r s m a n n 进行了心脏x 射线动脉造影，并得到广泛应用，血管造影的设备和技术也不断 进步和完善。但传统的动脉血管造影是一种侵入性的方法，从动脉穿刺插入导管，可能 导致局部并发症，如穿刺或切开部位的血肿、假性动脉瘤、动静脉瘤等，插管时可能损 伤动脉内膜，引起血栓形成和栓塞。还可以导致中枢神经系统并发症，如中风偏瘫、失 语、永久性的视野缺损等。此外，传统方法的动脉造影需要注入高浓度、大剂量的造影 剂，个别病例可能发生呼吸困难、血压下降、神志模糊、心律失常，甚至呼吸、心跳骤 停等严重的毒性反应。采用高压注射器注人造影剂还可能发生其他意外事故，例如进行 腹主动脉造影时，导管放入动脉瘤或动脉粥样硬化处注药，可能发生血管破裂大出血的 危险。大剂量和高浓度的造影剂可导致肾功能损害。高浓度造影剂如进入脊髓动脉可造 成截瘫的严重后果。还有一个原因就是由于待检查部位的各种组织，如肌肉、骨骼、脏 器等互相重叠，特别是身体较厚、骨结构较多、解剖较复杂的部位，血管影像难以辨认， 因而给临床诊断带来困难。 综上所述，传统的血管造影是一种操作繁琐、检查时间长、对患者有一段痛苦和损 伤，需要消耗较多人力和物力的检查方法。特别是对于婴幼儿、年老体弱和危重的伤病 员来说往往是一个很大的威胁。因此，寻找种操作简便、对病人比较安全、影像显示 得更清楚