2005学习班讲义CR部分.doc

CR成像技术 自X线摄影诞生的一个多世纪以来，多种成像系统得到发展，其特性随诊断信息的提高和剂量的降低，而不断取得进展。 1974年，富士胶片公司（Fuji）开始构架计算机X线摄影（Computed Radiography，CR）的原理，并进行基础研究工作。1981年，成像板（Imaging Plate，IP）研制成功，并推向市场。成像板是高新技术产品，是X线成像性能的巨大飞跃，从而使CR成为现实。 1981年6月，在比利时首都布鲁塞尔召开的国际放射学会（ICR）年会上，曾因CR系统和数字减影血管造影（DSA）系统的问世而被誉为“放射学新的起步年”。 计算机X线摄影，科学的讲，应该是光激励存储荧光体（Photostimulable Storage Phosphor，PSP）成像，或者叫做存储荧光体成像（storage phosphor imaging）、数字存储荧光体成像（digital storage phosphor imaging）和数字化发光X线摄影（digital luminescence radiography）。它是一种X线摄影影像的数字采集技术，为整合到图像存储与传输系统（PACS）中作好了准备。目前，CR是临床医师首选和放射科中最为常用的数字摄影方式。此技术使用常规X线摄影的采集结构，利用光激励荧光体的延迟发光特性在其中积存能量。经X线照射后，荧光体再经激光束扫描，以可见光的形式释放出积存的能量。释放的光激励可见光被探测器捕获，转换成数字信号，同时记录下荧光屏上可见光释放的具体定位。数字数据然后经过后处理形成符合要求的图像，被传送到硬拷贝打印机或软拷贝显示器用于医疗评价。 CR是与计算机数学电子学完整结合的X线成像系统。在常规X线系统中，屏/片体系实现了三个功能：影像的记录、显示和存储。而CR通过使用不同的更加先进的介质和设备，将这些功能分开，以计算机为核心把它们联成一个系统。 CR利用IP取代传统的屏/片体系，进行病人影像的高敏感性记录，尽管看上去与传统的增感屏很相似，但其功能有很大的差异，它在光激励荧光体中记录X线影像，并使其影像信息以电信号方式提取出来。第一节 CR系统构造 CR系统使用IP为探测器，利用现有的X线设备进行X线信息的采集来实现图像的获取。它主要由X线机、影像板、影像阅读器、影像处理工作站、影像存储系统和打印机组成。一、X线机 CR系统所用的X线机与CR系统的种类有关。CR系统的激光阅读装置分为暗盒型（cassette type）和无暗盒型（non-cassette type）两种。暗盒型阅读装置的CR需要暗盒作为载体装载IP经历曝光、激光扫描的过程，系统所用的X线机与传统的X线机兼容，不需要单独配置。无暗盒型读取装置CR系统的IP曝光和阅读装置组合为一体，连同影像向工作站传输的整个过程都是自动完成，需要要配置单独的X线发生装置。目前，临床使用的绝大多数CR系统都是暗盒型阅读装置CR，不需要单独购置新的X线机，摄影技师的工作流程也与传统屏-片系统基本相同。注意：如果原有X线机为工频机，同现代X线机(中高频)相比，会出现较多的低能射线；而CR吸收同传统屏/片相比，容易吸收更多的低能射线（包括散射线），会降低图像的清晰度。因而CR摄影最好使用中、高频X线机。二、 影像板（IP）IP是CR成像系统的关键元件，代替传统的屏-片系统，可以重复使用。一、 结构与组成IP从外观上看就象一块增感屏，它由表面保护层、光激励荧光物质层、基板层和背面保护层组成。影像板成像层的氟卤化钡晶体中含有微量的二价铕离子，作为活化剂形成了发光中心。二、 成像过程成像层接收X线照射后，X线光子的能量以潜影的形式贮存起来，然后经过激光扫描激发所贮存的能量而产生荧光，继而被读出转换为数字信号馈入到计算机进行影像处理和存储。CR影像的获取过程也是影像板的工作过程，即经过X线曝光后的暗盒插入CR系统的读出装置，IP被自动取出，由激光束扫描，读出潜影信息，然后经过强光照射消除IP上的潜影，又自动送回到暗盒中，供摄影反复使用。三、IP的规格尺寸与常规胶片一致，一般有3543cm（1417英寸）、3535cm（1414英寸）、2530cm（1012英寸）和2025cm（810英寸）四种规格。根据不同种类的摄影技术，IP可分为标准型（ST）、高分辨型（HR）、减影型及多层体层摄影型。新的成像板改善了敏感度，清晰度和坚韧性，同时与旧的成像板兼容。电子束处理外涂层用于保护成像板免于机械磨损和化学清洁剂的损伤。在正常条件下，成像板的使用寿命为10000次。三、 影像阅读器 影像阅读器是阅读IP、产生数字影像、进行影像简单处理，并向影像处理工作站或激光打印机等终端设备输出影像数据的装置。它具有将曝光后的IP由暗盒中取出的结构。取出的IP被放置在第一堆栈里，直到激光扫描仪准备好。 在激光扫描仪中，数字化影像被送到灰度和空间频率处理的内部影像处理器中，然后送至激光打印机或影像处理工作站。影像读取完成后，IP的潜影被消除，存储在第二堆栈内，在这里等待装入暗盒。四、 影像处理工作站 具有影像处理软件，提供不同解剖成像部位的多种预设影像处理模式，实现影像的最优化处理和显示，并进行影像数据的存储和传输。影像处理工作站可以进行影像的查询、显示与处理（放大、局部放大、窗宽窗位调节、旋转、边缘增强、添加注解、测量和统计等等），并把处理结果输出或返回影像服务器。五、 监视器 监视器用于显示经影像阅读处理器处理过的影像。六、 存储装置 存储装置用于存储经影像阅读处理器处理过的数据，有磁盘阵裂、磁带阵列等等。第二节 CR成像基本原理一、 CR基本原理 （一）CR系统的工作流程 1、信息采集（acquisition of information） 传统的X线摄影都是以普通的X线胶片为探测器，接受一次性曝光后，经冲洗来形成影像，但所获得的影像始终是一种模拟信息，不能进行任何处理。CR系统实现了用影像板来接受X线下的模拟信息，然后经过模/数转换来实现影像的数字化，从而使传统的X线影像能够进入存储系统进行处理和传输。2、信息转换（transformation of information） 是指存储在IP上的X线模拟信息转化为数字化信息的过程。CR的信息转换部分主要由激光阅读仪、光电倍增管和模/数转换器组成。IP在X线下受到第一次激发时储存连续的模拟信息，在激光阅读仪中进行激光扫描时受到第二次激发，而产生荧光（荧光的强弱与第一次激发时的能量精确地成比例，呈线性正相关），该荧光经高效光导器采集和导向，进入光电倍增管转换为相应强弱的电信号，然后进行增幅放大、模数转换成为数字信号。3、信息处理（processing of information） 是指用不同的相关技术根据诊断的需要实施对影像的处理，从而达到影像质量的最优化。CR的常用处理技术包括有谐调处理技术、空间频率处理技术和减影处理技术。4、信息的存储与输出（archving and output of information） 在CR系统中，IP被扫描后所获得的信息可以同时进行存储和打印。CR系统本身存在着一个小网络，能够实现影像的储存和传输；亦可传输到由多台数字数字摄影机组成的PACS网络系统（PACS是英文Picture Archiving & Communication System的缩写，译为医学影像存档与通信系统）。而且能够长久的作为网络资源保存，以供检索和查询为医学诊断提供帮助。信息的输出是指一个是向其它的网络输送影像资料，另一个是传送影像信息到打印机上进行打印输出。打印的方式主要是激光胶片、热敏胶片和热敏打印纸三种类型。进行打印的图像可以来自激光阅读仪、影像处理工作站和光盘存储系统。 （二）IP中X线信息影像的阅读过程 1、IP置于暗盒内，利用传统X线设备曝光，X线穿透被照体后与IP发生作用，形成潜影。 2、潜影经过激光扫描进行读取，IP被激励后，以紫外线形式释放出存储的能量。这种现象叫光激励发光（Photostimulable Luminescence，PSL）。 3、利用光电倍增管，将发射光转换成电信号。 4、电信号在计算机屏幕上重建成可见影像，并根据诊断的特性要求进行影像的后处理。 影像读取过程完成后，IP的影像数据可通过施与强光来消除，这就使得IP可重复使用。二、CR影像记录 （一）影像板 CR系统中，影像板取代了胶片-增感屏体系中的胶片成为影像记录的载体。因此，影像板是影像记录的关键，根据可否弯曲分为刚性板和柔性板两种类型。影像板的核心是用来记录影像的荧光涂层。柔性板使用弹性荧光涂层，影像板也变得轻巧柔软，可随意弯曲。柔性影像板简化了影像板扫描仪的传输系统，结构较为简单，使得扫描速度较快，设备体积较小。刚性板不能弯曲，阅读仪的传输结构和工作原理不同于前者，但其损坏几率小，寿命长，由于影像板引起的伪影少。 随着对影像质量需求的不断提高，荧光涂层的开发更加深入，技术更加复杂。目前的影像板使用寿命普遍超过10000次。用户不断提高的要求刺激了技术更新速度的加快，反过来不断的技术更新也将会更新用户的观念，今后对使用质量和效率的要求将超过对耐用性的要求。 （二）光激励荧光体（PSP）影像采集 光激励荧光体的晶体结构“陷阱”中存储的是吸收的X线能量，所以有时称作“存储”荧光体。在光激励发光（photostimulated luminescence，PSL）过程中，在适当波长的附加可见光能量的激励下，这种俘获的能量能够被释放出来。PSP影像的采集和显示可以归纳为图1所示的5个步骤。未曝光的PSP探测器装在有铅背衬的暗盒内，用与屏/片成像相同的X线成像技术对其曝光。穿过被照体的X线光子被PSP接受器吸收，以俘获电子的形式形成“电子”潜影。然后将PSP暗盒放在影像阅读仪中对看不见的潜影进行“处理”，在这里，影像接受器从暗盒中取出，用低能量高度聚焦和放大的红色激光扫描。一种较高能量低强度的蓝色PSL信号被释放出，它的强度与接受器中吸收的X线光子的数量呈正比。PSL信号然后从红色激光中分离，引导入光电倍增管，转换成电压，经模数转换器数字化，以数字影像矩阵的方式存储。PSP探测器被扫描后，再利用强的白光对残存的潜影进行彻底擦除，以备下次使用。采集到的数字化原始数据的影像分析对有用影像的相关区域进行确定，按照用户选择的解剖部位程序将物体对比度转换成模仿模拟胶片的灰阶影像。最后，影像在胶片上记录或在影像监视器上观察。在采集过程中，PSP系统近乎仿效传统屏/片探测器的范例。然而，在理解过程中存在着许多重要的差异，要注意充分利用PSP的成像性能。 （三）PSP接受器特性 PSP设备基于光激励发光的原理，当一个X线光子在PSP材料中积存能量时，有三种不同的物理过程在能量转换中发生。能量首先以可见光的形式释放荧光，这个过程是传统X线摄影增感屏成像的基础。PSP也可以释放出足够量的荧光对传统X线胶片曝光，但这不是我们所要的成像方法。PSP材料在晶体结构缺陷中存储绝大部分积存的能量，因而得名存储荧光体。这种存储的能量形成潜影，随着时间推移，潜影会由于磷光的产生而自然消退。如果用适当波长的可见光激励，激励发光的过程可以立即释放出部分俘获的能量，发出的可见光为产生数字化影像的信号。 许多化合物具有PSL的特性，但具有X线摄影所需要特性的却为数不多，即普通激光可以产生与激励-吸收波峰相匹配的波长、具有普通光电倍增管输入荧光体容易吸收的激励发射波峰、潜影稳定性（不会因荧光产生而引起信号明显损失）。最接近这些要求的化合物是碱土卤化物，商品名为RbCl，BaFBr:Eu2+，BaF(BrI):Eu2+，BaSrFBr:Eu2+。PSP接受器的横断面结构如图2所示。 （四）稀土的添加和吸收过程 微量的Eu2+混杂物加在PSP中，以改变它的结构和物理特性。微量的混杂物，也叫作活化剂，替代了晶体中的碱土，形成了发光中心。由于X线吸收而发生的电离，在PSP晶体中产生电子/空穴对。一个电子/空穴对将一个Eu2+跃迁到激发态Eu3+，当Eu3+返回到基态Eu2+时会产生可见光，以俘获电子的形式存储的能量形成潜影。当前，有两种主要的理论来解释PSP的能量吸收过程和随后发光中心的形成。如图3所示，它们是双分子再结合模型和光激励发光复合物（photostimulated luminescence complex，PSLC）模型。使用后种模型在BaFBr:Eu2+中发生的物理过程，看上去与实验发现十分近似。此模型中，PSLC是一个亲近Eu3+-Eu2+再结合中心的较高能量（F中心）的亚稳态复合物。PSP中X线的吸收引起了“空穴”和“电子”的形成，从而激发一个“非活化PSLC”被一个F中心俘获，或者通过“F中心物理”所解释的“exitons”的形成和/或再结合来形成一个活化的PSLC。无论哪种情况下，形成的活化PSLC的数量（亚稳态部位俘获电子的数量）正比于对荧光体曝光的X线剂量。 典型涂层厚度的BaFBr:Eu和稀土屏Gd2O2S:TbX线吸收效率在3550keV之间，由于BaFBr荧光体中钡具有较低的K边缘吸收，故而它具有较好的X线衰减。然而，一旦低于或高于这个范围，稀土钆荧光体要好一些。与感度400的稀土接受器相比，用典型能谱的X线对PSP荧光体照射时，需要更高的曝光量才能获得相同的量子统计。此外，PSP接受器对低于K边缘X线的高吸收能力（会吸收大部分的低能散射线），使得自身对散射线更加敏感。 随着时间的推移，俘获的信号会通过自发荧光呈指数规律消退。一次曝光后，典型的成像板会在10分钟到8小时之间损失25%的存储信号，这个时间段之后逐渐变慢。信号消退给输出信号带来不确定性，可通过固定曝光和读出时间间隔来固定存储信号的衰退，从而消除这种不确定性。三、CR影像的读取（一）影像板阅读仪影像板阅读仪是读出影像板所记录影像的设备。它的技术指标将直接影响所输出影像的质量。一般衡量影像板阅读仪的参数有四个：描述影像清晰度的指标空间分辨率、描述影像层次的指标灰度等级、描述处理能力的激光扫描速度和缓冲平台容量。当前CR系统的空间分辨率普遍能够达到10像素/毫米的水平，无论影像板的大小。较早的CR系统，由于当时计算机的处理能力不够，往往仅对小尺寸的影像板以910像素/毫米采集数据，而对大尺寸的影像板（14”14”以上），只能达到56像素/毫米，因此给人以CR大片粗糙的感觉。新型的CR系统，对大片采取6、10像素/毫米两档可调的设置，由用户自己设置。以适应不同场合对扫描速度和扫描影像质量的不同需要。 CR系统的灰度等级指标一般都要求达到4096级灰阶。也就是使用12位（bit）处理器。一些高指标的影像板扫描仪，使用了更高的14位处理器，力求更佳的影像效果。 另外两个指标扫描速度和缓冲平台容量描述的是影像板阅读仪的处理能力。新型的大型影像板阅读仪的扫描能力可以达到每小时100板，同时装备有大容量的影像板缓冲平台。等待扫描的IP先放在缓冲平台上，由设备自动顺序导入扫描，扫描完毕后IP也自动输送到另一个缓冲平台上，等待下一次使用。目前最大的缓冲平台的容量可达20块影像板。显然，缓冲器容量大、扫描速度快的阅读仪效率更高，更节省人力资源和投资。 （二）激励和发射积存在已曝光BaFBr:Eu荧光体中的“电子”潜影与激活的PLSC（F中心）相对应，局部的电子数量与大曝光范围的一次X线量直接呈正比，一般超过10000比1（是曝光量的4个数量级）。Eu3+-F中心复合物的激励和存储电子的释放至少需要2eV的能量，给定波长的高度聚焦激光源最容易完成此任务，最常用的是HeNe（l=633nm）和“二极管”（ l680nm）产生的激光。一次激光的能量激发荧光体中位于局部F中心的电子。按照vonSeggern的理论，在荧光体矩阵中可能出现两种能量轨迹，一种是无逸脱返回F中心位置，或者是“开隧道”到临近的Eu3+复合物。后者更有可能发生，这时电子进入中间能态并释放出非可见光的辐射“声子”。一个3eV能量的可见光光子立即跟随此电子经过Eu3+复合物的电子轨道落入更稳定的Eu2+能级。 （三）读出过程 1、激光扫描 由HeNe或二极管发出的激光束，经由几个光学组件后对荧光板进行扫描。首先，激光束分割器将激光的一部分输出到监视器，通过参照探测器的使用来补偿强度的涨落。这一点很重要，因为被激励可见光的强度取决于激励激光源的强度。激光束的大部分能量被扫描镜（旋转多角反射镜或摆动式平面反射镜）反射，通过光学滤过器、遮光器和透镜装置，从而提供一个同步的扫描激光束。为了保持恒定的聚焦和在PSP板上的线性扫描速度，激光束经过了一个f-q透镜到达一个静止镜面（一般是圆柱状和平面镜面的组合）。激光点在荧光体上的分布调整为一个直径为1/e2的高斯分布，在大多数阅读仪系统中大约为100mm。激光束横越荧光体板的速度的调整，要根据激励后发光信号的衰减时间常数来确定（BaFBr:Eu2+约为0.8ms），这是一个限制读出时间的主要因素。激光束能量决定着存储能量的释放，影响着扫描时间、荧光滞后效果和残余信号。较高的激光能量可以释放更多的俘获电子，但后果是由于在荧光体层中激光束深度的增加和被激发可见光的扩散而引起空间分辨率降低。到达扫描线的终点时，激光束折回起点。荧光体屏同步移动，传输速度经过调整使得激光束的下次扫描从另一行扫描线开始。荧光体屏的移动距离等于沿快速扫描方向的有效采样间隔，从而确保采样尺寸在X和Y方向上相等。荧光屏的扫描和传送继续以光栅的样子覆盖屏的整个区域。扫描方向、激光扫描方向、或者快速扫描方向都是指得沿激光束偏转路径的方向，慢扫描、屏扫描、或者副扫描方向指得是荧光屏传送方向。屏的传送速度根据给定屏的尺寸来选择，使扫描和副扫描方向上的有效采样尺寸相同。激光点在成像接受器表面的直径是1/e2，这个尺寸在目前市场销售的CR系统中都是固定的，从而给两个方向上的空间分辨率强加了上限。激光经过荧光屏时PSL的强度正比于这个区域吸收的X线能量。读出过程结束后，残存的潜影信号保留在荧光屏中。在投入下一次重复使用之前，需要用高强度的光源对屏进行擦除。除非是极度曝光过度，在擦除过程中，几乎所有的残存俘获电子都能有效去除。在有些系统中，屏的擦除是与整体曝光量相关联的过程，由此较长的曝光需要较长的擦除周期。 2、PSL信号的探测和转换 PSL从荧光屏的各个方向发射出来，光学采集系统（沿扫描方向上位于激光-荧光体界面的镜槽或丙烯酸可见光采集导向体）捕获部分发射的可见光，并将其引入一个或多个光电倍增管（PMT）的光电阴极。光电阴极材料的探测敏感度与PSL的波长（例如400nm）相匹配。从光电阴极发射出的光电子经过一系列PMT倍增电极的加速和放大，增益（也就是探测器的感度）的改变可通过调整倍增电极的电压来实现，因此可以获得有用输出电流以适应满足适宜影像质量的曝光量。PMT输出信号的动态范围比荧光板高的多，在整个宽曝光范围上获得高信号增益。可见光强度相对于一次辐射曝光量的改变在1-10000或“四个数量级放大”的范围内呈线性。输出信号的数字化需要最小和最大信号范围的确认，因为大多数临床使用曝光量在100-400动态范围内改变。在一些PSP阅读仪中，用一束低能量的激光粗略的预扫描已曝光的PSP接受器进行采样，确定有用的曝光范围。然后调整PMT的增益（增加或降低）在高能量扫描时对PSL进行数字化。绝大多数系统中，PMT放大器预调整为对2.5810-9C/kg（0.01mR）至2.5810-5C/kg（100mR）曝光范围产生的PSL敏感。 大多数PSP阅读仪系统然后用模拟对数放大器或“平方根”放大器对PMT输出信号进行放大。对数转换为一次X线曝光量和输出信号幅度之间提供一种线性关系，平方根放大为量子噪声与曝光量提供线性关系。无论哪种情况，信号的总体动态范围被压缩以保护在整个有限离散灰阶数量上的数字化精度。 3、数字化 数字化是将模拟信号转换成离散数字值的一个两步过程，信号必须被采样和量化。采样确定了PSP接受器上特定区域中PSL信号的位置和尺寸，量化则确定了在采样区域内信号幅度的平均值。PMT的输出在特定的时间频率和激光扫描速率下测量，然后根据信号的幅度和可能数值的总量，将其量化为离散整数。模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）转换PMT信号的速率远大于激光的快速扫描速率（大约快出2000倍，与扫描方向的像素数相对应）。特定信号在扫描线上某一物理位置的编码时间与像素时钟相匹配，因此，在扫描方向上，ADC采样速率与快速扫描（线）速率间的比率决定着像素大小。副扫描方向上，荧光板的传输速度与快速扫描像素尺寸相匹配，以使得扫描线的宽度等同于像素的长度（也就是说，像素是“正方形”的）。像素尺寸一般在100200mm，据接受器的尺寸而定。 由于来自PMT的模拟输出在最小和最大电压之间具有无限范围的可能值，所以ADC要将此信号分解成一系列离散的整数值（模拟到数字单位）以完成信号幅度的编码。用于近似模拟信号的“位”数，或者“像素浓度”决定了整数值的数量。PSP系统一般有10、12或16位ADC，故而有210=1024、212=4096、216=65536个可能数值来表达模拟信号幅度。Kodak使用16位数字化形式来执行最终12位/像素影像的数字化对数转换。其它生产商在信号的预数字化时使用模拟对数放大器（Fuji）或平方根放大器（Agfa）。当ADC的位数（量化等级）受限时，模拟放大可以在信号估算时避免量化误差。四、四象限理论 计算机X线摄影系统应用数字成像处理技术把从IP上阅读到的X线影像数据变换为能进行诊断的数字图像，这些数据能够在CRT上显示，也可以通过胶片进行记录，当X线采集条件在不理想的情况下，导致过度曝光或曝光不足，但CR系统能把它们变成具有理想密度和对比度的影像，实行这种功能的装置就是曝光数据识别器（Exposure Data Recognizer，EDR），EDR结合先进的图像识别技术，诸如：分割曝光识别、曝光野识别和直方图分析，很好地把握图像的质量。 （一）EDR的基本原理 EDR是利用在每种成像采集菜单（成像部位和摄影技术）中X线影像的密度和对比度具有自己独特的性质而运作的，EDR数据来自于IP和成像菜单，在成像分割模式和曝光野的范围被识别后，就得出了每一幅图像的密度直方图。对于不同的成像区域和采集菜单，直方图都有不同的类型相对应。由于这种特性，运用有效地成像数据的最大值S1和最小值S2的探测来决定阅读条件，从而获得与原图像一致的密度和对比度，阅读条件由两个参数来决定，阅读的灵敏度与宽容度，更具体地说是光电倍增管的灵敏度和放大器的增益。调整以后，将得到有利于处理和储存的理想成像数据。 EDR的功能和CR系统运作原理将归纳为四个象限来进行描述。如图2-1所示。 1、第一象限 显示入射的X线剂量与IP的光激励发光强度的关系。它是IP的一个固有特征，即光激励发光强度与入射的X线曝光量动态范围成线性比例关系，二者之间超过1:104的范围。此线性关系使CR系统具有很高的敏感性和宽的动态范围。 2、第二象限 显示EDR的功能，即描述了输入到影像阅读装置（image reader，IRD）的光激励发光强度（信号）与通过EDR决定的阅读条件所获得的数字输出信号之间的关系。IRD有一个自动设定每幅影像敏感性范围的机制，根据记录在IP上的成像信息（X线剂量和动态范围）来决定影像的阅读条件。A线所表达的读出条件是具有较高的X线剂量和较窄的动态范围；B线所表达的是具有较低的X线剂量和较宽的动态范围；经常地，CR系统的特征曲线根据X线曝光量的大小和影像的宽容度可以随意的改变，以保证稳固的密度和对比度，由于在第一象限中IP性质的固有性和在第二象限的自动设定机制，最优化的数字影像信息被输送到第三象限的影像处理装置中。 3、第三象限 显示了影像的增强处理功能（谐调处理、空间频率处理和减影处理），它使影像能够达到最佳的显示，以求最大程度的满足放射和临床的诊断需求。 4、第四象限 显示输出影像的特征曲线。横坐标代表了入射的X线剂量，纵坐标（向下）代表胶片的密度，这种曲线类似于增感屏/胶片系统的X线胶片特性曲线，其特征曲线是自动实施补偿的，以使相对曝光曲线的影像密度是线性的。这样，输入到第四象限的影像信号被重新转换为光学信号以获得特征性的X线照片。从曝光后的IP上采集到的影像数据，通过分割曝光模式识别、曝光野识别和直方图分析，最后来确定影像的最佳阅读条件，此机制就称为曝光数据识别（EDR）。那么，就是说，最佳阅读条件的决定还有赖于分割曝光模式识别、曝光野识别和直方图分析。（X线影像密度的直方图根据摄影部位和摄影技术所不同，分别具有不同特色的形状）。 1、分割曝光模式识别（partitioned pattern recognition） IP在X线摄影中，经常以采集单幅图像的形式来使用，但根据摄影的需要，有时也被分割成肌肤的现象，被分割进行摄影的各个部分都有各自的影像采集菜单。如果对分割图像而未加分割识别，那么综合的直方图不可能具有适合的形状，S1和S2也不可能被准确的获取，从而也不能得到理想的阅读条件。因此，直方图分析必须根据各个分割区域的曝光情况独立进行，以获得图像的最佳密度和对比度。在CR系统中分割模式有四种类型，即无分割、垂直分割、水平分割和四分割。完成分割模式识别的算法大略的分为两个步骤。 （1）无准直分割模式识别：分割图像是由锐利的直线边缘来划定各个影像区域的界限所获得的，因此，首先要确定锐利边缘的存在，其过程如下： 1）在整个分割曝光的区域内，以影像的中心为中心向影像边缘进行垂直方向和水平方向的扫描； 2）把超过某一临界值的绝对值点作为暂时的边缘点； 3）如果有大量的扫描线上的暂时边缘点超过了某比例长度，那么，那些排列的点被判定为分割的边缘。 （2）有准直的分割模式识别：假使分割区域的曝光野如果被准直得很窄，那么就不存在着分割边缘，因此，分割模式不能由上述程序所识别，那么，IP的分割曝光就要匹配以下的技术来识别了。 1）以总的影像直方图所获得的特征值（characteristic values）来转换为二进制数据，并作为阈值，超过某一阈值的强度的数据用数字“1”来表示，低于这个阈值的强度用“0”来表示； 2）二进制影像数据用分割模式的八个模体作比较，许多是“1”的二进制数被计算在分割模体的区域内； 3）如此计算的数字被曝光区内的像素数目所整除，以计算出相匹配的程度； 4）每一个模体区域如果匹配程度很高，那么，都被判定为“符合”；如果符合的程度超过了预先所描绘的值，那么就被判定为“不符合”，根据这样的判断，分割曝光模识别被确定。 2、曝光野识别 在整个IP和IP的分割区域内进行影像采集时，曝光野之外的散射线将会改变直方图的形状，那么，直方图的特征值S1和S2将不能被准确的探测。有效图像信号的最小强度S2被错误的探测，理想的阅读条件就不能被确定下来。而带有准直曝光野的影像采集，影像数据的直方图分析都能够准确的执行，且这个区域能自动识别。整个IP和分割区域是否被准直决定着曝光野的识别算法，也影响到曝光区域内信息的自动获取。对于各个曝光野形态的运算共分三个步骤：第一，影像分割模式识别；第二，曝光野识别（决定中心点、曝光野边缘点探测和确定曝光野形态）；第三，直方图分析。 （1）曝光野边缘的探测：首先，决定成像内的一个点，即中心点，以提供向曝光野的外部方向进行连续的微分处理的前提，曝光野的边缘点的微分值是最大的，这个最大值作为探测边缘点的阈值，然后来实现整个曝光野边缘的探测，曝光野边缘点的探测分为以下步骤： 1）从成像体中心点向影像的空白方向进行一维微分处理； 2）以3度的间隔角度进行120个方向的微分处理来决定最大的密度差异； 3）根据最大的密度差数，求得影像边缘点的阈值； 4）在每次求微分过程中，超过阈值并接近影像的空白处这些点都被定为边缘点，那么，一共获得120个边缘点。 （2）曝光野的形状调整：对120个边缘点的大多数给以矫正，以便描述真实的曝光野边缘。这些探测到的数据也包括边缘点的散射线引起的噪声，那么，这些边缘点的噪声影响必须要清除掉，已产生高度可靠的曝光野形状，曝光野的边缘点被连接成八个直线段，从中心点到直线段以外的边缘点被清除掉，最终获得了一个凸面多边形，这样分割曝光区域的识别和处理取得了与曝光野的一致性。 3、直方图分析 直方图分析使EDR运算的基础，利用曝光野区域内的影像数据来产生一个直方图，然后利用各个直方图分析参数（阈值探测有效范围）对每一幅图像的采集菜单进行调整，有效图像信号的最大和最小强度S1和S2被确定，即阅读条件被决定下来，以便S1和S2能转换为影像的数字输出值Q1和Q2（每一幅图像采集菜单都是单独调整），即使X线曝光剂量和X线能量发生了变化，灵敏度和成像的宽容度被自动调整，所以，阅读的影像信号总是在数字值的标准范围内，最终，能获得最佳的密度和对比度。根据医学的诊断目的，FCR提供了五种直方图，即骨骼皮肤诊断直方图、骨骼软组织诊断直方图、胃肠道诊断直方图、软组织诊断直方图和骨骼诊断直方图。S1为有效影像信号的最大强度；S2为有效影像信号的最小强度；Q1为对应于S1的数字值；Q2为对应于S2的数字值。（二）EDR的方式 1、自动方式：自动调整阅读宽度（L）和敏感度（S）。S值是描述阅读灵敏度的一个指标，它与IP的光激励发光强度（Sk）有着密切的关系。若X线曝光量增加，Sk增加，相应地S值减小，那么阅读灵敏度降低，L值是一个描述最终显示在胶片上的影像宽容度指标，它表示IP上光激励发光的数值的对数范围。 2、半自动方式：阅读宽度固定，敏感度自动调整。 3、固定方式：阅读宽度和敏感度均固定，如同屏/片体系中的X线摄影。第三节 CR影像处理技术一、谐调处理（gradation processing） 谐调处理也叫层次处理，主要用来改变影像的对比度、调节影像的整体密度。在FCR系统中，它以16种协调曲线类型（GT）作为基础，以旋转量（GA）、旋转中心（GC）和移动量（GS）作为调节参数，来实现对比度和光学密度的调节，从而达到影像的最佳显示。在常规的增感屏/胶片摄影系统中，若给定适当的X线曝光剂量，能得到一幅好的照片；若选择的曝光量过高或过低，那么所得到的影像无法进行放射诊断，即增感屏/胶片影像系统不能够较好地保证照片的质量。而CR系统利用IP有很宽的曝光宽容度，即给每一个部位的曝光条件是一个范围，即使曝光量高一点或低一点，通过谐调处理技术，都能把读出的影像调节为符合诊断要求的图像。 （一）谐调曲线类型（gradation type，GT）谐调曲线是一组非线性的转换曲线，它的选择就象选择X线胶片不同的g值一样，针对不同的部位有不同的配置。这16种曲线的作用是：A线：产生大宽容度的线性层次。B-J线：属系统变换的非线性层次曲线，类似于增感屏/胶片影像系统，肩部是高密度区和足部是低密度区；K-L线：为血管数字减影造影所设置的特别高对比度的非线性曲线；M线：线性黑白反转；N线：为胃肠造影（G.I）专门设定的非线性曲线；O线：主要用于优化骨骼的非线性曲线；P线：主要用于优化胸部肺野区域产生的微小密度变化的影像。在实际的应用中，针对不同的影像部位密度和对比度差异，在CR系统中就相对应地匹配不同的转换曲线，以获得最佳的影像效果。 （二）旋转中心（ratation center，GC）为谐调曲线的中心密度，它的值依照医学影像的诊断要求在FCR系统中设定为0.32.6。实际的应用中，诊断医生总是追求兴趣区的最清晰的显示，那么，首先就要选择好GC，若兴趣区在激光阅读完成后已经达到了诊断的要求，就没必要再调整GC值。 （三）旋转量（ratation amount，GA）曲线的旋转主要用来改变影像的对比度。旋转量由一定的数值范围，在FCR系统中GA的值是-9.99.9。当GA=1时，表示所选择的谐条曲线无对比上的变化。GA越大，对比度越大；GA越小，对比度越小。在实际的应用中，GA总是围绕着GC进行调节。 （四）谐调曲线移动量（gradation shift，GS）GS用于改变整幅影像的密度。降低GS值即曲线向右移就减小影像密度，增加GS值即曲线向左移就增加影像密度。在谐调处理技术的四个参数中，进行影像处理时，一般GT不作改变，其它三个参数依兴趣区的密度、对比度特征再作调整和不作调整。在调整过程中，先确定GC，然后在调整GA和GS。二、 空间频率处理（spatial frequency processing） 空间频率处理技术是以中边缘锐利技术，它是通过对频率响应的调节突出边缘组织的锐利轮廓。在传统的屏/片系统中，频率越高，频率响应却越小，可是在CR系统中是根据图像的显示效果的需要来控制频率的响应。比如，提高影像高频成分的频率响应，那么就增加了此部分的对比。决定空间频率的响应程度有频率等级（RN）、频率增强（RE）和频率类型（RT）组成。 （一）频率等级（frequency rank，RN） 即对空间频率范围的分级。1、 低频等级（0-3）：用于增强大结构，软组织、肾脏和其它结构器官的轮廓；2、 中频等级（4-5）：用于增强普通结构，肺部脉管和骨骼轮廓线；3、 高频等级（6-9）：用于增强小结构，比如微细骨结构、肾小区等。 （二）频率增强（degree of enhancement，RE） 用以控制频率的增强程度。在FCR系统中，RE值为016。 （三）频率类型（frequency type，RT）用于调整增强系数，控制每一种组织密度的增强程度。在FCR系统中，共设有F、P、Q、R、S、T、U、V、W、X、Y和Z等12个类型。 在某些影像处理中，为了充分显示正常组织和病变的结构，往往是谐调处理和空间频率处理结合起来应用。如较低的GA与大的空间频率增强结合产生的影像可以覆盖较宽的信息范围，并使器官组织的边缘增强，用于显示软组织；若较大的GA与较小的RE结合使用，就可产生类似于增感屏/胶片系统的影像。三、动态范围控制（dynamic range control，DRC） 目前，尽管发展起来了多种成像技术，但对肺脏和心脏疾病的最初评估仍然是胸部X线摄影。多年来，胸片摄影中始终存在着不能很好解决的一个问题是，胸片中肺野和纵隔区域的密度差异太大，尽管采取了许多的措施如用铝滤过、计算机处理技术对X线在吸收上的差异作了一些补偿，但胸片的信息诊断范围总不能达到一个理想的程度。但CR系统的DR压缩处理完全能够解决这一问题。 DR压缩处理是在谐调处理和空间频率处理的前期自动进行的。它是一种在单幅影像显示时提供宽诊断范围的影像增强的新型影像处理算法，在具有高密度的胸部及四肢成像中显示出特殊的价值。四、体层伪影抑制技术在CT未普及之前，甚至到现在，X线体层摄影一直是一种常规的X线重要检查方法。但在检查中，由于兴趣层面位置移动的影响，产生了模糊阴影（条状阴影）。通过伪影抑制处理，降低了直线体层摄影中模糊影像的对比度，从而真正地消除了模糊影像。 伪影抑制处理采用了一种新的图像处理算法，此过程并在谐调处理和空间频率处理之前运算完毕。1985年由Asada等人对消除模糊影像这一问题进行了探讨，产生了伪影抑制处理技术，并在CR系统中得到了实施。在伪影抑制处理中有三个参数可供调节，即ORN（伪影抑制处理等级）、ORT（伪影抑制处理类型）和ORE（伪影抑制处理的增强程度）。五、能量减影（energy subtraction） 80年代，由于影像增强装置、电视技术、数字化技术和图像处理技术的发展，产生了数字减影血管造影术，使医学影像学领域增添了一项新内容。随着数字化技术向普通X线摄影的推进，最先开发的CR系统实现了X线照片的数字化，相继在CR系统纵产生了减影处理技术。传统的减影方式有时间减影（temporal subtraction）和能量减影两种方式。由于CR系统在采集影像信息的速度较慢，故时间分辨力不高。所以，在组织的减影中一般都采用能量减影的方式。 能量减影的具体实施是有选择地去掉影像中的骨骼和软组织的信息，在同一部位同一次曝光中获得的一幅高能量影像和一幅低能量影像，由于这两幅影像中的骨骼与软组织信号强度不同，通过计算机加权减影（weighted subtraction），来实现这两幅图像的减影。结果是与骨骼相一致的信号被消除，得到软组织影像；相同，与软组织相一致的信号被消除得到了骨骼组织的影像。这些减影信号的获得与被照体的厚度和组织密度相关。相近密度的骨组织进行同时的曝光，通过减影消除软组织后，对比骨骼信号用g/cm2单位能够定量地测出骨组织的密度差异。这种技术被称作为二次能量吸收（dualenergy absorptionetry，DXA），且被广泛地应用在骨密度的测量中。在CR系统中，能量减影又分为一次曝光法（one-exposure energy subtraction method）和二次曝光法（two-exposure energy subtraction method）。（一）二次曝光能量减影法 二次曝光能量减影法就是利用两种不同的X线能量（即选择不同的kV），在两块不同的成像板中对同一被照体进行曝光，对所得到的两幅不同能量的影像进行减影的方法。当这一减影程序应用到移动的解剖部位（如胸部）时，在两次的曝光中由于肺血管的波动导致在影像上的移动，减影后图像中有可能仍留下血管的影像，这种影像称之为运动伪影。所以，两次曝光减影方法对移动的解剖结构不能达到满意的减影效果。（二）一次曝光能量减影法一次曝光能量减影法就是利用两块不同的成像板，中间夹有一块同样大小的金属滤过板，一次曝光后同时获得两幅不同能量的影像再进行减影的方法。在实际的应用中，一般用0.51mm厚的铜板作为滤过器，其上面的那块成像板称为低能量板，下面的那块称为高能量板。曝光和经过处理就获得了两幅能量不同的影像，通过加权减影而获得减影图像。根据这个原理，一次曝光减影法能很好地克服运动的伪影，能在胸部的减影中得到很好的应用。 穿过铜板而到达下面成像板的X线曝光剂量大约是上面的1/51/10，随之发生的是X线量子噪声的增加，减影图像中的噪声是上下成像板合成的结果。为了避免过渡的噪声增量，只有增加曝光剂量，同时增加了被检查者的皮肤吸收剂量。在能量减影的运行中，获得较高质量的减影影像必须具备以下条件：1、前后两成像板的两种曝光的X线能量差别要大；2、IP的检测效率要高；3、IP的检测线性要好；4、散射线的影响要小。能量减影技术在CR系统的实现，拓宽了它的应用范围。同DSA一样，人们最关心它的效果，因为影像质量一直是人们的最终追求。降低影像的噪声，提高信噪比，是提高能量减影影像质量的关键。FCR9501 ES直立式影像阅读装置具备有胸部能量减影的功能，主要应用的是一次曝光法，能够在不增加X线曝光量的前提下获得优质的减影图像。另一方面，为尽可能的提高定量密度测量的准确性，在FCR系统中运用了二次曝光法。第三节 CR系统的质量控制与性能检测一、质量控制与定期维护定期质量控制检测，对于检查系统性能和维持最优化影像质量是必需的。每天、每周、每月、每年的推荐检测步骤都是执行QC程序的一部分。大多数情况下，除了主要问题和年度检测外，指定技师还要执行大多数的检测任务。我们推荐用户把专为CR设计的质量控制模体作为系统购置的一部分考虑到购置价格中去。此外，系统评估的自动QC方法、监视器的维护/安置和调整都开始应用，应该从生产商那里获取。数据库管理工具和电子制表软件是相关系统性能的强有力量化和图形分析工具。 （一）技师、医师、物理师、临床工程师的应用培训 即使销售方常规伴随设备的出售有一个标准等级的应用培训，也应该有应用培训特定参考内容的说明。技师需要至少一周的岗位培训，还应该在最初培训一到两个月后再经过一星期的进修。放射医师也应该在系统的最初使用过程中与应用专家沟通，按照自己的喜好进行特殊影像处理算法。物理师应该关注处理算法功能，被指导着如何去调整影像外观和创建检查算法。医院工程人员应该接受简单预防性维护任务和恢复最小程度错误的培训。 （二）每天（技师） 1、视察系统的运行情况，包括阅读仪、ID终端和影像观察监视器； 2、检查照片冲洗机的药液活性； 3、制作激光成像感光测量胶片条并测量照片密度； 4、检查胶片供给； 5、检查冲洗机的药液活性、药液槽和补充泵。 （三）每周（技师）1、 清洁系统和冲洗机的过滤器和通风孔；2、 擦除所有很少使用或没有流通的成像板；3、 可能的话，仅为冲洗机制作曝光仪感光测量胶片条，并测量照片密度；4、 验证软拷贝观察工作站的监视器校准（SMPTE模体，对比度/亮度设定在0%-5%和95%-100%小斑块都可见；5、 视察暗盒和成像板。有必要按照生产商的指导进行清洁；6、 采集测试模体影像，并在计算机数据库中编入目录。当超出预设定的界限时，核查系统性能并采取措施。 （四）每月（技师）1、 照片冲洗机维护，包括药液更换和药液槽和辊轮的彻底清洁；2、 执行量化QC模体分析（如低对比、空间对比度、信噪比等的“抽查”）；3、 检查照片重拍率，概观曝光指数，确定不可接受影像的产生原因；4、 检查QC数据库，确定问题的原因并执行校正措施。 （五）每半年-每年（医学物理师）1、 对所有成像板执行线性/感度测试；2、 视察/评估影像质量；抽查影像处理算法的适用性；3、 执行验收检测步骤以确定和/或重新建立基准值；4、 检查重拍现象、患者曝光量趋向、QC记录和设备维修历史；5、 除了定期检测外，所有的检查都应该在一个“视为需要”的原则下执行。 指定的QC技师、物理师、维修人员都应该参与到预防性维护和质量控制程序中。PSP系统的侵入性调整和校正的执行，仅能由“销售商许可”人员、具有相关知识的技师物理师，以及负责质量控制的维修人员来完成。除了定期测试外，所有