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CR成像技术基本理论 重庆医科大学附属第一医院放射科曾勇明 CR的概念 CR 即计算机X线摄影 Computedradiography CR 是使用可记录并由激光读出X线成像信息的成像板 imagingplate IP 作为载体 经X线曝光 扫描读取和数字处理后 形成数字化信息的影像 CR系统成像原理 X线照射IP后 X线量子被IP成像层内的荧光颗粒吸收 释放出电子 其中一部分电子散布在成像层内呈半稳定状态 形成潜影 信息采集 当扫描器用激光照射已形成的潜影时 半稳定状态的电子转变为光量子 发生光激发发光 PhotostimulatedLuminescence PSL 现象 光量子由光电倍增管检测到 并被转化为模拟的电信号 再经A D转换后变成数字信号 信息读出 最后通过计算机作进一步的处理获得影像并存储 信息的处理与记录 PSL现象 某些物质可将第一次被激发的信息存贮记录下来 当再次受到激发时则释放出与初次激发所接受的信息相适应的荧光现象称为光激发发光 PSL 现象 氟卤化钡晶体有最强的PSL现象 目前所有CR设备的IP板均采用氟卤化钡晶体作为IP的荧光层 光激发发光 PSL 现象 波长 潜影的形成和读出 IP工作方式 第一节CR特点及影响质量的因素 一 CR响应性的因素与噪声CR系统的影像质量特征 决定CR系统影像质量的三个环节信息的采集 主要 信息的读出 主要 信息的处理和记录 微不足道 一 决定CR系统响应性的因素 反映CR响应性的参数主要为 影像的锐利度影像的频率响应 CR影像的锐利度 IP板自身特性和读出系统的电子和光学特性决定 尤其是与二次激发使用的激光的光点直径和激光在IP板荧光体内散布有关 扫描激光的光点直径 约小越好 激光在IP板荧光体内散布 越少越好 影像的响应频率 CR系统充分考虑了对IP和激光扫描读出足够的频率响应 使系统能对每个部位摄影在较宽的动态范围内提供适当的补偿 以保证图像质量 根据临床应用的目的 可配置不同的IP 标准型IP Standardtype ST 可减少量子噪声 用于常规 高分辨型IP Highresolution HR 响应性高 多用于乳腺 二 CR系统的噪声 可分为 量子噪声和固有噪声 量子噪声又分为 X线量子噪声光量子噪声 量子噪声主要由一次激发和二次激法后 X线量子的 统计涨落 引起 其量化可用物理量均方根 RMS 来描述 X线量子的 统计涨落 X线量子冲击到某个成像介质的受光面时 会像雨点一样激起一个随机的图案 没有任何力量可使它们均匀地分布在这个表面上 假如X线量子无限多 单位面积内的量子数就可看成是处处相等 假如X线量子很少 则单位面积内的量子数就会因位置不同而不同 这种量子密度的波动 涨落 遵循统计学规律 称之为X线量子的 统计涨落 X线量子噪声 是X线被IP的荧光颗粒吸收过程中产生的噪声 噪声量与X线检测器 IP 检测到的X线量成反比 即与入射的X线量成反比 均方根 RMS 值是描述噪声的物理量之一 在低剂量区 RMS值对X线辐射剂量响应的变化近似于一条直线递减 表示该区域的噪声主要由X线量子的量子噪声引起 在高剂量区 RMS值近似于一恒定值 表示该区域的噪声不依赖于X线量 当入射剂量恒定时 CR的噪声则由IP的吸收特性决定 IP的噪声 光量子噪声 是光电倍增管在把IP荧光层被二次激发时产生的PSL转换为电信号的过程中产生的噪声 光量子噪声与光电子数成反比 光电子数与X线量 IP吸收效率 IP的PSL量 光电倍增管的转换效率等有关 固有噪声 固有噪声 是CR系统运行过程中产生的非X线依赖性噪声 固有噪声包括 IP的结构噪声 激光噪声 电路系统噪声 A D转换的量子噪声等 其中IP的结构噪声起支配作用 CR系统噪声 二 CR影像的处理 经CR系统各种特定的处理后 可获得质量优良的照片 为临床诊断提供高诊断价值的影像信息 CR系统运行过程中 若干环节共同参与影像的处理 并决定CR影像的质量 这些环节归纳为 四象限 理论 一 影像处理的运行原理 第一象限 影像信息的采集 由于IP的光发射寿命期为0 8 s 所以要求CR系统在很短的时间内 以很高的密度读取大面积的影像信息 而不产生重叠干扰 从而满足诊断要求 第一象限表示IP的固有特性 即X线辐射剂量与激光束激发的PSL强度之间的关系 在1 104很宽的范围内是线性的 该线性关系使CR系统具有较高的灵敏性和较宽的动态范围 第二象限 影像信息的读取 存贮在IP PSL物质内 的影像信息 要将其转换成数字信息 需要使用激光扫描读出装置 经光电倍增管转换 相应较弱的电信号被放大 再由A D转换器转化成数字信号 第二象限表示输入到影像读出装置 imagereaderdevice IRD 信号和从IRD输出信号之间的关系 IRD的作用是建立一个自动设定每幅影像敏感性范围的机制 根据在IP上的成像信息 X线剂量和动态范围 来确定读出的条件 第三象限 影像信息的处理 CR系统的数字图像可以根据不同临床诊断要求对图像进行处理 在一定范围内改变影像特征 提高影像质量 增加信息的显示率 第三象限表示影像处理装置 imageprocessorcontroller IPC 即经影像处理装置处理后 显示出适用于诊断的影像 显示的特征是可以独立控制的 可根据诊断要求实施谐调处理 频率处理和减影处理 第四象限 影像的再现 储存在PSL物质上的X线影像是一种潜影 由IRD读取并输入计算机处理后 还需要转换成人眼可见的影像 方式有三种 荧光屏 激光相机 多幅相机 第四象限表示影像记录装置 imagerecordercontroller IRC 数字 影像信号重新被转化为光信号以获得X线照片 IRC对CR系统使用的胶片特性曲线自动实施补偿 以便使曝光曲线的影像密度呈线性 与普通摄影不同 CR系统的特性曲线可依据X线剂量和成像范围自动改变 在上述四象限理论中 第一个象限涉及IP固有特性 不可以调节 其它三个象限可在系统运行中充分调节 实施影像处理 即实施影像处理的三个环节 第一个环节 即系统中检测功能有关的处理 第二象限功能 该环节基于适当的影象读出技术 保证整个系统在一个很宽的动态范围内自动获得具有最佳密度与对比度的影象 并使之数字化 这个环节由暴光数据识别器 Exposuredatarecognizer EDR 完成 第二个环节 即系统中显示影象特征有关的处理 第三象限功能 该环节通过各种特定处理 如谐调处理等 为医生提供满足不同诊断要求的具有高质量的影像 这个环节相当于数字设备的图像后处理功能 post processing 第三个环节 即系统中影像信息的存储与传输功能有关的处理 第四象限功能 该环节的功能是获得质量优良的照片记录 在不衰减影像质量的前题下实施影像数据的压缩 以达到高效率的存储与传输 CR系统影像处理三个环节 1 2 3 二 与检测功能有关的处理 曝光数据识别器 EDR 为了自动控制成像特性来实现影像密度的稳定性 即克服曝光不足或过度导致影像密度的不稳定性 影象读出装置 IRD 建立了一个自动设定每幅影像敏感性范围的机制 影像识别处理 EDR处理 目的 为了自动控制成像特性 实现影像密度的稳定性 克服曝光偏差 不足或过度 对影像密度的影响 体现CR系统优于屏 片系统成像动态范围高的优越性 动态范围 在线性范围区 相对可识别的两个点 最大和最小 之间的亮度 密度 值 如 模拟图像为100 1 102 数字图像为10000 1 104 曝光数据识别 EDR 处理流程 分割标识范围的识别处理X线照射野的识别处理直方图分析确定读取条件 EDR处理流程 EDR处理流程 1 CR读出装置存储了具有特性的各个部位 如胸 腹等 和检查方法 平片 造影等 的数字影像直方图 直方图 直方图是一种函数 它表示数字图像中每一灰度级与该灰度级出现的频数 具有这一灰度级的像素数 之间的关系 通过调整直方图 可以改变图像的对比度 直方图 几个部位图像的直方图 直方图的五种类型 用于不同的诊断目的 1 用于骨骼 皮肤的显示 2 用于骨骼 软组织的显示 3 用于胃肠道钡餐造影的显示 4 突出软组织信息的软组织显示 5 突出骨骼信息的骨骼显示 EDR处理流程 2 预先用一束微弱的激光束扫描IP 已X线曝光 抽样数据后 形成一个将要读出影像的直方图 3 通过对直方图的识别 分析 测得对诊断有用影像信号的剂量范围 最大剂量值和最小剂量值 EDR处理流程 4 各个部位的影像直方图与预读影像直方图比较 形状 主兴趣区范围 确定正式读取所需激光的条件 PSL量 为了精确性 有的CR系统利用了神经网络 NN 技术 即在IP获得的信息基础上 自动调节光激发发光量和放大增益 X线曝光量大时 减少PSL量 X线曝光量小时 增加PSL量 神经网络 NN 技术示意图 EDR处理流程 通过EDR的处理 即后续补偿后 CR系统可以保证整个系统在一个很宽的动态范围内 自动获得较好密度和对比度的数字影像 但应该注意的是 X线曝光量小 用大量PSL读取后 会使X线量子噪声和光量子噪声都增加 导致影像质量下降 X线曝光量大 会使病人承受不必要的照射 所以 选择最佳的X线曝光条件才是最理想的做法 确定剂量范围 通过对直方图的分析计算 自动确定X线剂量的范围 再算出有诊断价植的辉尽发光量的范围 即读取装置的输人信号范围 从而决定本次读出IP图像的最佳条件 读出的灵敏度和采集范围 具体地说 就是决定光电倍增管的灵敏度和放大器的增益 CR系统不论条件摄影如何 读出灵敏度自动设定机构都会自动校准X线曝光的误差 使读取装置的输出信号总处于一定的范围内 图像质量稳定 三 与显示功能有关的处理 为了提高诊断的准确性和扩展影象诊断范围 通过对CR系统的显示功能的处理 以提高影象的质量 方法有 动态范围压缩处理 谐调处理 空间频率处理 1 动态范围压缩处理 阶梯状分布的信号是模拟肺野 心脏 纵隔等胸部的主要结构 各阶梯内细小的信号变化是模拟肺血管与纵隔重叠的骨骼 如果首先进行平滑处理 得到图B那样的阶梯 其内的细小信号变化被平滑 进而消失 图C为处理函数f Sus 用图中的函数代入原始影像信号Sorg 得到图E表示的信号 低密度区域信号密度提高 影像的动态范围变窄 此外 存在与各个阶梯上的细小信号变化涉及的各个密度区 可作为原始信号保持下来 这样就不会存在影像信号的对比度下降的情况 函数f Sus 的形状是可以自由色设定的 若使用图D中的函数 则可以原始图像中的高密度区域为中心进行压缩 处理结果如图F 通过CR的压缩处理 在胸部影像中可以清楚地描绘出纵隔内的细微结构 在胃肠道双重对比造影检查的影像中 对高密度区域的压缩处理有利于显示充满空气部位结构的细节 在乳腺摄影中 对高密度区域的压缩处理可以良好显示临近皮肤边缘部分的结构 低频图像 高频图像 CR压缩处理 2 谐调处理 又称层次灰度处理 依系统的敏感性范围自动设定机制 即使摄影中X线量与X线质有某些改变 在一定的敏感范围内 CR系统也可读出影像的信号 CR系统中的谐调处理可独立控制影像的显示特征 决定用何种密度再现影像 谐调处理通常在空间频率处理之后实施 密度 人们把胶片乳剂膜在光作用下致黑 银颗粒沉积 的程度称照片影像的密度 又称黑化度 对比度 是照片上相邻组织影像的密度差 灰度 在照片或显示器上所呈现的黑白图像上 各点表现出不同深度的灰色 即为影像的灰度 灰阶 把黑色与白色之间分成若干级 灰阶等级 表现出的亮度 或灰度 信号的等级差别称为灰阶 灰阶与数字图像的关系 A D转换器将连续变化的灰度值 模拟图像特性 转化为一系列离散的整数灰度值 量化后称为灰阶 量化后的灰阶数量有2N决定 N是2进制的位数 称为位 bit 用来表示每个像素的灰度精度 或深度 也用来表示数字图像的对比度分辨率 或密度分辨率 CR系统通常为10bit 210 1024个灰度级 连续信号与离散信号曲线 模拟图象 数字图象 图像数字化的方法 是将二维图像分割成由许多不同灰度的象素 pixel 组成的矩阵 矩阵分割越细则象素越多 空间分辨率就越高 每个象素的灰度用一个数字来表示 灰度级分隔越细则对比分辨率就越高 谐调处理的参数 通过对灰度的调整 来改变影像对比度和整体密度 1 谐调类型GT 是一组非线性的转换曲线 就象选择不同 值的胶片 16条曲线的作用是 A 大宽容度的层次 B J 类似I I TV系统 肩部高密度和足部高密度 K L 为DSA设置的高对比度 M 黑白反转 N 为胃肠造影设置 O 优化骨骼 P 优化肺野 谐调处理的参数 2 旋转中心GC 为谐调曲线的中心密度 根据诊断要求在CR系统中设定为0 3 2 6 在实际应用中首先选择GC 确定兴趣区最清晰的显示 再作其他的调整 3 旋转量GA 就象改变胶片特性曲线的斜率 值 调整影像的对比度 4 谐调移动量GS 优化整幅影像的密度 1 谐调类型 gradationtype GT 其作用是显示灰阶范围内各段被压缩和放大显示程度 有A P共16类型 2 旋转量 gyrationamount GA 亦称转换灰度量 GA 4 4 不包括0 GA 1表示所选择层次曲线GT上无变化 GA越大 对比度越高 反之 GA越小 对比度越低 3 旋转中心 gyrationcenter GC GC 0 3 2 6 改变GC就可改变曲线的密度中心 甚至可由正像变为负像 或由负像变为正像 4 谐调移动量 gradationshift GS 亦称作灰度曲线平移 GS 1 44 1 44 利用GS的细微调节来获得最优化的密度 GS用来调节整幅影像的密度 要减少影像密度 可降低GS 要提高影像密度 可增加GS 借助以上四个参数可以获得满足诊断的影像对比度 总体光学密度和黑白影像反转等效果 用一种谐调处理技术处理所有影像是不理想的 故一些CR系统有各种谐调处理程序应用于不同的成像目的 谐调处理参数的调节 乳腺图象灰阶处理 胸部图象灰阶处理 空间频率处理 空间频率处理 spatialfrequencyprocessing 是指系统对空间频率响应的调节 它的处理影响影像的锐利度 sharpness 在屏 胶系统中 随着空间频率的增加响应变小 即影像的高频率成分的对比减小 在CR系统中 可通过空间频率处理来调节频率响应 如以提高影像中高频率成分的频率响应 从而增加此部分的对比度 空间频率处理 是CR系统对空间频率响应的调节 空间频率响应处理影响的是影像的锐利度 相对灰度调整 谐调处理 而言 它从另一个角度改善图像质量 响应 在电子学中 信号的输入叫激励 激发 信号的输出叫响应 空间频率处理分为图像平滑和图像锐化 图像平滑 即对高频分量进行衰减 用于消除图像的噪声 图像锐化 即加强图像的轮廓 使图像的信息让人更易观察 图像的边缘轮廓是像素灰度徒变的部分 包含着丰富的高频分量 若把此部分突出 就能使图像的轮廓清晰 边缘增强 空间频率处理 空间频率处理采用一个不鲜明 模糊 的影像来增加空间频率的响应 所以又称为不鲜明蒙片处理 非锐化蒙片 处理 QL x y Q x y K Q x y Q x y QUS x y 一幅图像主要增强频率成分 由不鲜明蒙片的大小决定 空间频率处理技术1 使用小的不鲜明蒙片 在数字矩阵一定的情况下 像素尺寸变小 相当于增大了不鲜明蒙片的空间频率 处理的结果使QL的峰值右移 高频侧 将高频成分增强 即高通滤波法 实现图像的锐化 使影像的边缘增强 但噪声也增强 空间频率处理技术2 使用大的不鲜明蒙片 在数字矩阵一定的情况下 像素尺寸变大 相当于减小了不鲜明蒙片的空间频率 处理的结果使QL的峰值左移 低频侧 将高频成分衰减 即低通滤波法 实现图像的平滑 使影像的锐利度降低 但噪声也降低 用小尺寸蒙片的QL 决定频率处理条件的频率响应方式 1 频率等级 即对空间频率的分级 按频率处理要增强的影像成分的频带 分为0 9共10级 2 频率类型 用于调整增强系数 控制每一种组织密度的增强程度 FCR有12种可选择 3 增强程度 指频率增强程度的最大值 在FCR为0 16 边缘增强技术是空间频率处理的较常用技术 该技术是通过增加对选择的空间频率的响应 使兴趣结构的边缘部分得到增强 从而突出结构的轮廓 改变显示矩阵的大小也可决定不同结构的对比 使用较大的矩阵可使处于低空间频率的软组织结构得到增强 使用较小的矩阵则可使较细微的结构 如骨的细微结构得到增强 边缘增强UnsharpMasking 在CR系统中 使用的空间频率处理称为不鲜明蒙片 unsharpmasking 处理 因为处理中使用了一个不鲜明 模糊的 影像Qus作为蒙片影像 以增加空间频率响应 unsharpmasking 一幅影像中 主要增强的成分频率是由不鲜明蒙片的大小决定的 如果使用了大的不鲜明蒙片 不鲜明影像在较低频率上的响应将变得较少 这样Q Qus和QL的响应峰值将移向低频率侧 低频率成分将被增强 使用小的不鲜明蒙片 则将增强高频率成分 这样 就可通过调节不鲜明蒙片的尺寸 选择性的增强影像的低频或高频成分的频带 从而得到满足诊断要求的影像 QL x y Q x y K Q x y Q x y QUS x y 决定影像的频率成分增强程度的加权系数K不是一个常数 而是原始影像Q的函数 如是常数在实施强频率处理时 会在密度变化区域出现伪影 在影像中的低密度部分 Q值小的部分 实施显著的增强时 往往会在局部增大X线量子噪声 从而降低影像质量 实施非线性处理 以上不利因素将被去除 和线性相比高密度区的影像也同样的被增强 在低密度区加权系数减少 在高密