简介：X线机.CR.DR.CT的原理.ppt

简介 X线机原理 CR DR机和CT机原理 一 X线机的原理 X ray概论 X ray是由德国伦琴教授在1895年所发现 这种由克鲁克斯管发出能穿透物体的辐射线 在电磁光谱上能量较可见光强波长较短 频率较高 相类似之辐射线有宇宙射线等 目前X线诊断常用的X线波长范围为0 008 0 031nm 相当于40 150kv时 利用高速电子撞击金属靶面产生X射线的真空电子器件 称X光管 分为充气管和真空管两类 充气管 1895年W K 伦琴在进行克鲁克斯管实验时发现了X射线 克鲁克斯管就是最早的充气X射线管 其功率小 寿命短 控制困难 现已很少应用 真空管 1913年W D 库利吉发明了真空X线管 管内真空度不低于10 4帕 阴极为直热式螺旋钨丝 阳极为铜块端面镶嵌的金属靶 阴极发射出的电子经高压加速后撞击靶面产生X射线 以后经过许多改进 至今仍在应用 X光管 接通电源 使X线管灯丝加热产生自由电子云 提供高压电产生电势差 使电子以高速由阴极向阳极行进 撞击阳极钨靶原子 1 产生X线 99 转换为热能 X线的产生 穿透作用X CT的基本原理 荧光作用可以使荧光物质发出可见光 透视 摄影基础 电离作用半导体及惰性气体发生电离 X线的基本特性 一 物理特性 感光作用使光敏物质感光 胶片 二 化学特性 三 生物效应 使生物体发生变异及破坏 防护及放射治疗 X线的质与量 X ray的质 是指X射线的穿透能力 它取决射线的波长 通过调整电压 kVp 可以改变X射线的波长亦即改变射线的穿透能力 X ray的量 表示单位时间内通过与射线垂直方向上的单位面积的光子数的多少 由球管灯丝的电子数决定 调整球管的灯丝电流和曝光时间可以改变射线的量 通常用mAs表示 X线成像原理 X线成像是基于人体内不同结构的脏器对X线吸收的差别 一束能量均匀的X线投射到人体的不同部位 由于各部位对X线吸收的不同 透过人体各部位的X线强度亦不同 最后投影到一个检测平面上 即形成一幅人体的X线透射图像 X线机的基本硬件配置 球管 高压发生器 提供电力给球管以及控制mAKVsec变化 限束器 是一种安装在x线管输出窗前方的机电型光学装置 内有可调间隙的铅板 主要作用是 控制x线适当照射野减少散射线指示照射野中心 滤线栅 是x线摄影中减少散射辐射的装置 由薄铅条按一定密度排列构成 铅条间隙与射线平行 f0 栅焦距 f0 铅条汇聚到栅板的垂直距离栅格比 R 铅条的高度与间距之比 比值越大滤线的效果越好 栅密度 N 单位距离内铅条的数量N 1 C越大滤线的效果越好 C 影像增强器 imageIntensifier X ray 输入屏上涂有一层荧光粉 CsI 将X ray转化为可见光 CCD 电荷藕合器件 一种用于探测光的硅片 由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化 实现存储和传递电荷信息的固态电子器件 比传统的底片更能敏感的探测到光的变化 X线机成像过程 IP板CR 高压发生器 成像单元 球管 束光器 照射目标 I IRF 成像板DR 暗盒胶片 二 CR系统原理 CR的定义 ComputedRadiography 即 计算机X线摄影 将携带诊断信息的X线影像记录在影像板 imageplate IP 上 经读取装置读取 通过计算机处理 获得数字化图像 CR的意义 首次将传统屏片系统X线摄影数字化 所得数字化图像可以进行后处理 并且易于查询 检索 储存 传输和打印等 CR的组成 影像板 记录X线形成的潜影 读取装置 将潜影转变为数字信号 后处理工作站 将数字信号还原成图像并进行后处理 CR的工作流程图 IP是CR成像的关键器件 是X线影像的记录载体 取代传统X线摄影中的增感屏 胶片 CR影像不是直接记录于胶片 而是先记录在IP上 先记后读 IP可重复使用 但不具备影像显示功能 影像板 IP 基本结构 A 外层保护层 防止荧光层受到损伤 要求透光且薄 常用聚脂树脂类纤维B 磷光层 把第一次照射光的信号记录下来 当再次受到光刺激时 会释放存储的信号C 基底层 保护荧光层免受外力的损伤 IP暗盒剖面示意图 磷光层 含磷颗粒 外层保护层 基底层 暗盒 暗盒 IP成像原理 入射X光子被荧光层内的荧光体吸收 释放出电子 其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态 形成潜影 完成X线影像信息的采集和存储潜影电荷数量与入射光子能量成正比当用激光扫描已有潜影的IP时 IP表现出PSL 光激励发光 光致发光 现象 完成X线影像信息的读取PSL 光激励发光 荧光强度与潜影电荷数量成正比 PSL发光 某些物质在第一次受到照射光照射时 能将一次激发光携带的信息贮存下来 当再次受到照射光照射时 能发出与一次激发光携带信息相关的荧光 一次激发光 X线光子 二次激发光 读取激光 潜影 这就是光激励发光 photostimulatedluminescence PSL 光致发光 这种物质就称为PSL物质 发光强度与X线光子能量成正比 IP存贮信息的消褪 贮存在PSL物质中的X线影像信息随存贮时间 读取前时间 的延长而衰减 称为消褪 fading 消褪不可避免 随时间延长 温度升高而加重 CR系统对消褪设置自动补偿 一般地 要求摄影后8小时内完成信息读取 以免丢失临床信息 IP信息的擦除 二次激发过的IP需用强光照射 约200W的强光灯 擦除IP上残存的潜影以供下次使用 IP经强光照射擦除潜影 是PSL发光的逆过程 实现IP存贮信息的完全擦除 对于暗盒式IP 可见光被屏蔽 必须将IP插入到读取装置中 用强光自动擦除 环境因素对IP的干扰 IP对所有电磁波均显敏感性 长期闲置的IP在启用前必须先用强光照射以消除环境干扰 读出装置 1 高精度步进电机带动IP匀速移动 2 激光束经光学系统 摆动式反光镜和回旋式多面体反光镜 的反射 在与IP垂直的方向上 依次逐行对IP进行精确均匀地扫描 3 IP上所释放的PSL荧光被集光器收集 经光电倍增管转换为电信号 并被进一步放大 再由A D转换器转换成数字化信号 CR系统影像读取原理图 影响CR影像质量的因素 CR影像的空间分辨力 取决于PSL晶体的颗粒度和读取装置的电 光学特性 PSL结晶体尺寸越小 发光效率越高 图像空间分辨力越高 激光束点直径越小 读取信息量相对越多 影像质量越高 CR影像的空间分辨力尚不如传统胶片 CR影像的噪声 1 X线量子噪声 IP吸收过程中产生 与IP吸收的X线量子数 入射X线量 成反比 2 光量子噪声 光电倍增管光电转换中产生 与光电子数成反比 3 系统固有噪声 IP结构噪声 光学系统噪声 电子系统噪声 机械传导系统噪声等 X线剂量较低时 图像噪声决定于量子噪声 X线剂量较高时 图像噪声决定于固有噪声 CR使用注意事项 由于CR读取时会根据曝光条件 曝光范围 部位 体位等信息自动调节图像至最佳状态 因此 1 一块板最好只照一幅图像 正侧位用两块板照 避免因曝光条件不一样或图像重叠 图像有间隔等导致的图像质量下降 2 选择与部位大小相适应的IP板 不要用大板照小部位 而且照射野要覆盖整块IP 3 扫描前输入的检查部位 体位和投照资料等要尽量准确和完整 4 曝光时正确定向片盒 图像扫描出来就是正向的 可以省除旋转图像的麻烦 5 由于IP上的图像质量随时间推移而降低 因此最好一个小时内扫描IP IP长时间不用再次使用时 最好先行强光擦除 以消除可能存在的潜影6 图像质量很大程度上决定于曝光剂量 因此不要为了降低病人受照剂量而无限制地降低曝光条件 CR的优点和不足 优点 最后获取的是数字化图像 可进行多种图像后处理 易于储存 检索和传输 只要曝光条件不离谱 都能获得满意的图像 从而有效减少重照 可与原有的X光机匹配工作 节省资金 少花钱即能实现图像数字化 X线照射量动态范围大 可显示细微组织差异 PSL物质敏感度高 所需曝光剂量低 能有效减少患者受照射量 IP可重复使用几万次 不足 时间分辨力较差 难以显示动态图像成像过程繁琐 未改变工作流程 工作效率相对传统X线摄影并没有提高 与DR更是没法比空间分辨率不如常规的X线照片和DR 三 DR系统原理 DR的种类 非晶硅平板探测器 间接放射成像 IDR X线影像先转换为可见光影像 再经光电转换 A D转换等器件转换成数字图像 主流 非晶硅 a Si 根据X线影像转换为数字图像信号的过程不同 可分为IDR 间接放射成像 和DDR 直接放射成像 非晶硒平板探测器 直接放射成像 DDR X线影像直接转换为数字图像 无中间环节 主流 非晶硒 a Se IDR的结构和工作原理 X线影像转换为可见光影像区分IDR与DDR类型的技术点 将可见光影像转换成模拟电信号 A D再将把模拟电信号转换为数字信号 对数字信号进行各种图像处理 对整个系统的控制和协调 存储 记录数字图像 实时观测所采集的X线影像 产生X线 IDR图象质量比CR有较大的改善 但这种转换机制由于存在光线散射过程 必然导致图像分辨力的降低 各种类型的IDR 1 I I TV 影像增强器 电视 成像方式 2 胶片数字扫描方式 X线胶片数字扫描仪 图象工作站 高清晰度监视器 图象处理系统软件 3 Scintillator Lens CCD 闪烁晶体 光学镜头 CCD 4 闪烁晶体 a Si 非晶硅薄膜 TFT 薄膜晶体管 a Si 非晶硅薄膜 适度扩散 形成高集成的薄膜光电二极管 TFD 作为光电转换器件 薄膜晶体管 TFT 作为开关元件 转换效率最高 像素尺寸最小 图像质量最好 DDR的结构和工作原理 平板探测器FPD把X线影像直接转换为模拟电信号 A D再将模拟电信号转换为数字信号 对数字信号进行各种图像处理 对整个系统的控制和协调 存储 记录数字图像 实时观测所采集的X线影像 产生X线 数据 控制 存储 调用 1 气体电离室探测器 由许多单元组成阵列 每个单元构成一个像素 大小约为0 5mm 0 5mm 探测器极板间充以惰性气体 X线照射下 气体电离 电离电荷在极间电场作用下定向漂移 在外电路获得正比于X线强度的输出信号 X线强度 电离电荷 输出电信号成正比 2 非晶态硒 a Se 型平板探测器 由集电矩阵 硒层 电介质 顶层电极和保护层等构成 特点 依赖型平板 X线吸收率较低 硒层厚度与有效光电子成正比 与成像时间成反比 DDR使用的X线探测器 DDR的特点 采用a Se 非晶态硒 和TFT 薄膜晶体管 技术将入射X射线直接转换为电信号非常高的转换效率 DQE 对入射到探测器表面的X线光子的吸收能力 DR平板的X线探测器的量化转换效率极为宽广的动态范围 104 105 是用来实现比普通数字图像技术更大曝光动态范围 即更大的明暗差别 很高的空间分辨率 2560 3072 彻底消除散射效应 极佳的MTF 调制传输函数 特性 MTF 是空间频率在一范围期间信号转换的一种判定 并以量化表现影像鲜明程度 调制传输函数 MTF 标志了成像系统维持物体原有对比度的能力 MTF值越高 意味着系统对原始信息的还原能力越强 所得到的图像越接近于原始图像 IDR与DDR的优缺点 IDR 优点 1 转换效率高 2 动态范围广 3 空间分辨率高 4 在低分辨率区X线吸收率高 原因是其原子序数高于非晶硒 5 环境适应性强 缺点 1 高剂量时DQE不如非晶硒型 2 因有荧光转换层故存在轻微散射效应 3 锐利度相对略低于非晶硒型 DDR 优点 1 转换效率高 2 动态范围广 3 空间分辨率高 4 锐利度好 缺点 1 对X线吸收率低 在低剂量条件下图像质量不能很好的保证 而加大X线剂量 不但加大病人射线吸收 且对X光系统要求过高 2 硒层对温度敏感 使用条件受限 环境适应性较差 CR DR常用后处理技术 窗宽窗位调整 预设与CT窗宽窗位处理类似 以某一灰度值为中心 在选定的数字信号数值范围内 以黑白灰阶再现某一范围的数字信号 以达到针对某部位的最佳视觉效果 预设就是针对某个部位或体位 使用者可以根据实际经验自行设置一个合适的窗宽窗位 当打开该部位或体位的图像时自动调用设定值 可以不用后处理就能达到比较好的图像显示效果 减影处理 A 时间减影 选择血管造影系列图象中的若干帧作为造影像和蒙片进行数字减影处理 可得到CR血管减影图象 优点 视野大 空间分辨力高 动态范围宽 缺点 时间分辨力差 无法实现高频采集和实时显示 B 能量减影 X线吸收率减影 用两个不同千伏的X线摄影条件分别摄影 选择其中任何一帧作为蒙片进行减影 则可消除某些组织 例如对胸部行能量减影处理可消除肋骨影像 以利于观察低对比度肺野 多功能测量 可对感兴趣区进行多种统计测量 包括 距离 面积 周长 最大值 最小值等缩放功能和放大镜图像旋转 90 180 图像反转 X线胶片图像和透视图像转换 图像翻转 图像镜像 文字 图形标注图像边缘增强 通过增加对选定的空间频率的响应 使感兴趣结构的边缘部分得到增强 从而突出结构轮廓 图像自动优化DICOM存储 打印 DR系统更高的工作效率更好的影像质量更为流畅的工作流较低的运行成本较高的初始投资 CR系统较低的初始投资方便旧设备改造图像质量不如胶片费时 运行成本较高 DR与CR的比较 四 计算机体层摄影 CT ComputedTomography 概念 根据人体不同组织对X射线的吸收与透过率的不同 应用灵敏度极高的仪器对人体进行测量 然后将测量所获取的数据输入电子计算机 电子计算机对数据进行处理后 就可摄下人体被检查部位的断面或立体的图像 发现体内任何部位的细小病变 1963年 美国物理学家Cormack 科马克 发现人体不同的组织对X射线的透过率有所不同 在研究中还得出了一些有关的计算公式 这些公式为后来CT的应用奠定了理论基础 1969年 英国工程师Hounsfield 亨斯菲尔德 设计了计算机横断体层成像装置 经神经放射诊断学家Ambrose 安布罗斯 应用于临床 取得极为满意的诊断效果 它使脑组织和脑室及病变本身显影 获得颅脑的横断面图像 此种检查方法称之为计算机体层成像 这种图质好 诊断价值高而无创伤 无痛苦 无危险的诊断方法是放射诊断领域的重大突破 促进医学影象诊断学的发展 CT的发明 各代CT机的特点 第一代CTX线球管为固定阳极 发射X线为直线笔形束 一个探测器 采用直线和旋转扫描相结合 即直线扫描后 旋转1度 再行直线扫描 旋转180 完成一层面扫描 扫描时间3 6分钟 矩阵象素256 256或320 320 仅用于颅脑检查 第二代CT与第一代无质的区别 仅由小角度 3 30 扇形X线束替代了直线笔形束 探测器增至几十个 扫描时间缩至10秒到1 5分钟 矩阵象素与第一代CT机相同 可用于颅脑和腹部 第三代CTX三线球管为旋转阳极 发射X线为扇形束 角度较大达30 45 度 探测器多达几百个 只做旋转扫描 扫描时间为2 4 10秒 矩阵象素除256 256和320 320外 还有512 512 适用全身各部位 第四代CT与第三代无质的区别 探测器多达1000余个 固定安装在扫描机架四周 仅X线球管绕患者旋转 扫描时间进一步缩短至1 5秒 第五代CT为最新发展的电影扫描CT cineCTscanner 在扫描速度上有飞跃发展 采用电子枪结构 使每次扫描时间缩短至50毫秒 大大有利于心脏CT扫描 是一种通过两套X射线球管系统和两套探测器系统同时采集人体图像的CT装置 两套X射线的发生装置和两套探测器系统呈一定角度安装在同一平面 进行同步扫描 两套X射线球管既可发射同样电压的射线也可以发射不同电压的射线 从而实现数据的整合或分离 不同的两组数据对同一器官组织的分辨能力是不一样的 通过两组不同能量的数据从而可以分离普通CT所不能分离或显示的组织结构 即能量成像 如果是两组数据以同样的电压的电流值扫描则可以将两组数据进行整合 快速获得同一部位的组织结构形态 突破普通CT的速度极限 双源CT DualSourceCT DSCT 由于双源CT将扫描速度和扫描效率大大提高 所以明显缩短了检查时间 受检者接受的X射线量大大减少 与常规多层螺旋CT相比 以64层螺旋CT为例 可以降低70 到90 的X射线剂量 普通CT与螺旋CT的比较 常规CT 间隔式扫描 螺旋CT 连续容积扫描 轨迹呈螺旋形 螺旋CT优点 1 没有扫描间隔时间 大大缩短扫描时间 2 快速容积扫描 提高小病灶的检出 防止遗漏小病灶 3 能进行容积扫描后处理 CT血管造影 CT三维重建 CT仿真内窥镜等 CT基本结构 扫描系统 x线管 探测器和扫描架 计算机系统 将扫描收集到的信息数据进行储存和运算 图像显示和存储系统 经计算机处理 重建的图像显示在电视屏上或用多幅照相机或激光相机将图像摄下 X线束对人体某部一定厚度的层面扫描 由探测器接收被该层面部分吸收的剩余X线 探测器将接收到的X线信号由光电转换器转变为电信号 再经模 数转换器转变为数字信号 传送到计算机的数据采集系统 计算机将采集的数字信息经运算处理 得出扫描层面各点的数字 排列成数字矩阵 数字矩阵可存储于硬盘或光盘中 再经数 模转换器将数字矩阵中的每个数字转化为由黑到白不同灰度的小方块 按矩阵排列 即构成CT图像 最后调节窗宽 窗位 经显示器或照相机输出 用于临床诊断 CT成像原理 Ct 相关术语 CT值窗宽窗位空间分辨率和密度分辨率层厚与层距部分容积效应薄层扫描 CT值 CT值 CTnumber CT扫描中X线衰减系数的单位 用于表示CT影像中组织结构的线性衰减系数 吸收系数 的相对值 简言之 物体对水的相对吸收值定义为CT值 CT值用亨氏单位 Hounsfieldunit 表示 简写为Hu 窗宽和窗位 人体内不同密度的组织CT值均介于2000个分度之间 如果CT图像用2000个灰阶来表示 其图像层次将非常丰富 但人眼一般仅能分辨出16个灰阶 若将2000个分度划分为16个灰阶 则每个灰阶的CT值为125 2000 16 Hu 即相邻两个组织间CT值相差125Hu时 人眼才能分辨 为了能观察到CT机所具有的较高的密度分辨力 引进了窗宽和窗位 窗宽 windowwidth 就是显示图象上所包括的 个灰阶 值的范围 在此CT值范围内的组织和病变均以不同的模拟的灰度显示 数字成像方式的图像显示中 根据人眼视觉分辨力的需要 对兴趣结构所占据的灰阶范围作选择性显示的技术 窗位 windowlevel 又称窗中心 是指CT图象上黑白刻度中心点CT值范围 数字成像方式的图像显示中 以某一灰阶为中心点 选择性显示该中心上 下一定范围内的灰阶 该中心点即为窗位 同样的窗宽 由于窗位不同 其所包括CT值范围的CT值也有差异 举例 要观察脑实质 窗宽常为100Hu 窗位为 40Hu 实际观察的CT值范围为 10Hu 90Hu 即密度在 10Hu 90Hu范围内的各种结构如脑实质和脑室系统等均以不同的灰度显示出来 而高于 90Hu的组织结构如骨组织及颅内钙化等均以白影显示 无灰度差别 而低于 10Hu的组织结构如皮下脂肪 乳突气房及颅内积气等均以黑影显示 其间也无灰度差别 若窗宽保持100Hu不变时 若窗位为0Hu时 其CT值范围则为 50Hu 50Hu 若窗位改为50Hu 则其CT值范围为0Hu 100Hu 加大窗宽 图像层次增多 组织对比减少 细节显示差 缩小窗宽 图像层次减少 组织对比增加 因此 必须选择合适的窗宽和窗位 相互协调 才能获得既有一定层次 又有良好对比的图像 空间分辨率和密度分辨率前者指影像中能够分辨的最小细节 后者指能显示的最小密度差别 层厚与层距前者指扫描层的厚度 后者指两层中心之间的距离 部分容积效应由于每层具有一定的厚度 在此厚度内可能包括密度不同的组织 因此 每一像素的CT值 实际所代表的是单位体积内各种组织的CT值的平均数 薄层扫描是指层厚为5mm或更薄层厚以下的扫描 用于观察病变的细节 噪声 扫描噪声是因为X线穿透人体到达探测器的光子数量有限 致使光子在矩阵内各像素的分布不均 导致密度相等的组织或水在图像上的各点的CT值不相等 CT检查方法 二 增强扫描