CR成像技术.doc

CR成像系统的构造CR系统以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(noncassettetype)两种。暗盒型阅读装置的CR需要暗盒作为载体，装载的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CR系统的IP曝光和阅读装置组合为一体，图像向工作站传输的整个过程都是自动完成的，需要配置单独的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，工作流程也与传统的屏片系统基本相同。（二）影像板IP是CR成像系统的关键元件，作为记录人体影像信息、实现模拟信息转化为数字信息的载体，代替了传统的屏片系统。它既适用于固定式X线机，也可用于移动式床边X线机，既可用于普通的X线摄影，也可用于特殊摄影和造影检查，具有很大的灵活性和多用性，可以重复使用。 IP从外观上看就像一块单面增感屏，它由表面保护层、光激励荧光物质激基板层和背面保护层组成。影像板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。但损坏几率小，寿命长，引起的伪影少。 IP的规格尺寸与常规胶片一致，一般有35cm43cm(14ft17ft)、35cm35cm(14ft14ft)、25cmx 30cm(10ft12ft)和20cm25cm(8ft10ft)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。 新型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(下图1)。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等待激光扫描仪的扫描过程。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，重新装入暗盒。(四)影像处理工作站 影像处理工作站具有影像处理软件，可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，并可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(如放大、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)，并可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，有磁盘阵列、磁带阵列等等。CR的成像原理(一)CR的基本原理 1CR影像的形成过程 (1)成像板置于暗盒内，利用传统设备曝光，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(photostimulableluminescence，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予强光来消除，这就使得IP可重复使用。CR影像的形成过程如下图2：2CR系统的工作流程 (1)信息采集(aquisition 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，然后经过模拟转换来实现影像的数字化。 (2)信息转换(transfonnation of infoMation)：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、光电倍增管和模拟转换器组成。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。IP信息采集原理(3)信息处理(processing of infoMation)：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(archiving 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。影像信息一般被存储在光盘中，随刻录随读取。一盘存储量为2G的光盘(有A、B两面)在压缩比为1：20的前提下，若每幅影像平均所占据的存储空间是4M，则每面盘可以存图像5000幅，而且能够长久地作为网络资源保存，以供检索和查询，为医学诊断提供帮助。 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。（二）CR的影子像记录1CR的影像采集 光激励荧光体晶体结构“陷阱”中存储的是吸收的X线能量，故也称做“存储”荧光体。在光激励发光过程中，以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。CR影像的采集和显示可以归纳为图2所示的5个步骤。未曝光的CR成像板装在有铅背衬的暗盒内，使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线光子被成像板吸收，以俘获电子的形式形成“电子”潜影。然后将CR暗盒放在影像阅读仪中，对看不见的潜影进行“处理”。在这里，影像探测器从暗盒中取出，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。然后PSL信号从红色激光中分离，引导人光电倍增管，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。成像板被扫描后，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送入计算机处理，对有用的影像相关区域进行确定，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。 2CR探测器的特性 CR成像是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，发出的可见光通过光电转换为数字化影像信号。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，它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以及潜影稳定性(不会因荧光产生而引起信号明显损失)。适合这些要求的化合物是碱土卤化物，商品名有Rb_Cl、BaFBr:等。（三）CR影像的读取1、影像板阅读仪 影像板阅读仪是读出成像板所记录影像的设备。它的技术指标直接影响所输出影像的质量。2、激励和发射3、读出过程（四）四象限原理在X线采集条件不理想的情况下，可出现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 recngnizer，EDR)。EDR结合了先进的图像识别技术，如分割曝光识别、曝光野识别和直方图分析。 1EDR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实现的，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，运用有效成像数据的最小值Sl和最大值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，即阅读的灵敏度与宽容度，具体地说就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(下图3)。 (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，两者之间超过1：的范围。此线性关系使CR系统具有很高的敏感性和很宽的动态范围。 (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 device，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。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相应改变，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。图3(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，以求最大限度地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顺片系统的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的x线照片。 曝光后IP上采集的影像数据，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)。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，被分割进行摄影的各个部分都有各自的影像采集菜单。如果分割图像未加分割识别，综合的直方图不可能具有适合的形状，S1和S2也不可能被准确地获取，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，即无分割型、垂直分割、水平分割和四分割。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将不能被准确地探侧。有效图像信号的最小强度Sl被错误地探测，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，影像数据的直方固分析都能够难确地执行，且这个区域能自动识别。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；第三，直方图分析。图43)直方图分析：直方图分析是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。有效图像信号的最小和最大强度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Ql和Q2(每一幅图像采集菜单都单独调整)，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也可以自动调整，阅读的影像信号总是在数字值的标准范围内，以获得最佳的密度和对比度。 对于大多数CR系统来说，确定有用信号范围的方法需要影像灰阶直方图构建一种以X轴为像素值，以Y轴为发生频率的图形(也就是像素值频谱)。图4就是一个统计噪声自由直方图的实例。 直方图的大体形状取决于解剖部位和用于影像采集的摄影技术。所有PSP阅读仪都利用一种分析算法来识别和分类直方图的各个组成部分，它们对应于骨、软组织、皮肤、对比剂、准直、未衰减X线和其他信号。胸部直方图的实例如图5所示。图5直方图分析的结果使得原始影像数据的标准化成为可能，而感度、对比度和宽容度的标准化条件是由数字化数值分析决定的。对于特定患者的检查，适宜影像灰阶特性的重建是通过灰阶数改变和对比增强来实现的。影像信号的确定和线性放大(即所谓的自动范围控制)的实例如图6所示的两种曝光情形。在每种情况下都能获得数值的适当输出范围。图62、EDR的方式 (1)自动方式：自动调整阅读宽度(L)和敏感度(5)(图7)。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。图7（3）固定方式：阅读宽度敏感度均固定，如同屏片体系中X线摄影。CR成像技术的应用CR技术在无损检测领域中的有效应用：(1) 在石油天然气行业中，如果管道的在役检测使用D7胶片，而且工作量比较大，或者虽然工作量不大，但需要检测管道的腐蚀程度以及测量管道的厚度，那么使用CR技术替代胶片，企业会获得比较满意的投资收益，尤其当管道泄漏的检测时间过晚或故障停机检修时间过长将造成极大损失时，使用CR技术及相关厚度测量软件，不仅可以显著缩短企业停产时间，极大地减少事故或故障损失，而且还可以快速准确地了解管道的状况，从而将故障杜绝于萌芽状态，大大提高石油天然气管道乃至企业的运行效率。(2)在航空及汽车制造业中，如果在正式的铸造开始以前能准确地检测出蜡质部件中的缺陷，则能为企业显著地节省成本。在使用D7/D8胶片的蜡质部件检测或使用D4/D5胶片的金属铸件检测中，均可考虑使用可靠性较高的CR技术，尤其当蜡质部件或金属铸件检测的工作量很大，或由于工件的厚度不同使每次检测中必须使用层甚至层灵敏度不同的胶片，从而使胶片等消费品的使用成本不低于CR系统的投资成本时，使用CR技术替代胶片，其高动态范围和能有效避免人为输入错误的自动化工作流程，能显著提高检测的吞吐能力，大大提高无损检测的速度。(3)