投影X线成像系统

第二章.投影X线成像技术,生物医学工程医学成像技术,第二章.投影X线成像技术,X-ray产生,1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线管中气体放电现象时，用一只嵌有两个金属电极（一个阳极，一个阴极）的密封玻璃管，将管内空气抽出，并在电极两端加上几万伏的高压。为了防止高压放电时的光线外泄，在玻璃管外面套上一层黑色纸板，他在暗室中进行这项实验时，偶然发现距管子2m远的地方，一块用铂氰化钡溶液浸洗过的纸板发出了明亮的荧光。再进一步试验，用纸板、木板、书都遮挡不住这种荧光，更令人惊奇的是，当用手去拿这块发荧光的纸板时，竟在板上看到了手骨的影像。当时伦琴认定这是一种人眼看不见但能穿透物体的射线。由于当时无法解释它的原理，不明它的性质，故借用数学中代表未知数的“X”作代号，称为X射线，一直延用至今。由于伦琴发现了X射线，逐渐形成了一门崭新的学科医用放射诊断学。他的发现在人类历史上具有极其重要的意义，它为自然科学的医学开辟了一条崭新的道路。为此，1901年伦琴荣获物理学第一个诺贝尔奖。,1.X线的基础知识(1)X线的产生在医学诊断用的X线管中，被加热的灯丝发射出电子，在30200千伏高压的作用下，灯丝射出的电子被吸引到阳极靶子上，这些电子与靶内的原子相互作用产生X射线，X射线穿过管壁发射出来。,旋转阳极式X线管,左图：,旋转式阳极式X线管,在X线产生的过程中伴生出大量的热，只有少于1%的入射电子能量转换成了X射线，99%的转化成热能，为了使热能从被轰击的区域尽快散除，以免损坏靶面，现代X线管中设计了旋转阳极。,射线的产生X射线的产生特征X射线：原子核外电子的跃迁连续X射线：高速运动电子与靶原子核作用,7,射线的产生X射线的产生特征X射线：原子核外电子的跃迁连续X射线：高速运动电子与靶原子核作用,8,(2)X线的性质X线在本质上属电磁波。诊断用X线的波长大约在0.50.001A的范围中，相当于光子能量为25Kev至1Mev。X线具有以下基本性质：,物理特性：(a)穿透作用:X线波长短，能量大，能穿透一般光线不能穿透的物质。用来检查人体内部器官的结构是很合适的。(b)荧光作用:当X线照射某些物质时可产生荧光，利用这一性质，可以在荧光屏上直接观察X线图像。,(c)电离作用:具有足够能量的X线光子不仅能击脱物质原子轨道上的电子，使该物质产生一次电离，而且脱离原子的电子又与其它原子相碰，还会产生二次电离。气体分子被电离后，其电离电荷很容易被收集，于是人们可以根据气体分子电离电荷的多少来测定X线的剂量。许多X线检测器就是利用这一原理制成的。,(d):生物效应:X线是一种电离辐射。生物细胞经一定量的X线照射后会受到损害甚至坏死。利用X线的这个效应，可以用放射治疗的方法来破坏肿瘤组织。当然，人体受到一定剂量X线的照射后，也会导致正常组织的损伤。特别注意：x线照射具有累加性质,辐射的生物效应1)躯体效应和遗传效应2)随机性效应和非随机性效应,13,化学特性：（e）感光作用：能使胶片感光，胶片乳剂中的溴化银受X光照射感光，经过化学显影，还原出黑水的金属银颗粒。（f）脱水作用（着色作用）：某些物质经X光长期照射后，因结晶脱水而逐渐改变颜色。,(3)X线与人体组织的作用当X射线穿过物体时，入射X线中的一部分能量将从射线束中消失。一方面是由于物质的吸收，即部分X线能量转换成其它形式的能量；另一方面是由于散射，即部分X射线改变了原来的传播方向。实际上，只有一部分X射线穿过被探查物体沿原方向继续向前传播。这部分射线被称为透射分量。,假设用一种单一能量的X线照射厚度为d的物体，其入射射线强度为Io，透射后的强度为I，则有：称为线性衰减系数，表示特定能量的X射线照射某种特定的物质时单位距离上的衰减分数。,X线的衰减,射线与物质的相互作用不带电粒子与物质的相互作用(X射线、射线)相干散射Compton效应光电效应,18,射线的衰减,相干散射（只改变方向，无能量损失）,射线与物质的相互作用不带电粒子与物质的相互作用(X射线、射线)相干散射光电效应Compton效应,19,射线的衰减,射线与物质的相互作用不带电粒子与物质的相互作用(X射线、射线)相干散射光电效应Compton效应,20,射线的衰减,康普顿散射引起的副作用：（1）：降低图象的对比度（2）：增加检测人员的X线的吸收剂量,2.投影X线成像系统最早的X线成像方法是靠投影成像，也被称作传统的X线成像方式。投影成像又可分透视和摄影两种不同的方式。,早期X线机,(1)荧光透视成像系统X线管发出的X射线穿过人体投射到荧光屏上，荧光屏将入射的射线能量转换成光。由于人体不同的组织对X线的衰减不同，穿过人体后的X线强度也随之发生变化。在荧光屏上就可以看到与人体组织结构对应的明暗阴影。透视方法除了可以观察组织形态、位置外，还可以观察脏器的运动。这是透视检查方法的一个优点。,2.2投影X射线成像设备,第一代的荧光透视接收器是一块平板荧光屏。平板荧光屏透视检查方法的主要缺点是屏的亮度比较低，观察起来比较吃力。放射科医生在进行透视工作前，一般要在黑暗环境中待15分钟左右才能使自己的眼睛适应黑暗环境。只能提供一个重叠的阴影像。,为解决荧光屏亮度低的问题，现代X射线成像系统中都采用了影像增强管。影像增强管的引入是透视X射线成像系统的一项重大改进。,影像增强管,在影像增强管中，X射线的输入荧光屏和一个光电阴极紧密相接。入射X射线与荧光屏作用后产生可见光，可见光又使光电阴极产生电子，这些电子经过一个透镜系统加速后聚焦到输出荧光屏上。输入荧光屏的直径为150mm550mm，输出屏的直径为16mm35mm。由于输出面积减小及电子加速等原因使亮度的总增益达到5000倍左右。,荧光屏是一种无源器件，只能将吸收的部分X射线能量转换为光能；而影像增强管则是一个可以在转换过程中增添能量的有源器件。影像增强管所产生的图像比荧光屏图像要亮得多，质量也要好得多。其图像可在明室中观察。,现代的投影X射线成像设备都采用影像增强管-电视系统。它包含影像增强管、光学图像分配系统和一个包括摄像机、监视器的闭路视频系统及辅助电子设备。其中的光学系统用于将图像从影像增强管的输出屏传递到视频摄像管的输入屏。,影像增强器电视系统,闭路视频系统用导线或电缆传输图像，其工作原理与一般广播电视中的视频系统基本相同。电视系统不仅可以使医生在正常光线下借助监视器进行观察，而且可以用录相带作为X射线影像的永久记录。视频系统的引入是荧光透视成像系统的又一项重大改进。,(2)胶片摄影系统X射线胶片摄影与X射线透视的不同在于用摄影胶片代替透视的荧光屏。入射的X射线在胶片上形成潜影，然后经过显影、定影处理，将影像固定在胶片上。,用X射线直接对胶片曝光的效率是比较低的。在临床中使用屏-胶片系统作为投影X射线成像系统的接收器。它是由涂上感光乳胶的胶片和与胶片紧密接触的一个或两个荧光增强屏组成的。荧光增强屏是涂有荧光材料的薄层。,X射线的能量由增强屏吸收，并将其能量的一部分（大约520%）转变为光线。此光线将使胶片曝光。由于增强屏对光线较敏感，使胶片曝光所需的实际X射线辐射剂量大幅度地降低。但使用增强屏会使图像产生一定程度的模糊。,X射线摄影照片的分辨率比较高，用摄影胶片作为X射线图像的永久记录仍然是目前临床上常用的方法。但是，为了得到照片，必须配备一套冲洗设备，操作过程也比较麻烦。注意区分：透视和平片摄影图像的明暗区域,透视和胶片的区别,评价成像系统与图象质量的客观标准,1.对比度要求病灶组织和周围组织间形成较大的反差，以利于病灶的检查。,对比度分析简单模型,就该模型而言，其对比度的定义如下：由于所以：,根据表达式可以得出如下结论：在X-ray成像系统中，图象的对比度仅仅与被探查物体的厚度L2及被探查物与周围组织间的线性衰减系数之差有关，而与照射对象的总厚度无关（理想情况下）。为了提高图像的对比度,通常采取以下措施:(1):使用造影剂(2):克服散射对图像对比度的影响(滤线栅)(3):多能量摄影,使用造影剂,滤线栅,2.不锐度衡量图像模糊程度的指标*几何不锐度(被检查的物体静止)造成原因:放射源有一定的尺寸解决:将探查物尽可能接近记录器,*移动不锐度问题成因:物体的运动解决方案:加大管电流,缩短成像时间,*屏不锐度由于记录器引起的图像模糊3:分辨力指系统所能分辨的两个相邻物体间的最小距离.用单位距离里的线对数（即单位距离中所含的线条条数）来表达4:调制传递函数(ModulationTransferFunction,MTF)-频域MTF=|H(f)/H(0)|,MTF级连性质,*:整个系统的分辨力取决于截止频率最低的模糊源,在传统的投影X射线成像设备中，所记录和显示的信号都是模拟信号，在模拟X射线摄影中要求严格掌握曝光强度，因为记录器的动态范围很小。另外，对所记录的图像也很难做进一步的处理。现代的数字X射线摄影采用了大动态范围的数据采集系统，克服了胶片摄影系统的局限性。此外，数字图像便于处理、存储、归档与通信，这些特点也是传统的模拟系统所不能比拟的。,二.数字X线成像的发展,数字电视X射线摄影系统,线阵扫描系统,X线源,双准直器,检测器同步作直线运动优点:防止了人体散射的射线进入检测器,提高了图像的质量缺点:成像时间较长,容易引入人体运动的伪像(移动不锐度提高),数据采集中的大量X线没有利用,传统X线摄影的弊端表现为：1.数量庞大的胶片使存储、查阅的效率低。2.摄影采用模拟技术，图像灰阶度分辨率低，不便用计算机处理、储存和传输，更不能异地医生同时观察一幅图像（如远程诊断或电话会诊），不便实现多人共享。3.X线摄影需要的曝光剂量相对较大，且X线摄影一旦完成，影像质量再不能改善，当质量达不到要求时往往需要重摄，给投照者和患者带来负担。,为解决传统X线成像的弊端，计算机放射摄影（computedradiography，CR）应运而生。1.CRCR将透过人体的X线影像信息记录在存储荧光板（storagephosphorplate，简称SPP）上，构成潜影。用激光束以25102510的像素矩阵（像素约0.1mm大小）对SPP进行扫描读取，经计算机计算处理，通过改善影像的细节、图像降噪、灰阶对比度调整、影像放大、数字减影等，将未经处理的影像中所看不到的特征信息在荧屏上显示图像，还可用激光照相机记录其图像。,CR摄影条件低，为传统X线摄影的1223；摄影条件的宽容范围宽；数字化图像可存储于光盘中，为医学影像存档与通讯系统的应用创造了条件。CR最显著的优点在于：将传统的X线技术与现代计算机技术相结合，使大小传统X线机免遭淘汰，这也是有别于其他各类数字X线摄影（DR）的卓越之处，使X线影像直接数字化。,CR可提供的数据量大、分辨率高、数据获取速度快，不管X线曝光有变化，即使X线曝光技术错误也可避免重复检查，并潜在地降低可能射线辐射，可免除辐射不足或过度时造成的影像不清晰，可反复多次使用上万次。该系统自动操作，成像参数可预调，影像处理过程约需5分钟。总之，在实现平片信息数字化的工作中，CR系统是为主流的方式。,优点：（1）：灵敏度高（2）：动态范围高（3）：影象更清晰缺点：（1）：时间分辨力较差（2）：不能满足动态器官和结构的显示,2.DR（digitalradiography)DR由电子暗盒、扫描控制器、系统控制器、影像监示器等组成，直接将X线光子转换为数字化图像。CR和DR由于均采用数字技术，动态范围广，有很宽的曝光宽容度，允许照相中的技术误差，即使在一些曝光条件难以掌握的部位，也能获得很好的图像；CR和DR均可根据临床需要进行各种图像后处理（如滤波，放大、拼接以及距离、面积、密度测量等丰富的功能），为影像诊断中的细节观察、前后对比、定量分析提供技术支持。,数字X线摄影(DigitalRadiography,DR),数字X线摄影(DigitalRadiography,DR),(1):直接数字X线摄影（directDR,DDR）利用探测器直接将x线转化成数字图像(2):间接数字X线摄影（indirectDR,IDR）先由电视或胶片获取模拟的X线图像，再转化成数字图像,DDR探测器,非晶态硅型平板探测器,3.CR与DR的比较（1）DR是一种X线直接转换技术，成像环节少；CR是一种X线间接转换技术，它利用图像板作为X线检测器，成像环节相对于DR较多。（2）DR系统无因光学散射而引起的图像模糊，其清晰度主要由像素尺寸大小决定；CR系统由于自身的结构，在受到X线照射时，图像板中的磷粒子使X线存在着散射，会引起潜像模糊；,（3）DR是今后的发展方向，但费用昂贵，还需改装已有的X线机设备，而CR相对费用较低，且多台X线机可同时使用，无需改变现有设备。（4）CR系统更适用于X线平片摄影，它可与常规X线摄影机匹配使用，更适用于复杂部位和体位的X线摄影；DR系统则较适用于透视与点片摄影及各种造影检查，由于单机工作时的通量限制，不易取代大型医院中多机同时工作的常规X线摄影设备，但较适用于小医疗单位和诊所的一机多用目的。事实上，CR和DR系统在相当长的一段时间内将是一对并行发展的系统。,投影X线成像实际上是将三维物体结构投影在一个二维平面上，由于结构重叠造成了读片困难，为此，人们一直在寻找新的成像方法，或者是设法获取某一指定断面的图像，或者是人为突出人体中某种结构（如血管、骨骼）的形象。,传统X线摄影把三维物体结构投影到一个二维显示平面上。这就使沿深度方向上的信息重叠在一起，造成读片困难。为了获取某一深度的图像。早期的做法是采用运动断层摄影。,运动断层摄影,运动断层摄影的做法是：让X线源与胶片作相对运动，运动方式可以是直线运动或圆周运动等。假定A、B是病人体内需要研究的区域。在曝光时间内，X线源从S1移动到S2，胶片则沿反方向移动。,只要X线源与检测器按指定规律运动，就可能使聚焦平面中A、B点的影像在整个移动过程中始终落在胶片的固定位置上，而其它深度处的结构的影像则从胶片的一端移动到另一端。于是最后所得到的图像将突出聚焦平面所在深度上的断面结构。当然，其他层次上的结构也会在胶片上留下模糊的图像。这是运动断层摄影的不足。,减影技术最早应用于血管系统的研究。在病人的血管中注入造影剂（造影剂对X线的衰减系数大于人体的骨骼和软组织）。摄下同一部位注入造影剂前后的两帧图像。原则上讲，只要将这两帧图像相减，就能消除血管外其余的组织形象，而只保留造影血管的图像。,数字减影技术,减影后的图像突出了差异部分，更易于判读、处理及分析。早期的减影是用模拟方法实现的，应用较有限。现代减影设备都是由数字计算机来完成的，因此称为数字减影（digitalSubtraction）。根据用于相减的两帧图像的不同来源，数字减影又可分为时间减影（不同时刻摄取的同一部位的两帧图像相减）、能量减影（不同能量下摄取的两帧图像相减）和深度减影等。其中，时间减影是目前临床常规应用的主要方法。,数字减影技术,时间减影,注射造影剂前，摄取目标（掩膜）图象M(x,y)控制目标不动，注入造影剂，摄取同一部位的图象I(x,y)T2(x,y)为注入造影剂处的血管厚度对所得图象取对数后相减：,Matlab实现,假设两幅大小完全相等的图片，图片A是掩膜图象，图片B是造影后的图象(假设图象格式是bmp,imread支持的格式包含：JP(E)G,TIFF,GIF,BMP,PNG等)。程序清单I=imread(E:A,bmp)J=imread(E:B,bmp)K=imsubtract(I,J)Imshow(K),能量减影,不同的组织对不同能量的X线的衰减的程度不同，为了突出某些组织，需要将其他组织形成的阴影尽量消去（以骨骼和肌肉为例）。单一低能态下有：单一高能态下有：Tm,Tb分别为肌肉和骨骼的厚度，分别是肌肉在高低能态下的衰减系数，分别