数字X线设备培训

数字X线设备

尽管新型医学影像设备不断出现，但传统的X线设备在普通检查中还起主要作用，主要是采用增感屏/胶片方式摄取的，可得到的医学X影像图像是记录在胶片的形式，占70%以上，它得到的图像是模拟信息的图像，不能进入现代医学影像的PACS系统。使用常规X线影像数字化或记录在胶片上的信息数字化，对实现医学影像信息管理的现代化和使用化具有重要意义。

本章介绍了数字X线成像设备的基本结构和功能以及应用特点。

数字X线成像设备是指把X线影像数字化并对图像进行处理，再变换成模拟图像显示的一种X线设备。

根据成像原理不同，可分为：计算机X线摄影系统（CR）

数字X线透视系统（DF）

数字X线摄影系统（DR）

根据X线束的形状又可分为：

1、锥形成像法：2、扇形成像法：3、笔形成像法：

直接数字X线摄影（DDR）由于探测器的种类有一维探测器和二维探测器，成像方式各异。一维探测器是采用扇形平面X线束或笔形X线束进行扫描投影。二维探测器是采用锥形照射。

CR和DR属于锥形成像。

数字X线成像与传统的增感屏-胶片成像相比较，有以下优点：1.对比度分辨力高：对低对比度的物体具有良好的检测能力，动态范围可达10⁴（屏-片为10²），量化深度可达26bit(屏-片为6bit)。对比度分辨力高，空间分辨率不如胶片20~40LP/mm（屏-片为50~70LP/mm）。2.辐射剂量小：拍摄胸部时，比常规方式降低30~70%。这是因为数字成像系统对X线能量的利用率高，其量子检出效率可发达60%以上。3.成像质量高：能用计算机对图像进行处理，更精细地观察感兴趣的细节。一些具有广阔应用前景的新技术（如三维X线成像技术、双能量X线成像技术等）都是以数字成像技术为基础的。4.可利用大容量光盘存储数字图像，消除了用胶片记录X线影像带来的种种不便，并能进入PACS系统，实施联网，更高效、低耗、省时、省空间实现图像的储存、传输和诊断。数字影像设备的发展对远程放射学系统的发展具有决定性的影响，在21世纪数字设备将成为大中型医院放射科的主导设备。还有B超、各种电子内镜图像的数字化、病理切片图像数字化再加上现有CT和MRI的数字影像，使PACS系统更为完善。现在X线检查工作流程旧的检索方法新的检索方法旧的片库新的存储服务器旧的观片台新的影像诊断终端数据信号处理系统的主要部件：

A/D转换器是实现X线图像数字化的关键部件，它把模拟图像信号分解成离散化和量化的信息，把图像的连续灰度分离为不连续的灰阶，并赋予每个灰阶相应的二进制数字。

A/D转换器的位数越多，数字化的精度就越高，8位A/D有256级灰阶，10位A/D有1024级灰阶。

A/D转换器是把模拟信号转换成数字信号的集成化电路。

数字图像信号只有经过D/A转换器变换成模拟图像，送到监视器显示图像。D/A转换器把以数字表示的像素灰阶转换为视频信号电平，形成不同亮度的像素。

数字图像的空间分辨力取决于像素的尺寸与A/D转换器的采样时钟频率，对比度分辨力取决于A/D转换器和D/A转换器的位数。

D/A转换器是把数字信号转换成模拟信号的集成化电路。

第一节X线计算机摄影装置

1982年出现了第一台CR摄影系统，它可以代替普通X线胶片成像。它用的是存储荧光屏（IP板）作为面探测器。与常规X线摄影相比，可以图像数字化，它具有对比度分辨力高，辐射剂量小等，但空间分辨力不如胶片。一、基本组成和工作原理：

CR的结构主要有信息采集、信息转换、信息处理、信息存储及记录。二、影像板（IP板）：

CR的影像不是直接记录在胶片上，而是先把所得影像记忆在IP板上，IP板可以重复使用，但没有影像显示功能。1.结构（1）表面保护层：是防止荧光层受到损伤而设计的，要求它不能随外界温度和湿度而变化，透光率高并且非常薄。多用聚脂树脂类纤维板。

（2）光激励发光（PSL）荧光层：此层是将PSL混合于多聚体溶液中，然后涂在基板上。它是一种特殊的荧光物质，它把第一次照射光的信号记录下来，当再次受到光刺激时，会释放储存的信号，信号强度与第一次照射光能量成正比。多聚体溶液起到使荧光物质晶体互相结合的作用。

（3）基层：作用是保护荧光层免受外力的损伤。是用聚脂树脂类纤维胶膜。（4）背面保护层：是为防止各影像板之间在使用过程中的摩擦损伤而设计，其材料也聚脂树脂类纤维。灵敏度高，使曝光剂量降低分辨力高，一般可达3.3LP/CM动态范围宽速度慢空间分辨力不如常规X线机特点：可以在传统的X线机上，利用IP板可实现数字化X 线图像。材料：氟卤化钡影像板(IP板)2.成像原理：

射入IP板的X线量子被PSL体内的荧光物吸收，释放出电子。其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定状态，形成潜影，完成X线信息的采集和存储。当用激光扫描已有潜影的IP板时，既发生光激发发光现象，产生的荧光强度与第一次激发时X线的能量成正比，从而完成光学影像的读出。再通过光电转换和A/D转换，形成数字图像信息。

3.IP板的特性：（1）发射光谱与激发光谱：

PSL荧光体可以发出蓝-紫光，发光强度依激发IP的光线的波长而定。

PSL发光强度与读取照射光波长的关系曲线称激发光谱。用600nm左右波长的红色氦-氖激光读取时效果最好。

PSL发光强度与其激发光波长的关系曲线称为发射光谱。在读取激光激发下，已储存X线能量的IP板中PSL荧光体发射出的强度与X线能量成正比的蓝-紫光，在390~400nm波长处取得峰值。发射光谱与激发光谱的峰值应有一定间距，还应保证光电倍增管在400nm波长处有最高的检测效率，这对提高图像的信噪比很重要。（2）IP板的时间响应特性：当停止用激光照射荧光体时，PSL发光按其衰减规律逐渐终止，衰减速度很快，一般不会发生采集和读取信息的重叠。即IP板有很好的时间响应特性。（3）IP板的动态范围：

IP板发射荧光的量依赖于第一次激发的X线量，在1：10⁴的范围内有很好的动态范围。它比屏-片组合的动态范围宽得多，可以精确地检测每次摄影中各组织间X线吸收的差异。（4）存储信息的消退：

X线激发IP板后模拟影像被存于荧光体内，在读取前，有一部分被俘获的光电子将逃逸，从而使二次激发时荧光体发射的PSL发光强度减少，这种现象称为消退。消退现象很轻微，存储8小时荧光体的发光量减少25%。几乎不受影响。若曝光不足和存放太久，则会由于量子不足和天然辐射的影响，致使噪声加大。

（5）天然辐射的影响：

IP板不仅对X线敏感，对其它形式的电磁波也敏感。如：紫外线、γ射线等。随着这些射线能量的积蓄,在IP板上会以影像的形式被检测出来.因此，在使用前应先用强光线照射消除这些影响。4.IP板使用注意事项：由于在摄影前可改变摄影范围的大小，在读取部分设置预读程序，并能反复使用一张影像，所以用一张较大的IP板记录X线影像，可以大大减少胶片尺寸的选择次数。

IP板再次使用时，最好重作一次强光照射，以消除可能存在的任何潜影。

由于IP板上的荧光物质对X线的灵敏度高于普通X线胶片，要求保存时要有很好的屏蔽。三、读取装置：

1.结构：分有暗合式和无暗合式读取装置（1）暗盒型读取装置：其特征是将IP板置入与常规X线摄影暗盒类似的盒内，它可以代替常规摄影暗盒在任何X线机上使用。目前带暗盒的IP板尺寸有四种：

8X1010X1214X14

14X17

经过X线曝光后的暗盒，从CR读取装置的暗盒插入孔送入读取装置内，这一操作可以在明室完成。暗盒进入读取装置后，IP板自动被取出，用激光束来扫描，读出潜影信息后，被送到潜影消除部分，经强光线照射，消除IP板上的潜影。此后IP板被送回暗盒内，关闭暗盒，暗盒被送出读取装置，供反复使用，整个过程都是自动和连续进行。不同尺寸的IP板读取时间是相同的。IP板读片机IP板激光扫描主件（2）无暗盒读取装置：它是集投照、读取于一体，有立式和卧式，需要专用机器，不能用于常规

X线摄影设备匹配。2.读出原理

储存在PSL荧光物质中的影像为潜像，是以连续模拟信息的形式记录。通过激光扫描激发产生的荧光被高效光导器采集和导向，经光电倍增管进行光电转换和放大，再由A/D转换成数字图像信息。记录在IP板上的X线信息分两步读出，一是先用一束微弱的激光粗略扫描，立即计算出X线影像的荧光体发光量的直方图。二是在获得上述信息的基础上，自动调整光电倍增管的灵敏度和放大器的增益，再用高强度的激光束精细地读出X线影像，转换成数字化图像。

IP板读取方式示意图

读出装置输出的数字图像信号、从控制台输入的摄影信息、直方图信息以及系统内部程序等一起送到计算机，经过各种图像处理，获得最佳的适合诊断的数字X线图像。3.影响图像质量的因素：

①PSL荧光物质的特性

②激光束的直径和频率激光点的直径越小，读取的信息量就越多，得到的图像质量越好。波长在400nm时，可以取得最大的激励光强度。

③光电及传动系统的噪声:

CR系统中X线量子噪声是在X线被IP吸收过程中产生的,它与IP板检测到的X线量成反比.在光电倍增管把荧光体发光强度转换为电信号的过程中产生光量子噪声,他与光电子数成反比.在读出过程中,外来光、反射光的干扰，光学系统的噪声，电流的稳定程度，机械传导系统的稳定程度，都直接影响图像的质量。

④数字化的影响：在A/D转换过程中，对模拟信号进行采样和量化，也会产生量化噪声和伪影。

CR图像的空间分辨率与IP板的特性、激光和采样频率有关，激光点直径小、IP板中的荧光层对激光的散射就少、采样频率高，空间分辨率就高（20~33LP/mm）。

当数字化的采样间隔为0.1~0.2mm、像素的灰阶等级为8bit时，就能得到满意的数字影像。四、计算机图像处理1.图像处理的环节：

CR有三个主要图像处理环节：

一是图像读取装置输入信号和输出信号之间的关系，利用适当的图像读出技术，保证整个系统在很宽的动态范围内自动获得具有最佳密度和对比度的图像。

二是通过各种特殊处理（如灰阶处理、频率处理、减影处理等）为医生提供可满足不同诊断要求、具有较高诊断价值的图像，也称为图像后处理。

三是图像信息的存储和记录有关的处理。2.图像读出灵敏度自动设定预读程序流程图读出灵敏度自动设定装置图识别处理分三个步骤：（1）测定探测的起始点（2）测定照射野边缘的点（3）照射野形状的修正通过对直方图的分析和计算，自动确定X线剂量范围，再算出有诊断价值的PSL荧光体发光量的范围，既读取装置的输入信号范围，从而决定本次读出IP板图像的最佳条件（既读出灵敏度和采集范围），以最佳的密度在胶片或显示器上重现。

五、图像储存和记录装置

1、磁带

2、硬盘

3、光盘

4、激光照相机第二节X线数字摄影设备

DR于二十世纪70年代末应用于临床。它是在I.I—TV系统的基础上发展的。随着微电子、光电子和计算机技术的发展，X线的数字探测器和设备也得以加速发展。1995年11月出现了第一台优于CR的DDR样机。一、间接X线数字摄影装置1.DR的基本结构和工作原理：（1）X线影像接收器把X线图像转换成可见光图像再转换成模拟电信号。（2）数据采集器把模拟信号转换为数字信号，主要是由A/D转换器组成。（3）图像处理器主要是各种数据查找，专用运算器等，根据需要进行各种图像处理。如灰阶处理、白反转、图像过滤、数字减影等。

（4）存储器：（5）图像监视器：是将数字图像经D/A转换后形成不同亮度的像素，按一定的显示矩阵在显示器上重现。（6）系统控制器是由计算机主机和其它控制电路组成，完成整个系统的指挥和协调。2.工作原理：IDR装置这种系统的主要缺点是：由于影像增强器和摄像管中的光散射和电子散射，引入了附加的对比度损失。电视摄像管的动态范围小，不能发现微小的组织差异。影像增强器的视野小，边缘和中心分辨率不一致。二、直接X线数字摄影装置

DDR是指采用一维或二维X线探测器直接把X线图像转换为模拟电信号进行数字化的方式。到20世纪90年代中期出现了平板探测器（FPD）的DDR。

（一）扫描投影X线摄影

点扫描的优点是散射体积很小,减少了因散射引起的图像质量下降.由于光电倍增管的灵敏度高,可以降低X线的剂量.缺点是运动机构比较复杂,扫描时间长.

线扫描系统比点扫描系统的速度快,对X线的利用也充分.（二）DDR使用的X线探测器：

DDR是指采用一维或二维X线探测器直接把X线转换为模拟电信号进行数字化的方法。

90年代出现了二维平板探型测器（FPD）

有两种：一是将X线直接转换成数字信号的非晶态硒平板探型测器（FPD）。

二经闪烁发光晶体转换成可见光，再转换成数字信号的非晶态硅平板探型测器（FPD）。1.非晶态硒型平板探测器主要有集电矩阵、硒层、电介层、顶层电极和保护层等构成。非晶态硒对X线敏感，具有很高的解像能力。TFT2.非晶态硅型平板探测器

它是半导体探测器。把掺铊的碘化铯闪烁晶体覆盖在光电二极管矩阵上，每个光电管组成一个像素，由薄膜非晶态氢化硅制成。3.平板探测器的工作原理：能量减影技术CR技术通过两块IP板，中间插入铜过滤板来实现。DR技术通过两次短时间，不同能量值的曝光来实现。图像数字化方式之一：胶片扫描系统扫描仪计算机X线胶片图像数字化方式之二：影像增强器+CCD+图像板X线X线影像增强器计算机处理系统电视摄像管CCD或真空摄像管电视信号处理A/D转换(图像板)数字信号显示打印球管人体图像数字化方式之三：计算机摄影(CR)

图像数字化方式之四：直接数字化摄影(DR)

屏片影像CR影像DR影像4.DDR与CR的比较：（1）DDR的图像清晰度优于CR。（2）DDR的噪声源比CR少。（3）DDR的拍片速度快于CR。（4）DDR的X线转换效率高，剂量也低。（5）DDR的寿命长，可用10年，CR用1年。（6）DDR可作用于透视。CR不能。缺点：大面积生产难度较大，一般是用4块21cm21cm的小面积距阵拼接成43cm

43cm的大面积平板探测器。第三节数字减影血管造影系统80年代的数字减影技术主要应用于血管造影中，所以又叫数字减影血管造影技术(DSA)。这项技术是在通常的血管造影过程中，运用数字计算机工具，取人体同一部位