第四章数字X线设备1

数字影像技术：首先把影像信息数字化，然后进行计算机处理、图像重建的技术，是现代医学影像学的一个主要组成部分。数字影像技术是21世纪医学影像学发展必然趋势，是21世纪医学影像学发展的奠基石，是医疗健康服务化的要求，是医疗保健制度的需求。第四章数字X线设备

模拟与数字

模拟：是以某种概念范畴的表达方式如实地反映另一种概念范畴

数字：是以某种人为规定的量级定量化地反映另一种概念范畴模拟/数字转换（优点：计算机图像处理、储存、传输。

）模拟图像：灰度（黑白程度）连续变化。数字图像：灰度是离散的。数字化X射线成像技术是传统X射线技术与现代计算机技术结合的产物。

把模拟信号转换为数字形式是将模拟信号量化，为进一步计算机化的基本步骤之一。第二节Ｘ线计算机摄影装置系统原理和概念计算机X线摄影（成像）系统（ComputedRadiography，简称CR）CR是由日本富士公司于七十年代研制，八十年代推出，九十年代上市的计算机X线摄影系统。CR的关键是用影像板（IP）取代X线胶片，摄片后由激光扫描仪读出IP板上的潜影，并转换成数字信号传入计算机作图像处理。一、CR的原理与流程成像过程分三步：①信息采集，透过人体的X线被IP接受，形成潜影；②信息转换，即用激光束扫描IP，使之转换为相应强弱的电信号，继而电信号经模/数转换为数字信号；③信息处理和记录，对数字化图像根据需要可进行灰阶变换、空间频率和动态范围压缩等处理，再经数/模转换成模拟图像，显示在显示屏上或经激光照相机打印成胶片。

CR系统的基本结构影像板(ImagePlate,IP)

二、CR的优势与特点X线剂量：可降低X线剂量例如胸部投照：常规X线摄影的1/20~1/7可与原有的X线摄影设备匹配工作IP替代胶片可重复使用，IP潜影存储时间长（8个小时），适合野外与床旁X线机。取消暗室具有多种后处理技术和功能数字化存储影像板结构保护层：聚酯树脂类纤维制成，非常薄，能弯曲、耐磨损、透光性好。保护荧光层不受外界温度、湿度和辐射的影响。荧光层：由光激励发光（photonstimulationlight,PSL）荧光物质混于多聚体溶液中，涂在基板上制成。基板：聚酯树脂类纤维制成。保护荧光物质层免受外力损伤，延长IP的使用寿命。两万次以上重复使用。背面保护层：材料与表面层相同，防止IP摩擦损伤。影像板成像原理

射入IP的Ｘ线被PSL荧光物质吸收，释放出电子。部分电子散布在荧光物质内呈半稳态，形成潜影，完成Ｘ线信息的采集和存储。当用激光束逐行扫描（二次激发）已有潜影的IP时，半稳态的电子转换成荧光，所产生的荧光强度与第一次激发时Ｘ线的能量精确地成正比，完成光学影像的读出。白色三角表示未曝光X线作用使电子激发，并储存起来，用灰色三角表示在激光的作用下，储存的能量被激发出来激发出来的能量以可见光的形式释放三角又变成了白色，表示储存能量已全部释放IP的特性：发射与激发光谱IP受激发而释放出的光子波长与光强的关系称为发射光谱。最强波长为390~400nm激发激光波长与释放光子强度的关系称为激发光谱。最强在600nm左右保证光电倍增管在400nm处有最高的检测效率，对提高影像的信噪比很重要图像的信噪比和图像的清晰度一样，都是衡量图像质量高低的重要指标。信噪比大，图像画面就干净，看不到什么噪波干扰（表现为“颗粒”和“雪花”），看起来很舒服；若信噪比小，则在画面上，可能满是雪花，严重影响图像画面。IP的特性：时间响应特征停止用激光照射荧光体时，发光衰减并逐渐终止。IP的PSL强度衰减速度很快，不会发生采集和读出信息的重叠。光发射寿命期为0.8μs。IP的特性：存储信息的消退X线激发IP后，潜影存储于荧光体中，在读取前一部分电子随时间延长将逃逸，从而使第二次激发时的荧光强度减少，称为消退。IP消退很微弱，8h减少25%。受时间、温度影响。受X线照射后，尽快读取。IP的特性：天然辐射与黑斑IP不仅对X线敏感，对其他电磁波也敏感，如紫外线、γ射线等。来自天然放射性元素、IP板上微量放射性元素、宇宙射线。长期存放会产生小黑斑。使用前必须激光擦除，以消除可能存在的任何潜影。IP上的荧光体对Ｘ线的敏感度高于普通Ｘ线胶片，保存要有很好的屏蔽。读出装置原理IP图像板匀速运动激光束对成像板均匀精确扫描集光器采集和导向光电倍增管转换和放大模数转换激光束反光镜集光器光电倍增管将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件具体地，读出分两步（１）【粗略扫描】用一束微弱激光粗扫IP，立即算出读出图像的直方图。（２）【精细扫描】自动调整光电倍增管的灵敏度及放大器的增益，再用高强度激光精细地读出潜像，实现数字化，经过各种图像处理，获得最佳的适于诊断的数字Ｘ线图像。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图像读出灵敏度自动设定为在不同X线剂量下，获得相同的图像质量（图像密度稳定），采用灵敏度自动设定功能预读程序流程

病人信息（部位、投照方法）输入计算机后，用一束微弱的激光粗略地对已有的潜影的IP快速扫描一次，得到一组抽样数据（约200像素×200像素、8B），预读程序进行数据处理。确定灵敏度直方图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。

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量的范围，即读取装置的输入信号范围，从而决定本次读出IP图像的最佳条件（决定光电倍增管的灵敏度和放大器的增益）。因此，不论以何种条件摄影，读出灵敏度自动设定装置会自动校正X线曝光量的误差，使读取装置的输出信号总处于一定范围内，形成稳定的数字图像密度，以最佳的密度在胶片或显示器上重现。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。

常规Ｘ线照片的影像特性是由照相条件、增感屏及胶片决定，不能加以改变。CR系统则不同，由于使用高精度扫描及读出的数字信号可通过计算机进行图像后处理，所以能在大范围内改善图像质量，最终得到稳定、高质量的数字图像。

图像处理常规X线摄影图像特性由那些因素决定？

照相条件、增感屏及胶片同常规X线摄影图像相比，CR有什么不同？

图像处理图像处理环节图像读出过程的处理（与系统检测功能有关）：图像读出灵敏度自动设定，自动获得最佳密度和对比度的图像；图像显示过程的处理（与显示功能有关）：显示图像的特殊处理，以获得较高诊断价值的图像，也称后处理；图像存储和记录过程的处理（与图像信息存储和记录有关）：在不影响图像质量的基础上压缩图像，并可进行保存和传输，还可用激光相机打印出图像。与显示功能有关的处理(后处理)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。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，对低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。谐调处理通过对灰度的调整，来改变影像对比度和整体密度。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composelowpassMaskenhance显示功能的处理包括：动态范围（dynamicrange）压缩处理、谐调（层次）处理（gradationprocessing）、空间频率处理（spatialfrequencyprocessing）和能量减影处理（energysubtractionprocessing）。CR图像处理操作界面如右图所示。影响图像质量的因素激光束的直径（越小越好）光电及传动系统的噪声

（X线量子噪声；光量子噪声；反射光、外来光干扰；电流的稳定程度；机械传导系统的稳定程度）数字化影响

一般数字化取样间隔为0.1~0.2mm，像素的灰度级为８bit时，就能获得满意的数字图像。空间分辨力(SpatialResolution)在HighContrast情况下区分相邻

最小物体的能力,(又称“HighContrastResolution”)CR图像的空间分辨力与IP特性、激光和取样频率有关、激光束直径越小、IP中荧光物对激光散射小、取样频率高，空间分辨力就高。图像后处理灰阶处理空间频率处理动态范围压缩减影处理叠加处理图像处理：调节亮度、对比度、窗宽窗位，放大、反转,旋转，距离、面积测量。文字注释。更改病人资料图像的储存和记录装置磁带硬盘光盘磁光盘（MOD）CR总结分析

可充分利用原（现）有X线机，不改变工作流程（与传统屏—胶系统比较），有很好的动态范围及线性，网络连接能力强及强大的数字化后处理功能。特别是在急诊，ICU，床边，术中等摄片有独特的功能，运行成本低。图像保存大量的照片出藏、保管、查找困难实现无胶片化保管，用电子数字介质保存资料，体积小，检查方便，不必担心变质。通过标准接口可与其他图像设备联网，形成综合图像存档和通讯系统（PACS），在部门或异地之间实现影像资料共享，快速会诊等。传统数字数字互参性:

多种影像互参困难与其他诊断技术所获得的图像可同时显示，互参互补乃至合并处理。报告：影像注释需手写可直接显示于屏幕几照片上或打印在病史记录上传统传统数字数字CR的临床应用1、CR的图像质量与所含的影像信息量可与传统的X线成像相媲美。图像处理系统可调节对比，故能达到最佳的视觉效果；摄照条件的宽容范围较大；图像信息可由磁盘或光盘储存，并进行传输，这些都是CR的优点。

2、CR对骨结构、关结软骨及软组织的显示优于传统的X线成像，还可行矿物盐含量的定量分析。CR易于显示纵隔结构如血管和气管。对结节性病变的检出率高于传统的X线成像，此外，CR在观察肠管积气、气腹和结石等含钙病变优于传统X线图像。CR缺点：不能做动态采集。数字X线摄影(DigitalRadiography,DR)X线透过人体后，经过X线探测器采集和计算机系统处理，可在数秒内快速再现出X线摄影图像。第二节数字X线摄影装置X线探测器是DR的核心组件，它的作用是采集X线信息，将透过人体的X线转换成为相应的数字信号。DR计算机系统对数字化X线图像信息进行重建和各种后处理，DR原理数字探测器采集工作站数字X线摄影（DR）它采用探测器（成像板)将X线摄影直接转换为数字图像并存储，在工作站上可以根据临床需要进行各种后处理，显示器上的图像可直接供医师诊断、会诊、打印报告等。图像可经激光相机打印照片，也可以刻录光盘进行长期保存，如经PACS系统图像还可异地传输和远程会诊。DR的成像过程DR的成像过程是数字化成像过程。X线探测器将透过人体的X线能量转换和数字化，包括X线采集、转换、量化、传输、处理、显示等在内的整个X线成像过程均是数字化信息处理过程。DR设备的基本构成X线发生单元(球管)X线采集单元（将X射线转换成已处理的电信号）检查台/床单元信息处理单元（A/D转换，图像预处理，图像重建等）图像显示单元DICOM标准的遵从面曝光成像方式

主要特点是探测器的设计采用大面积的面阵探测器，也称为平板探测器（FPD）特点：

1、探测器对X线的有效采集面积沿用屏/片系统使用的最大成像面积（35cm*43cm,或43cm*43cm），能在检查时包全人体被检查的区域。

2、在X线曝光的瞬间，一次性的同时采集到被检人体区域信息。使用面曝光的探测器：

1、CR技术中的IP2、DR技术中使用的非晶硅、非晶硒等平板探测器。

3、CCD探测器线曝光成像方式线扫描成像技术采用线阵成像的方法。

X线曝光时，X线照射野呈扇面方式垂直于人体，并沿人体长轴方向，以匀速扫描方式通过人体检查区域。线阵探测器与X线管同步移动，透过人体的X线按照时间顺序连续不断地被线阵探测器采集，然后经过数字转换和处理，传送到计算机进行数据重建，现成数字化X线图像。线曝光方式的探测器

1、多丝正比电离室气体探测器

2、闪烁晶体/光电二极管线阵探测器

3、固态半导体/CMOS线阵探测器(二)按能量转换方式分类X线探测器能量转换的方式有两种

1、直接转换

2、间接转换1、直接转换方式原理：X线投射到X线探测器上，光导半导体材料采集到X线光子后，直接将X线强度分布转换为可测量的电信号。DR设备上X线探测器主要为非晶硒平板探测器和碲化镉/碲锌镉线阵探测器。2、间接转换方式X线投射到X线探测器上，先由某种闪烁发光晶体物质，该晶体吸收了X线光子能量后，以可见荧光的形式将能量释放出去，经过空间光路传递，由光电二极管采集、转换获得可测量的电信号。DR上探测器主要有非晶硅平板探测器、CCD探测器、CMOS半导体探测器。非晶硒平板探测器数字化X线成像非晶硒平板探测器基本原理X线电信号数字信号图像处理显示光半导体TFT阵列X线能量转换介质采用非晶硒半导体材料，该材料对X线高敏感性，能在一定能量范围内大量吸收X线，并将捕获到的X线光子直接转换成电荷。非晶态硒平板探测器组成

封装在暗盒内，由集电矩阵、硒层、电介质、保护层等构成。集电矩阵由按阵元方式排列的薄膜晶体管（thin-filmtransistor,TFT）组成，非晶态硒层涂在集电矩阵上，对Ｘ线敏感，并有很高的解像能力。143μm像素直径大小a-SeTFT直接数字化平板探测器成像原理非晶硒TFT/a-Se+TFT数字X线摄影（DR）硒型FPD原理向非晶硒层加正向偏置电压（0-5kv），即预置初始状态。X射线照射,非晶硒层产生电子、空穴对在外加电场下产生电流，并在TFT层存储电荷。读出TFT层存储的电荷，放大并经过A/D转换后输出到计算机。所有电荷信号被读取后，消除残余电荷，恢复到初始状态。X射线影响非晶硒平板探测器的图像

质量的因素X线转换成电信号完全依赖于非晶硒层产生的电子空穴对。由于没有可见光的产生，不发生散射，空间分辨率取决于单位面积内薄膜晶体管矩阵大小，矩阵越大薄膜晶体管的个数越多，空间分辨率越高，随着工艺的提高可以做到很高的空间分辨率。由于早期非晶硒平板探测器制作工艺存在缺陷，大面阵探测器的稳定性较差在市场占有率逐年减少，DR市场上主要以非晶硅平板探测器为主。目前非晶硒平板探测器主要用于乳腺DR上。非晶硒平板探测器的优缺点优点：1.转换效率高,动态范围广；2.空间分辨率高；3.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，不但加大病源射线吸收，且对X光系统要求过高。2.硒层对温度敏感，使用条件受限，环境适应性差。

非晶硅平板探测器数字化X线成像非晶硅平板探测器基本原理

X线可见光电信号数字信号图像处理显示光电管/TFT阵列薄膜晶体管阵列X线能量转换发光晶体能有效地吸收外界施加的能量，并在瞬间以可见光的形式将能量释放出来，从而起到X线能量转换的作用。非晶硅平板探测器使用的发光晶体主要为碘化铯（CsI）和硫氧化钆gá。TFT

薄膜晶体管阵列

工作原理光信号采集与转换在发光晶体下面，紧贴着由非晶硅加TFT阵列组成的像素矩阵，像素矩阵以非晶硅光电二极管为基本单位，每个光电管就是一个像素。Ｘ线入射到闪烁晶体层时被转换为可见光，再由光电二极管矩阵转换为电信号，在光电二极管自身的电容上形成存储电荷，每个像素的存储电荷量与入射Ｘ线强度成正比。荧光介质非晶硅层TFT层读信号时，在控制电路作用下，给某行TFT施加电压，这一行TFT开关打开，按一定顺序把各个像素的存储电荷读出。读出的信号经信号放大器，A/D转换器转换后形成数字信号输出，最后传送给计算机重建出图像。矩阵中得电信号按照逐行逐列读出，计算机在读出一行信息后，自动清除原有信息。2012-02间接型-非晶态硅（总结）①闪烁体或荧光体层

+②非晶硅层（a-Si）（具有光电二极管作用）

+③TFT阵列间接型-非晶态硅（总结）基本工作过程原理：a：入射的X射线图像经碘化铯闪烁晶体转换为可见光图像，b：可见光图像由下一层的非晶硅光电二极管阵列转换为电荷图像c：对电荷信号逐行取出，转换为数字信号，再传送至计算机，从而形成X射线数字图像闪烁体层非晶硅阵列集成电路读出板列驱动板X射线2012-02闪烁体和荧光体能将在X线照射下激发出可见光的发光晶体物质统称闪烁体或荧光体，荧光是指在X线激发停止后持续（<10-8s）发光的过程闪烁是指单个高能粒子在闪烁体上瞬时激发的闪光脉冲间接型-闪烁体：硫氧化钆作用：将X射线光子转化成可见光光子发射。特点： 成像速度快 性能稳定 成本较低层状排布（散射线造成的不清晰度较大）主要有日本佳能生产的CXDI系列也是唯一能实现移动的X射线探测器有轻微吸潮性和易潮性，需要控制使用环境。间接型-闪烁体：碘化铯用碘化铯将X射线光子转化成可见光光子发射。碘化铯（CsI:T1闪烁体）

连续排列、针状直径约为6-7μm

厚度为500-600μm

外围用铊包裹减少漫射闪烁物Csl非晶硅阵列光学反射面碳纤维保护层环氧树脂密封内部结构影响非晶硅平板探测器的图像质量的因素由于可见光的产生，存在散射现象，空间分辨率不仅仅取决于对散射光的控制技术。总的来说，间接转换平板探测器的空间分辨率不如直接转换型平板探测器高。薄膜晶体管FTF的设计及工艺也会影响探测器。非晶硅和非晶硒平板探测器区别观察和区分不同组织的密度，因此对密度分辨率的要求比较高。宜使用非晶硅平板探测器容易获得较高对比度的图像。需要对细节要有较高的显像，对空间分辨率的要求很高，因此宜采用非晶硒平板探测器的DR，以获得高空间分辨率的图像。非晶硅和非晶硒平板探测器区别空间分辨率影响图像对细节的分辨能力，在临床应用中用应根据不同的检查部位来选择不同类型的平板探测器，对于像胸部这样的检查，重点在于观察和区分不同组织的密度，因此对密度分辨率的要求比较高，在这种情况下，宜使用非晶硅平板探测器的DR，容易获得较高对比度的图像，更有利于诊断；对于乳腺检查，需要对细节要有较高的显像，对空间分辨率的要求很高因此宜采用非晶硒平板探测器，以获取高空间分辨率的图像，目前绝大多数厂家的数字乳腺机都采用了非晶硒平板探测器。CCD探测器数字化X线成像CCD全称为电荷耦合器件是一种模拟信号累积性图像传感器，其基本结构是MOS光敏元阵列和读出移位寄存器。CCD主要产生电子，并通过电子学处理为数字信号。2012-02CCD探测器工作原理①采用闪烁体将X线能量转换为可见荧光②采用反射/透镜/光纤进行缩小并传入CCD③产生光生电子，电子数与光子数成正比。并以电荷形式存入存储装置④读取电荷信号，经放大、A/D等处理后生成数字信号CCD探测器反射式CCD探测器数字探测器分类闪烁屏折射镜折射镜

CCD数字X线摄影（DR）CCD探测器直射式光纤式

CCD尺寸小，一般为3-5cm2闪烁体一般为碘化铯光学纤维

CCD芯片闪烁体一般为碘化铯光学透镜

CCD芯片平