《医学影像信息学》课件-第3章 数字X射线摄影成像原理

第3章数字X射线摄影成像原理1学习目标掌握：掌握CR成像原理，DICOM格式概念，直接转换型平板探测器及间接转换型平板探测器的成像原理。熟悉：影响数字成像质量的因素，数字乳腺摄影成像原理。了解：了解CR图像的处理，了解数字断层融合成像的原理。2第1节计算机X射线摄影成像原理31.定义：使用可记录并由激光读出X射线影像信息的成像板（ImagingPlate,IP）作为载体，经X射线曝光及信息读出处理，形成数字图像。4CR系统示意图计算机X线摄影（ComputedRadiography，CR）2.特点5优点：（1）生成数字化的，高分辨力的X线影像。（2）影像可以通过计算机后处理，调节到一个最优的程度。（3）可实现PACS及远程医疗。（4）成像板（IP）代替胶片可重复使用。（5）可与原有的X射线摄影设备匹配使用。缺点：（1）时间分辨力较差，不能满足动态组织器官的显示。（2）在细微结构的显示上与常规的X线屏-片系统比较，其空间分辨力有时稍有不足，需通过其他方式弥补。3.光激励发光（photostimulableluminescence，PSL）现象透过人体的X射线入射到IP上，其内的荧光颗粒吸收X线后释放出电子，一部分电子呈半稳定状态散布在成像层内，形成潜影；当用激光照射具有潜影的IP板，释放出与初次激发所接受信息相对应的荧光，这种现象称为光激励发光。6一、成像板1.成像板的结构IP是CR成像技术的关键，是采集影像信息的载体。特点：可以重复使用，但没有显示影像的功能。结构：保护层、光激励发光材料层、基板。7IP结构示意图一、成像板1.成像板的结构（1）保护层：作用是防止光激励发光材料层在使用过程中受到损伤。常用聚酯树脂类纤维制造。（2）基板：作用是保护光激励发光物质层免受外力的损伤。材料是聚酯树脂纤维胶膜，厚度在200～350μm。8一、成像板（3）光激励发光材料层：将光激励发光材料混于多聚体溶液中，涂在基板上干燥而成。多聚体材料一般为硝化纤维素、聚酯树脂、丙烯及聚氯酸酯等。光激励发光（PhotoStimulatedluminescence，PSL）材料：常用掺杂二价铕离子的氟卤化钡（BaFX:Eu2+，X=Cl,Br,I）光激励发光材料晶体颗粒的直径多在4～7μm，晶体颗粒的直径增大，发光量增强，但影像的清晰度降低。9一、成像板2.成像板的特性（1）发射与激发光谱激发光谱：第二次激光激发的光谱发射光谱：IP中PSL受激光激发后发出的荧光光谱10发射光谱与激发光谱波长的峰值间需有一定的差别，以保证两者在光学上的不一致，从而达到影像最佳的信噪比。一、成像板（2）成像板的时间响应特征光发射寿命期：荧光体被第二次激发后，其发射荧光的强度达到初始值的1/e所用的时间。BaFX∶Eu2+的光激励发光寿命为0.8μs，由于这个时间极短，以很高的密度读取大面积成像板上的影像信息时，不会发生采集信息与读出信息的重叠干扰，因此，成像板具有可满足医学成像需要的极好的时间响应特征。11一、成像板（3）成像板的动态范围IP发射荧光的量依赖第一次发射的X线量，在1:104

范围内具有良好的线性。故成像板用于X射线摄影时，具有良好的动态范围。12一、成像板（4）成像板存储信息的消退储存在PSL物质中的影像信息随储存时间(读取前的时间)的延长而衰减，从而使第二次激发时荧光体发射出的PSL强度减少，这种现象称为消退。IP的消退现象很轻微，读出前储存8h，荧光体的PSL量减少约25％。随时间的延长及存储温度的升高消退速度增加。因此，IP内信息最好在第一次激发后的8小时内读出。13一、成像板（5）天然辐射的影响IP不仅对X线敏感，对其他形式的电磁波等，如紫外线、α射线、β射线、γ射线以及电子等也敏感。因而会受到来自自然界放射性物质的照射而存储能量，在读取影像时出现一些微小的黑点，对影像形成干扰。14一、成像板3.IP使用注意事项IP可以重复使用，在IP再次使用前，应当用强光照射，消除任何可能存在的潜影；在使用过程中，应注意避免IP出现擦伤；由于IP中的荧光物质对放射线、紫外线的敏感度远高于普通X线胶片，因此摄影前、后的IP都要屏蔽；避光不良或漏光的IP上的图像会因储存的影像信息量减少而变得发白，这与普通胶片正好相反。15二、CR成像基本原理1.CR的成像过程16根据CR的成像过程，可以将CR的成像原理归结为四象限理论。二、CR成像基本原理1.CR的成像过程17①穿过人体X射线，照射到IP上，IP中的PSL材料，将X射线的能量以潜影的方式储存下来，完成影像信息的采集。②用激光束扫描带有潜影的IP，PSL物质被激励，释放其储存的能量，发出的荧光被集光器收集送到光电倍增管，由光电倍增管将其放大并转换成电信号，经模/数转换器转换成数字信号，完成影像信息的读取与数字化。③数字信号被送入计算机和数字图像处理系统，经处理后，④形成最终的CR数字图像被显示与储存。根据CR的成像过程，可以将CR的成像原理归结为四象限理论。二、CR成像基本原理2.CR的成像原理18二、CR成像基本原理192.1影像信息采集（第一象限）通过光激励发光材料来完成影像信息采集的。X线携带的影像信息以潜影的形式被记录下来。2.2影像信息读取（第二象限）使用激光扫描仪，又称光激励发光扫描仪。二、CR成像基本原理202.3影像信息处理（第三象限）经过影像处理装置（imageprocessorcontroller，IPC）处理，如谐调处理、频率处理和减影处理等。2.4影像再现（第四象限）经影像记录装置（imagerecordercontroller，IRC）将影像信号转换为光学信号得到X射线照片。二、CR成像基本原理四象限理论中，第一象限涉及成像板的固有特性，在系统运行中是不能调节的，第二至第四象限则在系统运行中可充分调节，实施图像处理功能。21三、CR图像处理22CR系统中实施图像处理功能分为三个主要环节：第一环节（第二象限功能）是与系统的检测功能有关的处理，称为曝光数据识别器（exposuredatarecognizer，EDR）技术。第二个环节（第三象限功能）是与显示的影像特征有关处理，通过各种特定处理（如动态范围压缩处理、谐调处理、频率处理、减影处理等）为医生提供满足不同诊断要求的、具有高诊断价值的影像。

第三个环节（第四象限功能）是与影像信息的存储、传输功能有关的处理，这个功能是获得质量优良的照片记录，并在不降低影像质量的前提下实施影像数据的压缩，达到高效率的存储与传输。三、CR图像处理（一）与检测功能有关的处理克服由于曝光过度或曝光不足产生的影像密度的不稳定性，影像读出装置建立一个自动设定每幅影像敏感性范围的机制，根据摄影部位和摄影技术的不同分别具有特定的形状。23三、CR图形处理24五类用于不同诊断目的直方图：用于骨骼-皮肤的显示；用于骨骼-软组织的显示；用于胃肠道钡剂造影检查的显示；突出软组织信息的软组织显示；突出骨骼信息的骨骼显示。三、CR图像处理25（二）与显示功能有关的处理动态范围压缩处理谐调处理空间频率处理减影处理灰阶处理三、CR图像处理261、动态范围压缩处理可将曝光不足或过度的影像置于最适宜处显示，最终获得优质照片影像。三、CR图像处理272、谐调处理又称层次处理，主要用来改变影像的对比度、调节影像的整体密度。以16种谐调曲线类型（GT）作为基础，以旋转量（GA）、旋转中心（GC）、移动量（GS）作为调节参数，实现对比度和光学密度的调节，从而达到影像的最佳显示。谐调曲线类型（GT）：显示灰阶范围内各段被压缩和放大的程度，针对不同的部位有不同的配置。旋转中心（GC）：改变旋转中心即改变了曲线的密度中心。旋转量（GA）：

-4～4（不包括0）。主要用来改变影像的对比度。谐调曲线移动量(GS)：-1.44～1.44。用于改变整幅影像的密度三、CR图像处理28E线处理M线处理三、CR图像处理293、空间频率处理系统对空间频率响应的调节，空间频率响应处理影响影像的锐利度。三、CR图像处理304、减影处理减影方法：时间减影、能量减影；目前一年前减影像CR系统由于采集影像信息的速度较慢，时间分辨力不高三、CR图像处理315、

灰阶处理灰阶处理即为窗口调节，是数字化影像所共有的。通过调节窗宽、窗位，使显示的影像符合诊断的需要。第2节数字X射线成像原理3233数字X线摄影（DigitalRadiography,DR）1.定义：在具有图像处理功能的计算机控制下，采用一维或二维的X射线探测器直接把X线影像信息转化为数字信号的技术。342.接收器平板探测器（FPD,flatpaneldetector）：将薄膜晶体管（TFT）阵列技术应用于二维平面X射线探测元阵列而制成的X射线接收装置。分为直接转换型FPD和间接转换型FPD353.特点DR与CR相比，具有以下五个优点：①曝光剂量降低，被检者受照射剂量更小；②时间分辨力明显提高，几秒内即可显示图像；③具有更高的动态范围，DQE和MTF性能好；④能覆盖更大的对比度范围，图像层次更丰富；⑤操作快捷方便，省时省力，提高工作效率。一、直接转换型FPD直接转换型平板探测器主要由导电层、电介层、非晶硒（α-Se）层、顶层电极、集电矩阵层、玻璃衬底、保护层，以及高压电源和输入输出电路组成，其中非晶硒层和集电矩阵层最为重要。36一、直接转换型FPD37（一）基本结构

X射线转换单元

探测元阵列单元高速信号处理单元

数字影像传输单元一、直接转换型FPD381.X射线转换单元：组成：非晶硒（α-Se）光电材料作用：将X线转换成电子信号过程：X线照射在α-Se层上，产生一定比例的正负电荷，电荷在高压作用下，以光电流的形式沿电场移动。一、直接转换型FPD392.探测元阵列单元：结构：用薄膜晶体管(TFT)技术在一玻璃基层上组装几百万个探测元的阵列，每个探测元包括一个电容和一个TFT，每个探测员对应图像的一个像素。一、直接转换型FPD403.高速信号处理单元：

作用：产生地址信号并激活探测元阵列单元中探测元的TFT。读出的电子信号，并放大后送到A/D。4.数字影像传输单元：

作用：对数字信号的固有特性进行补偿，并将数字信号传送到主计算机。一、直接转换型FPD41（二）工作原理一、直接转换型FPD42X射线透过人体后有不同程度的衰减，当作用于直接型FPD内的非晶硒层时，由于X射线的强弱不同，非晶硒层光电导体按吸收X射线能量的大小产生正负电荷对，顶层电极与集电矩阵间的高电压在非晶硒层产生电场，使X射线产生的正负电荷分离，正电荷移向集电矩阵储存于电容器内，矩阵电容器所储存的电荷与X射线强度成正比。随后扫描控制器扫描电路，读取一个矩阵电容单元的电荷，将电信号转换为数字信号，数字图像数据在系统控制器内储存、处理，最后重建图像在显示器上显示。上述过程完成后，扫描控制器自动对直接转换型平板探测器内的感应介质进行恢复。二、间接转换型FPD43间接型FPD以α-Si（非晶硅）光电二极管阵列为核心的X线影像间接转换探测器。在X线照射下，探测器的闪烁体或荧光体层将X线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的α-Si阵列转变为电信号，通过外围电路检出及A/D转换，获得数字化图像。经历了X线-可见光-电荷-数字图像，故称间接型FPD二、间接转换型FPD44（一）基本结构：碘化铯（cesiumiodide,CsI）闪烁体层非晶硅光电二极管阵列行驱动电路图像信号读取电路二、间接转换型FPD451.荧光材料层：CsI闪烁体。吸收X线并把能量转换成可见光的化合物。二、间接转换型FPD462．探测元阵列层每个探测元包括一个非晶硅光电二极管和起开关作的TFT。运行时TFT关闭，给光电二极管一个外部反向偏置电压，通过闪烁体的可见光产生的电荷聚集在二极管上。读取时给TFT一个电压使其打开，电荷就会由二极管沿数据线流出，以电信号的形式“读”到信号处理单元。二、间接转换型FPD473．探测器外围电路由时序控制器、行驱动电路、读出电路、A/D转换电路、通信及控制电路组成。4．探测器系统接口①图像数据光纤接口；②双向通讯接口二、间接转换型FPD48（二）工作原理二、间接转换型FPD49位于平板探测器顶层的CsI闪烁晶体将入射的X射线图像转换为可见光图像。位于碘化铯层下的非晶硅光电二极管阵列将可见光图像转换为电荷图像，每一个像素的电荷量变化与入射X射线的强度成正比，同时该阵列还将空间上连续的X射线图像转换为一定数量的行和列构成的点阵式图像，点阵的密度决定了图像的空间分辨力。在中央时序控制器的统一控制下，居于行方向的行驱动电路与居于列方向的读取电路将电荷信号逐行取出，转换为串行脉冲序列并量化为数字信号。获取的数字信号经通信接口电路传送至图像处理器，从而形成X射线数字图像。三、多丝正比电离室型50这种探测器扫描剂量低、动态范围宽、重建图像快、具有当今数字化X线摄影装置中最大的探测面积，实现了实质上的直接数字化成像。三、多丝正比电离室型51（二）工作原理：X射线束经水平狭缝准直后形成了平面扇形X射线束。通过受检者的透射线射入水平放置的多丝正比室窗口，被探测器接收后，扫描器使X射线管、水平狭缝及探测器沿垂直方向作均匀的同步平移扫描，到达新位置后再作水平照射投影；如此重复即完成了1幅图像的采集。多丝正比电离室的每根金属丝都与放大器相连，经模/数转换器数字化后，输入计算机进行图像处理。三、多丝正比电离室型52四、DR特殊成像技术531、DR断层融合技术又称三维断层容积成像技术，在传统体层摄像的基础上，基于DR动态平板与图像后处理软件相结合的一种体层成像技术原理：一次扫描、多次曝光，获得多幅不同角度、连续、独立的数字图像，计算机对图像处理重建不同深度层面的图像。四、DR特殊成像技术542、DR图像拼接技术一次采集不同位置的多幅图像，然后由计算机进行全景拼接，合成大幅面X线图像。3、DR组织均衡技术利用后处理软件将厚度大、密度高的区域与厚度小、密度低区域分割开，分别赋予各自的灰度值，都形成良好对比度，并在同一幅图像上显示。55第3节数字乳腺X射线摄影成像原理一、乳腺摄影概述5620世纪80年代后，开始使用乳腺X射线摄影进行乳腺癌筛查。随着数字X射线技术的发展，新型X射线乳腺摄影机具有更优质的图像、更低的辐射剂量和更高效的工作流程。数字乳腺X射线摄影影像二、钼靶乳腺X射线摄影5720世纪60年代以前：使用钨靶X射线机对乳腺摄影，但效果不理想，原因是影像记录介质是X射线胶片，受制于胶片感光特性、动态范围的影响，无法记录全部信息。20世纪60年代末：钼靶X射线机应用于乳腺摄影，被认为是检查乳腺癌的有效方法。是目前应用最广泛的乳腺摄影X射线源。二、钼靶乳腺X射线摄影58但是，钼靶X射线摄影对密实型乳腺的细节显示效果差，且辐射剂量较高。随着数字化成像技术的发展，钼/钨双靶设计的乳腺机能为临床提供全面的应用选择。三、光子计数数字化乳腺X射线摄影59光子计数数字化乳腺X射线摄影系统2003年起应用于临床。（一）扫描结构与方式1.结构X射线管前准直器、后准直器和光子计数探测器组成。扫描结构中最关键的组件三、光子计数数字化乳腺X射线摄影602.扫描方式X射线管与探测器同步旋转，扇形射线束、前准直器、后准直器及探测器轨迹均以连续运动的方式构成与X射线管焦点共轴的弧形的同步运动，以类似计算机体层摄影（CT）的扫描方式获取多次重复成像，有利于解决X射线使用效率低下、易出现像素缺失等缺陷。三、光子计数数字化乳腺X射线摄影61（二）自动曝光控制数字化乳腺X射线摄影系统通常在正式照射前经由一个低剂量预照射X射线来估算最优扫描条件。光子计数数字化乳腺X射线摄影系统能够在扫描过程中根据乳腺腺体厚度和密度情况对照射参数进行实时调整，从而确保照射准确性以获取最优化的图像质量。三、光子计数数字化乳腺X射线摄影62（三）技术优势1.光子计数探测器系统具有能量区分能力，能够在一次扫描内实现双能量成像并进行物质鉴别。可以避免两次扫描过程中由移位导致的伪影配准不良，提高了扫描精度，并有利于定量分析。2.光子计数数字化乳腺X射线摄影系统因其独特的扫描结构与扫描方式，可以大幅提高低能级X射线利用率并降低散射效应，有利于实现低剂量条件下的高质量成像。第4节口腔曲面全景体层摄影636465定义口腔曲面全景体层摄影是将曲面分布的颌部通过X射线管与胶片的相对旋转，获得一张展开排列成平面影像的一种特殊摄影技术，又称颌面全景体层。特点1.可以显示出全口牙齿，同时显示下颌骨、上颌骨、颞颌关节、上颌窦及鼻腔等部位。2.可以观察全部牙列的咬合情况，牙齿倾斜角度，乳恒牙交替及牙根形成情况。一、口腔曲面全景体层摄影成像原理661.结构受检者被固定在一个专用的支架上，接收器采用屏-片系统，而胶片装在一个软性增感屏中，并固定在一个与X射线管同步运动的转轴上。在胶片与颌部之间设置一块带有狭缝的铅板，阻挡其他部位的投影对图像质量的影响。一、口腔曲面全景体层摄影成像原理672.成像原理X射线管围绕颌部从A点旋转时，X射线管发出很窄的射线束，通过狭缝，穿过颌部的某一点到达胶片接收器的相应点A′，同时X射线接收器以与X射线管相同的角速度做同步、同相运动，当旋转到B点时，其X射线的投影在胶片的B′点上。这样，窄束X射线通过狭缝后，曲面分布的颌部就成为平面的图像。曝光结束后，旋转部分将自动或人工复位，以待下次摄影使用。二、口腔全景摄影临床应用681.常规检查2.牙科检查（1）观察牙齿的排列，了解牙齿的全貌：对儿童、青少年受检者的牙齿发育情况进行全面的评价。（2）对牙齿治疗方法、治疗效果进行评价（3）作为治疗前的原始记录第5节数字断层融合成像原理6970数字断层融合成像技术组成：DR动态平板探测器、运动的X射线管组件、计算机后处理工作站及软件。特点：一次扫描可以获得检查区域内任意深度的多层面断层图像，其空间分辨力高，照射剂量相对较低，操作简单便捷。71数字断层融合成像技术系统配置必须具备条件：①X射线管具有自动和受控运动能；②X射线管的运动具有一定的速度，并且运动平滑；③X射线机能快速进行脉冲照射；④平板探测器的残影小，数据读出速度快；⑤工作站计算机的运算处理速度足够快。一、数字断层融合成像原理概述72数字断层融合成像过程是通过改变摄影角度，对物体进行多次平片摄影（25～60次拍摄），但采集过程不像传统体层摄影那样长时间连续照射，而是以脉冲式的断续照射，采集一系列不同摄影角度的图像，从而可以重建出不同深度的层面影像。可重建的层面数量受总的采集图像数量的限制，其层面影像的重建过程与传统的几何体层摄影过程类似，将序列采集的图像沿X射线管摆动方向依次平移一定距离后叠加。一、数字断层融合成像原理概述73数字断层融合成像技术与CT的主要不同：①CT的X射线管与探测器的相对位置是不变的，数字断层融合成像中是不断改变的；②CT产生的图像是平行于X射线方向的，数字断层融合成像的图像是垂直于X射线方向的；③

数字断层融合成像使用平板探测器，由于其动态特性的限制，采样率受到影响，图像质量不如CT；④

取样的运动方式不同，两种技术的重建方法有差别。二、图像采集及操作流程741.图像采集在进行图像采集前，先摄取定位像。根据定位像设定采集序列及照射参数，图像采集过程与传统体层摄影相类似。X射线管改变摄影角度，对同一部位拍摄25～60幅图像，这些图像传送至工作站，通过专门软件，重建出距离探测器不同高度位置的层面影像。二、图像采集及操作流程752.检查流程与常规X射线摄影基本一致，受检者的体位操作与传统X射线摄影相同，唯一的区别是数字断层融合成像检查的摄影过程较长（15～30s），X射线管要移动到起始位置，然后进行扫描采集。二、图像采集及操作流程763.优点①

信息量大，一次扫描可以取代4～6次常规摄影；②

一些操作较困难体位的摄影，可用数字断层融合成像检查替代；③

需要进行多次摄影的检查项目（如尿路造影检查），用数字断层融合成像技术进行一次扫描即可，工作效率显著提高；④

影像重建过程是在工作站的后台进行自动处理的，不影响摄影机房的工作；⑤