數(shù)字x線設備講義2013

第10章數(shù)字x線設備廣東藥學院附屬第一醫(yī)院武興杰12概述模擬圖像：灰度（黑白程度）連續(xù)變化。數(shù)字圖像：灰度是離散的。數(shù)字化X射線成像技術是傳統(tǒng)X射線技術與現(xiàn)代計算機技術結合的產(chǎn)物。優(yōu)點：計算機圖像處理、儲存、傳輸。3膠片掃描系統(tǒng)掃描儀計算機X線膠片4常見的數(shù)字化X線機5

1.定義：

數(shù)字X線設備是指用特殊器材，把X線透射圖像數(shù)字化，并進行計算機圖像處理，再變換成模擬圖像顯示的一種X線設備。

數(shù)字X線設備的產(chǎn)生對PACS的發(fā)展具有決定性的影響。

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2.分類：⑴根據(jù)成像原理：分為CR（ComputedRadiography，簡稱CR）、數(shù)字熒光攝影（digitalfluoroscopy，DF）、DR、DSA。①CR:是用存儲屏IP（ImagePlate）記錄X線影像，通過激光掃描使存儲信號轉換成光信號，此光信號經(jīng)光電倍增管轉換成電信號，再經(jīng)A/D轉換后，輸入計算機處理，形成高質量的數(shù)字圖像。

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②DR:分為：直接數(shù)字X線攝影（directDR，DDR）和間接數(shù)字X線攝影（indirectDR，IDR）。

DDR是采用X線探測器直接將X線圖像變成電信號，再轉化為數(shù)字圖像。

IDR是先從I.I-TV成像鏈或照片獲得X線信息的模擬圖像，再轉換成數(shù)字圖像，前者的成像原理與DF相同，后者是利用數(shù)字化掃描儀把照片上記錄的模擬信息數(shù)字化。

8⑵根據(jù)X線束的形狀：可分為錐形成像法、扇形和筆形束成像法。

910３.數(shù)字X線成像與傳統(tǒng)的增感屏-膠片比較優(yōu)點：（1）對比度分辨力高：

對低對比度的物體具有良好的檢測能力，量化深度可達14~16bit，而屏/膠成像的動態(tài)范圍約102，量化深度約6bit。（2）輻射劑量?。簲?shù)字X線成像設備對X線能量的利用率高，其量子檢出效率（detectivequantumefficiency，DQE）可達60%以上。11３.數(shù)字X線成像與傳統(tǒng)的增感屏-膠片比較優(yōu)點：（3）成像質量高：

能用計算機進行圖像后處理，以便更精細地觀察感興趣的細節(jié)，一些具有廣闊應用前景的新技術（如三維X線成像技術、雙能量X線成像技術等）都是以數(shù)字成像技術為前提的。

12能量減影左側為標準胸片，右側為高能肋骨片，中間為去骨影后的肺組織片13空間分辨率(SpatialResolution)在HighContrast情況下區(qū)分相鄰

最小物體的能力,(又稱“HighContrastResolution”)決定影像清晰度。常用多少線對/厘米，即LP/CM14（4）數(shù)字影像所具有的優(yōu)點：可利用大容量的、光盤存儲數(shù)字影像，消除用膠片記錄X線影像帶來的種種不便，并能進入PACS，實施聯(lián)網(wǎng)，更高效、低耗、省時間、省空間地實現(xiàn)影像的貯存、傳輸和診斷。15（5）對比度分辨力高：

數(shù)字X線設備的空間分辨力不如膠片，約為2~4LP/mm，膠片的空間分辨力在理論上能達到5~7LP/mm，但散射光使膠片的感光范圍發(fā)散，導致銳度（與空間分辨力有關）下降。數(shù)字X線設備使用的探測器采取特殊技術減少了漫射，較好地避免了銳度下降，使對比度分辨力明顯提高。在實際應用中可滿足絕大多數(shù)的診斷需要。

16密度分辨率(DensityResolution)低對比度情況下分辨物體密度微小差別的能力(又稱“LowContrastResolution”)受影像清晰度&噪聲影響。17第一節(jié)Ｘ線計算機攝影裝置系統(tǒng)原理和概念計算機X線攝影（成像）系統(tǒng)（ComputedRadiography，簡稱CR）CR是由日本富士公司于七十年代研制，八十年代推出，九十年代上市的計算機X線攝影系統(tǒng)。CR的關鍵是用影像板（IP）取代X線膠片，曝光后由激光掃描儀讀出IP板上的潛影，并轉換成數(shù)字信號傳入計算機作圖像處理。18第一節(jié)X線計算機攝影裝置一、基本結構與工作原理CR的結構如下圖所示，它主要有信息采集、信息轉換、信息處理、信息存儲和記錄等部分組成。信息采集是以存儲屏代替膠片，接受并記憶X線攝影信息，形成潛影信息；信息轉換由讀取裝置來實現(xiàn)，用光電倍增管接收存儲屏發(fā)出的熒光，并實現(xiàn)光電轉換，再經(jīng)A/D轉換器變換成數(shù)字信號。

19（二）基本結構20

信息處理由計算機來完成，對數(shù)字化的X線影像作各種相關的后處理，如大小測量、放大、灰階處理、空間頻率處理、減影處理等。信息記錄利用存儲媒體，如光盤等，通常在存儲前進行數(shù)據(jù)壓縮；用于診斷的模擬影像照片，可通過激光照相機打印激光膠片獲得；也可采用熱敏打印膠片或熱敏紙等記錄影像。激光打印膠片是常規(guī)的記錄方式。CR信息還能直接在熒光屏上顯示影像。21透射X線影像記錄裝置（數(shù)字信號→光信號）影像板影像讀取裝置（X線潛影像→數(shù)字）影像處理裝置控制計算機影像存儲裝置（光盤、磁帶等）熒光屏膠片自動洗相片機CR相片激光相機22二、影像板（IP）

CR影像不是直接記錄于膠片，而是先記憶在IP上，IP可重復使用，但無影像顯示功能。（一）IP結構表面保護層熒光層基板背面保護層23影像板結構保護層：聚酯樹脂類纖維制成，非常薄，能彎曲、耐磨損、透光性好。保護熒光層不受外界溫度、濕度和輻射的影響。24熒光層：由光激勵發(fā)光（photonstimulationlight,PSL）熒光物質混于多聚體溶液中，涂在基板上制成。25基板：聚酯樹脂類纖維制成。保護熒光物質層免受外力損傷，延長IP的使用壽命。兩萬次以上重復使用。26背面保護層：材料與表面層相同，防止IP摩擦損傷。27（二）成像原理

射入IP的X線量子被IP熒光層內的PSL熒光體吸收，釋放出電子。其中部分電子散布在熒光體內呈半穩(wěn)定態(tài)，形成潛影，完成X線信息的采集和存儲。當用激光來掃描（二次激發(fā)）已有潛影的IP時，產(chǎn)生的熒光強度與第一次激發(fā)時X線的能量精確地成正比，完成光學影像的讀出。IP的輸出信號還需由讀取裝置繼續(xù)完成光電轉換和A/D轉換，經(jīng)計算機圖像處理后，形成數(shù)字影像。28白色三角表示未曝光X線作用使電子激發(fā)，并儲存起來，用灰色三角表示在激光的作用下，儲存的能量被激發(fā)出來激發(fā)出來的能量以可見光的形式釋放三角又變成了白色，表示儲存能量已全部釋放29IP的特性：動態(tài)范圍直線性：在1到10000范圍內具有良好動態(tài)范圍可精確檢測到組織間極小的X線吸收差異曝光3.0膠片影像屏密度輸出100001000101000.21.0800400200160010030（三）特性

4．存儲信息的消退：X線激發(fā)IP后模擬影像被存儲于熒光體內，在讀出前的存儲期間，一部分被俘獲的光電子將逃逸，這種現(xiàn)象稱消退。讀出前存儲8小時的IP，其發(fā)光量將減少25%。5．天然輻射的影響：IP不僅對X線敏感，對其它形式的電磁波也敏感，如紫外線、γ射線等.31三、讀取裝置（一）結構CR系統(tǒng)的讀取裝置可分為：暗盒型和無暗盒型．1．暗盒型讀取裝置如圖所示，其特征是將IP置入與常規(guī)X線攝影暗盒類似的盒內，它可以代替常規(guī)攝影暗盒在任何X線機上使用。

32影像板(ImagePlate,IP)

33經(jīng)X線曝光后的暗盒，從CR讀取裝置的暗盒插入孔插入讀取裝置內，IP被自動取出，由激光掃描讀出潛影信息.IP被傳送到潛影消除部分，經(jīng)強光照射后，消除IP上的潛影。此后IP被傳送回暗盒內，暗盒自動封閉后被傳送出讀取裝置，供反復使用，整個過程自動、連續(xù)。34IP緩沖堆棧IP分類器病人信息攝影信息輸入部分計算機/圖像處理部分IP影像板暗盒暗盒插口讀取部分消除部分352．無暗盒讀取裝置

該裝置配備在專用機器上，常規(guī)X線攝影設備不能配備此裝置。配備此裝置的機器集投照、讀取于一體，有立式和臥式兩種形式。IP在X線曝光后直接被傳送到激光掃描和潛影消除部分處理，供重復使用。讀出的數(shù)字圖像信息連同病人的信息（如姓名、病歷號、日期等)和攝影條件（照相部位等）一并輸入計算機，進行圖像處理。36（二）讀出原理

隨著高精度電動機帶動IP移動，激光束由擺動式反光鏡或旋轉多面體反光鏡進行反射，對IP整體進行精確而均勻地逐行掃描，然后經(jīng)光電倍增管進行光電轉換和放大后，再經(jīng)A/D轉換為數(shù)字影像信號。這一過程反復進行，掃描完一張IP后，得到一幅完整的數(shù)字影像。3738讀出裝置原理39四、計算機圖像處理

1、圖像處理的環(huán)節(jié)CR的圖像處理主要有三個環(huán)節(jié)：

①是與系統(tǒng)檢測功能有關的處理：利用適當?shù)挠跋褡x出技術，保證整個系統(tǒng)在很寬的動態(tài)范圍內自動獲得具有最佳密度和對比度的圖像。40

②是與顯示功能有關的處理。涉及圖像處理裝置。通過各種特殊處理（如灰階處理、頻率處理、減影處理等）為醫(yī)生提供可滿足不同診斷目的、具有較高診斷價值的影像，常稱為后處理。41

③是與圖像信息的存儲和記錄有關的處理。涉及圖像記錄裝置，要求能得到高質量的照片記錄，并在不降低影像質量的前提下壓縮影像數(shù)據(jù)，以節(jié)省存儲空間和高效率地傳輸信息。42圖像處理環(huán)節(jié)圖像讀出過程的處理：圖像讀出靈敏度自動設定，自動獲得最佳密度和對比度的圖像；圖像顯示過程的處理：顯示圖像的特殊處理，以獲得較高診斷價值的圖像，也稱后處理；圖像存儲和記錄過程的處理：在不影響圖像質量的基礎上壓縮圖像，并可進行保存和傳輸，還可用激光相機打印出圖像。432、圖像讀出靈敏度自動設定為在不同X線劑量下，獲得相同的圖像質量（圖像密度穩(wěn)定），采用靈敏度自動設定功能預讀程序流程確定靈敏度44

通過對直方圖的分析和計算，自動確定X線劑量范圍，再算出有診斷價值的讀取裝置的輸入信號范圍，從而決定本次讀出IP圖像的最佳條件。

讀取裝置的輸出信號總處于一定范圍內，形成穩(wěn)定的數(shù)字圖像密度，以最佳的密度在膠片或顯示器上重現(xiàn)。45圖像讀出靈敏度自動設定

大曝光劑量例1和小曝光劑量例246473、圖像的后處理灰階處理空間頻率處理動態(tài)范圍壓縮減影處理疊加處理圖像處理：調節(jié)亮度、對比度、窗寬窗位，放大、反轉,旋轉，距離、面積測量。文字注釋。更改病人資料48五、圖像存儲裝置適合于存儲醫(yī)學圖像的載體主要有硬盤和光盤。硬盤用于暫存數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后再存入光盤。49圖像的儲存和記錄裝置磁帶硬盤光盤磁光盤（MOD）50六、評價標準（1）CR性能檢測項目：它包括IP噪聲、IP一致性、照射量指示器校準、激光束功能、空間分辨力、空間距離準確性、擦除完全性、濾線柵效應和IP通過量等檢驗項目。（2）CR的附屬設備性能檢測：1）激光打印機；2）圖像工作站的顯示監(jiān)視器；3）觀片燈51七、使用注意事項1．使用注意事項

用一張較大的IP來記錄影像,可減少膠片尺寸的選擇次數(shù)IP再使用時，最好重做一次光照射，以消除可能存在的任何潛影IP要求很好的屏蔽2．保養(yǎng)

52CR特點(總結)實現(xiàn)了傳統(tǒng)X線圖像的數(shù)字化；提高了圖像的密度分辨率；能實現(xiàn)圖像后處理，增加了顯示信息的功能；降低了X線曝光量（為常規(guī)X線攝影劑量的1/5~1/10）；可以不用膠片，而是以數(shù)字形式用磁盤或光盤存儲，還能把信息傳輸給PACS。53第二節(jié)x線數(shù)字攝影裝置（DR）1.數(shù)字化X線攝影（DR）結構及成像原理(1)DDR-直接數(shù)字X線攝影采用X線探測器直接將X線影像轉換成數(shù)字信號；(2)IDR-間接數(shù)字X線攝影X線影像經(jīng)膠片-數(shù)字化掃描儀或影像增強器-電視系統(tǒng)轉換成數(shù)字圖像。54DR的結構DR由X線探測器、圖像處理器、圖像顯示器等組成。1．X線探測器它是將X線信息轉換為電信號的器件。探測器把X線模擬信號轉換為數(shù)字信號，送計算機處理。2．圖像處理器其功能主要包括各種圖像處理，如灰階變換、黑白反轉、圖像濾波降噪、放大、各種測量、數(shù)字減影等。3．顯示器它用于攝影圖像的重現(xiàn)、軟閱讀。5556DR設備的特點：①輻射劑量低，探測效率高；②空間分辨力可以達到3.6Lp/mm；③工作效率高，省去了屏－膠系統(tǒng)更換膠片的繁瑣程序；④應用DR系統(tǒng)的后處理功能，可獲得優(yōu)異的圖像質量。DR系統(tǒng)的不足是兼容性和價格等方面較CR差。57IDR工作原理影像增強器光學系統(tǒng)電視攝像機A/DX線數(shù)字影像信號缺陷：1）由于1.1和攝像管中光散射和電子散射，對比度損失；2）1.1的視野小，邊緣和中心分辨力不一致58DDRDDR指采用一維或二維x線探測器直接把x線轉換成模擬電信號進行數(shù)字化的方法。20世紀90年代中期出現(xiàn)了使用平板型探測器（FPD）的DDR。FPD將x線直接轉換為數(shù)字信號的非晶態(tài)硒；也有先經(jīng)閃爍發(fā)光晶體轉換為可見光，再轉換為數(shù)字信號的非晶態(tài)硅。59DDR使用的x線探測器1、氣體電離室探測器2、非晶態(tài)硒型平板探測器3、非晶態(tài)硅型FPD4、CCD型60平板探測器DDR

20世紀90年代中期出現(xiàn)平板型探測器（flatpaneldetector,FPD）：非晶態(tài)硒FPD：將X線直接轉換成數(shù)字信號；非晶態(tài)硅FPD：先經(jīng)閃爍發(fā)光晶體轉換成可見光，再轉換為數(shù)字信號。61非晶態(tài)硒平板探測器技術參數(shù)平板尺寸：17×17（英寸）灰度等級：14bit

像素：720萬個像素點分辨率：3.1LP/MM

曝光間隔：<6秒62組成

封裝在暗盒內，由集電矩陣、硒層、電介質、保護層等構成。集電矩陣由按陣元方式排列的薄膜晶體管（thin-filmtransistor,TFT）組成，非晶態(tài)硒層涂在集電矩陣上，對Ｘ線敏感，并有很高的解像能力。63硒型FPD原理64像素矩陣讀出方式由于放大器和A/D轉換器都在探測器暗盒內，從外部看，探測器暗盒是接收Ｘ線圖像后直接輸出數(shù)字圖像。信號讀出后，掃描電路自動清除硒層中的潛影和電容存儲的電荷，以保證探測器能反復使用。65

非晶硒平板型探測器非晶硒和薄膜晶體管構成陣列板；各象素單元包含一個存儲電容和非晶硅的場效應管；攝影前先加1~5kV電壓使光電導體層帶上電荷(外加電場）；X射線照射后光電導體層電阻改變使電容充電得到圖象信號電流。66非晶硅平板探測器由CsI構成轉換屏幕，稱閃爍體;X射線穿過反射層到達閃爍層激發(fā)可見光子；可見光傳遞到下面由非晶硅光電二極管構成的探測器矩陣，其后觸發(fā)場效應管產(chǎn)生圖象信號。在光電二極管自身的電容上形成存儲電荷，每個像素的存儲電荷量與入射x線強度成正比。它由基板層、非晶硅陣列、碘化銫層等構成。67非晶態(tài)硅型平板探測器6869

碘化銫閃爍發(fā)光晶體覆蓋在光電二極管矩陣上，每個光電管就是一個像素，由薄膜非晶態(tài)氫化硅制成。

Ｘ線入射到閃爍晶體層時被轉換為可見光，再由光電二極管矩陣轉換為電信號，在光電二極管自身的電容上形成存儲電荷，每個像素的存儲電荷量與入射Ｘ線強度成正比。703.多絲正比室掃描型DR它主要由高壓電源、水平狹縫，多絲正比室、機械掃描系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、計算機控制及圖像處理系統(tǒng)組成71

多絲正比室：它是一種氣體探測器，可看作成由許多獨立的正比計數(shù)管組合而成。其基本結構是在兩塊平行的大面積金屬板之間平行并列許多條金屬絲。這些金屬絲彼此絕緣，各施加一定的正電壓（1kV左右），形成許多陽極，金屬板接地形成公共的陰極。因正比室對電離電子有放大作用，故具有較高的探測靈敏度。另外每根金屬絲上收集的電子正比于初始氣體電離電子，亦即正比于入射X線強度。724．CCD攝像機型DR它主要由熒光板、反光板、CCD攝像機、計算機控制及