第三章 数字X线成像设备

第三章 数字Ｘ线成像设备 尽管新型的医学影像设备不断出现，传统的Ｘ线摄影还是常规检查的主流方 式，目前70％以上的诊断用 Ｘ线影像仍是采用增感屏／胶片方式摄取的，不能进人PACS（图象的存储、传输系统）。因此，使常规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实用化具有重要意义。 本章着重阐述数字Ｘ线成像设备的基本结构、功能和应用特点等内容。 第一节 概  述 一、数字Ｘ线成像设备的发展 数字Ｘ线成像设备是指把Ｘ线透射影像数字化并进行图像处理后，再变换成模拟图像显示的一种Ｘ线设备。根据成像原理的不同，这类设备可分为计算机Ｘ线摄影（ＣＲ）系统、数字荧光ｘ线摄影（ＤＦ）系统和数字Ｘ线摄影（ＤＲ）系统。 ＣＲ是用存储屏记录Ｘ线影像，通过激光扫描使存储信号转换成光信号，再用光电倍增管转换成电信号，然后经A/D转换后，输人计算机处理，成为高质量的数字图像。 ＤＦ是Ｘ线被影像增强器接收后，经Ｘ线电视系统转换为模拟视频信号，再用A/D转换器变换为数字图像信号。 ＤＲ可分为直接数字X线摄影（ＤＤＲ）和间接数字X线摄影（ＩＤＲ）。ＤＤＲ是指采用X线探测器直接将X线影像转化为数字图像的方法IDR是指由I．Ｉ－ＴＶ电视系统或胶片先获得模拟的Ｘ线影像，再转换成数字图像的方法，前者的成像原理与ＤＦ相同，后者是利用数字化扫描仪把胶片上记录的模拟信息数字化。 根据Ｘ线束的形状又可分为锥形成像法、扇形和笔形束成像法。ＣＲ和ＤＦ属于锥形成像。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，二维探测器则采用锥形照射。如图３－１所示。 自从１９７２年Ｘ线CT问世后，医学影像领域出现了数字化浪潮，但传统Ｘ线影像的数字化最晚。１９７９年出现飞点扫描的ＤＲ系统，１９８０年在北美放射学会的产品展览会上ＤＲ和ＤＦ的展品引起了全世界的关注，从此，以ＤＳＡ系统为代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的 DF得到了高速发展，１９８２年又研制出 ＣＲ系统。20世纪 ８０年代中期，各国厂商竞相开发DR和CR；２０世纪  ９０年代又大力研制直接 DR的探测器，推出了一些实用的DDR设备。 数字Ｘ线成像与传统的增感屏一胶片成像相比，有许多优点： １．对比度分辨率高 ２．辐射剂量小 ３．成像质量高 能用计算机进行图像后处理，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前提的。 ４．可利用大容量的光盘存储数字图像，消除用胶片记录Ｘ线影像带来的种种不便，并能进人ＰＡＣＳ，实施联网，更高效、低耗、省时间、省空间地实现图像的储存、传输和诊断。 综上所述，数字Ｘ线成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，这些设备在２１世纪将成为大中型医院放射科的主导设备，因此具有广阔的发展前景。 二、影像信号的数字化 传统Ｘ线摄影的影像具有从白色到黑色这样一个连续的灰阶范围，它是Ｘ线透过人体内部器官的投影，像素的亮度也是连续变化，可取亮度最大值和最小值之间的任意值。这种亮度或灰度可连续变化的影像是模拟影像，不能直接进行计算机处理。 （一）数字图像 在ＣＲＴ上显示的图像信号都是模拟信号，信号的幅值随时间作连续变化。按一定的时间间隔读取模拟信号瞬时的幅值，称为把信号离散化或采样。把离散信号的时间变量和幅值都用若干位二进制数来表示，称为信号的量化。把模拟信号离散化和量化就实现了信号的数字化。数字信号具有抗干扰性强，且能计算机处理等优点。 数字图像显示为二维点阵或矩阵，一幅图像中包含的每个点或矩阵中的小单元叫像素，是构成数字图像的最小元素。 （二）数据采集系统的主要部件 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彼此分离的信息，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。 数字图像信号只有经过Ｄ／Ａ转换器交换成模拟图像信号后才能在监视器上显示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。 第二节 计算机Ｘ线摄影系统 １９８２年出现了第一台ＣＲ系统，它可以代替普通Ｘ线胶片成像。ＣＲ用存储荧光屏（ＳＰＰ）作面探测器，如影像板（ＩＰ）；其它的面探测器还有闪烁晶体加光电二极管阵列、闪烁晶体加CCD和非结晶硒探测器等。 一、ＣＲ的基本组成和工作原理 ＣＲ的结构主要有信息采集、信息转换、信息处理和信息储存及记录等几部分（图３-2）。 信息采集：是以存储屏代替胶片，接受并记忆Ｘ线摄影信息，形成潜影。 信息转换：由读取装置来实现，用光电倍增管接收存储屏发出的荧光，并实现光电转换，再经A/D转换器变换成数字信号。 信息处理：由计算机来完成，是对数字化的Ｘ线图像作各种相关的后处理，如大小测量、放大、灰阶处理、空间频率处理、减影处理等。 信息记录：利用存储媒体，如光盘等，通常在储存前进行数据压缩；用于诊断需要的模拟影像照片可用激光打印胶片、热敏打印胶片及热敏纸等记录，而激光打印胶片是常规的记录方式。ＣＲ信息还能直接在荧光屏上显示影像。 下面介绍ＣＲ系统的结构和功能。 二、影 像 板 ＣＲ影像不是直接记录于胶片，而是先记忆在ＩＰ上IＰ可以重复使用，但没有影像显示功能。 （一）IＰ的结构（图３－３） １．表面保护层 此层的作用是为了在使用过程中，防止荧光层受到损伤而 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的。因此，要求它不随外界温度和湿度而变化，透光率高并且非常薄。聚酯树脂类纤维具有此种特性，常用于制造这种保护层。 ２．辉尽性荧光物质层 辉尽性荧光物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。 ３．基板 基板的作用是保护荧光层免受外力的损伤，材料也是聚酯树脂纤维胶膜。 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的，其材料与表面保护层相同。 （二）IＰ成像原理 射人ＩＰ的Ｘ线光子被ＩＰ荧光层内的辉尽性荧光体吸收，释放出电子。其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态，形成潜影，完成Ｘ线信息的采集和存储。当用激光来扫描（二次激发）已有潜影的ＩＰ时，即发生光激发辉尽发光现象（简称光致发光现象）；产生的荧光强度与第一次激发时Ｘ线的能量成正比，完成光学影像的读出。ＩＰ的输出信号还需由读取装置继续完成光电转换和A/D转换，才能形成数字图像。 三、读取装置 （一）结构 ＣＲ系统的读取装置可分为暗盒型和无暗盒型。 1.暗盒型读取装置 其特征是将ＩＰ置人与常规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。经Ｘ线曝光后的暗盒，从ＣＲ读取装置的暗盒插人孔送人读取装置内，这一操作可以在明室完成。暗盒进人读取装置后IP被自动取出，由激光来扫描，读出潜影信息，然后被送到潜影消除部分，经强光照射，消除ＩＰ上的潜影。此后ＩＰ被送回暗盒内，封闭暗盒，暗盒被送出读取装置，供反复使用，整个过程是自动和连续进行的。不同尺寸的ＩＰ读取时间是相同的。图３－４是暗盒型读取装置的结构。 ２．无暗盒读取装置 该装置集投照、读取于一体，有立式和卧式。需要专用机器，不能与常规Ｘ线摄影设备匹配。ＩＰ在Ｘ线曝光后直接被送到激光扫描和潜影消除部分处理，供重复使用。 读出的数字图像信息连同病人的信息（如病历号、姓名、日期等）、摄影条件（照相部位等）一并输入计算机，进行图像处理。病人信息可以通过磁卡或专门的录入装置输人或修改，最终合成打印在ＣＲ照片上。输人的信息也是记录和检索的依据。 （二）读出原理 储存在辉尽性荧光物质中的影像为潜像，以连续模拟信号的形式记录，要将其输出并转换成数字化信号，需采用如图３－５所示的激光扫描系统。随着影像板匀速移动，激光束由摆动式反光镜或旋转多面体反光镜进行反射，对影像板整体进行精确而均匀地扫描。受激光激发产生的辉尽性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转换成数字图像信号。扫描完一张影像板后，得到一幅完整的数字图像。 更具体地讲，记录在IP上的Ｘ线信息分两步读出。首先，用一束微弱的激光瞬时粗略地扫描ＩＰ，立即计算出Ｘ线影像的辉尽发光量的直方图；第二步是在获取上述信息的基础上，自动调整光电倍增管的灵敏度及放大器的增益，再用高强度的激光精细地读出Ｘ线影像，并实现数字化。读取装置输出的数字图像信号、从控制台输人的摄影信息、直方圆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，获得最佳的适合于诊断的数字Ｘ线图像。 四、计算机图像处理 常规Ｘ线摄片的影像特性是由摄像条件、增感屏及胶片决定的，不能加以改变。ＣＲ系统则不同，由于使用高精度扫描及读出信号数字化，通过计算机处理能够在大范围内改变影像特性，最终得到稳定而高质量的图像。 （一）图像处理的环节 （二）图象读出灵敏度自动设定 （三）图像的后处理 图像的后处理，主要包括动态范围压缩、灰阶交换、空间频率处理等。此外还有一些特殊处理，例如减影处理、叠加处理。 五、图象储存和记录装置 适合于储存医学图像的媒体主要有磁带、硬盘和光盘。 若把Ｘ线数字图像记录在胶片上，常采用激光照相机和多幅照相机。 激光照相机： 因诊断、阅片的需要，常用激光照相机把数字Ｘ线图像记录在胶片上，下面说明其结构、工作原理和特点等。图３－１２是激光照相机的结构示意图。 ｌ．基本结构和功能 激光照相机的主要组成部分如下： （1）激光发生器：是胶片打印的能量来源，常用半导体激光器和气体激光器。 （２）光调制器：以计算机输人的数字图像信号调制激光强度。 （３）光学扫描器：由摆动式反光镜或多面体旋转式反光镜组成，使激光束扫描胶片。 （４）胶片传输系统：保证胶片按照与扫描激光束垂直的方向高精度地移动，由电动机、引导轴、打印滚筒等组成。 （５）供片库：储存未感光的胶片，可容纳１００～２００张。 ２．工作原理 胶片在传送系统控制下朝一个方向高精度地移动，同时激光束相对于胶片移动方向反复作垂直扫描，因此激光束是以二维方式顺序扫描整张胶片。激光束的光强度受计算机输出的数字图像信号调制。激光束经旋转多面镜的反射作线扫描，装载胶片的打印滚筒和激光束动作同步，胶片在激光束的照射下曝光形成平片图像。 综上所述CＲ系统具有常规Ｘ线摄影方式不可能具备的各种处理功能，可综合运用各种处理功能，获得符合诊断要求的高质量图像；曝光剂量显著降低，可为常规Ｘ线摄影剂量的1/5～1/10；可与现有的Ｘ线成像设备匹配使用；节省胶片，可数字存储（如光盘），降低成本；可并人PACS，以各种方式传输。 继续阅读