1、第三章第三章 數(shù)字化數(shù)字化X射線成像射線成像 傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的X射線技術(shù)與計算機技射線技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物X線源人人體體檢測器檢測器模擬信號模擬信號數(shù)字化設(shè)備數(shù)字化設(shè)備A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換計算機處置計算機處置數(shù)數(shù)/模模( A/D)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器顯顯示示/攝攝影影 數(shù)字化數(shù)字化X射線成像系統(tǒng)框架射線成像系統(tǒng)框架數(shù)字圖像根底 一幅圖像可用二維數(shù)組f(x，y) 表示，x，y 表示二維空間坐標(biāo)點位置，f 代表圖像在 (x，y) 處某種性質(zhì)F的數(shù)值。矩陣化離散化x，y、f 延續(xù)值模擬圖像x，y、f 整數(shù)值數(shù)字圖像1、數(shù)字圖像數(shù)字圖像表示圖0間隔光子密度0. 51. 01. 52. 0模擬跡線手正位

2、片50100150200數(shù)字值間隔間隔2550數(shù)字信號數(shù)字圖像根底 1、數(shù)字圖像1圖像矩陣的大小與圖像的空間分辨力 像素數(shù)量少，像素尺寸大，圖像細(xì)節(jié)較少， 空間分辨力低 像素數(shù)量多，像素尺寸小，圖像細(xì)節(jié)較多 細(xì)節(jié)可見度高像素數(shù)目 = 行列視野 = 像素數(shù)量像素大小視野一定數(shù)字圖像根底 1、數(shù)字圖像(a) 3232 像素(c) 128128 像素(d)256256 像素(b) 6464 像素原圖為數(shù)字減影血管造影圖像，灰度級為256 數(shù)字圖像根底 1、數(shù)字圖像1圖像矩陣的大小與圖像的空間分辨力 2灰度級數(shù)與數(shù)字圖像灰度分辨力 對應(yīng)各個灰階的黑白程度稱灰標(biāo)(mark of gray scale)。

3、灰階數(shù)量由2N決議，N 稱位(bit)，表示像素灰度精度。每個像素灰度精度范圍從1位到8位(256個灰度級)。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將延續(xù)變化的灰度值轉(zhuǎn)為離散整數(shù)灰度值，離散灰度值稱灰度級(gray level)或灰階(gray scale)。數(shù)字圖像根底 1、數(shù)字圖像A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器 163280961121281761922082242406448160256灰灰階階144灰灰標(biāo)標(biāo)離離散散整整數(shù)數(shù)01000數(shù)字圖像根底 2灰度級數(shù)與數(shù)字圖像灰度分辨力 原圖為數(shù)字減影血管造影圖像，像素數(shù)為256256 2灰度級數(shù)與數(shù)字圖像灰度分辨力 數(shù)字圖像根底 A/D轉(zhuǎn)換器把圖像的每條線都分成一行像素，這一過程

4、稱為圖像的抽樣sampling或采樣 目前常見數(shù)字圖像矩陣 512512、 10241024、 204820481 圖像抽樣(sampling) 像素數(shù)越多,細(xì)節(jié)可見度越高但內(nèi)存越大,計算機處置慢數(shù)字圖像根底 2、數(shù)字圖像的構(gòu)成 把原來延續(xù)變化的灰度值變成量值上離散的有限個等級的數(shù)字量過程 目前常用灰度級數(shù)8位256個灰度級、10位1024個灰度級 11位2048個灰度級、12位4096個灰度級 灰度量化(quantization)或離散化量化級數(shù)越多,數(shù)字化誤差越小數(shù)字圖像根底 2、數(shù)字圖像的構(gòu)成3 數(shù)字化影像設(shè)備可直接獲得數(shù)字圖像2 計算機生成數(shù)字圖像 如用數(shù)碼相機拍攝的圖像、數(shù)字減影血管

5、造影圖像、X 射線計算機斷層圖像、核磁共振圖像、發(fā)射型計算機 斷層圖像等等 可以經(jīng)過一些繪圖軟件、圖像處置軟件直接生成數(shù)字圖像。數(shù)字圖像根底 2、數(shù)字圖像的構(gòu)成圖像數(shù)字化方式之一：膠片掃描系統(tǒng)圖像數(shù)字化方式之一：膠片掃描系統(tǒng)掃描儀掃描儀計算機計算機X線膠片線膠片圖像數(shù)字化方式之二：影像加強器圖像數(shù)字化方式之二：影像加強器+CCD+圖像板圖像板 DF 數(shù)字透視數(shù)字透視digital fluoroscopy /數(shù)字熒光攝影數(shù)字熒光攝影digital fluorographyX線線X線線影像加強器影像加強器計算機處置系統(tǒng)計算機處置系統(tǒng)電視攝像管電視攝像管CCD或真空或真空攝像管攝像管電視信號處置電視

6、信號處置 A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換(圖像板圖像板)數(shù)字信號數(shù)字信號顯示顯示打印打印X線線球管球管人體人體圖像數(shù)字化方式之三：計算機攝影圖像數(shù)字化方式之三：計算機攝影(CR, Computed Radiography)圖像數(shù)字化方式之四：直接數(shù)字化攝影圖像數(shù)字化方式之四：直接數(shù)字化攝影(DDR, Direct Digitized Radiography)第一節(jié)第一節(jié) 圖像數(shù)字化產(chǎn)生的數(shù)字減影技術(shù)圖像數(shù)字化產(chǎn)生的數(shù)字減影技術(shù)一、數(shù)字減影血管造影的物理根底二、DSA的根本方法三、DSA的參數(shù)性成像四、DSA的影像質(zhì)量與優(yōu)缺陷(digital subtraction angiography DSA) 數(shù)字減影

7、血管造影技術(shù)(DSA，Digital Subtraction Angiography)。是將造影前、后獲得的人體同一部位兩幀不同的數(shù)字圖像進展數(shù)字減影，在減影圖像中消除骨骼和軟組織構(gòu)造，使低濃度對比劑照比正常對比劑充盈的血管在圖像中 顯示，圖像對比度較高。一、一、DSA技術(shù)的物理根底技術(shù)的物理根底數(shù)字圖像減影原理表示圖造影前圖像造影后圖像- -減影圖像DSA設(shè)備血管內(nèi)注入碘造影劑前：血管內(nèi)注入碘造影劑前：BBTT(dd )0II e或或0BBTTlnIlnIdd（）血管內(nèi)注入碘造影劑后：血管內(nèi)注入碘造影劑后：B BTTII Id(dd )dI0II e或或I0B BTTIIIlnIlnId(d

8、dd）血管注入碘造影劑前、后透過的血管注入碘造影劑前、后透過的X射線強度的對數(shù)差為：射線強度的對數(shù)差為：IITISlnIlnI()d不同組織對X射線衰減表示圖 I0軟組織血管骨骼dBdIdTI二、二、DSA的根本方法的根本方法1 時間減影2 能量減影3 混合減影 大部分DSA設(shè)備采用的減影方法 二、二、DSA的根本方法的根本方法1時間減影時間減影CCt21246810t秒秒圖像順序圖像順序510152025蒙片蒙片減影圖像減影圖像易受病人挪動和易受病人挪動和動脈搏動等慢運動脈搏動等慢運動影響動影響在不同的顯影時期獲得二幀圖像時間減影技術(shù)時間減影技術(shù)將不同時間拍攝的同一部位的將不同時間拍攝的同一

9、部位的影像相減，來判別病灶。影像相減，來判別病灶。2能量減影能量減影 雙能減影、雙能減影、K-緣效應(yīng)緣效應(yīng) 血管注入碘對比劑后，用略低于和略高于碘K-緣能量(33keV)的X射線曝光，在這兩種條件下曝光的影像中，碘與其它構(gòu)造的衰減特征有較大差別，可將此兩種影像數(shù)字減影，突出碘對比度，消除其它組織對圖像的影響。吸收系數(shù)keV碘骨肌肉K緣0IBdTdTdII骨骼血管軟組織軟組織0I0exp()BBTTIIddX射線檢測器將接納到的射線檢測器將接納到的X射線轉(zhuǎn)換為電信射線轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)過對數(shù)變換后，得到表達式為：號，并經(jīng)過對數(shù)變換后，得到表達式為：lnBBTTSIddC 由低能由低能X射線和高能

10、射線和高能X射線分別作用得到的表達式為：射線分別作用得到的表達式為：LBLBTLTLLSddC HBHBTHTHSddC 分別用低能管電壓分別用低能管電壓70kV和高能和高能120kVX射線照射如下圖兩均勻介質(zhì)時，透射射線照射如下圖兩均勻介質(zhì)時，透射X射射線強度線強度 與入射與入射X射線強度射線強度 之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：利用碘在利用碘在33keV附近對附近對X線衰減系數(shù)有明顯的差別而進展線衰減系數(shù)有明顯的差別而進展對兩幅圖像分別加權(quán)對兩幅圖像分別加權(quán)KL和和KH后相減，得到減影圖像后相減，得到減影圖像S為：為：LLHHTTHHTLLBBHHBLLCKCKdKKdKKS)()(令第二項令

11、第二項0消除軟組織圖像信號，得骨組織圖像為：消除軟組織圖像信號，得骨組織圖像為：LLHHBBHHBLLBCKCKdKKS)(令第一項令第一項0消除骨組織圖像信號，得軟組織圖像為：消除骨組織圖像信號，得軟組織圖像為：LLHHHHLLCKCKdKKSTTTT)( X射線管的管電壓在高低壓之間射線管的管電壓在高低壓之間70kV130kV高速高速切換，添加了設(shè)備的復(fù)雜性。切換，添加了設(shè)備的復(fù)雜性。特點：特點： 能量減影法只能消除一種資料的像，不能將軟組織何能量減影法只能消除一種資料的像，不能將軟組織何骨骼同時抵消?？梢砸种朴捎诮M織慢運動呵斥的圖像模糊，骨骼同時抵消?？梢砸种朴捎诮M織慢運動呵斥的圖像模糊

12、，但不能消除骨骼的影響。假設(shè)高能像和低能像是在有造影但不能消除骨骼的影響。假設(shè)高能像和低能像是在有造影劑時的一個很短時間間隔內(nèi)獲得，那么可將患者挪動的影劑時的一個很短時間間隔內(nèi)獲得，那么可將患者挪動的影響減至很小。響減至很小。能量減影技術(shù)對能量減影技術(shù)對X射線機的要求：射線機的要求：能量減影技術(shù)能量減影技術(shù)CR技術(shù)經(jīng)過兩塊技術(shù)經(jīng)過兩塊IP板，板， 中間插入銅過濾板來實現(xiàn)。中間插入銅過濾板來實現(xiàn)。DR技術(shù)經(jīng)過兩次短時間，技術(shù)經(jīng)過兩次短時間， 不同能量值的曝光來實現(xiàn)。不同能量值的曝光來實現(xiàn)。3混合減影混合減影時間減影與能量減影的綜合運用時間減影與能量減影的綜合運用 在造影劑未注入前，先做一次雙能量

13、減影，獲得含少部分在造影劑未注入前，先做一次雙能量減影，獲得含少部分骨組織信號的影像，將此影像同血管注入造影劑后的雙能量減骨組織信號的影像，將此影像同血管注入造影劑后的雙能量減影像作時間減影處置，就得到單純的血管影像。影像作時間減影處置，就得到單純的血管影像。 可以防止在單純能量減影中遇到的問題。由于軟組織像是可以防止在單純能量減影中遇到的問題。由于軟組織像是由能量減影法消除的，因此軟組織的運動不會產(chǎn)生影響。由能量減影法消除的，因此軟組織的運動不會產(chǎn)生影響。特點：特點： 根本原理：三、三、DSADSA參數(shù)性成像參數(shù)性成像 獲取DSA影像序列后，除提取血管分布輪廓、數(shù)量、位置、管徑等形狀學(xué)信息外

14、可把記錄到的視頻信號量化為視頻灰度值，而得到時間函數(shù)的視頻灰度曲線，可進一步提取深厚度或容量性參數(shù)，獲得一系列非形狀學(xué)信息。(parametric imaging of DSA)四、四、DSA技術(shù)的特點技術(shù)的特點1 影響影響DSA影像質(zhì)量的要素影像質(zhì)量的要素 噪聲運動偽影對比劑濃度DSA要求的動脈對比劑濃度與血管直徑近似地成反比。2DSA技術(shù)的主要優(yōu)點：技術(shù)的主要優(yōu)點： 可快速校正圖像偽影采用新的掩模圖像改動對比度和消除偽影 。 圖像疊加準(zhǔn)確，對比度大，可用低對比劑顯示細(xì)小血管。 可實時處置，圖像信息的數(shù)字化信息處置和存貯方便快捷。 屏幕直接顯示，便于圖像分析。3DSA技術(shù)的主要缺陷：技術(shù)的主

15、要缺陷： 當(dāng)不進展選擇性注射時，圖像會出現(xiàn)血管重疊。 被檢者挪動、吞咽、腸蠕動、動脈搏動等慢運動，使掩模圖像和充盈圖像發(fā)生位移，不能充分消掉與血管重疊的構(gòu)造，而產(chǎn)生圖像偽影。 手部動脈血管圖像DSA腹部血管圖像DSA腿部血管圖像DSA頸部大腦血管DSA第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)字?jǐn)?shù)字X射線攝影射線攝影一、掃描投影放射攝影一、掃描投影放射攝影X射線管射線管準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器筆形筆形X射線束射線束檢測器檢測器X射射線區(qū)線區(qū)點掃描點掃描散射線對圖像的影響小散射線對圖像的影響小探丈量子效率高探丈量子效率高圖像細(xì)節(jié)可見度高圖像細(xì)節(jié)可見度高X射線照射量低射線照射量低機械構(gòu)造復(fù)雜機械構(gòu)造復(fù)雜圖像的圖像的“行有細(xì)微的扭曲失行

16、有細(xì)微的扭曲失真真掃描時間長約掃描時間長約5s特點：特點：用點狀或線陣檢測器進展用點狀或線陣檢測器進展X射線數(shù)字化成像的方法射線數(shù)字化成像的方法可兼顧散射抑制、掃描時可兼顧散射抑制、掃描時間低等要求。間低等要求。其靈敏度和分辨力取決于其靈敏度和分辨力取決于探測器的構(gòu)造。探測器的構(gòu)造。X射線管射線管準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器扇形扇形X射線束射線束檢測器檢測器線掃描線掃描特點：特點：二、計算機二、計算機X射線攝影射線攝影CR系統(tǒng)系統(tǒng)1、CR的根本組成的根本組成控制計算機控制計算機影影像像板板影像讀取安裝影像讀取安裝X射線影像射線影像 數(shù)字?jǐn)?shù)字圖像處圖像處理安裝理安裝圖像記錄安裝數(shù)圖像記錄安裝數(shù) 字信號字信號 光

17、信號光信號圖像存儲安裝圖像存儲安裝光盤、磁帶等光盤、磁帶等熒光屏熒光屏膠膠片片激光激光照相機照相機CR相片相片自動洗相機自動洗相機透射透射X射線射線2、CR的任務(wù)流程的任務(wù)流程X 射線PSL物質(zhì)物質(zhì)X射線信號一次激發(fā)光模擬信號二次激發(fā)光PSL物質(zhì)物質(zhì)熒光信號光電倍增管電信號A/D轉(zhuǎn)換器熒光屏 照相機熒光信號人體組織人體組織3、CR成像的根本原理成像的根本原理光鼓勵發(fā)光原理：光鼓勵發(fā)光原理： 某些物質(zhì)在第一次遭到照射光一次激發(fā)光照射時，能將一次激發(fā)光所攜帶的信息儲存記錄下來，當(dāng)再次遭到照射光二次激發(fā)光照射時，能發(fā)出與一次激發(fā)光所攜帶信息相關(guān)的熒光，這種景象被稱作光鼓勵發(fā)光photostimula

18、ted luminescence，PSL，該物質(zhì)被稱作光鼓勵發(fā)光物質(zhì)photostimulated luminescence substance氟 鹵化 鋇電子空穴電離電離Eu2+ 離離子子捕獲電子能量轉(zhuǎn)移 亞穩(wěn)態(tài) F心Eu2+ 離離子子釋放釋放躍遷電子熒光X 射線照射二次激發(fā)光原理光鼓勵發(fā)光(photostimulated luminescence PSL)發(fā)光特性熒光強度與 一次激發(fā)光 的X射線照 射量呈5位數(shù) 的直線關(guān)系210110010110210310010110210310410510X射線照射量mRPSL相對強度X射線照射量與PSL光強的曲線關(guān)系發(fā)光特性PSL發(fā)射光譜二次激發(fā)光e

19、x為600nm， PSL的em在390400nm，此時 PSL強度最大。0 .00 .51 .03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0PSL相對強度波長(nm)二次激發(fā)光譜氟鹵化鋇的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜在一定的范圍內(nèi),PSL的強度隨二次激發(fā)光 的功率增大而增大。發(fā)光特性最理想的發(fā)光時間是當(dāng)已激活的PSL物質(zhì)遭到二次激發(fā)光照射時，能立刻產(chǎn)生PSL，一旦停頓照射，PSL立刻消逝。但實踐上PSL并不立刻消逝，而是逐漸衰減。儲存信息的消褪與環(huán)境的干擾時間延伸電子逃逸PSL強度減小信息衰減消褪(fading)景象儲存在儲存在PSL物質(zhì)中的物質(zhì)中的X射線隨儲存時射線隨儲存時間延伸而衰減

20、一部分被間延伸而衰減一部分被F心俘獲的心俘獲的電子在獲取電子在獲取PSL前逃逸，使二次激前逃逸，使二次激發(fā)光照射時晶體的發(fā)光照射時晶體的PSL強度減小。強度減小。影像板影像板IP板板資料：資料：構(gòu)造：構(gòu)造：氟鹵化鋇氟鹵化鋇(Barium Fluorohalide)外表維護層PSL物質(zhì)層基板反面維護層成像板構(gòu)造表示圖外表維護層PSL物質(zhì)層基板反面維護層IP板運用本卷須知防止喪失信息，攝片后8小時內(nèi)讀取處置IP運用前光照，消除潛影 攝影后避光，有效儲存信息。 防止IP擦傷IP板的圖像讀取過程：板的圖像讀取過程：隨著隨著IP板的勻速運動，激光板的勻速運動，激光發(fā)生安裝發(fā)出的激光束經(jīng)光發(fā)生安裝發(fā)出的激

21、光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的反射，在與學(xué)系統(tǒng)的反射，在與IP垂直垂直的方向上，依次對的方向上，依次對IP進展準(zhǔn)進展準(zhǔn)確且均勻的掃描。確且均勻的掃描。IP上釋放上釋放出的與儲存在出的與儲存在PSL物質(zhì)中的物質(zhì)中的影像信息相對應(yīng)的熒光經(jīng)光影像信息相對應(yīng)的熒光經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換成相應(yīng)強弱的電倍增管轉(zhuǎn)換成相應(yīng)強弱的電信號，經(jīng)放大和電信號，經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的影像信號。成數(shù)字化的影像信號。4 4、CRCR系統(tǒng)成像的根本過程系統(tǒng)成像的根本過程 1影像信息的采集: PSL物質(zhì)儲存信息2影像信息的讀取: 激光掃描儀 (PSL掃描儀) 3影像信息的處置: 數(shù)字信號 圖像處置4影像的再現(xiàn): 熒光屏顯示 用多幅照相機

22、 激光照相機CR系統(tǒng)成像的根本過程系統(tǒng)成像的根本過程 X線管被測體記錄運用前的成像板激光用掃描儀消除讀出激光IP板讀片機板讀片機CR的優(yōu)點與缺乏：的優(yōu)點與缺乏：優(yōu)點：優(yōu)點：1、產(chǎn)生的數(shù)字圖像能方便的處置儲存和傳輸。、產(chǎn)生的數(shù)字圖像能方便的處置儲存和傳輸。2、x射線照射量的動態(tài)范圍大。射線照射量的動態(tài)范圍大。3、不僅可拍攝平片，還可進展體層攝影、胃腸道雙重造影、不僅可拍攝平片，還可進展體層攝影、胃腸道雙重造影及數(shù)字減影，臨床運用范圍廣。及數(shù)字減影，臨床運用范圍廣。4、IP板可反復(fù)運用。板可反復(fù)運用。缺乏：缺乏：1、時間分辨力較差，不能滿足動態(tài)器官和構(gòu)造的顯示。、時間分辨力較差，不能滿足動態(tài)器官和

23、構(gòu)造的顯示。2、空間分辨力不及、空間分辨力不及x射線檢查的增感屏射線檢查的增感屏/膠片系統(tǒng)。膠片系統(tǒng)。三、直接數(shù)字化三、直接數(shù)字化X射線攝影射線攝影DDR 在具有圖像處置功能的計算機控制下，采用一維或二維的X射線探測器直接把X射線信息影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息的技術(shù)。 能直接將X射線信息影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息的X射線探測器是直接數(shù)字化X射線攝影技術(shù)的中心。1、非晶態(tài)硒型平板探測器、非晶態(tài)硒型平板探測器2、非晶態(tài)硅型平板探測器、非晶態(tài)硅型平板探測器3、氣體電離室探測器、氣體電離室探測器X射線信息影像數(shù)字圖像信息X射線探測器平板數(shù)字探測器平板數(shù)字探測器(FPD, Flat Panel Detector)資料種類：資料種類：非晶硒探測器非晶硒探測器非晶硅探測器非晶硅探測器CCD探測器探測器CMOS探測器探測器薄膜晶體管陣列薄膜晶體管陣列 Thin Film Transistor array平板數(shù)字探測器的作用原理平板數(shù)字探測器的作用原理(FPD, Flat Panel Detector)非晶硅型非晶硅型非晶硒型非晶硒型非晶態(tài)硒型平板探測器成像原理：非晶態(tài)硒型平板探測器成像原理：構(gòu)造：集電矩陣、硒層、電介層、頂層電極、維護層構(gòu)造：集電矩陣、硒層、電介層、頂層電極、維護層任務(wù)原理：任務(wù)原理：X射線射線 硒層硒層 電子電子-空穴對空穴對 TFT貯貯存電荷存電荷 外電路外電路 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換