1、醫(yī)學(xué)影像成像理論第四章數(shù)字X線成像主要內(nèi)容第一節(jié) 數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識第二節(jié) 計算機X線攝影第三節(jié) 數(shù)字X線攝影第四節(jié) 數(shù)字減影血管造影第一節(jié) 數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識數(shù)字X 線成像技術(shù)是傳統(tǒng)的X 線技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。圖4-1 數(shù)字X 線成像系統(tǒng)框圖一、數(shù)字圖像概念數(shù)字圖像：如果將一幅圖像空間位置分成有限個像素的小區(qū)域，每個像素中的灰度平均值用一個整數(shù)來表示，這種圖像信息便是數(shù)字信號，圖像信息為數(shù)字信號的圖像就是數(shù)字圖像。與數(shù)字圖像有關(guān)的基本概念：1.體素（體素（voxel）：）：代表一定厚度的三維空間的人體體積單元。是一個三維的概念。2.像素（像素（pixel）：）：組成數(shù)字圖像的基本單元。是

2、一個二維概念，是體素在成像平面的表現(xiàn)。3.像素值像素值 ：是像素的灰度值或強度值，一個像素只具有一個灰度值。4.矩陣矩陣（matrix） ： 5.采集矩陣采集矩陣（acquision matrix）：每幅畫面觀察視野所含像素的數(shù)目；6.顯示矩陣顯示矩陣（display matrix）：監(jiān)示器上顯示的圖像像素數(shù)目。7.視野視野（field of view，F(xiàn)OV）：）： 擬進行檢查容積的選定區(qū)域。8.位深位深(bit depth) ： 又稱位分辨力( bit resolution)，代表一幅圖像中包含的二進制位的數(shù)量。8位深 (28)表示有256種灰度或彩色組合。 9.模模/數(shù)數(shù)( analog

3、i data， A/D ) ：指把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，即把連續(xù)的模擬信號分解為離散的信息，并分別賦予相應(yīng)的數(shù)字量級，完成這種轉(zhuǎn)換的元件稱模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。10.灰階灰階(gray scale)：在影像或顯示器上所呈現(xiàn)的黑白圖像上的各點表現(xiàn)出不同深度灰色，把白色與黑色之間分成若干級，稱為灰度等級，表現(xiàn)的灰度(或亮度)信號的等級差別稱為灰階。為適應(yīng)人視覺的最大等級范圍，灰階一般只有16個刻度，但每一刻度內(nèi)又有4級連續(xù)變化的灰度，共有64個連續(xù)的不同灰度的過渡等級。11.原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)(raw data) (raw data) ：由探測器直接接收到的信號，經(jīng)放大后再通過A/D轉(zhuǎn)換所得到的

4、數(shù)據(jù)。12.顯示數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)(display data) (display data) ：組成某層面圖像的數(shù)據(jù)，亦即該層面各體素灰度值的矩陣中的數(shù)據(jù)。 13.動態(tài)范圍動態(tài)范圍(dynamic range)：對光電轉(zhuǎn)換器而言，亮度響應(yīng)并非從零水平開始，也不會持續(xù)無限大的亮度，響應(yīng)的有用最大與最小亮度值之比即為動態(tài)范圍。14.窗口技術(shù)窗口技術(shù)(window technology)：是調(diào)節(jié)數(shù)字圖像灰階亮度的一種重要方法。即選擇適當?shù)拇皩捄痛拔粊碛^察圖像，使病變部位清晰地顯示出來。15.窗寬窗寬(window width(window width， WWWW) )：表示數(shù)字圖像所顯示灰階范圍，即放大的

5、灰度范圍上下限之差。 16.窗窗位位( window level， WL)：又稱窗水平。是圖像顯示中放大的灰度范圍的平均值，即放大灰度范 圍的灰度中心值。17.空間分辨力空間分辨力(spatial resolution)：又稱高對比分辨力，是指圖像能分辨相鄰兩點的能力，常用能分辨兩點的最小距離來表示。通常用LP/mm表示。18.密度分辨力密度分辨力(density resolution)：又稱低對比分辨力，是指在低對比情況下分辨物體密度微小差 別的能力。通常用百分數(shù)表示。19.時間時間分辨力分辨力( temporal resolution( temporal resolution) )：成像系

6、統(tǒng)單位時間可采集的圖像數(shù)。20.噪聲噪聲(noise)(noise)：為圖像中可見的斑點、細粒、網(wǎng)紋或雪花狀的異常結(jié)構(gòu)，是影響影像質(zhì)量的重要因素，它掩蓋或降低了某些影像細節(jié)的可見度，使獲得的影像不清晰。在X線數(shù)字成像中，影像上觀察到的亮度水平隨機出現(xiàn)的波動稱為噪聲。從本質(zhì)上分析，噪聲主要是統(tǒng)計學(xué)而不是檢測性的。 21.信噪比信噪比(signal noise ratio， SNR)：在實際的信息中一般都包含有信號和噪聲。用來表征信號強 度同噪聲強度之比的參數(shù)稱為信號噪聲比。SNR值愈大，噪聲對信號的影響愈小，信息傳遞質(zhì)量就愈高。22.調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfe

7、r function， MTF)：是以空間頻率為變量的函數(shù)。各個值都有自己的調(diào)制傳遞值和相位傳遞值。用于評價成像系統(tǒng)對物體成像的再現(xiàn)能力。23.噪聲功率譜噪聲功率譜(noise power spectrum， NPS )：又稱威納頻譜，表示圖像中單位長度上噪聲能量隨空間頻率變化的分布情況，其值是噪聲自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換。能量是指影像的微小密度差。24.量子檢出效率量子檢出效率(detective quantum efficiency(detective quantum efficiency， DQEDQE) )：成像系統(tǒng)的有效量子的利用率。 圖像矩陣大小與圖像關(guān)系：矩陣大小根據(jù)應(yīng)用和成像系統(tǒng)

8、的容量決定。一幅圖像中包含的像素數(shù)目等于圖像矩陣行與列數(shù)目的乘積。 圖像的像素數(shù)少，像素尺寸大，圖像的空間分辨力低；像素數(shù)量多，圖像的空間分辨力高（L P/mm）。圖像的像素數(shù)是由像素大小和整個圖像的尺寸決定的。像素數(shù)與像素大小的乘積決定視野（field of view， FOV）。圖像矩陣大小固定， FOV增加圖像空間分辨力降低。二、數(shù)字圖像與圖像矩陣、灰度級數(shù)的關(guān)系二、數(shù)字圖像與圖像矩陣、灰度級數(shù)的關(guān)系1與圖像矩陣與圖像矩陣的的關(guān)系關(guān)系 ：圖像矩陣中的行與列的數(shù)目一般都是2的倍數(shù)。一幅圖像中包含的像素數(shù)目等于圖像矩陣行數(shù)與列數(shù)的乘積。2與灰度級數(shù)的與灰度級數(shù)的關(guān)系關(guān)系： A/D 轉(zhuǎn)換器將連

9、續(xù)變化的灰度值轉(zhuǎn)化為一系列離散的整數(shù)灰度值，量化后的整數(shù)灰度值又稱為灰度級（gray level）或灰階。每個像素的灰度精度范圍從l 位（2 個灰度級）到12 位（4096 個灰度級）三、數(shù)字圖像的形成1圖像數(shù)據(jù)采集： 是通過各種接收器件（如成像板、探測器、CCD 攝像管、檢測器、探頭等），將曝光或掃描等形式收集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)采集大都經(jīng)過三個步驟：分割、采樣、量化（1）分割：是將圖像分割成若干個小單元的空間取樣處理。三、數(shù)字圖像的形成（2）采樣：對一幅圖像采樣時該圖像中像素的每一個亮點被采樣，亮點的光強度通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號（模擬信號）。（3）量化：量化過程中

10、，每一個被采樣像素的亮度值都取整數(shù)（0、正數(shù)或負數(shù)），所取的數(shù)值決定了數(shù)字圖像的灰度值，并且精確地對應(yīng)于像素點。整個量化過程，整數(shù)表示的電子信號完全取決于原始信號的強度，并且與原始信號的強度成正比。2圖像重建：計算機接受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)字信號后，立即進行數(shù)據(jù)處理：根據(jù)需要采取放大、濾波或降噪等處理方法，并將像素的位置信息與強度信息結(jié)合，重建出一幅圖像。3圖像顯示：計算機將信號處理后重建的圖像輸出至監(jiān)視器屏幕上顯示。同時，將所接受到的圖像數(shù)據(jù)進行存儲，以備隨時調(diào)用、顯示或重建。四、數(shù)字圖像的特點從應(yīng)用角度分析，數(shù)字圖像與模擬圖像相比具有其自身的特點：1密度分辨力密度分辨力高高： 屏-片系統(tǒng)的密度

11、分辨力只能達到26灰階，數(shù)字圖像的密度分辨力可達到210l2灰階。2可進行可進行后后圖像處理圖像處理 ：只要保留原始數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)診斷需要，有針對性的對圖像進行處理，以達到改善圖像質(zhì)量，增加診斷信息，提高診斷準確性的目的。3可以高保真地存儲、調(diào)閱、傳輸可以高保真地存儲、調(diào)閱、傳輸或或拷貝拷貝 ：數(shù)字圖像可以存儲于磁盤、磁帶、光盤及各種記憶卡中，并可隨時進行調(diào)閱、傳輸。五、數(shù)字圖像的基本處理常用的醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像處理技術(shù)有：圖像增強、圖像運算、圖像變換、圖像分割及圖像重建等。1圖像增強圖像增強： 圖像增強是增強圖像中某些有用信息，削弱或去除無用信息。如：增強圖像對比度、提高信噪比、強調(diào)組織邊緣等。

12、2圖像圖像運算運算： 圖像運算分為代數(shù)運算和幾何運算。圖像代數(shù)圖像代數(shù)運算運算：是指對兩幅或兩幅以上的圖像進行加、減、乘、除運算，處理的基本單位是像素，通過運算改變像素灰度值，但不改變像素之間的相對位置關(guān)系。圖像幾何運算圖像幾何運算：是指對圖像進行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、錯切、鏡像等改變像素相對位置的處理。3圖像變換圖像變換 ：圖像變換是指將圖像轉(zhuǎn)換到頻率域或其他非空間域的變換域中進行處理。4圖像分割圖像分割 ：圖像分割是按照某種原則將圖像分成若干個有意義的部分，使得每一部分都符合某種一致性要求。5三維三維重建重建： 三維圖像重建是指利用獲得的連續(xù)二維斷層圖像信息，按照體繪制、面繪制等運算方法，重建

13、出反映組織三維信息的三維影像。面繪制適于重建單個臟器組織，重在顯示組織外觀形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)，但不描述組織內(nèi)部信息，信息利用率較小。臨床常用的面繪制有表面陰影表面陰影顯示（顯示（SSD）。體繪制適于多個臟器組織的重建，尤其對于相互包含的多重組織顯示效果較好，其算法充分利用圖像數(shù)據(jù)，反映的診斷信息更多。臨床常用的體繪制有最大密度投影（最大密度投影（MIP）、容積再現(xiàn)（容積再現(xiàn)（VR）等。第二節(jié) 計算機X 線攝影計算機X 線攝影（CR）是使用可記錄并由激光讀出X 線影像信息的成像板（IP）作為載體，經(jīng)X 線曝光及信息讀出處理，形成數(shù)字式平片影像。CR 系統(tǒng)中入射到IP的X線量子被IP的成像層內(nèi)的熒光顆

14、粒吸收，釋放出電子，其中一部分電子散布在成像層內(nèi)呈半穩(wěn)定狀態(tài)，形成潛影（信息記錄）；當用激光照射已形成的潛影時，半穩(wěn)定狀態(tài)的電子轉(zhuǎn)變?yōu)楣饬孔?，發(fā)生光激勵發(fā)光（PSL）現(xiàn)象，光量子隨即由光電倍增管檢測到，并被轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（信息讀出）；然后數(shù)字信號被傳送到存儲與顯示元件中作進一步處理與顯示（信息的處理與記錄）。一、CR 系統(tǒng)特點CR 系統(tǒng)的優(yōu)點：1IP 可重復(fù)使用 2具有多種處理技術(shù) 3靈敏度高，具有較高的空間分辨力4具有高的線性度 5動態(tài)范圍大 6寬容度大 7高度的識別性 8可數(shù)字化存儲CR 系統(tǒng)的缺點：1時間分辨力較差 不能滿足動態(tài)器官結(jié)構(gòu)的顯示；2空間分辨力

15、不如常規(guī)的X 線照片。二、成像板1.成像成像板板（ Imaging plate ，IP）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： IP 由保護層、PSL 物質(zhì)層、基板等組成。（1）表面保護層：）表面保護層：防止PSL物質(zhì)層在使用過程中受到損傷。用聚酯樹脂類纖維制造。 （2）PSL物質(zhì)層：物質(zhì)層：將PSL物質(zhì)混于多聚體溶液中，涂在基板上干燥而成。具有適度的柔軟性和機械強度，不因濕度、溫度和放射線、激光等影響發(fā)生物理性質(zhì)變化。 PSL物質(zhì)結(jié)晶體顆粒的平均直徑在47m，晶體顆粒直徑增大，發(fā)光量增強，影像清晰度降低。（3）基板：）基板：保護PSL物質(zhì)層免受外力損傷。材料是聚酯樹脂纖維膠膜，厚度在200350m。為避免激光在PSL物

16、質(zhì)層和基板之間發(fā)生界面反射，提高影像清晰度，基板制成黑色。為防止光透過基板而影響到下一張IP，在基板上加一個吸光層。 （4）背面保護層：）背面保護層：為防止使用過程中IP之間的摩擦損傷，避免輸運過程中產(chǎn)生靜電干擾的導(dǎo)電層。材料同表面保護層。2成像板的原理成像板的原理 X線PSL物質(zhì)（BaFXEu 2+晶體），發(fā)出熒光，熒光強度與入射X線量相關(guān)，形成潛影激光掃描電信號（模擬信號） A/D轉(zhuǎn)換（數(shù)字信號） 。(1)發(fā)射與激發(fā)光譜發(fā)射與激發(fā)光譜:當X線初次照射摻雜Eu2+的BaFXEu2+晶體時，其吸收光譜在37keV處有一銳利、鋸齒形的不連續(xù)吸收，這是晶體中鋇原子的K緣所致。被X線激活的BaFXE

17、u2+晶體在受到二次激發(fā)光照射時，作為發(fā)光中心的Eu2+可發(fā)出波長峰值約為390400nm的紫色熒光，熒光的強度主要取決于作為一次激發(fā)光的X線的照射量。IP第2次讀出光線以600nm左右波長的紅光最佳，它可最有效地激發(fā)PSL，稱為激發(fā)光譜。發(fā)射光譜與激發(fā)光譜波長的峰值間需有一定的差別，以保證二者在光學(xué)上的不一致，從而達到影像最佳的SNR。3IP特性特性 IP 的固有特征是X 線輻射劑量與激光束激發(fā)的PSL 強度之間的在1:104范圍內(nèi)是線性的，該線性關(guān)系使CR 系統(tǒng)具有高的敏感性和寬的動態(tài)范圍。4IP使用注意事項使用注意事項（1）IP使用前應(yīng)用強光照射，消除存在的潛影；（2）儲存在PSL物質(zhì)中

18、的影像信息隨儲存時間的延長而衰減，所以曝光后IP必須在8h內(nèi)掃描讀出；（3）IP不僅對X線敏感，對紫外線、射線、射線、射線以及電子等電磁波也敏感，攝影前、后的IP都要屏蔽。避光不良或漏光的IP上的圖像會因儲存的影像信息量減少而變得發(fā)白。（4）注意避免IP出現(xiàn)擦傷。三、CR 成像基本原理CR 系統(tǒng)成像可用四象限理論來描述其成像基本原理。1影像信息采集（第一象限影像信息采集（第一象限）CR 系統(tǒng)的影像是通過一種涂在IP 上的特殊物質(zhì)-光激勵發(fā)光物質(zhì)來完成影像信息的采集，光激勵發(fā)光（PSL）的強度與二次激發(fā)光（激光）的波長有關(guān)。影像信息采集影像信息采集影像信息讀取影像信息讀取影像信息處理影像信息處理

19、影像再現(xiàn)影像再現(xiàn) 2影像信息讀?。ǖ诙跋裥畔⒆x?。ǖ诙笙尴笙蓿?貯存在PSL 物質(zhì)中的影像信息是以模擬信號的形式記錄下來的，要將其讀出并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，需使用激光掃描讀出裝置（稱光激勵發(fā)光掃描儀或PSL 掃描儀）。圖4-11 CR系統(tǒng)影像讀取原理示意圖影像信息讀取影像信息讀取3影像信息處理（第三影像信息處理（第三象限象限） 由第二象限輸入的信息經(jīng)影像處理裝置（IPC）處理，顯示出適用于診斷的影像，顯示的特征是可以獨立控制的，可根據(jù)診斷要求施行各種處理。如動態(tài)范動態(tài)范圍壓縮處理、諧調(diào)處理、空間頻率處理、圍壓縮處理、諧調(diào)處理、空間頻率處理、減影處理減影處理等，能在較大的范圍內(nèi)改變影像特性。影像

20、信息處理影像信息處理4影像再現(xiàn)（第四影像再現(xiàn)（第四象限象限） 饋入影像記錄裝置（IRC）的影像信號重新被轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號以獲得X 線照片。第四象限決定了CR 系統(tǒng)中輸出的X 線照片的特性曲線。儲存在PSL物質(zhì)中的X線影像是一種潛影，由激光掃描儀讀取并輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理后，還需要變換成人眼能看見的影像。常用的方法有:熒光屏顯示、熒光屏顯示、用多幅照相機將熒光屏顯示的影像拍攝用多幅照相機將熒光屏顯示的影像拍攝到膠片上、用激光照相機直接將影像信到膠片上、用激光照相機直接將影像信號記錄下來。號記錄下來。影像再現(xiàn)影像再現(xiàn) 四象限理論中，第一象限涉及IP 的固有特性，在系統(tǒng)運行中是不能調(diào)節(jié)的，第二至四象

21、限則在系統(tǒng)運行中可充分調(diào)節(jié)，實施影像處理功能。影像信息采集影像信息采集影像信息讀取影像信息讀取影像信息處理影像信息處理影像再現(xiàn)影像再現(xiàn) 四、CR 系統(tǒng)的圖像處理CR 系統(tǒng)中實施圖像處理功能分為三個主要環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)是與系統(tǒng)的檢測功能有關(guān)的處理，即第二象限功能。該處理環(huán)節(jié)稱為曝光數(shù)據(jù)識別（EDR）。第二個環(huán)節(jié)是與顯示的影像特征有關(guān)的處理，即第三象限功能。這一環(huán)節(jié)的功能在于通過各種特定處理（如諧調(diào)處理、頻率處理、減影處理等）為診斷醫(yī)生提供滿足不同診斷要求的、具有較高診斷價值的影像。第三個環(huán)節(jié)是與影像信息的存儲與傳輸功能有關(guān)的處理，即第四象限功能。這個功能是獲得質(zhì)量優(yōu)良的照片記錄，并在不衰減影像質(zhì)

22、量的前提下實施影像數(shù)據(jù)的壓縮，以達到高效率的存儲與傳輸。4-12（一）與檢測功能有關(guān)的處理直方圖分析五種類型：用于骨骼皮膚的顯示；用于骨骼軟組織的顯示；用于胃腸道鋇劑造影檢查的顯示；著重突出軟組織信息的軟組織顯示；著重突出骨骼信息的骨骼顯示。（二）與顯示功能有關(guān)的處理顯示功能的處理包括：動態(tài)范圍（dynamic range）壓縮處理、諧調(diào)（層次）處理（gradation processing）、空間頻率處理（ spatialfrequency processing）和能量減影處理（ energy subtraction processing）。CR 圖像處理操作界面如右圖所示。1動態(tài)范圍壓縮處

23、理指將原始影像信號的信息范圍按照診斷的需要、用適當?shù)倪M行適當?shù)奶幚砗瘮?shù)進行壓縮處理，使不需要的信號被壓縮掉，需要的信號清楚地顯示出來。動態(tài)范圍壓縮處理在諧調(diào)處理與空間頻率處理之前施行。4減影處理 是通過采用一定的技術(shù)來消除無關(guān)結(jié)構(gòu)的背景影像，使需要觀察的結(jié)構(gòu)能更清楚地顯示。CR 系統(tǒng)也可完成血管造影與非造影影像的減影功能。CR 系統(tǒng)中減影方式有：時間減影和能量減影。CR 系統(tǒng)與DSA 設(shè)備相比有下述優(yōu)點：IP 覆蓋范圍大，可克服DSA 設(shè)備中影像增強管（I.I）視野較小的限制；IP 的空間分辨力比I.I-TV 系統(tǒng)高；IP 的動態(tài)范圍寬，利于曝光區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)具有明顯密度差別時信息的采集；曝光劑

24、量低。五、影響CR 影像質(zhì)量的因素CR 系統(tǒng)成像過程中，對影像質(zhì)量的影響主要在于信息的采集、信息的讀出、信息的處理與記錄四個環(huán)節(jié)中，尤其以IP 的特征和閱讀器的性能為重要。1決定系統(tǒng)響應(yīng)性的因素（1）進入IP 的散射線（2）激光束在IP 熒光層上的散射（3）電子系統(tǒng)的響應(yīng)特征2噪聲 CR 系統(tǒng)中存在著兩種噪聲，即量子噪聲（X 線量依賴性噪聲）和固有噪聲（非X 線量依賴性噪聲），量子噪聲又分為X 線量子噪聲和光量子噪聲。CR系統(tǒng)的優(yōu)點及其應(yīng)用價值1. 可降低X線劑量胸部投照：常規(guī)X線攝影的1/201/7；胃腸道造影：為常規(guī)X線攝影的1/20；泌尿與盆腔：為1/81/22.可與原有的X線攝影設(shè)備匹

25、配工作充分利用醫(yī)院原有X光機,避免資源浪費。3.具有多種圖像后處理功能 如測量（大小、面積、密度）、局部放大、對比度轉(zhuǎn)換、對比度反轉(zhuǎn)、影像邊緣增強技術(shù)、多幅顯示及減影等。提高影像質(zhì)量，避免重照4.可數(shù)字化存儲 實現(xiàn)醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像的數(shù)字化基礎(chǔ)便于并入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進行圖像存儲與傳輸；省去膠片費用及存儲膠片空間。CR系統(tǒng)當前的不足及缺點系統(tǒng)當前的不足及缺點1、 時間分辨力較差，不能滿足動態(tài)器官和結(jié)構(gòu)的顯示2、 空間分辨力還稍顯不足 類似于膠片掃描儀 只能單次攝片，缺乏高級應(yīng)用軟件 流程長，速度慢 勞動強度高 輻射劑量大 IP板為消耗品 科技含量低，成本較低無論是成像方式上，還是工作流程上，CR與常規(guī)X-

26、ray系統(tǒng)相比均沒有根本性的改變。CR僅僅是常規(guī)X-ray的數(shù)字化，而不是數(shù)字化的X-ray 。第三節(jié) 數(shù)字X 線攝影20世紀90年代初，X線物理研究人員認識到平板探測器 ( flat panel detector ，F(xiàn)PD)將是X線成像的一個重要技術(shù)性突破，不久便開始對其進行開發(fā)研究。將薄膜晶體管(thin film transistor，TFT)陣列技術(shù)應(yīng)用于二維平面X線探測元陣列，加速了實用裝置的開發(fā)研究。隨后，用于乳腺和胸部X線攝影的樣機開始投放市場。1995年北美放射年會上報道了基于Se的直接轉(zhuǎn)換型FPDo 1997年出現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)換和間接轉(zhuǎn)換型FPD開發(fā)的報道。近年用于數(shù)字透視和攝影

27、的30幀/秒的大面積FPD已逐步應(yīng)用于臨床，可提高空間分辨力和高對比度的數(shù)字動態(tài)影像和靜態(tài)影像。第三節(jié) 數(shù)字X 線攝影數(shù)字X線攝影是指計算機控制下，采用一維或二維的X線探測器直接把X線影像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號習(xí)技術(shù)。DR與CR相比，具有五個優(yōu)點：曝光劑量降低，被檢者受照射劑量更??；時間分辨力明顯提高，在曝光后幾秒內(nèi)即可顯示圖像；具有更高的動態(tài)范圍，DQE和MTF性能好；能覆蓋更大的對比度范圍，使圖像層次更豐富；操作快捷方便，省時省力，提高工作效率。DR主要的成像方法有：直接型FPD（ DDR ）、間接型FPD（ IDR ）、MWPC（multi-wire proportional chamber

28、 ，多絲正比電離室型）和CCD技術(shù)等。DR技術(shù)發(fā)展的焦點是FPD 的動態(tài)顯示能力，希望新FPD能用于從普通X線攝影到胃腸道、心血管對比研究的各種檢查，可向臨床提供更多有診斷價值的信息。第三節(jié) 數(shù)字X 線攝影一、直接轉(zhuǎn)換型平板探測器（ Flat panel detector ,FPD）直接型FPD也叫電子暗盒(electronic cassette)，主要由導(dǎo)電層、電介層、Se層、頂層電極、集電矩陣層、玻璃襯底、保護層，以及高壓電源和輸入輸出電路組成，其中Se層和集電矩陣層最為重要。(一)基本結(jié)構(gòu)1. X線轉(zhuǎn)換單元：應(yīng)用a-Se為光電材料將X線轉(zhuǎn)換成電子信號。當X線照射a-Se層時，由于光電導(dǎo)性

29、產(chǎn)生一定比例的正負電荷。通過使用幾千伏的電壓，使產(chǎn)生的電荷以光電流的形式沿電場移動，并且由于探測元陣列的存在而使電荷無丟失或散落的聚集起來。2.探測元陣列單元用TFT技術(shù)在一玻璃基層上組裝幾百萬個探測元的陣列，每個探測元包括一個電容和一個TFT，且對應(yīng)圖像的一個像素。諸多像素被安排成二維矩陣，按行設(shè)門控線，按列設(shè)圖像電荷輸出線。3.高速信號處理單元產(chǎn)生地址信號并隨后激活探測元陣列單元中探測元的TFT。作為對這些地址信號的響應(yīng)而讀出的電子信號被放大后送到ADC。4.數(shù)字影像傳輸單元對數(shù)字信號的固有特性進行補償，并將數(shù)字信號傳送到主計算機。在X線透視中，動態(tài)影像的采集達到30幅/秒，相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸

30、速度應(yīng)超過109位。（二）工作原理：集電矩陣由按陣元方式排列的TFT組成，a-Se涂覆在集電矩陣上。當X線照射a-Se層時，由于光電導(dǎo)性產(chǎn)生一定比例的電子-空穴對，在頂層電極和集電矩陣間外加高壓電場的作用下，電子和空穴以電流形式沿電場移動，導(dǎo)致TFT的極間電容將電荷元丟失或散落地聚集起來，電荷量與人射光子成正比。這樣，每個TFT成為一個采集圖像的最小單元(像素)。每個像素區(qū)域內(nèi)形成一個場效應(yīng)管，起開關(guān)作用。 讀出時，某一行被給予電壓，這一行的開關(guān)就被打開，電荷從被選中行的所有電容中按順序逐一送到外電路。在大型電路中，這樣將產(chǎn)生幾個信號必須同時被讀出，TFT被來自高速處理單元的地址信號激活時，聚

31、集的電荷就會被以電信號的形式讀取到高速信號處理單元中，經(jīng)讀出放大器放大后被同步地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。補充1：探測器DQE DQE（檢測量子效率）是指成像系統(tǒng)中輸出信號(信噪比平方)與輸入信號(信噪比平方)之比?？梢越忉尀槌上裣到y(tǒng)中有效量子的利用率。DQE值越高(最高值為1，即100利用)，有效量子利用率高，輸出信息也就越高，實際是不可能。補充2：焦點的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF焦點的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer functiom,MTF)：是指X管焦點面上光源使肢體成像時，肢體組織影像再現(xiàn)率的函數(shù)關(guān)系。在同一個空間頻率值時，MTF值越大的焦點，成像性能好；MTF值越小的焦點，成像性

32、能差。MTF的閾值：0MTF1。MTF=1，表示成像系統(tǒng)的輸入與對比度相等。MTF=0，表示成像系統(tǒng)的輸出對比度為0，即影像消失。這意味著成象系統(tǒng)不能把輸入影象信息全部再現(xiàn)出來。換言之, 凡是經(jīng)過成象系統(tǒng)所獲得的影象, 都程度不同地損失了輸入影象的信息。MTF 輸出影像對比度輸入影像對比度補充2：焦點的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF按國際上的統(tǒng)一規(guī)定:若僅研究以空間頻率(LP/mm)為變量的光學(xué)傳遞函數(shù)的絕對值部分內(nèi)容的，稱作調(diào)制傳遞函數(shù)MTF (Modulation Transfer Funetion)；若僅研究以空間頻率(LP/mm)為變量的光學(xué)傳遞函數(shù)的相位傳遞值部分內(nèi)容的，稱作相位傳遞函數(shù)PTF

33、(Phase transfer function)；若將PTF與MTF兩部分結(jié)合起來為研究內(nèi)容的，就稱作光學(xué)傳遞函數(shù)OTF (Optical transfer function)。二、間接型轉(zhuǎn)換平板探測器間接型FPD是一種以a-Si光電二極管陣列為核心的X線影像間接轉(zhuǎn)換探測器。在X線照射下，F(xiàn)PD的閃爍體或熒光體層將X線光子轉(zhuǎn)換為可見光，而后由具有光電二極管作用的a-Si陣列轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過外圍電路檢出及A/D轉(zhuǎn)換，獲得數(shù)字圖像。由于其經(jīng)歷了由于其經(jīng)歷了X線線-可見光可見光-電荷電荷-數(shù)字圖像的成像過程，通常稱作間接轉(zhuǎn)換數(shù)字圖像的成像過程，通常稱作間接轉(zhuǎn)換型型FPD。a-Si FPD具有成像

34、速度快、良好的空間及密度分辨力、高SNR、直接數(shù)字輸出等優(yōu)點，從而被廣泛的應(yīng)用于各種數(shù)字化X線成像裝置。(一一)基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)a-Si FPD基本結(jié)構(gòu)由CsI閃爍體層、a-Si光電二極管陣列、行驅(qū)動電路以及圖像信號讀取電路四部分構(gòu)成。 1.熒光熒光材料層材料層 即CsI閃爍體。閃爍體是一種吸收X線并把能量轉(zhuǎn)換為可見光的化合物。 CsI閃爍體吸收閃爍體吸收X線量子并將其轉(zhuǎn)換成可見光，與線量子并將其轉(zhuǎn)換成可見光，與a-Si光譜靈光譜靈敏度的峰值相匹配敏度的峰值相匹配。好的閃爍體對每個X線光子可以產(chǎn)生許多個可見光光子，每lkeV X線輸出20 -50個可見光光子。閃爍體通常是高原子序數(shù)的物質(zhì)，有高

35、的X線接收能力。因為Cs具有高原子序數(shù)，是X線接收器的好材料。FPD所采用的碘化銫閃爍體(cesium iodide scintillator)材料由連續(xù)排列的針狀CsI晶體構(gòu)成。圖4-29圖4-30CsI的X線吸收系數(shù)是X線能量的函數(shù)，隨著X線能量的增加， CsI材料的吸收系數(shù)逐漸降低；材料厚度增加吸收系數(shù)升高。在常規(guī)診斷用X線能量范圍內(nèi)，CsI材料具有優(yōu)于Se材料及其他X線熒光體材料的吸收性能。從理論上講，增加材料的厚度可提高材料的吸收系數(shù)，但增加材料的厚度會導(dǎo)致圖像分辨力的降低。 CsI發(fā)射光譜與a-Si光電二極管波長峰值為550nm，且具有很好的匹配關(guān)系和CsI晶體具有良好的X線-電荷

36、轉(zhuǎn)換特性(3)結(jié)構(gòu)化碘化銫晶體(CsI :Tl)的空間頻率響應(yīng):線性系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)通常采用系統(tǒng)的MTF表示，在系統(tǒng)應(yīng)用的空間頻率范圍內(nèi)MTF值越高，則空間頻率特性越好，對于影像系統(tǒng)來說可以獲得更好的圖像對比度。出于提高MTF的需要，應(yīng)盡量采用薄的X線轉(zhuǎn)換層；但降低轉(zhuǎn)換層的厚度又會帶來X線吸收效率的降低。這是在轉(zhuǎn)換材料的選擇和設(shè)計上需要平衡的一對矛盾，因此人們通常選用稀有重元素的化合物作為制備X線閃爍體的材料。另一方面人們還從改變晶體結(jié)構(gòu)著手來改善空間頻率響應(yīng)特性。結(jié)構(gòu)化(似光纖結(jié)構(gòu)) CsI:Tl晶體正是在這一指導(dǎo)思想下提出的一個較好的解決方案。與粉末狀閃爍體相比，此種結(jié)構(gòu)對于層厚的依賴大

37、為降低，具有較好的空間頻率響應(yīng)特性。當然，結(jié)構(gòu)化CsI :Tl晶體的光波導(dǎo)特性并不意味著可以無限制地增加閃爍體的厚度，其他的限制性因素也需要加以考慮，如視差效應(yīng)(X線人射角應(yīng)小于由像素大小、轉(zhuǎn)換層厚度決定的角度)等。2.探測元探測元陣列層陣列層 每個探測元包括一個a-Si光電二極管和起開關(guān)作的TFT。在運行時，TFT關(guān)閉，給光電二極管一個外部反向偏置電壓，通過閃爍體的可見光產(chǎn)生的電荷聚集在二極管上。讀取時，給TFT一電壓使其打開，電荷就會由二極管沿數(shù)據(jù)線流出，以電信號的形式“讀”到信號處理單元。a-Si光電二極管陣列：測器陣列由間距143m的a-Si光電二極管排列，1717探測器由3000行3

38、000列共900萬個像素構(gòu)成。 每一像素由a-Si光電二極管、開關(guān)二極管、行驅(qū)動線和列讀出線構(gòu)成。同一行所有像素的行驅(qū)動線相連，同一列所有像素的列讀出線相連，構(gòu)成探測器矩陣的總線系統(tǒng)。 a-Si光電二極管陣列完成可見光圖像向電荷圖像轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)連續(xù)圖像的點陣化采樣。3.探測器外圍電路探測器外圍電路 由時序控制器、行驅(qū)動電路、讀出電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信及控制電路組成。在時序控制器的統(tǒng)一指揮下，行驅(qū)動電路將像素的電荷逐行檢出。讀出電路由低功耗CMOS模擬集成電路構(gòu)成，該芯片集成多路開關(guān)，將并行的列脈沖信號轉(zhuǎn)換為串行脈沖信號。讀出電路上包含的A/D轉(zhuǎn)換電路將脈沖信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過數(shù)字接口發(fā)

39、送到圖像處理器。4.探測器系統(tǒng)接口探測器系統(tǒng)接口 包括:圖像數(shù)據(jù)光纖接口，圖像數(shù)據(jù)被編碼為160Mbit/s串行數(shù)據(jù)流，通過光電轉(zhuǎn)換器發(fā)送給數(shù)據(jù)光纖。900萬像素圖像矩陣的讀出時間為1.2秒，圖像采集循環(huán)的典型時間間隔為5秒；雙向通信接口用于控制及狀態(tài)信息的傳輸。 (二)工作原理位于FPD頂層的CsI閃爍晶體將入射的X線圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像。位于CsI層下的a-Si光電二極管陣列將可見光圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖像，每一個像素的電荷量變化與入射X線的強度成正比，同時該陣列還將空間上連續(xù)的X線圖像轉(zhuǎn)換為一定數(shù)量的行和列構(gòu)成的點陣式圖像，點陣的密度決定了圖像的空間分辨力。在中央時序控制器的統(tǒng)一控制下，居于行

40、方向的行驅(qū)動電路與居于列方向的讀取電路將電荷信號逐行取出，轉(zhuǎn)換為串行脈沖序列并量化為數(shù)字信號。獲取的數(shù)字信號經(jīng)通信接口電路傳送至圖像處理器，從而形成X線數(shù)字圖像。三、多絲正比電離室型多絲正比電離室（MWPC）型直接數(shù)字X 線攝影，是中興醫(yī)療公司與俄羅斯科學(xué)院核物理研究所于1999 年在中國共同研制成功的低劑量直接數(shù)字化X 線機，或稱為低劑量X線機，采用一種狹縫式的線掃描裝置。組成：多絲正比電離室由主機部分、探測系統(tǒng)、掃描機構(gòu)、計算機系統(tǒng)和其它輔助系統(tǒng)組成。多絲正比電離室與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的直接數(shù)字化的探測系統(tǒng)無需A/D轉(zhuǎn)換，采集效率高，其背景噪聲為 零 ，動態(tài)范圍理論上高達 104 。 CCD

41、攝像機技術(shù)攝像機技術(shù)CCD目前在視頻和數(shù)字照相領(lǐng)域用作照相機的影像獲取部件，目前在視頻和數(shù)字照相領(lǐng)域用作照相機的影像獲取部件，CCD數(shù)字放射成像系統(tǒng)使用這些設(shè)備及光學(xué)裝置為閃爍器發(fā)出的光線成像。數(shù)字放射成像系統(tǒng)使用這些設(shè)備及光學(xué)裝置為閃爍器發(fā)出的光線成像。nCCD 技術(shù)（光學(xué)透鏡式、狹縫掃描式、光纖圓錐式）技術(shù)（光學(xué)透鏡式、狹縫掃描式、光纖圓錐式）X線光子線光子可見光可見光閃爍體閃爍體透鏡透鏡鏡面鏡面CCD 傳感器傳感器 CCD 陣列轉(zhuǎn)換閃爍體/CCD/光纖陣列球管準直裝置 光子光子閃爍體閃爍體可見光可見光光纖錐體光纖錐體 電子電子CCD DSADSA的發(fā)展的發(fā)展 2020世紀世紀6060年代

42、出現(xiàn)了年代出現(xiàn)了X X線照片減影技術(shù)線照片減影技術(shù)( (radiographic image radiographic image subtractionsubtraction) ) 2020世紀世紀7070年代年代電子計算機技術(shù)電子計算機技術(shù)逐步應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，數(shù)逐步應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，數(shù)字字X X線成像技術(shù)線成像技術(shù)( (digital radiography)digital radiography)迅猛迅猛發(fā)展發(fā)展 19781978年由美國亞利桑納大學(xué)的實驗小組研制成功年由美國亞利桑納大學(xué)的實驗小組研制成功第一臺第一臺數(shù)字減影機數(shù)字減影機，19801980年在北美放射學(xué)會年在北美放射學(xué)會(

43、(RSNA)RSNA)的芝加哥會議的芝加哥會議上公布于世上公布于世第四節(jié) 數(shù)字減影血管造影數(shù)字減影血管造影機數(shù)字減影血管造影機( (DSA)DSA)數(shù)字減影血管造影機數(shù)字減影血管造影機( (DSA)DSA)血管造影血管造影CTCT機機數(shù)字減影血管造影（DSA）是計算機與常規(guī)X 線血管造影相結(jié)合的一種檢查方法。 造影圖像造影圖像 減影圖像減影圖像= = 蒙蒙 片片DSA 成像裝置由影像增強器-攝像機、對數(shù)放大-A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲器、影像處理機及顯示裝置等組成。一、DSA 原理DSA 中用來數(shù)字化并相減的信號取自攝像機的輸出端，它是由透過人體后的X 線強度決定的。當單能窄束X 線通過兩均勻介質(zhì)時

44、，X 線射出強度IT和入射X 線強度I0之間服從指數(shù)衰減規(guī)律。一、DSA 原理10BBTTddTII eIIITTBBddddTeII02IIITTBBTddddII02lnln10lnlnTB BT TIIdd血管內(nèi)注入碘對比劑前：血管內(nèi)注入碘對比劑后：或：或：注入碘對比劑前與后透過X線強度為：12=lnlnTTTIIIIId減影后的信號只與對比劑（血管）的厚度成正比，與骨和軟組織的結(jié)構(gòu)無關(guān)。減影后的信號只與對比劑（血管）的厚度成正比，與骨和軟組織的結(jié)構(gòu)無關(guān)。DSA 成像過程：攝制普通片，制成蒙片（mask）；攝制血管造影片（充盈圖像）；將蒙片與血管造影片加權(quán)減影即得到DSA 圖像。注入造影

45、劑前的影像注入造影劑后的影像相減后的影像二、減影方式1時間減時間減影影2能量減影能量減影3混合減影混合減影 二、減影方式1時間減時間減影影是DSA 的常用方式。在注入的對比劑進入 ROI（region of interest，感興趣區(qū)域），之前，將一幀或多幀圖像作為蒙片（mask）儲存起來，并與含有對比劑的造影像一一相減。時間減影又可分為常規(guī)方式、脈沖方式、超脈沖方式等。2能量減能量減影影能量減影也稱為雙能減影（dual-energy subtraction）、K-緣減影。進行某ROI 血管造影時，幾乎同時用兩個不同的管電壓取得兩幀圖像對其相減，由于兩幀圖像是由兩種不同的能量攝制的，故稱之為能

46、量減影。原理：利用物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子序數(shù)Z不同，在不同的X線能下,具有不同的吸收系數(shù)的特點，進行加權(quán)減影計算，從而減去一種組織影像，顯示需要組織的影像。（1）兩次曝光法：在曝光中切換X線管輸出的能量，得到兩幅不同能量的照片進行減影(DR)； （2）一次曝光法：在暗盒中放置兩塊IP，中間放一塊銅板，兩塊IP在同一時間曝光，但兩幅影像的曝光能量不同，實施能量減影。X X被被照照體體IP1IP2銅濾板銅濾板單次曝光法設(shè)備結(jié)構(gòu)圖HL雙次曝光法能量減影原理雙次曝光法能量減影原理 探測器X被照體被照體L LH H 探測器X被照體被照體讀出讀出Q Q1 1 讀出讀出Q Q2 2kVpkVp1 1時間時間軟組織軟組織骨組織骨組織Q Q1 1kVpkVp2 2時間時間軟組織軟組織骨組織骨組織Q Q2 2加權(quán)減影加權(quán)減影Qs=aQs=aQ Q2 2-b-bQ Q1 10能