数字x线设备讲义2013

1、1第10章 数字x线设备广东药学院附属第一医院广东药学院附属第一医院 武兴杰武兴杰23概述概述模拟图像：灰度（黑白程度）连续变化。模拟图像：灰度（黑白程度）连续变化。数字图像：灰度是离散的。数字图像：灰度是离散的。数字化数字化X射线成像技术是传统射线成像技术是传统X射线技术与现代计算机射线技术与现代计算机技术结合的产物。技术结合的产物。优点：计算机图像处理、储存、传输。优点：计算机图像处理、储存、传输。4胶片扫描系统扫描仪计算机X线胶片5常见的数字化常见的数字化X线机线机61.定义： 数字数字X线设备是指用特殊器材，把线设备是指用特殊器材，把X线透射图像数字化，并进行计算机图线透射图像数字化，

2、并进行计算机图像处理，再变换成模拟图像显示的一种像处理，再变换成模拟图像显示的一种X线设备。线设备。 数字数字X线设备的产生对线设备的产生对PACS的发展的发展具有决定性的影响。具有决定性的影响。 7 2.分类：分类： 根据成像原理：根据成像原理：分为分为CR （Computed RadiographyComputed Radiography，简，简称称CRCR） 、数字荧光摄影（、数字荧光摄影（digital fluoroscopy，DF）、）、DR、DSA。 CR: 是用存储屏是用存储屏IP（ Image Plate）记录记录X线影像，线影像，通过激光扫描使存储信号转换成光信号，此光信号经

3、光电通过激光扫描使存储信号转换成光信号，此光信号经光电倍增管转换成电信号，再经倍增管转换成电信号，再经A/D转换后，输入计算机处理，转换后，输入计算机处理，形成高质量的数字图像。形成高质量的数字图像。 8 DR: 分为：直接数字分为：直接数字X线摄影（线摄影（direct DR，DDR）和间接数字）和间接数字X线摄影（线摄影（indirect DR，IDR）。）。 DDR是采用是采用X线探测器直接将线探测器直接将X线图像变线图像变成电信号，再转化为数字图像。成电信号，再转化为数字图像。 IDR是先从是先从I.I-TV成像链或照片获得成像链或照片获得X线线信息的模拟图像，再转换成数字图像，前者信

4、息的模拟图像，再转换成数字图像，前者的成像原理与的成像原理与DF相同，后者是利用数字化扫相同，后者是利用数字化扫描仪把照片上记录的模拟信息数字化。描仪把照片上记录的模拟信息数字化。 9根据根据X线束的形状：线束的形状：可分为锥形成像法、扇可分为锥形成像法、扇形和笔形束成像法。形和笔形束成像法。1011 .数字数字X线成像与传统的增感屏线成像与传统的增感屏-胶片比较胶片比较 优点：优点：（1）对比度分辨力高：）对比度分辨力高： 对低对比度的物体具有良好的检测能力，量化对低对比度的物体具有良好的检测能力，量化深度可达深度可达1416bit，而屏，而屏/胶成像的动态范围约胶成像的动态范围约102，量

5、化深度约，量化深度约6bit。（2）辐射剂量小：）辐射剂量小： 数字数字X线成像设备对线成像设备对X线能量的利用率高，其线能量的利用率高，其量子检出效率（量子检出效率（detective quantum efficiency，DQE）可达）可达60%以上。以上。12 .数字数字X线成像与传统的增感屏线成像与传统的增感屏-胶片比较胶片比较优点：优点： （3）成像质量高：）成像质量高： 能用计算机进行图像后处理，以便更精细地观能用计算机进行图像后处理，以便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察感兴趣的细节，一些具有广阔应用前景的新技术（如三维术（如三维X线成像技术、双能量线成像技术

6、、双能量X线成像技术等）线成像技术等）都是以数字成像技术为前提的。都是以数字成像技术为前提的。 13能量减影能量减影左侧为标准胸片，右侧为高能肋骨片，中间为去骨影后的肺组织片左侧为标准胸片，右侧为高能肋骨片，中间为去骨影后的肺组织片14空间分辨率空间分辨率(Spatial Resolution)在 High Contrast情况下区分相邻 最小物体的能力,(又称 “High Contrast Resolution”)决定影像清晰度。常用多少线对/厘米，即LP/CM15（4）数字影像所具有的优点：）数字影像所具有的优点： 可利用大容量的、光盘存储数字可利用大容量的、光盘存储数字影像，消除用胶片记

7、录影像，消除用胶片记录X线影像带来的线影像带来的种种不便，并能进入种种不便，并能进入PACS，实施联网，实施联网，更高效、低耗、省时间、省空间地实现更高效、低耗、省时间、省空间地实现影像的贮存、传输和诊断。影像的贮存、传输和诊断。16（5）对比度分辨力高：）对比度分辨力高： 数字数字X线设备的线设备的空间分辨力空间分辨力不如胶不如胶片，约为片，约为24LP/mm，胶片的空间分辨，胶片的空间分辨力在理论上能达到力在理论上能达到57LP/mm，但散射，但散射光使胶片的感光范围发散，导致锐度光使胶片的感光范围发散，导致锐度（与空间分辨力有关）下降。数字（与空间分辨力有关）下降。数字X线线设备使用的探

8、测器采取特殊技术减少了设备使用的探测器采取特殊技术减少了漫射，较好地避免了锐度下降，使漫射，较好地避免了锐度下降，使对比对比度分辨力度分辨力明显提高。在实际应用中可满明显提高。在实际应用中可满足绝大多数的诊断需要。足绝大多数的诊断需要。 17密度分辨率密度分辨率(Density Resolution)低对比度情况下分辨物体密度微小差别的能力(又称 “Low Contrast Resolution”)受影像清晰度 & 噪声影响。18第一节 线计算机摄影装置系统原理和概念q计算机X线摄影（成像）系统（Computed Radiography，简称CR） qCR是由日本富士公司于七十年代研制，八十年

9、代推出，九十年代上市的计算机X线摄影系统。qCR的关键是用影像板（IP）取代X线胶片，曝光后由激光扫描仪读出IP板上的潜影，并转换成数字信号传入计算机作图像处理。19第一节第一节 X线计算机摄影装置线计算机摄影装置一、基本结构与工作原理一、基本结构与工作原理CR的结构如下图所示，它主要有信息采集、信信息采集、信息转换、信息处理、信息存储和记录等部分组成息转换、信息处理、信息存储和记录等部分组成。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；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。20（二）基本结构（二）基本

10、结构21信息处理由计算机来完成，对数字化的X线影像作各种相关的后处理，如大小测量、放测量、放大、灰阶处理、空间频率处理、减影处理大、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，通常在存储前进行数据压缩；用于诊断的模拟影像照片，可通过激光照相机打印激光胶片获得；也可采用热敏打印胶片或热敏纸等记录影像。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荧光屏上显示影像。22透透射射X线线影 像 记 录 装 置影 像 记 录 装 置（数字信号（数字信号光光信号）信号）影影像像板板影像读取装置影像读取装置（X线潜影像线潜影像数字）数字）影像处影像处理装置理装置控制计算机

11、控制计算机影像存储影像存储装置（光盘、装置（光盘、磁带等）磁带等）荧荧光光屏屏胶胶片片自动洗相片机自动洗相片机CR相片相片激光相机23二、影像板（IP） CR影像不是直接记录于胶片，而是先记忆在IP上，IP可重复使用，但无影像显示功能。（一） IP结构表面保护层荧光层基板背面保护层24影像板结构25262728（二）成像原理（二）成像原理 射入射入IP的的X线量子被线量子被IP荧光层内的荧光层内的PSL荧光荧光体吸收，释放出电子。其中部分电子散布在荧体吸收，释放出电子。其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态，光体内呈半稳定态，形成潜影，形成潜影，完成完成X线信息的线信息的采集和存储。采集和存储。

12、 当用激光来扫描（二次激发）已有潜影的当用激光来扫描（二次激发）已有潜影的IP时，产生的荧光强度与第一次激发时时，产生的荧光强度与第一次激发时X线的能线的能量精确地成正比，完成光学影像的读出。量精确地成正比，完成光学影像的读出。IP的的输出信号还需由读取装置继续完成光电转换和输出信号还需由读取装置继续完成光电转换和A/D转换，经计算机图像处理后，转换，经计算机图像处理后，形成数字影形成数字影像像。29n白色三角表示未曝光nX线作用使电子激发，并储存起来，用灰色三角表示n在激光的作用下，储存的能量被激发出来n激发出来的能量以可见光的形式释放n三角又变成了白色，表示储存能量已全部释放30IP的特性

13、：动态范围n直线性：在1到10000范围内具有良好动态范围n可精确检测到组织间极小的X线吸收差异曝光3.03.0胶胶片片影像屏影像屏密度输出10000100001000100010101001000.20.21.01.08008004004002002001600160010010031（三）特性（三）特性4存储信息的消退存储信息的消退 ：X线激发线激发IP后模拟影像被后模拟影像被存储于荧光体内，在读出前的存储期间，一部存储于荧光体内，在读出前的存储期间，一部分被俘获的光电子将逃逸，这种现象称消退。分被俘获的光电子将逃逸，这种现象称消退。读出前存储读出前存储8小时的小时的IP，其发光量将减少，

14、其发光量将减少25% 。 5天然辐射的影响天然辐射的影响 ： IP不仅对不仅对X线敏感，对线敏感，对其它形式的电磁波也敏感，如紫外线、其它形式的电磁波也敏感，如紫外线、射线射线等等. 32三、读取装置三、读取装置（一）结构（一）结构 CR系统的读取装置可分为：暗盒暗盒型和无暗盒型型和无暗盒型 1暗盒型读取装置 如图所示，其特征是将IP置入与常规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。33影像板(Image Plate, IP) 34 经X线曝光后的暗盒，从CR读取装置的暗盒插入孔插入插入读取装置内，IP被自动取出，由激光扫描读出潜影信由激光扫描读出潜影信息息. IP被

15、传送到潜影消除潜影消除部分，经强光照射后，消除IP上的潜影。此后IP被传送回暗盒传送回暗盒内，暗盒自动封闭后被传送出读取装置，供反复使用，整个过程自动、连续。35IPIP缓冲堆栈缓冲堆栈IPIP分类器分类器病人信病人信息摄影息摄影信息输信息输入部分入部分计计 算算 机机/ /图图 像像 处处 理理 部部 分分IP影像板暗盒影像板暗盒暗盒插口暗盒插口读取部分读取部分消除部分消除部分362无暗盒读取装置无暗盒读取装置 该装置配备在专用机器上，常规该装置配备在专用机器上，常规X线摄线摄影设备不能配备此装置。配备此装置的机器影设备不能配备此装置。配备此装置的机器集投照、读取于一体，有立式和卧式两种形集

16、投照、读取于一体，有立式和卧式两种形式。式。IP在在X线曝光后直接被传送到激光扫描线曝光后直接被传送到激光扫描和潜影消除部分处理，供重复使用。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读出的数字图像信息连同病人的信息（如姓名、病历号、日期等（如姓名、病历号、日期等)和摄影条件和摄影条件（照相部位等）一并输入计算机，进行图像（照相部位等）一并输入计算机，进行图像处理。处理。 37（二）读出原理（二）读出原理 随着高精度随着高精度电动机带动电动机带动IP移动移动，激，激光束由摆动式反光镜或旋转多面体反光光束由摆动式反光镜或旋转多面体反光镜进行反射，对镜进行反射，对IP整体进

17、行精确而均匀整体进行精确而均匀地逐行扫描地逐行扫描，然后，然后经光电倍增管进行光经光电倍增管进行光电转换和放大后，再经电转换和放大后，再经A/D转换为数字影转换为数字影像信号像信号。这一过程反复进行，扫描完一。这一过程反复进行，扫描完一张张IP后，得到一幅完整的数字影像。后，得到一幅完整的数字影像。3839读出装置原理40四、计算机图像处理四、计算机图像处理1、图像处理的环节、图像处理的环节 CR的图像处理主要有三个环节：的图像处理主要有三个环节： 是与系统检测功能有关的处理：是与系统检测功能有关的处理：利利用适当的影像读出技术，保证整个系统用适当的影像读出技术，保证整个系统在很宽的动态范围内

18、自动获得具有最佳在很宽的动态范围内自动获得具有最佳密度和对比度的图像。密度和对比度的图像。41 是与显示功能有关的处理是与显示功能有关的处理。涉及图像处理装置。通过各种特涉及图像处理装置。通过各种特殊处理（如灰阶处理、频率处理、殊处理（如灰阶处理、频率处理、减影处理等）为医生提供可满足减影处理等）为医生提供可满足不同诊断目的、具有较高诊断价不同诊断目的、具有较高诊断价值的影像，常称为后处理。值的影像，常称为后处理。42是与图像信息的存储和记录有是与图像信息的存储和记录有关的处理关的处理。涉及图像记录装置，。涉及图像记录装置，要求能得到高质量的照片记录，要求能得到高质量的照片记录，并在不降低影像

19、质量的前提下压并在不降低影像质量的前提下压缩影像数据，以节省存储空间和缩影像数据，以节省存储空间和高效率地传输信息。高效率地传输信息。43图像处理环节图像处理环节q图像读出过程的处理图像读出过程的处理：图像读出灵敏度自动：图像读出灵敏度自动设定，自动获得最佳密度和对比度的图像；设定，自动获得最佳密度和对比度的图像；q图像显示过程的处理图像显示过程的处理：显示图像的特殊处理，：显示图像的特殊处理，以获得较高诊断价值的图像，也称后处理；以获得较高诊断价值的图像，也称后处理；q图像存储和记录过程的处理图像存储和记录过程的处理：在不影响图像：在不影响图像质量的基础上压缩图像，并可进行保存和传质量的基础

20、上压缩图像，并可进行保存和传输，还可用激光相机打印出图像。输，还可用激光相机打印出图像。442、图像读出灵敏度自动设定n为在不同为在不同X线剂量下，获得相同的图像质量（图线剂量下，获得相同的图像质量（图像密度稳定），采用灵敏度自动设定功能像密度稳定），采用灵敏度自动设定功能n预读程序流程预读程序流程45 通过对直方图的分析和计算，自动确通过对直方图的分析和计算，自动确定定X线剂量范围，再算出有诊断价值的读取线剂量范围，再算出有诊断价值的读取装置的输入信号范围，从而决定本次读出装置的输入信号范围，从而决定本次读出IP图像的最佳条件。图像的最佳条件。 读取装置的输出信号总处于一定范围内，读取装置的

21、输出信号总处于一定范围内，形成稳定的数字图像密度，以最佳的密度形成稳定的数字图像密度，以最佳的密度在胶片或显示器上重现。在胶片或显示器上重现。46 图像读出灵敏度自动设定 大曝光剂量例1和小曝光剂量例247483、图像的后处理n灰阶处理n空间频率处理n动态范围压缩n减影处理n叠加处理49五、图像存储装置五、图像存储装置 适合于存储医学图像的载体主要有硬盘和硬盘和光盘光盘。硬盘用于暂存数据，经处理后再存入光盘。50图像的储存和记录装置n磁带n硬盘n光盘n磁光盘（MOD）Sun51六、评价标准六、评价标准（1）CR性能检测项目：它包括IP噪声、IP一致性、照射量指示器校准、激光束功能、空间分辨力、

22、空间距离准确性、擦除完全性、滤线栅效应和IP通过量等检验项目。（2）CR的附属设备性能检测：1）激光打印机；2）图像工作站的显示监视器；3）观片灯52七、使用注意事项七、使用注意事项n1使用注意事项使用注意事项 用一张较大的IP来记录影像,可减少胶片尺寸的选择次数 IP再使用时，最好重做一次光照射，以消除可能存在的任何潜影 IP要求很好的屏蔽n2保养保养 53 CR特点(总结)n实现了传统实现了传统X线图像的数字化；线图像的数字化；n提高了图像的密度分辨率；提高了图像的密度分辨率；n能实现图像后处理，增加了显示信息的功能；能实现图像后处理，增加了显示信息的功能；n降低了降低了X线曝光量（线曝光

23、量（为常规为常规X线摄影剂量的线摄影剂量的1/51/10 ）；）；n可以不用胶片，而是以数字形式用磁盘或光盘可以不用胶片，而是以数字形式用磁盘或光盘存储，还能把信息传输给存储，还能把信息传输给PACS。54第二节 x线数字摄影装置（DR） 1.数字化数字化X线摄影线摄影（DR）结构及成像原理成像原理(1) DDR-直接数字直接数字X线摄影线摄影 采用采用X线探测器直接将线探测器直接将X线影像转换成数字信号；线影像转换成数字信号；(2) IDR-间接数字间接数字X线摄影线摄影 X线影像经胶片线影像经胶片-数字化扫描仪或影像增强器数字化扫描仪或影像增强器-电视系统转电视系统转换成数字图像。换成数字

24、图像。55DR的结构nDR由X线探测器、图像处理器、图像显示器等组成。n1X线探测器线探测器 它是将X线信息转换为电信号的器件。探测器把X线模拟信号转换为数字信号，送计算机处理。n2图像处理器图像处理器 其功能主要包括各种图像处理，如灰阶变换、黑白反转、图像滤波降噪、放大、各种测量、数字减影等。n3显示器显示器 它用于摄影图像的重现、软阅读。5657DR设备的特点：n辐射剂量低，探测效率高；n空间分辨力可以达到3.6Lp/mm；n工作效率高，省去了屏胶系统更换胶片的繁琐程序；n应用DR系统的后处理功能，可获得优异的图像质量。nDR系统的不足是兼容性和价格等方面较CR差。58 IDR工作原理影像

25、增强器光学系统电视摄像机A/DX线数字影像信号缺陷：缺陷：1）由于1.1和摄像管中光散射和电子散射，对比度损失；2）1.1的视野小，边缘和中心分辨力不一致59DDRnDDR指采用一维或二维x线探测器直接把x线转换成模拟电信号进行数字化的方法。n20世纪90年代中期出现了使用平板型探测器平板型探测器（FPD）的DDR。FPD将x线直接转换为数字信号的非晶态硒；也有先经闪烁发光晶体转换为可见光，再转换为数字信号的非晶态硅。60 DDR使用的x线探测器1、气体电离室探测器2、非晶态硒型平板探测器3、非晶态硅型FPD4、CCD型61平板探测器平板探测器DDR 20世纪世纪90年代中期出现平板型探测器（

26、年代中期出现平板型探测器（flat panel detector, FPD）：）：非晶态硒非晶态硒FPD：将：将X线直接转换成数字信号；线直接转换成数字信号；非晶态硅非晶态硅FPD：先经闪烁发光晶体转换成可：先经闪烁发光晶体转换成可见光，再转换为数字信号。见光，再转换为数字信号。62非晶态硒平板探测器技术参数技术参数 平板尺寸：平板尺寸：17 17（英寸）（英寸） 灰度等级：灰度等级：14bit 像素：像素：720万个像素点万个像素点 分辨率：分辨率：3.1LP/MM 曝光间隔：曝光间隔：6秒秒63组成封装在暗盒内，由集电矩阵、硒层、电介封装在暗盒内，由集电矩阵、硒层、电介质、保护层等构成。集

27、电矩阵由按阵元方式排质、保护层等构成。集电矩阵由按阵元方式排列的列的薄膜晶体管（薄膜晶体管（thin-film transistor, TFT）组成，非晶态硒层涂在集电矩阵上，对线敏组成，非晶态硒层涂在集电矩阵上，对线敏感，并有很高的解像能力。感，并有很高的解像能力。64硒型FPD原理65像素矩阵读出方式 由于放大器和由于放大器和A/DA/D转换器都在探测器暗转换器都在探测器暗盒内，从外部看，探盒内，从外部看，探测器暗盒是接收线测器暗盒是接收线图像后直接输出数字图像后直接输出数字图像。图像。 信号读出后，扫信号读出后，扫描电路自动清除硒层描电路自动清除硒层中的潜影和电容存储中的潜影和电容存储的

28、电荷，以保证探测的电荷，以保证探测器能反复使用。器能反复使用。66 非晶硒平板型探测器n非晶硒和薄膜晶体管构成阵列板；n各象素单元包含一个存储电容和非晶硅的场效应管；n摄影前先加15kV电压使光电导体层带上电荷(外加电场）；nX射线照射后光电导体层电阻改变使电容充电得到图象信号电流。67 非晶硅平板探测器非晶硅平板探测器n由CsI构成转换屏幕，称闪烁体;nX射线穿过反射层到达闪烁层激发可见光子；n可见光传递到下面由非晶硅光电二极管构成的探测器矩阵，其后触发场效应管产生图象信号。n在光电二极管自身的电容上形成存储电荷，每个像素的存储电荷量与入射x线强度成正比。它由基板层、非晶硅阵列、碘化铯层等构

29、成。它由基板层、非晶硅阵列、碘化铯层等构成。68非晶态硅型平板探测器6970碘化铯闪烁发光晶体覆盖在光电二极管矩阵上，每个光电管就是一个像素，由薄膜非晶态氢化硅制成。 线入射到闪烁晶体层时被转换为可见光，再由光电二极管矩阵转换为电信号，在光电二极管自身的电容上形成存储电荷，每个像素的存储电荷量与入射线强度成正比。713.多丝正比室扫描型多丝正比室扫描型DR 它主要由高压电源、水平狭缝，多丝正比室、机械扫描系统、数据采集、计算机控制及图像处理系统组成72 多丝正比室：多丝正比室：n它是一种气体探测器，可看作成由许多独立的正比计数管组合而成。其基本结构是在两块平行的大面积金属板之间平行并列许多条金属丝。这些金属丝彼此绝缘，各施加一定的正电压（1kV左右），形成许多阳极，金属板接地形成公共的阴极。n因正比室对电离电子有放大作用，故具有较高的探测灵敏度。另外每根金属丝上收集的电子正比于初始气体电离电子，亦即正比于入射X线强度。734CCD摄像机型摄像机型DRn它主要由荧光板、反光板、CCD摄像机、计算机控制及处理系统等构成。n工作原理：工作原理：X线透过人体被检部位后，经滤线栅滤除散射线到达荧光板，由荧光板将X线图像转换成荧光图像，荧光经过一组透镜反射，进入CCD摄像机光敏区，由CCD摄像机将荧光图像