CR系统的技术原理

CR系统的技术原理自从伦琴(WilhelmConradRontgen,1845-1923)在1895年发现了由阴极射线管产生的X线以来，具有100多年历史的X线摄影经历了从最旱的干板摄影到后来的屏/胶系统，现在的CR.CT.DR.DSA.SPECT.PET等。这些技术不仅丰富和提高了形态学诊断信息的领域和层次，同时实现了诊断信息的数字化。在医学影像领域中，尽管X线摄影是临床放射学检查中应用最早和最普遍的成像方式,但却是医学影像中最后实现信息数字化的检查手段。这不仅妨碍了X线摄影信息直接进入图像存贮与传输系统(picturearchivingandcommunicatingsystem,PACS)以及远程医学(telemedicine)系统，而且传统的屏/胶系统固有的敏感性和分辨力的限制也促使X线摄影方式必须改良。CR(computedradiology)就是实现X线平片数字化的方式之一。CR是用存储屏纪录X线影像，通过激光扫描使存储信号转变成光信号，再用光电倍增管转换成电信号，然后经A/D转换后，输入计算机处理，成为高质量的数字图像。CR系统的基本组成和工作原理1，CR系统由IP板.激光阅读器(ADCCOMPACT).图像处理工作站(VIPS).图像存储系统(QC3000)和打印机(LR5200)组成。WorkflowADccompact/SoloMlCSOZSD.;appica:ia-/S^iode^HelfrichPageB10根椐CR系统工作流程主要有四部分组成：信息采集，信息转换，信息处理，信息记录和存储。2，CR工作原理1)信息的采集(acquirementofinformation)常规X线摄影中使用增感屏/胶片组合系统的成像方式已众所周知，在X线照上最终形成的影像无法直接数字化。CR系统解决的关键问题之一即是开发了一种即可接受模拟信息，又可实现模拟信息数字化的载体，即成像板(IP)。这样，采集的信息则可应用数字图像信息处理技术进一步，实现数字化处理，贮存与传输。

成像板为外观很像普通X线增感屏的一种薄板，由保护层，成像层，支持层和背衬层构成。「newedgereinforcamentsurfacelayer,10pwithahigherconductivityPhosphorlayer,25Dpincreaseinerasabilitybyafactor2Antireflectionlayer,10p,(BluefilterAg-fapatent,increasedsharpness)Whitepdlayer,330[iforhighersensitivityBluePETlay眄100}1,(Additionalelectrostaticlayer,nolaminateincreasedflexibilityandphysicalproperties)提高了敏感度、锐利度和机械强度，和旧式的兼容。电子束处理的表层可以防止ip板的机械性划伤及化学清洁剂的容解。我们估计在一般情况下IP板的寿命能达到10000圈。(ThirdGenerationplates)成像板是装入特定的暗盒内，可以和常规x线摄影相同的方式投照的，因些是和常规x线摄影设备兼容的。这样，CR系统的信息采集部分主要是由X线管和成像板(IP)板组成。2)信息转换(transformationofinformation)CR系统中，IP板经X线照射后被激发(第一次激发)。经第一次激发的IP上贮存有空间上连续的模拟信息，为使该信息数字化,IP板要由激光束扫描(第二次激发)读出。CR系统的读出装置中的激光发生器发射激光束(氨一氤＜He-Ne＞激光束波长为633nm=，在与IP板垂直的方向上依次扫描整个IP表面。IP上的荧光体被二次激发后发生激发发光或称光致发光(photostimulatedluminescence,PSL)现象，产生荧光。荧光的强弱与第一次激发时的能量精确成比例，即呈线性正相关。该荧光由沿着激光扫描线设置的高效光导器采集和导向，导入光电倍增管,被转换为相应强弱的电信号。继而，电信号被馈入模拟/数字(A/D)转换器转换为数字信号。至此，CR系统完成了模拟信号到数字信号的转换。事实上，CR系统的读出装置是依据IP上成像层内晶体的PSL特征设计的。FCR系统中的信息转换部分主要是由激光扫描器，光电倍增管和A/D转换器组成的。读出装置一般也叫影像板扫描仪。一般衡量影像板扫描仪的参数有四个：描述影像清晰度的指标空间分辨率，描述影像层次的指标灰阶度级；描述处理能力的扫描速度和缓冲平台容量。当前CR系统的空间辨率普遍能达到10像素/毫米(10Pixels/mm)的水平，无论影像板的大小。较早的CR系统，由于当时计算机的处理能力不够，往往仅对小尺寸的影像板以9—10Pixels/mm采集数据，而对大尺寸影像板(14”xi4”以上)，只能达到5—6Pixels/mm,因此给人以CR大片粗糙的感觉。新型的CR系统，对大片采取6,10Pixels/mm两档可调的设置，由用户自己设置。以适应不同场合对扫描速度和扫描质量的不同需要。CR系统的灰阶级指标一般都要求达至U4O9602级灰阶。也就是使用12Bits处理器。一些高指标的影像板扫描仪，已使用14Bits处理器。力求更佳的影像效果。另外两个指标扫描速度和缓冲平台容量描述的是影像板扫描仪的处理能力。新型的大型影像扫描仪的扫描能力已可以达到每小时100板，同时装备有大容量影像板缓冲平台。等待扫描的IP板先放在缓冲平台上，由机器自动顺序输入扫描；扫描完毕的IP板也自动输送到另一个缓冲平台上，等待下一次使，即所谓多槽扫描仪。目前最大的缓冲平台，容量达20块IP板。3）信息的处理（processinginformation）CR系统信息处理的原理与其它数字信息处理技术是类似的。大体上讲，CR的信息处理通常可分为谐调处理，空间频率处理和减影处理，动态范围压缩处理等。1＞谐调处理（gradationprocessing）:谐调处理涉及的是影像的对比。常规的增感屏/胶片摄影系统中，最终显示的影像相当大程度上依赖于X线曝光量，当曝光量过低和过高时，均不能获得满意的影像效果。CR系统中，X线剂量和/或能量改变（曝光宽容度）的允许范围则大，在适当设置的范围内曝光都可以读出影像的信号。在一张X线照片上，包括有不同的解剖部位，每次投照时可能使用不同的投照技术，若使用同一种类型的谐调处理技术产生所有的影像显然是不理想的。CR系统可分别地控制每一幅影像显示的特征，可依据成像的目的设置谐调处理技术。比如：胸部摄影中，影像信息覆盖的范围很宽，在肺野和纵隔部位的密度差别很大，因而可分别应用不同类型的谐调处理技术，以既可极好地显示肺野内的结构，又可防止在输出影像中纵隔的密度与骨的密度过于接近，提高纵隔内不同软组织的分辨层次。又如，在乳腺摄影中，则要增加低密度区的对比，抑制高密度区的对比，以利显示包括边缘部位在内的乳腺内钙化（图）。谐调处理也叫层次处理，主要用来改变影像的对比度、调节影像的整体密度oAGFA公司CR系统以四种曲线类型和W/L来调节。富士公司CR系统，以16中谐调曲线类型（GT）作为基础，以旋转量（GA）旋转中心（GC）和移动量（GS）作为调节参数，来实现针对对比度和光学密度的调节，从而达到最佳显示。2〉空间频率处理（Spatialfrequencyprocessing）空间频率处理技术是一种边缘锐利技术，它是通过对频率响应的调节突出边缘组织的锐利轮廓，在传统的屏/片系统中，频率越高，频率响应却越少，然而在CR系统中是根据图象的显示效果的需要来控制频率的响应。比如，提高影像高频成分的频率响应，那么就增加了此部分的对比。决定空间频率的响应程度由频率等级（RN）、频率增强（RE）、频率类型（RT）组成（富士公司），AGFA公司是由MUSICAparameters来完成的。在某些影像处理中，为了充分显示正常组织或病变的结构，往往是谐调处理和空间频率处理结合起来使用。如较低的对比度和大的空间频率增强结合产生的影像可覆盖较宽的信息范围，并使器官组织的边缘增强，用于显示软组织，如纵隔；若较大的对比度与较小的空间频率增强结合，可得到类似屏/片系统的影像。边缘增强技术(蒙片技术)是空间频率处理的较常用技术。该技术是通过增加对选择空间频率的响应，使兴趣结构的边缘部分得到增强，从而突出结构的轮廓。改变显示矩阵的大小也可决定不同结构的对比，使用较大的矩阵可使处于低空间频率的软组织结构得到增强。蒙片技术：QL(X,Y)=g(Q(x,Y))=Q(X,y)+K(Q(x,Y))X[Q(X,y)-Qus(x,Y)]Q代表原始影像；Qus代表不鲜明影像；QL代表经过处理的影像。K代表用于决定增强程度的加权因数。(图)二、IP板的特性IP板在CR系统中是替代常规X线屏/胶系统成像的主要部件oIP成像层是由一种有辉尽性荧光效应的晶体颗粒即含有微量二价铕的氟卤化钡晶体所制成。该晶体在受到X光照射时，能以潜影的形式记录影像信息，当再次受到照射诸如激光等激发时，能够按比例地发射所存储的能量以荧光的形式(蓝-紫色光)。这种现象称为光激发发光(photostimulatedluminescence)。氟卤化钡晶体在X线或长时间紫外线的激发下形成F中心，“F中心”也叫色彩中心，是晶体内的一种缺陷，可吸收可见光辐射中特定波长的光线，位于形成晶体的特定原子已被去除而浮获了一个电子的点(空穴)上。另外，微量的铕离子在形成荧光体时被结晶，产生所谓发光中心(luminescencecenter)。F中心与发光中心共同承担X线信息的任务。1、 发射与激光光谱(emissionandstimulationspectrum)光激发荧光体发射的蓝-紫色由包含在荧光体内的微量二价铕所产生，激励的强度依赖于照射在IP上的光的波长而改变。第一次激发IP的X光谱称为发射光谱(emissionspectrum)，它的峰值是390-400nm。第二次激发IP的是波长为600nm的红色激光，称为激发光谱(stimulationspectrum)。由此可见，发射光谱和激发光谱的峰值是有一定的差别。这有利于保证两者在光学上的不一致，从而达到最佳的影像信噪比。但是，激发光谱和F中心(色彩中心)的吸收光谱具有很好的一致性。CR系统在X线摄影中获得影像信息时，必需要兼顾到增进图像的信噪比(S/N),以保证带有X线信息的发射光谱与获得影像信息的激发光谱的波长保持足够的差异。当PSL光谱的峰值在400nm时，光电倍增管能获得最佳的检测效率。2、 IP激发时间响应理想情况下，当氦-氖激光激发X线曝光后的IP时，光激发应立即产生荧光，停止激发时，荧光也立即消失，但实际上荧光并不是立即停止，而是存在着逐渐的衰减过程。这个衰减过程对于快速阅读X线信息的CR系统来说是一个不利因素，上次激发的信息未能完全消退时，又接受了新的一次X线照射，所以，此时IP在再一次进行阅读影像时必然回重叠上一次的图象成份，导致了图像质量的降低。荧光体被二次激发后，其发射荧光的强度达到初始值的l/e(e=2.718)时间称为光发射寿命期(lightemissionlife)。IP板的发射寿命期为0.8微妙。由于该期极短，故可在很短时间内以很高的密度重复采集与读出大面积IP上的X线影像信息，而不发生采集与读出信息的重叠。即是说，IP具有可满足医学成像需要的、极好的时间响应特征。(图)3、IP的动态范围当X线第一次激发IP时，其吸收光谱中于37keV处可见一陡峭的快速吸收，系其成像层荧光体中的钡原子的K缘所致。钡是荧光体的重要成份，但此吸收特征与二次激发时的发射荧光特征无关。IP发射荧光的量依赖于一次激发的X线量，在1:104的范围具有良好的线性。即是说，IP在用于X线摄影时具有良好的动态范围。(图)AGFACR系统和FCR系统，IP板的信息读出分为两步读出。第一步是由激光超高速地、粗略地读出影像信息，在瞬时核算出X线影像的光激发光量的直方图；第二步，在获取上述信息的基础上，自动调节光电倍增管的敏感性和放大器增益，再以超强激光光线高精细地读出X线影像信息。配合CR系统的固有功能，则可能在允许范围对任何物体、以任何区线剂量获得稳定的、最宜的影像处理和影像的光学密度。4、 IP的消退X线激发(第一次激发)IP后，模拟影像被存储于荧光体内。在读出(第二次激发)前的存储期间，一部分被F中心俘获的光电子将逃逸，从而使第二次激发时荧光体发射出的PSL强度减少，这种现象称为消退(fading)。IP板的消退受以下因素的影响：1〉时间；2〉温度；3〉天然辐射等。在存储8小时时，荧光体的PSL量减少约25%。随时间的延长和温度的增加消退增加。但事实上由于CR设备对光电倍增管增益的电子补偿和自身补偿，依标准条件曝光的IP在额定的存储时间内几乎不会受到消退的影响，但如IP的曝光不足和存储过久，则将会由于检测到的X线量子不足和天然辐射的影响而发生颗粒衰减，致使噪声量加大。因此最好在第一次激发后8小时内读出IP的信息。5、 IP的规格与类型及发展IP板的规格尺寸与常规X线胶片一致，有14X17in(43X35cm)、14X14in(35X35cm)、10X12in(25X30cm)、8X10in(20X25cm)及专用于口腔全景摄影的15X30cm等尺寸。按分辨率高低可分为标准型、高分辨率型、多层体层摄影型、减影型。IP板发展十分迅速，各种专用IP如口腔全景、乳腺摄影等在技术上由于随着对影像质量需求的不断提高，对荧光涂层的开发更加深入，技术更加复杂。目前的IP板使用寿命普遍超过20000次，有的声称可达到30000次。AGFA公司刚刚推出带有兰色滤光层的MD30型影像板，又在影像转换效率更高的针壮晶体成像技术(NIP)上取得突破。可以说，临床实际要求刺激了技术更新速度的加快，反过来不断更新的技术也将会不断更新使用者的观念，今后对使用质量和效率的要求将超过对耐用性的追求。6、 IP的的影像质量在常规的增感屏/胶片系统中,一旦组合,那么灵敏度和图像的质量(层次,锐利度,颗粒度)就决定了。而在CR系统中，IP灵敏度高宽容度大，再加上强大的工作站后处理功能，能够得到各种不同形式的优质影像。它们以灵敏度、颗粒度、锐利度三个参数来作出对比。但人们往往以直观的效果或借助于仪器用密度分辨率和空间分辨率来评价影像。普通的X线影像象素之间是一个连续的函数，数字化的图像象素之间是一个离散的函数，一般情况下CR系统图像的空间分辨率都没有普通影像高，但密度分辨率却明显高于普通影像。影响CR系统影像质量的因素在CR系统成像的过程中，对影像质量影响的因素有许多,它们主要存在于信息的采集.信息的读出和信息的处理与记录三个环节中，尤以IP的特征和阅读的性能尤为重要。决定CR系统响应性的因素1） .进入IP的散射线：入射的X线被IP的荧光层所吸收，但有部分的散射线也被IP的荧光体所吸收，而使影像变模糊，这些散射线占整个入射线很小的比例，所以它对整个CR响应性产生相对轻微影响。2） .激光束在IP荧光层上的散射在IP阅读嚣中，CR的响应特征很大程度上是由于激光粒子的扩散而决定的。这种激光束的扩散结果依赖于IP的响应特征（激光在荧光层的散射特征）和激光束的直径，因为激光束的直径完全是依照IP的响应特征设定，且IP的响应特征完全决定着个CR系统的响应特征。根椐CR系统响应特征的需要，阅读器使用了两种类型的IP有ST型（标准型用来抑制X线了的噪声）和HR型（高分辩率型用来增进响应特征）。CR系统的噪声噪声也是影响影像质量的重要因素，它表现为图像中可见的斑点．细粒．网纹或雪花状的异常结构，这样就掩盖或降低了某些影像细节的可见度，使获得的影像不清晰。在CR系统中，存在着两种噪声即量子噪声（X线量依赖性噪声）和固有噪声（非X线依赖性噪声）。量子噪声又分为X线量子噪声和光量子噪声。1） 量子噪声1>X线量子噪声：X线量子噪声是指X线量子依泊松（Poisson）分布的统计学法则随机产生的波动。它是由于接收器的某一区域可能比另一个区域接受了更多的光子所造成的。在CR系统中，X线量子噪声是X线被IP吸收过程中所产生的。入射的（被检测到的）X线剂量越大，其噪声就越小，即噪声量与IP检测到的X线剂量成反比，噪声量通常以均值平方根（rootmeansquareRMS）来表示。在低剂量区RMS值对X线辐射量响应近于一直线样递减，显示该区域主要是量子噪声；在高剂量区，RMS值大致接近一恒定值，几乎不依赖于X线剂量，显示该区域的噪声主要是固有的噪声。由此可见，若入射的X线剂量在允许量下限之上且恒定时，CR影像噪声的量则由IP的吸收特性来决定。这样，提高IP对X线量子的检测能力，就可以提高CR系统的影像质量。2>光量子噪声：光量子噪声是光量子依泊松分布的统计学法则随机产生的时间上的波动。它是光电倍增管把IP荧光层被二次激发时产生的PSL转换为电信号的过程中产生的，它与入射的X线剂量.IP的X线吸收效率，IP的光激发发光量•聚集PSL的光导管的集光器的集光效率以及光电倍管的光电转换效率成反比。由此可见，在激光的阅读器中，增加激光束输出功率，可以增加IP的PSL量，使用集光效率更高的光导系统及光电转换效率更高的光电倍管都是降低光量子噪声的好措施。2） 固有噪音CR系统中的固有噪声包括IP的结构噪声.激光噪声.模拟电路噪声和模数转换过程中的量子化噪声。其中，IP的结构噪声是最重要的起支配作用的噪声。它是IP的荧光体颗粒层内荧光体分布的随机性产生的。那么减小荧光体颗粒的尺寸是提高IP荧光体发光效率的改良措施，在FCR系统中，目前，已使用的IP荧光体颗粒的尺寸大约是最初使用的1／2，体积大约是最初使用的1／8。CR系统的优缺点及价值CR的优点1） .X线剂量比常规X线影像显著降低；2） .IP替代胶片可重复使用；3） 可与原有的X线摄影设备匹配工作，放射技师不需要特殊训练即可操作；4） 具有多种信息处理技术：谐