数字x线设备讲义2013

第10章数字x线设备广东药学院附属第一医院武兴杰12概述模拟图像：灰度（黑白程度）连续变化。数字图像：灰度是离散的。数字化X射线成像技术是传统X射线技术与现代计算机技术结合的产物。优点：计算机图像处理、储存、传输。3胶片扫描系统扫描仪计算机X线胶片4常见的数字化X线机5

1.定义：

数字X线设备是指用特殊器材，把X线透射图像数字化，并进行计算机图像处理，再变换成模拟图像显示的一种X线设备。

数字X线设备的产生对PACS的发展具有决定性的影响。

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2.分类：⑴根据成像原理：分为CR（ComputedRadiography，简称CR）、数字荧光摄影（digitalfluoroscopy，DF）、DR、DSA。①CR:是用存储屏IP（ImagePlate）记录X线影像，通过激光扫描使存储信号转换成光信号，此光信号经光电倍增管转换成电信号，再经A/D转换后，输入计算机处理，形成高质量的数字图像。

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②DR:分为：直接数字X线摄影（directDR，DDR）和间接数字X线摄影（indirectDR，IDR）。

DDR是采用X线探测器直接将X线图像变成电信号，再转化为数字图像。

IDR是先从I.I-TV成像链或照片获得X线信息的模拟图像，再转换成数字图像，前者的成像原理与DF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。

8⑵根据X线束的形状：可分为锥形成像法、扇形和笔形束成像法。

910３.数字X线成像与传统的增感屏-胶片比较优点：（1）对比度分辨力高：

对低对比度的物体具有良好的检测能力，量化深度可达14~16bit，而屏/胶成像的动态范围约102，量化深度约6bit。（2）辐射剂量小：数字X线成像设备对X线能量的利用率高，其量子检出效率（detectivequantumefficiency，DQE）可达60%以上。11３.数字X线成像与传统的增感屏-胶片比较优点：（3）成像质量高：

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。

12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13空间分辨率(SpatialResolution)在HighContrast情况下区分相邻

最小物体的能力,(又称“HighContrastResolution”)决定影像清晰度。常用多少线对/厘米，即LP/CM14（4）数字影像所具有的优点：可利用大容量的、光盘存储数字影像，消除用胶片记录X线影像带来的种种不便，并能进入PACS，实施联网，更高效、低耗、省时间、省空间地实现影像的贮存、传输和诊断。15（5）对比度分辨力高：

数字X线设备的空间分辨力不如胶片，约为2~4LP/mm，胶片的空间分辨力在理论上能达到5~7LP/mm，但散射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X线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，使对比度分辨力明显提高。在实际应用中可满足绝大多数的诊断需要。

16密度分辨率(DensityResolution)低对比度情况下分辨物体密度微小差别的能力(又称“LowContrastResolution”)受影像清晰度&噪声影响。17第一节Ｘ线计算机摄影装置系统原理和概念计算机X线摄影（成像）系统（ComputedRadiography，简称CR）CR是由日本富士公司于七十年代研制，八十年代推出，九十年代上市的计算机X线摄影系统。CR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。18第一节X线计算机摄影装置一、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。

19（二）基本结构20

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显示影像。21透射X线影像记录装置（数字信号→光信号）影像板影像读取装置（X线潜影像→数字）影像处理装置控制计算机影像存储装置（光盘、磁带等）荧光屏胶片自动洗相片机CR相片激光相机22二、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23影像板结构保护层：聚酯树脂类纤维制成，非常薄，能弯曲、耐磨损、透光性好。保护荧光层不受外界温度、湿度和辐射的影响。24荧光层：由光激励发光（photonstimulationlight,PSL）荧光物质混于多聚体溶液中，涂在基板上制成。25基板：聚酯树脂类纤维制成。保护荧光物质层免受外力损伤，延长IP的使用寿命。两万次以上重复使用。26背面保护层：材料与表面层相同，防止IP摩擦损伤。27（二）成像原理

射入IP的X线量子被IP荧光层内的PSL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，产生的荧光强度与第一次激发时X线的能量精确地成正比，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，经计算机图像处理后，形成数字影像。28白色三角表示未曝光X线作用使电子激发，并储存起来，用灰色三角表示在激光的作用下，储存的能量被激发出来激发出来的能量以可见光的形式释放三角又变成了白色，表示储存能量已全部释放29IP的特性：动态范围直线性：在1到10000范围内具有良好动态范围可精确检测到组织间极小的X线吸收差异曝光3.0胶片影像屏密度输出100001000101000.21.0800400200160010030（三）特性

4．存储信息的消退：X线激发IP后模拟影像被存储于荧光体内，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。读出前存储8小时的IP，其发光量将减少25%。5．天然辐射的影响：IP不仅对X线敏感，对其它形式的电磁波也敏感，如紫外线、γ射线等.31三、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。

32影像板(ImagePlate,IP)

33经X线曝光后的暗盒，从CR读取装置的暗盒插入孔插入读取装置内，IP被自动取出，由激光扫描读出潜影信息.IP被传送到潜影消除部分，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。34IP缓冲堆栈IP分类器病人信息摄影信息输入部分计算机/图像处理部分IP影像板暗盒暗盒插口读取部分消除部分352．无暗盒读取装置

该装置配备在专用机器上，常规X线摄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式。IP在X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。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)和摄影条件（照相部位等）一并输入计算机，进行图像处理。36（二）读出原理

随着高精度电动机带动IP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IP整体进行精确而均匀地逐行扫描，然后经光电倍增管进行光电转换和放大后，再经A/D转换为数字影像信号。这一过程反复进行，扫描完一张IP后，得到一幅完整的数字影像。3738读出装置原理39四、计算机图像处理

1、图像处理的环节CR的图像处理主要有三个环节：

①是与系统检测功能有关的处理：利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自动获得具有最佳密度和对比度的图像。40

②是与显示功能有关的处理。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、减影处理等）为医生提供可满足不同诊断目的、具有较高诊断价值的影像，常称为后处理。41

③是与图像信息的存储和记录有关的处理。涉及图像记录装置，要求能得到高质量的照片记录，并在不降低影像质量的前提下压缩影像数据，以节省存储空间和高效率地传输信息。42图像处理环节图像读出过程的处理：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；图像显示过程的处理：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；图像存储和记录过程的处理：在不影响图像质量的基础上压缩图像，并可进行保存和传输，还可用激光相机打印出图像。432、图像读出灵敏度自动设定为在不同X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预读程序流程确定灵敏度44

通过对直方图的分析和计算，自动确定X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IP图像的最佳条件。

读取装置的输出信号总处于一定范围内，形成稳定的数字图像密度，以最佳的密度在胶片或显示器上重现。45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246473、图像的后处理灰阶处理空间频率处理动态范围压缩减影处理叠加处理图像处理：调节亮度、对比度、窗宽窗位，放大、反转,旋转，距离、面积测量。文字注释。更改病人资料48五、图像存储装置适合于存储医学图像的载体主要有硬盘和光盘。硬盘用于暂存数据，经处理后再存入光盘。49图像的储存和记录装置磁带硬盘光盘磁光盘（MOD）50六、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、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51七、使用注意事项1．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2．保养

52CR特点(总结)实现了传统X线图像的数字化；提高了图像的密度分辨率；能实现图像后处理，增加了显示信息的功能；降低了X线曝光量（为常规X线摄影剂量的1/5~1/10）；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PACS。53第二节x线数字摄影装置（DR）1.数字化X线摄影（DR）结构及成像原理(1)DDR-直接数字X线摄影采用X线探测器直接将X线影像转换成数字信号；(2)IDR-间接数字X线摄影X线影像经胶片-数字化扫描仪或影像增强器-电视系统转换成数字图像。54DR的结构DR由X线探测器、图像处理器、图像显示器等组成。1．X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。2．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。3．显示器它用于摄影图像的重现、软阅读。5556DR设备的特点：①辐射剂量低，探测效率高；②空间分辨力可以达到3.6Lp/mm；③工作效率高，省去了屏－胶系统更换胶片的繁琐程序；④应用DR系统的后处理功能，可获得优异的图像质量。DR系统的不足是兼容性和价格等方面较CR差。57IDR工作原理影像增强器光学系统电视摄像机A/DX线数字影像信号缺陷：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58DDRDDR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。20世纪90年代中期出现了使用平板型探测器（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。59DDR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60平板探测器DDR

20世纪90年代中期出现平板型探测器（flatpaneldetector,FPD）：非晶态硒FPD：将X线直接转换成数字信号；非晶态硅FPD：先经闪烁发光晶体转换成可见光，再转换为数字信号。61非晶态硒平板探测器技术参数平板尺寸：17×17（英寸）灰度等级：14bit

像素：720万个像素点分辨率：3.1LP/MM

曝光间隔：<6秒62组成

封装在暗盒内，由集电矩阵、硒层、电介质、保护层等构成。集电矩阵由按阵元方式排列的薄膜晶体管（thin-filmtransistor,TFT）组成，非晶态硒层涂在集电矩阵上，对Ｘ线敏感，并有很高的解像能力。63硒型FPD原理64像素矩阵读出方式由于放大器和A/D转换器都在探测器暗盒内，从外部看，探测器暗盒是接收Ｘ线图像后直接输出数字图像。信号读出后，扫描电路自动清除硒层中的潜影和电容存储的电荷，以保证探测器能反复使用。65

非晶硒平板型探测器非晶硒和薄膜晶体管构成阵列板；各象素单元包含一个存储电容和非晶硅的场效应管；摄影前先加1~5kV电压使光电导体层带上电荷(外加电场）；X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。66非晶硅平板探测器由CsI构成转换屏幕，称闪烁体;X射线穿过反射层到达闪烁层激发可见光子；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。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、碘化铯层等构成。67非晶态硅型平板探测器6869

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。

Ｘ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Ｘ线强度成正比。703.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71

多丝正比室：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。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。724．CCD摄像机型DR它主要由荧光板、反光板、CCD摄像机、计算机控制及