第四章 数字X线设备-CR

第一节CR成像基本条件第二节CR系统工作流程与成像原理第三节CR系统的图像处理第四节CR影像质量标准与影响因素学习目标1.掌握

CR的成像过程；IP的结构及特性；CR的后处理方法。

2.熟悉

CR的成像理论；影响CR图像质量的因素。计算机X线摄影（ComputedRadiology，CR），是以成像板（ImagingPlate，IP）作为载体，经X线曝光及信息读出处理形成数字影像的摄影技术。CR的历史：1983年由日本富士公司研制成功。第一节CR成像基本条件CR系统由X线机、IP、影像阅读器、后处理工作站和存储装置等组成。成像板IP是CR成像系统的关键部件，

IP只具有记录功能，不具备影像显示功能。IP有正反之分，从外观上看，正面如同增感屏，反面为黑色。IP的外观：1、IP的结构：表面保护层成像层（PSL物质层）基板背面保护层1．表面保护层此层用聚酯树脂类纤维来制造。作用是在使用过程中，可防止荧光层受到损伤,保护PSL物质层。因此，要求它不随外界温度和湿度的变化而发生变化；使用时能弯曲和耐磨损，还要求透光率高，非常薄。92.荧光物质层PSL（光激励发光层）此层一般使用硝化纤维索、聚酯树脂、丙烯及聚氯甲酸酯等制成。其作用是将辉尽性荧光物质混于多聚体溶液中，然后涂在基板上再干燥而成，在基板上形成均匀的膜，不因湿度、温度和放射线、激光等的影响而发生物理性质的变化，具有适度的柔软性和机械强度。10PSL物质层：具有PSL现象的物质PSL物质成分：含有2价铕离子的氟氯化钡结晶体PSL结晶体颗粒直径：4～7μm颗粒增大，发光强，清晰度降低称氟卤化钡铕（BaFXEu2+，X=Cl,Br,I）3．基板材料也是聚酯树脂纤维胶膜。作用是保护荧光物质层免受外力的损伤。要求具有良好的平面性和适度的柔软性及机械强度。为防止激光在荧光物质层和基板之间发生界面反射以提高清晰度，一般将基板制成黑色。同时，为防止光透过基板影响下一张影像板，还在基板中加一吸光层。11基板：PSL物质的支持体，厚度在200～350μm4.背面保护层其材料与表面保护层相同是用聚酯树脂类纤维制成。此层的作用是为了防止影像板之间在使用过程中的摩擦损伤而设计的。123、IP的特性：（2）IP可重复使用（5）IP存储的信息易消退（6）IP易受天然辐射的影响（3）IP的发射光谱与激励光谱不同（4）IP的光发射寿命期短（1）IP可发生光发光现象某些物质在第一次受到照射光（一次激励光）照射时，能将一次激励光所携带的信息贮存（记录）下来，当再次受到照射光（二次激励光）照射时，能发出与一次激励光所携带信息相关的荧光。

（1）IP可发生光激励发光现象（PSL现象）PSL荧光层释放电子二次激发读出光电装换A/D转换形成潜影透射X线数字影像第一次对IP激励的光：X线第二次对IP激励的光：激光X线被照体透射线（载着人体信息的X线）IP激光阅读器（IP受到激光的激励）发出可见光（与透射线信息一样）机制：（2）IP可重复使用机制：Eu2+Eu3+IP的第一次激励：IP的第二次激励：Eu3+Eu2+1.激发与发射光谱光激发荧光体可发生蓝-紫光，发光的强度依激发IP的光线波长而改变。发射光谱：第一次激发IP的X射线光谱，它的PSL（光激励发光）峰值为390～400nm。激发光谱：第二次IP的读出光线用600nm左右波长的红光，它可最有效地激发PSL。发射光谱与激发光谱波长的峰值间需有一定的差别，以保证它们在光学上的不一致，以达到最佳的影像信噪比。（为什么？发射光谱和激发光谱是不是同时进行的？）17（3）IP的发射光谱与激励光谱不同（3）IP的发射光谱与激励光谱不同IP的发射光谱IP的激励光谱（激光发射光谱）IP的发射光谱IP的激励光谱（激光发射光谱）（4）IP的光发射寿命期短以Eu2+为发光中心的氟溴化钡的PSL寿命为0.8μs，不发生信息的重叠。

荧光体经激励（第二次激发）后，发射荧光的强度达到初始值的1/e所用的时间。故可在很短的时间内以很高的密度重复采集以读出大面积IP上的X射线影像信息，而不会发生采集与读出信息的重叠。（5）IP存储的信息易消退消退：X射线第一次激发IP后，模拟影像被存储于荧光体内，在读出二次激发前的存储期间，一部分被俘获的光电子将会逃逸，从而使第二次激发时荧光体发射出的PSL强度减少。IP的消退现象是在读出前储存8h内，荧光体的PSL量减少约25%，消退随时间的延长及存储温度的升高而增加。（6）IP易受天然辐射的影响X线紫外线射线激励IPIP使用前，必须进行擦除信息量时间IP为高度敏感的光敏材料，易受到来自墙壁、建筑物、宇宙射线、IP自身微量放射性元素、X射线和其它电磁波的影响。4.IP使用注意事项（1）IP可以重复使用；（2）IP在8小时以上未使用，则在使用前应使用强光照射，消除可能存在的潜影；（3）在使用中，应注意避免IP出现擦伤；（4）由于IP中的荧光物质对放射线、紫外线敏感度远高于普通X线胶片，因此摄影前、后的IP都要屏蔽。（5）摄影后的IP上的潜影会因光的照射而消退，所以必须避光。在8小时之内将信息读取。（6）避光不良或漏光的IP上的图像会因贮存的影像信息量减少而变得发白，这与普通胶片正好相反。二、影像阅读器（IRD）CR系统的影像阅读装置：无暗盒型暗盒型1.暗盒型读出装置将IP置入与常规X射线摄影暗盒类似的暗盒内，此类暗盒可在任何X射线机上使用，也就是凭借IP的暗盒，使常规X射线摄影设备与CR的读出装置匹配，在不改变常规X射线摄影操作模式（曝光条件除外）的情况下，实施CR成像的方式。26（一）读出装置IP的规格与类型IP的常用规格3543cm（1417英寸）3535cm（1414英寸）2530cm（1012英寸）2025cm

（810英寸）IP的类型ST（Standard）HR（HighResolution）暗盒型读出装置在明室将经X射线曝光后的暗盒从CR读出装置的暗盒插入孔送入读出装置，暗盒进入读出装置后，IP被自动取出。由激光束扫描，读出潜影信息，然后被送到潜影消除机构，经强光照射，消除IP上的潜影。此后IP再被送回暗盒内。读出及消除了潜影的暗盒被送出读出装置，供X射线机反复使用，整个过程是自动和连续进行的。28（二）CR的读取流程29IP的暗盒型读取装置的结构与插入、读取的过程如下图所示CR的读取流程312.无暗盒型读出装置在无暗盒设备的读出装置内，IP在X射线曝光后无需经历打开暗盒和取出IP的过程，IP直接被送到激光扫描和潜影消除部分处理，供重复使用。该设备集投照、读出于一体的设计，有立式与卧式。该设备需要专用机器，不能与常规X射线摄影设备匹配。32IP的传送33

IP传送流程整体设计如图所示。IP的传送该设计将整个读取装置与X射线摄影装置联合成为一体，由一连串固定在一条循环传送带上的影像板与相应部位设置的激光读取器和消去装置形成一个内部循环，可将读取的信息自动输入计算机，从而极大地减轻了操作者的劳动，同时也减少了影像板受损伤的机会。还使摄影时间缩短，效率提高。特别是将这种设备与图像存储和传输系统PACS连接起来，可实现放射科无胶片化。34CR的读取流程目前的CR中，一般是采用对同一影像信息进行两种不同的处理后，形成两幅特点不同的影像，在同一屏幕上显示。一幅为根据所摄部位及条件经标准处理后产生的CR图像。另一幅则是根据特殊要求或视觉上易于观察等要求进行处理后的图像。35二、CR系统工作流程与读出原理①信息的采集，它是通过影像板IP将模拟信息数字化，为图像的数字化处理、贮存和传输创造了条件，主要由X射线管和影像板组成。37一、CR系统工作流程CR的具体工作过程：X线被照体

IP（成像板）A/D转换器

工作站（影后处理装置）储存打印

激光阅读器（光激励发光扫描仪）显示光电倍增管影像阅读器

存储在IP荧光体中的潜影信息是连续模拟信号，要将其读出并转换为数字图像信息，需采用如图4-6的激光扫描。光激励发光扫描仪（PSL扫描仪）

分两步进行：1、预读取：确定读出条件2、读取：获得数字影像读出原理IP的荧光体被二次激发后发生光激发发光或称辉尽性发光（photostimulatedluminescence，PSL）现象，产生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入光电倍增管内，被转换为相应强弱的电信号。继而电信号被馈入模/数（A/D）转换器转换成数字信号。至此，CR系统完成了模拟信号到数字信号的转换。401KB(Kilobyte千字节)=1024B，1MB(Megabyte兆字节简称“兆”)=1024KB，1GB(Gigabyte吉字节又称“千兆”)=1024MB，1TB(Trillionbyte万亿字节兆兆字节)=1024GB，其中1024=2^10(2的10次方)。1PB=1024TB

1EB=1024PB

1ZB=1024EB

1YB=1024ZB41基本数据转换：IP原理综述

综上所述，入射到IP的X射线量子被IP的成像层内的荧光体吸收，释放出电子。其中一部分电子散布在荧光体内呈半稳定状态，形成潜影（信息采集）。当用激光照射（二次激发）已形成的潜影时，半稳定状态的电子转变为光量子，即发生光激发发光（PSL）现象。光量子随即由光电倍增管检测到，并被转换为电信号（信息转换）。这些代表模拟信息的电信号再经模/数（A/D）转换器转换为数字信号（信息读出）。然后，数字信号被传送到存储与显示元件中作进一步处理（信息的处理与记录）。421、决定系统响应性的因素：进入IP的散射线激光束在IP荧光层上的散射激光束的扩散取决于激光束的直径激光在荧光层的散射电子系统的响应特征激光是以点扫描来完成影像读取，点的直径直接关系到读取影像信息量，即影像质量。读取装置的激光点直径越小，则读取的信息量就越多，得到的像质越好。所以，激光束的直径越小越好。波长为600nm时，可以取得最大的激发效果。(三)影响图像质量的因素2、噪声CR系统噪声量子噪声（X线量依赖性噪声）：取决于mAs固有噪声（非X线量依赖性噪声）CR系统中X射线量子噪声是在X射线被IP吸收过程中产生的，与IP检测到的X射线量成反比。在光电倍增管把辉尽性发光强度转换为电信号的过程中产生光量子噪声，它与光电子数成反比，即与入射X射线量、IP的X射线吸收效率、IP的光激发发光量、导光器的聚光效率以及光电倍增管的光电转换效率成反比。3、数字化的影响虽然所有的信号数字化越充分越好，然而，却会带来价格昂贵和难以处理的庞大数据。人眼的辨别力和荧光屏的显示也有限度，所以应将数据化的程度控制在能充分反映人眼及荧光屏能辨别的程度最为合适。实际在A/D转换过程中，对模拟信号进行取样和量化会产生量化噪声和伪影。例如，取样频率低会产生“马赛克”状伪影，量化级数不够会产生等“高线状”伪影。（取样频率？量化级数？）信号数字化会使影像的空间分辨率降低，应将数字化程度控制在人眼和显示器分辨率的范围内，过高将使数据量增加，从而使图像处理时间过长。45IP分辨力像素尺寸像素数位容量14×172.5LP/mm0.2mm1760×2140104.5MB14×142.5LP/mm0.2mm1760×1760103.8MB10×123.3LP/mm0.15mm1670×2010104.0MB8×106.0LP/mm0.10mm2000×2510106.0MB表IP的信息容量和空间分辨力3、空间分辨力

激光束的直径：光电及传动系统的噪声：X线量子噪声光量子噪声其它因素影响数字化的影响：量化噪声等影响图像质量的因数（总结）：四、图像质量保证①与系统检测功能有关的处理②与显示功能有关的处理③与图像信息存储和记录有关的处理（一）图像处理环节（二）图像读出灵敏度自动设定曝光数据识别器（EDR）包括：分割表示范围的识别处理曝光区域的识别处理直方图分析、修正一、与检测功能有关的处理为克服X射线成像期间由于曝光过度或曝光不足产生的影像密度的不稳定性，影像读出装置建立了一个自动设定每幅影像灵敏度机制。计算机配置了自动预读程序

（也称为曝光数据识别EDR）该程序为了防止由于摄影条件与所摄部位不同，记录在IP上的影像信号经读取而转换成数字化影像信号后，产生信息量及信号变化范围差别很大，难以得到一致曝光量的CR照片的现象。50分两步进行：1、预读取：确定读出条件2、读取：获得数字影像自动预读程序预读程序进行数据处理，使用输入的X射线摄影信息和自动检测到的每幅影像的敏感性范围来调整直方图特征，以得到具有稳定的密度和对比度的图像。X射线影像密度的直方图根据摄影部位和摄影技术（平片、断层、造影等）的不同分别具有特定的形状。52自动预读程序先以较弱的激光，大致扫描一次，在病人的摄影信息（部位、投照方法等）输入计算机后，先用一束微弱的激光粗略地对已有潜影的IP快速扫描，得到一组抽样数据（约200×200像素、8bit）。读出存储在IP的信息极少的一部分，取得粗略的影像数据，并根据相应的摄影条件检测有无分割照相，照射野的大小及在IP上的位置等，制成一个预读图像的直方图。53自动预读程序根据这一曲线，进一步决定采集数据的范围，即真正读取条件，具体方法，决定光电转换器的灵敏度和放大器的放大率，从而得到对比良好的CR片。这样，不论以任何条件摄片，总能得到一定范围的数字化影像，方便影像的处理、再现和保管。54曝光数据识别处理流程：曝光区域识别用一束微弱激光预读IP，获得预读出影像的直方图与机器根据摄影部位自设的直方图相比较以合适的条件读出敏感度（S）和宽容度（L）

56人体各组织X射线图像直方图二、CR系统工作特性影像信息的采集（第一象限）影像信息的读取（第二象限）影像信息的处理（第三象限）影像信息的再现（第四象限）四象限理论第一象限：影像信息的采集曝光量X线的曝光量与发出的荧光在1~104范围呈线性关系第二象限：影像信息的读取在影像读出装置（IRD）中完成输出的是数字信号

灰阶变换处理： 灰阶变换函数：胶片密度数字图像信号（三）图像后处理2.空间频率处理是指对频率响应的调节，从而影响影像的锐度。通过空间频率处理调节响应，提高影像中高对比成分的响应增加局部的对比度。边缘增强技术是空间频率处理较常用的，它通过增加对选择的空间频率响应，使兴趣结构的边缘部分得到增强，从而突出结构的轮廓。63（三）图像后处理显示功能的相关处理谐调处理涉及影像的对比，依CR系统的敏感性范围自动设定机制，即使摄影中X射线量和X射线质等有某些改变，在一定敏感范围内CR系统也可读出影像信号。CR系统可用各种谐调处理程序，分别针对不同的成像目的的影像对比处理，以达到总体光学密度及黑白翻转的效果等。64显示功能的相关处理谐调处理（影响对比）和空间频率处理（影响锐度）是结合应用的。低对比度处理和高空间频率处理结合使用，可提供较大的层次范围和实现边缘增强，利于显示软组织（纵膈等）高对比度处理和低空间频率处理结合使用可提供像屏/胶屏系统的影像。65（三）图像后处理3.动态范围的压缩处理胸部的低密度区域动态范围压缩，可清楚显示纵膈内的细微结构，可得肺野的良好对比度；胃肠双重对比造影中的高密度区域的压缩处理有利于显示充气部位的结构细节；乳腺摄影中，对高密度区域的压缩处理可以良好地显示邻近皮肤边缘部分结构。66（三）图像的后处理1.减影处理CR系统也可完成血管造影与平片的减影功能。在时间减影血管造影方式中，CR系统同样可以摄取蒙片和血管显影片，经计算机软件功能实施减影。67减影方式能量减影时间减影——DSA能量减影两次曝光法一次曝光法能量减影原理：一次曝光法能量减影：使用两块同样大小的IP，夹着一0.6mm厚金属铜板。

骨组织影像能量减影获得的图像软组织影像普通影像（三）图像的后处理712.灰阶处理CR系统中，在读取影像时，将影像信号在需要的范围内变成数字化信号，从而可以调整某一数字信号以黑白密度再现，这一过程即为灰阶处理，与CT的窗位类似。即在人眼能分辨的范围内显示出某一数字化分辨信号与另一数字化信号之间密度差异。3.窗位处理即在一定灰阶范围内，以某一数字信号为中心零点。在此中心信号范围的组织结构以其对X射线的吸收率不同，得到最好的视觉，并且能以这一信号为中心的一定范围内数字信号进一步增强，这一过程称为窗位处理。72（四）图像的后处理CT值和窗口技术（1）像素的CT值（2）窗口技术X-CT图像是由不同灰度的小方块，按矩阵排列组成，这些小方块称为像素，其灰度取决于相对应体素的衰减系数。在图像重建过程中，不直接运用衰减系数来建立图像，而是用像素的CT值。人体组织的CT值大致可分成2000个等级。空气的CT值为-1000HU，骨头为1000HU。把感兴趣部位的对比度增强，无关紧要部位的对比度压缩，从而使CT值差别小的组织能得到分辨。CT影像进行重建时，每一个像素代表待测组织在该点的衰减系数，其大小一般用CT值来表示窗口技术窗口技术的作用：控制影像的对比度选择所要观察的组织CT影像优于传统X射线投影，能够区别衰减系数差异为0.5%的组织，因而人体组织的CT值大致可分成2000个等级。1000-1000

通过窗口技术，可以把任何一段CT值扩大到整个屏幕的灰阶范围。

屏幕通常有256个灰阶，一般以灰度0代表最暗，灰度255代表最亮。窗口：窗宽的上限和下限所包含的范围。

窗位

是指观察某一组织结构细节时，以该组织的CT值为中心进行观察。如脑组织的CT值大约为35HU，则窗位选择为35HU，窗宽常用100HU。

窗宽

是指显示图像所