数字X线成像（医学影像诊断学）

为什么要提出数字X线成像？1．传统屏-片X线成像：X线→被检体→屏-片系统（潜影）→暗室处理→X线照片（模拟影像）。（1）三维组织成像在二维平面上，重叠影像；（2）X线影像一旦产生，图像质量就不能改善；（3）不便于图像的储存、管理和传输，发展受到限制。为什么要提出数字X线成像？2．数字X线成像优势：（1）密度分辨力高：屏-片系统只能达到26灰阶，数字图像达210～12灰阶；（2）可进行图像后处理：窗口技术、灰度变换、对比度调节、特征提取…（3）可高保真地进行图像存储、调阅、传输，实现PACS、远程会诊、无胶片化。一、数字X线成像的种类

1983年，富士公司推出存储荧光体方式-CR系统。

1997年以后，数字X线摄影设备相继问世：数字透视（digitalfluoroscopy，DF）

数字X线摄影直接转换FPD（a-Se）间接转换FPD（CsI＋a-Si）

CCD＋摄像机数字减影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）二、数字X线成像系统三、数字图像基础知识1．模拟：是以某种范畴的表达方式如实地反映另一种范畴。2．模拟信号：信息量的变化随着时间或距离的改变而连续地变化的信号（模拟量）。3．模拟影像：由模拟量构成的图像。是以一种直观的物理量来连续地、形象地表现另一种物理场的情况。4．数字：是由数字量组成的。是以一种规则的数字量的集合来表示的信号。（一）模拟与数字

三、数字图像基础知识1.像素:组成矩阵的基本单位（小格），具有数量值和大小值。数量值用二进制位数表示，如256X256（28），表示为8bit。2.灰阶：图像上或显示器上把白色与黑色之间分成的若干等级，表现为不同亮度的等级差别称为灰阶。3.信噪比（SNR）：信号强度与噪声强度的比值，是评价影像质量的指标之一。（二）数字图像三、数字图像基础知识4.数字图像：将一幅图像分成有限个像素（pixel）的小区域，每个像素中的灰度平均值用一个整数来表示。5.矩阵（matrix）：一个横成行、纵成列的数字方阵。常用的矩阵有320×320、512×512、1024×1024等。采集矩阵（acquisionmatrix）：每幅画面观察视野所含像素的数目；显示矩阵（displaymatrix）：监示器上显示的图像像素数目。（二）数字图像三、数字图像基础知识（三）图像矩阵大小与图像关系图像矩阵大小与图像质量的关系三、数字图像基础知识矩阵大小根据应用和成像系统的容量决定。一幅图像中包含的像素数目等于图像矩阵行与列数目的乘积。

图像的像素数少，像素尺寸大，图像的空间分辨力低；像素数量多，图像的空间分辨力高（LP/mm）。图像的像素数是由像素大小和整个图像的尺寸决定的。像素数与像素大小的乘积决定视野（fieldofview，FOV）。图像矩阵大小固定，FOV增加图像空间分辨力降低。

（三）图像矩阵大小与图像关系三、数字图像基础知识（四）灰阶与图像关系灰度基数与图像质量的关系三、数字图像基础知识ADC将连续变化的灰度值转化为一系列离散的整数灰度值，量化后的整数灰度值称为灰度级（灰阶graysca1e），对应于各个灰度值的黑白程度称灰标。

量化后灰度级数量由2N决定，N（bit）表示每个像素的灰度精度。每个像素灰度精度范围从1位到12位（4096个灰度级）图像灰度精度的范围为图像的灰度分辨力（对比度分辨力或密度分辨力）。（四）灰阶与图像关系四、数字图像形成1．图像数据采集

（1）抽样（sampling）或采样：ADC把视频图像的每条线都分成一行像素。经抽样，图像被分解成在时间和空间上离散的像素，但像素的灰度值仍是连续值，还需把每个像素连续的灰度值变成离散值。（2）图像灰度的量化：是把原来连续变化的灰度值变成量值上离散的有限个等级的数字量。量化的级数越多数字化带来的误差越小。常用灰度：8位256个、10位1024个灰度级。CR：computedradiography光激励存储荧光体成像CR普通工作流程示意图用影像板（imagingplate,IP）代替胶片IP板1.CR的原理X线潜影激光扫描可见光信号电信号数字信号光电倍增管ADC计算机图像显示打印存储强光扫描2.CR工作流程受检者信息登记，选择检查部位、扫描方式、图像预览、打印等功能图像采集即潜影的形成过程IP板送入阅读器，形成图像图像后处理及排版、打印、存储3.CR的优势01射线剂量低02IP板性能稳定03兼容性好05后处理功能强大06有助于医生诊断07数字化存储04全明室操作08易于实现数据库管理4.CR的特点对射线宽容度大识别性能优越图像清晰灵敏度高图像线性好操作程序繁琐动态范围大特点5.CR的分类普通型（有暗盒）普通型CR：又分为柜式机和台式机柜式机又分为单槽与多槽与原有检查设备兼容，能代替所有传统X线摄影检查项目专用型（无暗盒）一块IP，曝光后，移动读取单元自动完成读取、图像残影消除等功能功能单一，只能进行立式或卧式检查中的一种，适用于专项检查，工作效率高专用型CR：立式和卧式摄影专用型。6.IP板高分辨率型（HR）、普通型（ST）类型与规格硬基板、软基板和透明基板三种按基板类型分单面阅读、双面阅读按读取方式分8in×10in

、10in×12in

、14in×14in、14in×17in尺寸与胶片相同核心组成乳腺摄影常规摄影6.1IP板结构能弯曲、耐摩擦、透光率高接收通过人体的X线，并将X线转变成可见光信号为防止激光在荧光物质层和支持层之间发生界面反射，故将支持层做成黑色，提高影像清晰度避免IP在使用过程中摩擦损伤表面保护层背面保护层PSL物质层基板6.2IP板工作原理X线潜影半稳定状态的电子PSL物质层IP板成像层激光荧光第一次照射第二次照射PSL光激发发光，含有微量二价铕离子的氟卤化钡晶体,晶体尺寸平均为4~7μm;晶体尺寸越大，PSL现象也越强，但影像清晰度下降。6.3IP的特性——光谱特性发射光谱与激励光谱光谱特性第一次激励IP的X线谱，其峰值范围在390~400nm之间。它接近阅读器中的发射检波器（光电倍增管）的峰值光谱灵敏度发射光谱第二次激发IP的读出光谱，其峰值波长范围在600~680nm之间。氦氖激光器的发射光谱为633nm、固态二极管的发射光谱为680nm激励光谱发射光谱与激励光谱波长的峰值间需要有一定的差别，以保证两者在光学上的不一致性，从而获得最佳的图像信噪比7.影像读取装置普通型（台式、柜式）+专用型（立式、卧式）功能完成读取IP上的潜影信息、传送IP、擦除残留影像光学光收集放大A/D转换处理传送激光擦除六大部分组成间接型平板探测器也叫做非晶硅平板探测器，是由碘化绝等闪烁晶体涂层与薄膜晶体管或电荷耦合器件或互补型金属氧化物半导体构成。1.间接型平板探测器1.间接型平板探测器有效探测区域17″×17″（43

cm×43

cm）动态范围：14bits

16384灰阶像素总数：940万数据输出：14bits读出时间：1.25秒2.间接型平板探测器的结构玻

璃

基石

墨

罩环氧树脂密封非晶硅阵列闪烁体层反射层2.1非晶硅阵列非晶硅阵列2.1非晶硅阵列TFT

门控线路像素电极(存储电容器)

列数据线存储电容器和TFT主要完成光电转换2.1非晶硅阵列2.2闪烁体层玻

璃

基石

墨

罩环氧树脂密封非晶硅阵列闪烁体层反射层将X线转换成可见光的能力比硫氧化钆强，但成本比较高将入射的X线转换为可见光图像主要功能碘化绝硫氧化钆成像速度快，性能稳定，成本较低，但是转换效率不如碘化绝涂层高2.2闪烁体层CsI发射光谱与a-Si光电二极管量子效率谱匹配特性3.非晶硅平板探测器的工作原理石墨罩反射层TFT玻璃基D1D2D3D4DnG1-nX线X线X线X线X线可见光可见光可见光可见光可见光闪烁体层非晶硅光电二极管4.CCD探测器的结构和工作原理由规则排列的金属—氧化物—半导体（MetalOxideSemiconductor,MOS）电容阵列组成核心结构MOS电容器闪烁晶体光学装置CCD4.CCD探测器的结构和工作原理在P型或N型单晶硅衬底上用氧化办法生成一层厚度约为100～1500埃的SiO2绝缘层MOS电容器的形成方法在P型或N型单晶硅衬底上用氧化办法生成一层厚度约为100～1500埃的SiO2绝缘层再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压）即形成了一个MOS电容器4.CCD探测器的结构和工作原理光信息电脉冲输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感脉冲只反映一个光敏元的受光情况CCD脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱工作原理直接型平板探测器是由非晶硒（amorphousSelemium，a-Se）加薄膜晶体管（ThinFilmTransistorarray，TFT）构成的平板探测器，也叫做非晶硒平板探测器。

1.直接型平板探测器的结构1.直接型平板探测器的结构导电层电介层非晶硒集电矩阵层玻璃衬底1.直接型平板探测器的结构→非晶硒层导电层电介层非晶硒集电矩阵层玻璃衬底→集电矩阵层X线转换单元探测元阵列单元高速信号处理单元数字影像传输单元1.2集电矩阵层导电层电介层非晶硒集电矩阵层玻璃衬底D1D2D3D4DnG1-n1.2集电矩阵层1.2集电矩阵层一根头发丝（80microns）TFT传感器矩阵单元显微照片

（139micronpitch）2.工作原理电介层导电层非晶硒集电矩阵层玻璃衬底D1D2D3D4DnG1-n++++----可编程高压电源ADC数字信号2.工作原理X线的强弱不同，Se层光电导体按吸收X线能量的大小产生不同数量的电子-空穴对。完成后扫描控制器自动对电子暗盒内的感应介质进行恢复。2.工作原理X射线电荷对电信号光电转换非晶硒层ADC模数转换数字信号图像处理工作站DAC数模转换图像显示显示器信号传输与处理集电矩阵层DR(DigitalRadiography)，是指采用X线探测器直接将X影像转化成数字图像的方法

核心部件：探测器提高图像质量，降低曝光剂量成像速度快动态范围大后期处理功能强易实现传输信息共享，与PACS对接数字X线摄影系统DR电荷耦合装置（CCD）或平板探测器X线透过人体后，经过X线探测采

集和计算机处理，在数秒内快速形

成X线摄影图像1.DR的构成数字探测器采集工作站1.X线发生单元：X线管2.X线接收单元：探测器5检查床/台、X线管支架单元3.信息处理单元4.图像显示单元2.DR工作流程DR主机摄片采集工作站登记室(工作清单、工作流监控、量统计)（储存、调阅、报告）医师图像工作站PACS存档服务器相机3.DR的分类a.机械结构单板

卧位悬吊多功能悬吊全悬吊（球管、探测器）立柱胸片架多功能U臂双板悬吊/浮动平床+胸片架3.DR的分类b.曝光方式线扫描成像方式多丝正比电离室气体探测器闪烁晶体/光电二极管线阵探测器固态半导体/CMOS线阵探测器非晶硅（间接数字化）非晶硒（直接数字化）CCD探测器等面曝光扫描采集方式3.DR的分类c.能量转换方式直接转换方式：DDR（X线投射到探测器上，光电半导体材料采集到X线光子后，直接将X线强度分布转换为电信号）非晶硒TFT/a-Se+TFT间接转换方式：X线照射到探测器先使某种闪烁发光晶体吸收X线量后，以可见荧光的形式将能量释放出来，经过空间光路传递，由光电二极管采集并转换成电信号。荧光物质：碘化铯，硫氧化钆非晶硅、CCD、互补型金属氧化物（CMOS）半导体探测器等。4.各厂家探测器GE检测科技、法国Trixell、三星碘化铯非晶硅平板：硫氧化钆非晶硅平板：Tb+a-Si+TFT、Canon公司、Varian

公司非晶硒平板：

新医科技、韩国DRTech、北京德润特CCD探测器：

加拿大IDC、德国IMIX、瑞典Swissray、

北京恒瑞美联、深圳安健CCD探测器：航天中兴4.1各种平板探测器比较碘化铯非晶硅非晶硒硫氧化钆非晶硅备注环境温度-10-55℃10-35℃5-35℃非晶硒受温度影响敏感,易结晶,易碎闪烁体工艺针状涂层/非针状涂层针状涂层减少光的散射,图像噪声小成像时间小于5s大于10s小于5s硫氧化钆影像动态范围低影像动态范围14bit14bit12bit应用厂家GEPHILIPSSIEMENS、Carestream新医科技、东健、安科岛津4.2非晶硅与非晶硒平板探测器之比较非晶硒不产生可见光，无散射线，较高的空间分辨率。非晶硅中碘化铯晶体的有效原子序数高于硒，具有更高的DQE。曝光剂量高时，两者差距不大；曝光剂量低时，非晶硅具有更好的对比度和细节检测能力。非晶硅射线量低于非晶硒。当下可将闪烁体加工成柱状结构，形成全反射，降低散射线影响，厚闪烁体成为可能，非晶硅逐渐成为主流产品。硫氧化钆转换X线至可见光能力低于碘化铯，市场以碘化铯平板为主流。4.3平板探测器参数像素尺寸：常用139μm，乳腺要求在50~100μm内采集时间：几秒空间分辨力与空间分辨率：空间分辨力（可以分辨的最小空间差异）空间分辨率（单位长度或面积内能分辨的成像单元的数量）量子检测效率（DQE）：表示探测器的性能，即将X线能量实际赋予图像的百分比。如：65％DQE＝探测器输出SNR/探测器输入SNR

综合评价影像对比度、噪声特性、空间分辨率和入射剂量和影像质量呈正比、患者剂量呈反比。4.3平板探测器参数常见设备的动态范围：DR探测器：14bit普通电脑监视器：5～6bit高档医用监视器：10bit激光相机：12bit动态范围（BIT）：即宽容度，是指能够显示的信号强度从最小到最大的强度范围。如：14bit＝214一、原理与方法DSA原理一、原理与方法DSA减影示意图二、DSA系统和功能1.影像增强-摄像机：把透过人体X线经影像增强管变为可见荧光，亮度增强5000～10000倍，再由摄像机变为电信号供数字处理。2.对数放大-模数变换：把摄像机的输出信号转换为数字图像矩阵。对数放大器的目的是形成线性灰阶。3.存储器：未注入对比剂的数字图像矩阵存于存储器1内作为mask，注入对比剂后的数字图像矩阵存于存储器2中。经运算逻辑电路使两图像对应部分进行数字相减，得出减影图像矩阵，存于显示存储器中。4.图像处理机：用来实时处理图像系列和摄像曝光控制。二、DSA系统和功能DSA系统结构示意图三、DSA成像物理基础X线吸收规律示意图三、DSA成像物理基础（单能窄束X线通过两均匀介质时，X线射出强度IT和入射强度I0关系：

μB、μT分别为骨和软组织的线性吸收系数，dB、dT分别