【源版】医学物理学-第三章

医学影像物理学第三章数字X线放射成像第三章数字X线放射成像X射线源人体探测器A/D转换器计算机处理D/A转换器显示/摄影存储器分：数字透视DF

数字摄影DR3.1数字图像基础知识一、图像和数字图像

1.可视图像与不可视图像；

2.连续图像（模拟图象）和离散图像（数字图像）；

3.灰度图像和彩色图像（多谱图像）。二、图像和图形一、图像矩阵（数字图象所有像素的阵列）的大小（像素数）和图像的关系像数数量少，像数尺寸大，图象空分力低，可观察到的细节就少；反之

32*32

像数

256*256像数3.1数字图像基础知识一、灰度级数（将连续变化的灰度值量化为离散的整数灰度值，又叫灰阶）和图像的关系灰度级数高，灰度分辨力大，图象细节清晰

2级灰度图

256级灰度图3.1数字图像基础知识灰度级数2N,N为位数（bit）。如8位，其灰度级数28=256

高灰度级数低灰度级数3.1数字图像基础知识图2-1采样网格三、数字图像获取——采样与量化

1.空间采样：将实际物理图像信号的二维连续

分布变为空间不连续的二维离散分布的过程。（即把图像的每条线都分成一行像素）三、数字图像获取——采样与量化空间采样孔的大小和采样孔的间距决定数字图像的空间分辨力。

空间分辨力指成像系统（或其所成图像）能够分辨的最小几何尺度。

像素数目≠空间分辨率下限要保证数字图像不失真的反映原图像采样时图像矩阵的大小确定上限要不至于像素数目太多，处理显示慢一般为

256*256512*5121024*1024三、数字图像获取——采样与量化2.量化：实现图像的灰度分辨力（即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）。对于自然图像而言，灰度分辨力指图像所能分辨的最小亮度。灰度级数和灰阶（量化后的整数灰度值）灰阶≠灰度分辨率8位256个灰度级，10位1024个灰度级三、数字图像获取——采样与量化3.图像数字化与一维信号数字化的比较

1）采样频率与采样间隔；（fs>f）畸变、混叠；

2）精度与灰度分辨率；空间分辨率；

3）噪声。三、数字图像获取——采样与量化数字图像空间分辨力和灰度分辨力的简单表述：每行像素数

每列像素数

灰阶（行数）（列数）像素总数X射线造影3.2数字透视增强器—电视视频输出A/D转换器计算机处理D/A转换器显示/摄影存储器分：DSA可存储2—4幅图像

DSI3.2.1数字减影血管造影（DSA）

人体同一部位造影前后的两帧图象相减，获得两图象中有差异（造影）部分的图象。——减影技术3.2.1数字减影血管造影（DSA）

DSA:将造影前、后获得的数字图象进行数字减影，消除骨骼和软组织结构，使造影剂所充盈的血管在减影图中显示出来，图像对比度提高。3.2.1数字减影血管造影（DSA）

DSA的物理基础：S=(μI-μT)dI减影后图像与造影剂厚度成正比，与造影剂和软组织的线衰减系数有关，与骨和软组织的结构无关。去掉了骨和软组织的影响，突出造影的血管。3.2.1数字减影血管造影（DSA）

DSA的基本方法：时间减影（用作减影的两帧图像是在不同的显影时期获得，易受病人移动和动脉搏动影响）能量减影（可消除运动影响，无法同时去除骨和软组织）混合减影减影图像是在不同的显影时期获得能量减影利用碘在33Kev能量水平时，其x线吸收系数显示出锐利的、锯齿形不连续的性质，在血管引入碘造影剂后，分别用略低于和略高于33Kev的X线能量（管电压分别为70kV和120kV—130kV）曝光，在此两种能量下，碘与其它结构的衰减有较大差别，将两种能量下曝光的影像进行数字减影，突出碘的对比度，消除其它无关组织影响。则后一帧影像比前一帧影像碘信号大约减少80％

，骨信号大约减少40％，软组织信号大约减少25。若将这2帧影像减影，彼此将有效地保留少量的软组织影像及明显的骨影像与碘信号。若减影前首先将130kVp状态时采集的影像由一大约1,33的因数加权，则减影处理后可以很好地消除软组织，仅遗留较少的骨信号及明显的碘信号。

K缘原理能量减影能量减影法能把不同吸收系数的组织影像分开。

如把骨骼或软组织影像去除，得到仅有软组织或仅有骨骼影像的图像。若令则去除骨骼若令则去除软组织能量减影能量减影法不能同时去掉骨骼和软组织影像。可以抑制组织慢运动造成的模糊。能量减影技术要求在特殊X线机上实现。管电压可在两种能量之间高速切换。混合减影在造影剂到达前后都作高能和低能摄影。先做能量减影去软组织，再做时间减影去骨骼。前述能量的Ｋ缘减影，当对注入造影剂以后的血管造影影像时，使用双能量Ｋ缘减影，获得的减影像中仍含有一部分骨组织信号，为了消除这部分骨组织，得到纯粹含碘血管影像，可以在造影剂注入前先做1次双能量Ｋ缘减影，获得的是少部分的骨组织信号影像，将此影像同血管被注入造影剂后的双能量Ｋ缘减影影像再作减影处理，即得到了完全的血管影像。这种技术就是混合减影技术。3.2.1数字减影血管造影（DSA）

影响DSA影象质量的因素：

噪声：被检者身体X线散射（与厚度成正比），视频摄影机和模拟存储器件噪声

运动伪影：运动或投照系统不稳—配准难—伪影造影剂浓度：与血管直径反比其它：器官状态和精神状态（心搏）3.2.1数字减影血管造影（DSA）DSA的优缺点：（与胶片减影相比）优点：

对比度大：

实时处理：直接显示和校正：缺点：运动会产生伪影不进行选者性注射时，会血管重叠3.2.2数字胃肠点片（DSI）DSI的系统图：X射线源人体影象增强器视频摄象机（A/D转换器）计算机处理D/A转换器显示/摄影3.2.2数字胃肠点片（DSI）DSI的摄象机：摄像管摄象机：影象增强器输出屏上的可见像—电压波形—A/D—计算机CCD摄象机：像素亮度—CCD光敏器件电荷——输出3.2.2数字胃肠点片（DSI）DSI的特点：即拍即看可连续摄片图象后处理强，存储调阅方便X射线照射剂量小图象清晰3.2.2数字透视（DF）缺点：空分力低；动态范围小，不能发现微小的组织差异；观察范围小；基本特征用电子探测器取代胶片；用软拷贝（softcopy）显示取代胶片和灯箱基本构成X线源图像获取及处理子系统图像处理及显示子系统图像存储、归档子系统3.3数字X线摄影图数字X线成像系统3.3数字X线摄影优点动态范围大；不需胶片，直接成像；具有强大的图像后处理技术，曝光条件不够理想的图像经处理后可以满足诊断要求，不必再次曝光；图像获取、显示、存储和传递的功能相互分离，显示、存储、复制和传递非常方便，是远程放射学和远程医疗的基础3.3.1扫描投影放射摄影（SPR）用点状或线阵探测器进行成像方法。点扫描摄影X线——检测器——可见荧光——被反射到光电倍增管，形成电脉冲，与入射X线强度成正比，——A/D转换——按顺序一行一行存储——组成影像优点：散射小（一点接受照射），剂量低，空分力高缺点：机械结构复杂，扫描时间长（5s）3.3.1扫描投影放射摄影二.线（扇）扫描摄影优点：散射小，扫描时间相对较小重伤3.3.2XII+摄像机摄像机Vidicon（VIDeo+ICONoscope）CCD3.3.3接收屏+镜头耦合+CCD3.3.4光纤渐缩管+CCD3.3.5ComputedRadiography（CR）计算机X射线摄影1982日本富士胶片会社研制。优点：曝光量低，宽容度大，可进行后续处理和存储、传输，质量和信息量同传统拍片一样。同传统拍片不同：影像记录和显示不在同一媒介。3.3.5ComputedRadiography（CR）CR成像原理影像信息的采集记录在成像板（IP）上(代替胶片)成像板（IP:ImagingPlate）

表面保护层：聚脂树脂类纤维背面保护层：同表面PSL物质层：PSL溶于多聚体溶液中基板：聚脂树脂类纤维胶膜3.3.5ComputedRadiography（CR）成像板（IP:ImagingPlate）

光激励发光物质（某些物质在一次激发光照射下，能将一次激发光携带的信息储存起来，当再次受到激发光照射时，能发出与一次激发光所携带信息相关的荧光）（PSL:PhotostimulableLuminescence）

BaFX:Eu++

X=Cl.Br.IPSL受一次激发光照射后形成电子-空穴对，这些带电粒子在PSL晶格中累积并能保持一段时间，储存了X线能量，在成像板中形成潜像；当再次受到激发光照射时，会产生同潜像相关的荧光，读出影像信息。消退变白：需屏蔽，摄片后8小时内读取可重复使用,但避免长期放置不用3.3.5ComputedRadiography（CR）

CR不同成像板3.3.5ComputedRadiography（CR）2.影像信息的读取激光扫描仪（PSL扫描仪）

He-Ne激光器，

=633nm；激光二极管，

=680nm。曝光后的成像板在激光扫描时，PSL受激光激励释放累积的带电粒子，发出可见光，这就是光激励发光现象。每个像素发出的可见光强度与该像素受到的X线照射量成比例。

3.3.5ComputedRadiography（CR）图CR-IP激光扫描示意图3.3.5ComputedRadiography（CR）影像信息的处理因为是数字图象，可以用计算机图象处理软件进行各种后处理：增强对比度、亮度、放大、滤波等。图非线性对比度扩展

平方根原图平方图直方图均衡3.3.5ComputedRadiography（CR）影像信息的再现荧光屏显示、多幅照相机摄影到胶片上、激光照相机直接记录激光照相机的工作原理：3.3.5ComputedRadiography（CR）6.影响CR影像质量的因素空间分辨力：PSL物质结晶体的颗粒度、影像读出系统的电光学特性、激光束光点的大小、散射程度

CR影像中的噪声：X射线量子噪声：IP吸收过程中产生光量子噪声：光电倍增管转换时产生固有噪声：IP结构噪声、激光噪声、模拟电路噪声、A/D转换中量子噪声等3.3.5ComputedRadiography（CR）7.CR影像的优缺点优点：数字影像X射线照射量的动态范围大照射剂量低应用范围广IP可重复使用

缺点：时分力差、空分力稍差、设备昂贵

用平板探测器将X线信息转换成电信号，再行数字化，整个转换过程都在平板探测器内完成。不像DF或CR，没有经摄像管或激光扫描的过程，所以X线信息损失少，噪声小，图像质量好。更因成像时间短，可用于透视和实行时间减影的DSA，扩大了X线检查的范围。

可用于实际的平板探侧器为无定型硅碘化钝平板探测器(Amo叩hous

Si—Csl

flat

Paneldetectors)。是在玻璃板底基上固定有低噪声的半导体材料制成的无定型硅(Amorphous

Sili—con，ASi)阵列部件，其表面覆有针状碘化铯闪烁晶体(Cesium

lodide，CsI—scintill(1tor)。在平板探测器内，X线信号转换成的光信号经硅阵列及光电电路转换成电信号，再转换成数字信号。另一种平板探测器是在无定型硅表面覆以光电导体的硒层，使X线信号直接转换为电信号。但其转换率不高，硅材料不够稳定，不能行快速采集。此外，还有直线阵列氙微电离室组成探测器作为介质的。平板探测器数字x线成像图像质量好、成像快，是今后发展的方向。3.3.6直接数字化X射线摄影（DR）直接X射线摄影探测器（DRD）:X线能量直接转换为数字信号X线探测间接型直接型像素扫描薄膜晶体管（TFT:ThinFilmTransistor）

3.3.6直接数字化X射线摄影（DR）2.平板探测器（FPD）3.3.6直接数字化X射线摄影（DR）2.平板探测器（FPD）直接转换型平板探测器图7-6直接转换型平板探测器结构

间接转换型平板探测器

图7-3(a)间接型平板探测器的多层结构

间接转换型平板探测器图7-3(b)间接型平板探测器的多层结构间接转换型平板探测器图7-4间接型平板探测器的微观结构(a)及电路框图(b)(a)(b)间接转换型平板探测器闪烁晶体

(Scintillator)Gd2O2S:Tb

CsI:Tl

图7-5针状结构CsI:Tl晶体

DR是一种X线直接转换技术，它利用硒作为X线检测器，成像环节少；CR是一种X线间接转换技术，它利用影像板作为X线检测器，成像环节相对DR较多。DR和CR将穿透被照射物体后的X线信息转化为数字信息，灰阶由胶片的256级提升至2048级、能在计算机中处理、因而可通过软件和功能实现图像的优化、图像质量大大提高。DR的核心技术是它的平板(FP)、采用一个带有碘化铯闪烁器的单片非结晶硅面板．将吸收的X光信号转换成可见光信号、再通过低噪声光电二极管阵列吸收可见光．并转换为电信号、然后通过低噪声读出电路将每个像素的数字化信号传送到图像处理器，由计算机将其集成为X线影像，以DOE为评价参数．DR是最高的．因而其图像层次丰富、影像边缘锐利清晰，细微结构表现出色．CR则将信息首先记录在涂有氟化钡的IP板上．再通过扫描装置实现数字化转换，其曝光条件仍由所匹配的X线成像设备所限制．因而图像与DR相比略逊医学教育网收集整理。CR的图像对比度和噪声的表现也不错．这可能与其摄影时使用较高的mAs有关。图像质量的提高提升了诊断医师的满意度，大大减少了疾病的漏诊和误诊直接/间接转换型平板探测器比较空间分辨力探测效率填充系数（fillfactor）

60%~70%（间接）

~100%（直接）制造间接