第三章-数字X成像设备A课件.ppt
第三章第三章数字数字X线成像设备线成像设备Digital X-ray Imaging Device 自从1972年X线CT问世后，医学成像领域出现了数字化浪潮，但传统X线影像的数字化最晚。1980年CR和DR系统出现产品，到了80-90年代才推出一些实用的X线数字成像设备。数字数字X线成像设备线成像设备是指把是指把X线透射影像线透射影像数字化，并进行图像处理后，再变换成数字化，并进行图像处理后，再变换成模拟图像显示的一种模拟图像显示的一种X线设备。线设备。数字化数字化X射线成像射线成像传统的传统的传统的传统的X X射线技术与计算机技术结合的产物射线技术与计算机技术结合的产物射线技术与计算机技术结合的产物射线技术与计算机技术结合的产物X线线源源人人体体检测器检测器（模拟信号）（模拟信号）数字化设备数字化设备（A/D转换）转换）计算机处理计算机处理数数/模模(D/A)转换器转换器显显示示/摄摄影影 数字化数字化X射线成像系统框架射线成像系统框架 获获获获得得得得数数数数字字字字化化化化图图图图像像像像的的的的方方方方法法法法主主主主要要要要有有有有两两两两种种种种类类类类型型型型，一一一一个个个个是是是是把把把把传传传传统统统统的的的的X X射射射射线线线线胶胶胶胶片片片片上上上上的的的的模模模模拟拟拟拟信信信信息息息息数数数数字字字字化化化化，另另另另一一一一个个个个是是是是直直直直接接接接从从从从检检检检测测测测装置装置装置装置获获获获得数字化的得数字化的得数字化的得数字化的图图图图像。像。像。像。传统传统传统传统的的的的X X射射射射线线线线胶片数字化胶片数字化胶片数字化胶片数字化 常常常常用用用用的的的的方方方方法法法法有有有有两两两两个个个个，一一一一是是是是通通通通过过过过电电电电视视视视摄摄摄摄像像像像机机机机扫扫扫扫描描描描X X射射射射线线线线胶胶胶胶片片片片，并并并并对对对对获获获获得得得得的的的的视视视视频频频频信信信信号号号号进进进进行行行行模模模模数数数数转转转转换换换换从从从从而而而而得得得得到到到到数数数数字字字字化化化化图图图图像像像像，其其其其特特特特点点点点是是是是获获获获取取取取图图图图像像像像的的的的速速速速度度度度快快快快，操操操操作作作作简简简简单单单单，价价价价格格格格便便便便宜宜宜宜，但但但但图图图图像像像像质质质质量量量量一一一一般般般般；二二二二是是是是主主主主要要要要采采采采用用用用电电电电荷荷荷荷耦耦耦耦合合合合器器器器件件件件（CCDCCD，Charge-CoupledCharge-CoupledDeviceDevice）实实实实现现现现图图图图像像像像的的的的数数数数字字字字化化化化，图图图图像像像像质质质质量量量量优优优优于于于于视频扫视频扫视频扫视频扫描系描系描系描系统统统统，但，但，但，但转换时间较长转换时间较长转换时间较长转换时间较长。获得数字化图像的方法获得数字化图像的方法n n电荷耦合元件又称为电荷耦合元件又称为电荷耦合元件又称为电荷耦合元件又称为CCDCCD图像图像图像图像传感器，是一种半导体器件，传感器，是一种半导体器件，传感器，是一种半导体器件，传感器，是一种半导体器件，能够把能够把能够把能够把光学光学光学光学影像转化为影像转化为影像转化为影像转化为数字信号数字信号数字信号数字信号。CCDCCD上植入的微小光上植入的微小光上植入的微小光上植入的微小光敏物质称作敏物质称作敏物质称作敏物质称作像素像素像素像素（PixelPixel）。一块）。一块）。一块）。一块CCDCCD上包含的像素数越多，上包含的像素数越多，上包含的像素数越多，上包含的像素数越多，其提供的其提供的其提供的其提供的画面画面画面画面分辨率也就越高。分辨率也就越高。分辨率也就越高。分辨率也就越高。CCDCCD的作用就像胶片一样，的作用就像胶片一样，的作用就像胶片一样，的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。但它是把图像像素转换成数字信号。但它是把图像像素转换成数字信号。但它是把图像像素转换成数字信号。CCDCCD上有许多排列整上有许多排列整上有许多排列整上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。邻的电容。邻的电容。邻的电容。2.2.直接从检测装置获得数字化的图像直接从检测装置获得数字化的图像直接从检测装置获得数字化的图像直接从检测装置获得数字化的图像 最最最最简简简简单单单单的的的的实实实实现现现现方方方方法法法法是是是是类类类类似似似似胶胶胶胶片片片片视视视视频频频频扫扫扫扫描描描描系系系系统统统统，直直直直接接接接从从从从监监监监视视视视器器器器获获获获得得得得模模模模拟拟拟拟输输输输出出出出，然然然然后后后后用用用用捕捕捕捕捉捉捉捉帧帧帧帧的的的的方方方方法法法法将将将将其其其其转转转转化化化化为为为为数数数数字字字字图图图图像像像像。另另另另一一一一种种种种实实实实现现现现方方方方法法法法是是是是在在在在现现现现有有有有成成成成像像像像设设设设备备备备的的的的基基基基础础础础上上上上改改改改进进进进图图图图像像像像接接接接收收收收部部部部件件件件，如如如如使使使使用用用用影影影影像像像像板板板板或或或或者者者者数数数数字字字字荧荧荧荧光光光光X X线线线线摄摄摄摄影影影影，由由由由于于于于不不不不用用用用改改改改变变变变现现现现有的检查过程，因此容易实现。有的检查过程，因此容易实现。有的检查过程，因此容易实现。有的检查过程，因此容易实现。图像数字化方式之一：图像数字化方式之一：胶片扫描系统胶片扫描系统扫描仪扫描仪计算机计算机X线胶片线胶片 图像数字化方式之二：图像数字化方式之二：影像增强器影像增强器+CCD+图像板图像板 DF 数字透视（数字透视（digital fluoroscopy）/数字荧光摄影（数字荧光摄影（digital fluorography）X线线X线线影像增强器影像增强器计算机处理系统计算机处理系统电视摄像管电视摄像管CCD或真空或真空摄像管摄像管电视信号处理电视信号处理A/D转换转换(图像板图像板)数字信号数字信号显示显示打印打印X线线球管球管人体人体 图像数字化方式之三：图像数字化方式之三：计算机摄影计算机摄影(CR,Computed Radiography)图像数字化方式之四：图像数字化方式之四：直接数字化摄影直接数字化摄影(DDR,Direct Digitized Radiography)1.1.图像质量高图像质量高图像质量高图像质量高2.X2.X射线剂量减少射线剂量减少射线剂量减少射线剂量减少3.3.实时显示、调整图像实时显示、调整图像实时显示、调整图像实时显示、调整图像4.4.可实现无胶片化可实现无胶片化可实现无胶片化可实现无胶片化5.5.易于管理易于管理易于管理易于管理6.6.易于融入易于融入易于融入易于融入PACSPACS系统系统系统系统7.7.智能化处理智能化处理智能化处理智能化处理数字医学数字医学X射线影像设备的特点射线影像设备的特点清晰的数字图像 计算机实时成像 处理后的图像 根据成像原理不同这类设备可分为*计算机X线摄影系统（computed radiography，CR）*数字荧光X线摄影（digital fluorography，DF)*数字X线摄影系统（digital radiography，DR）该系统分为：直接数字X线摄影（direct DR，DDR）间接数字X线摄影（indirect DR，IDR）X线束的形状：CR和DF属于锥形成像 数数字字图图像像：显显示示为为二二维维点点阵阵或或矩矩阵阵，一一幅幅图图像像中中包包含含的的每每个个点点和和矩矩阵阵中中的的小小单单元元叫叫做做像像素素，是是构构成成图图像像的的最最小小元元素素，像像素素的的数数目目等等于于矩矩阵阵的的行行数数和和列列数数的的乘乘积积，X图图像像的的矩矩阵阵一一般般为为正正方方矩矩阵阵，256256、512512、10241024。A/D转转换换是是数数字字图图像像的的关关键键，A/D转转换换器器的的位位数数越越高高，精精度度越越高高。8位位A/D转转换换有有256个个灰灰阶阶，10位位A/D转转换换有有1024个个灰灰阶阶。数数字字图图像像的的空空间间分分辨辨力力取取决决于于像像素素的的尺尺寸寸和和A/D转转换换器器的的采采样样时时钟钟频频率率，对对比度分辨率取决于比度分辨率取决于A/D转换器和转换器和D/A转换器的位数。转换器的位数。3.1计算机计算机X线摄影系统（线摄影系统（CR）CR系统系统数字化数字化X线摄影系统线摄影系统 3.1计算机计算机X线摄影系统（线摄影系统（CR）一、一、CR的基本组成和工作原理的基本组成和工作原理 控制计算机控制计算机影影像像板板影像读取装置影像读取装置（X射线影像射线影像 数字）数字）图像处图像处理装置理装置图像记录装置（数图像记录装置（数 字信号字信号 光信号）光信号）图像存储装置图像存储装置（光盘、磁带等）（光盘、磁带等）荧光屏荧光屏胶胶片片激光激光照相机照相机CR相片相片自动洗相机自动洗相机透射透射X射线射线*透射人体的X射线入射到影像板，影像板接受到该信息后，形成潜影记忆下来。*然后由影像读取装置将该信息读下来，该信息实现光电转换数字信号。*由计算机对信息进行处理，如大小测量、放大、灰阶处理、空间频率处理、减影处理等。*信息记录利用光盘存储，诊断需要用的模拟影像照片可用激光打印胶片，热敏打印胶片，及热敏纸记录。此外信息还能直接在荧光屏上显示影像。CR成像的基本原理成像的基本原理 原理：原理：以影像板（以影像板（IP）替代）替代X线胶片作介质，经线胶片作介质，经X线照射线照射后，后，X线量子被线量子被IP板成像层的荧光颗粒吸收，释放出电子，其板成像层的荧光颗粒吸收，释放出电子，其中一部分电子散布在成像层内呈半稳定状态，当用激光照射时，中一部分电子散布在成像层内呈半稳定状态，当用激光照射时，半稳定的电子转变为光量子从而发光，光线被光电管检测形成半稳定的电子转变为光量子从而发光，光线被光电管检测形成数字信号，经计算机处理获得图像，数字信号，经计算机处理获得图像，这就是这就是CR(Computed Radiography，计算机摄影计算机摄影)技术技术。二、影像板二、影像板(imaging plate,IP)1IP的结构的结构IP结构示意图材料：材料：氟卤化钡氟卤化钡(Barium Fluorohalide)保护层保护层：防止荧光层受损，透光率很高，很薄。辉尽性荧光物质层辉尽性荧光物质层（photostimulated luminescence substuane）：它把第一次照射光的信号记录下来，当再次 受到光刺激时，会释放存储的信号，即发出 与第一次激发光所带信息相关的荧光，这叫 光激励发光。基板：基板：保护荧光层免受外力的损伤。背面保护层：其材料和作用与表面保护层相同。背面保护层：其材料和作用与表面保护层相同。2IP的成像原理的成像原理 射射入入IPIP的的X X线线光光子子被被IPIP荧荧光光层层内内的的辉辉尽尽性性荧荧光光体体吸吸收收，释释放放出出电电子子。其其中中部部分分电电子子散散布布在在荧荧光光体体内内呈呈半半稳稳定定态态，形形成成潜潜影影，完完成成X X线线信信息息的的采采集集和和存存储储。然然后后用用激激光光束束扫扫描描(二二次次激激发发)已已有有潜潜影影的的IPIP时时，光光激激发发辉辉尽尽发发光光现现象象(光光致致发发光光)，产产生生的的荧荧光光强强度度与与第第一一次次入入射射激激发发时时X X线线的的能能量量成成正正比比，完完成成光光学学影影像像的的读读出出。IPIP的的输输出出信信号号还还需需由由读读取取装装置置继继续续完完成成光光电电转转换换为为电电信信号号A/DA/D转换，才能形成数字图像。转换，才能形成数字图像。IP板板灵敏度高，使曝光剂量降低灵敏度高，使曝光剂量降低1/8-1/2分辨率高，一般可达分辨率高，一般可达3.3LP/CM动态范围宽动态范围宽速度慢，不同动态观察速度慢，不同动态观察空间分辨率不如常规空间分辨率不如常规X线机摄影图像线机摄影图像数字乳腺多槽式计算机数字乳腺多槽式计算机X线摄影系统线摄影系统 富士医疗器材（上海）有限公司研发富士医疗器材（上海）有限公司研发 富士XG5000多用途FCR阅读器柯达 DIRECTVIEW CR 3IP的特性的特性 IP的动态范围：的动态范围：IP发出的荧光量依赖于第一次激发的X线量，具有良好的动态范围。IP的时间响应特性：的时间响应特性：当停止用激光照射荧光体时，辉尽发光按其衰减规律逐渐终止。IP存储信息的消退：存储信息的消退：在IP中的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，从而使受激发时的发光强度减小，这种现象称为消退。二读取装置二读取装置1读出原理读出原理 储存在辉尽性荧光物质中的影像为潜像信息，随着激光扫描系统的控制，影像板匀速的移动，激光束由摆动式反光镜或旋转多面体反光镜进行反射，对影像板整体进行精确而均匀地扫描。受激光激发产生的辉尽性荧光被高效光导器采集和导向，经光电倍增管进行光电转换和放大，再由AD转换成数字图像信号。扫描完一张影像板后，得到一幅完整的数字图像。记录在IP上的X线信息分两步读出。第一步：用一束微弱的激光瞬时粗略地扫描IP，立即计算出X线影像的辉尽发光量的直方图；第二步：是在获取上述信息的基础上，自动调整光电倍增管的灵敏度及放大器的增益，再用高强度的激光精细地读出X线影像，并实现数字化。2结构结构1）暗暗盒盒型型读读取取装装置置：将IP置入与常规X线摄影暗盒类似的盒内，经X线曝光后的暗盒，从CR读取装置的暗盒插入孔送入读取装置内，这一操作可以在明室完成。然后IP被自动取出，由激光来扫描，读出潜影信息送到潜影消除部分，经强光照射，消除IP上的潜影。此后IP被送回暗盒内，封闭暗盒，暗盒被送出读取装置，供反复使用，整个过程是自动和连续进行的。2）无无暗暗盒盒读读取取装装置置：该装置集投照、读取于一体，有立式和卧式。需要专用机器，不能与常规X线摄影设备匹配。IP在X线曝光后直接被送到激光扫描和潜影消除部分处理，供重复使用。3影响图像质量的因素影响图像质量的因素 1）激光束的直径和频率：激光点的直径越小，则读取的信息量就越多，得到的图像质量越好。2)光电和传动系统的噪声：X线量子噪声是在X线被IP吸收过程中产生的，与IP检测到的X线量成反比。3）数字化的影响：在AD转换过程中，对模拟信号进行采样和量化，也会产生量化噪声和伪影。三计算机图像处理三计算机图像处理1图像读取技术图像读取技术 为了保护图像的质量，CR系统都设计了图像读出灵敏度自动设定功能。在程序上设计了自动预读程序，以完成第一次光扫描的直方图分析，根据分析情况设置第二次扫描的条件，流程如下：2图像的后处理图像的后处理1）灰阶处理：）灰阶处理：在CR系统中，由于图像读取装置是把某个需要范围内的图像信号变成数字信号，控制数字信号可以得到以何种密度再现。在这里用灰阶变换函数，以函数控制（输出信号），改变灰阶函数可以自由控制X线剂量线剂量胶片密度胶片密度关系。例如在胸部摄影中，肺野和纵隔部位的密度差别很大，可以选用灰阶函数上段部分提高肺野区域的对比度，抑制纵隔区域的对比度，既很好地显示肺野内结构，又可防止在输出图像中纵隔的密度与骨密度过于接近，提高了纵隔内不同软组织的分辨层次。2）空间频率处理：）空间频率处理：是指通过频率响应的调节来影响图像的锐利度。边缘增强技术，通过增加高频响应，使结构的边缘得到增强，突出轮廓。3）动态范围压缩：）动态范围压缩：动态范围处理在灰阶处理与空间频率处理之前进行，以低密度区域为中心压缩，使原始图象低密度区域的密度值增高，将使图象的动态范围压缩变窄。4）减影处理：）减影处理：实现时间减影或能量减影。3计算机对图象存储和记录装置的控制计算机对图象存储和记录装置的控制 存储单元：磁盘 硬盘 光盘 激光照相机 等
