第四章-数字X线成像-DR.pptx

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1、医学影像设备学第四章 数字X线成像第一节 DR成像基本条件第二节 DR成像原理与工作流程第三节 DR影像质量标准与影响因素第四节 数字图像打印原理学习目标1.掌握 直接和间接探测器的结构；非晶硒和非晶硅DR的工作流程。2.熟悉 非晶硒和非晶硅DR的成像理论；影响DR图像质量的因素。3.了解 CCD探测器和多丝正比电离室摄影设备 的工作理论。数字X线摄影（Digital Radiography,DR）DR的影像接收器为平板探测器（Flat Panel Detector，FPD）1990年开始认识并研发，1995年硒材料的直接转换静态影像X线平板探测器。1997年出现了静态的间接转换平板探测器。（

2、一）基本结构一、FPD 型DR1 X 线发生装置 2 X 线探测器3 检查床/台 4 计算机系统第一节 DR成像基本条件7DR系统的组成DR设备DR设备（探测器）模数转换器Computer数模转换器显示器照像机对比增强器数字式X射线摄影DR分为：直接数字X射线摄影（DDR）直接数字化X射线摄影系统是由电子暗盒、扫描控制器、系统控制器、影像监示器等组成。间接数字X射线摄影（IDR）11DR的接收装置主要有：直接数字X射线摄影（DDR）间接数字X射线摄影（I DR）电荷耦合器件（CCD）利用闪烁体和光电二极管组合间接转换只使用X线的光电导特性的直接转换 DR的探测器分类：探测方法X线转换为数字图像

3、的过程直接转换a-Se 平板探测器 X线 图像MWPC X线 图像间接转换闪烁体+光电二极管X线 光 图像I.I.+TV 摄像机 X线 光 图像 闪烁体+CCD X线 光 图像DR常用的数字探测器 一、直接转换型探测器(DDR)（一）非晶硒平板探测器（1）结构：产生电子空穴对硒为光敏材料（一）DDR的组成1.电子暗盒主要由集电矩阵、硒层、电介质、顶层电极和保护层等构成。硒层厚约0.30.6，有很高的解像能力，对X射线较敏感。集电矩阵由按阵元方式排列的薄膜晶体管器件（TFT）组成。TFT的每个像元具有电荷接收电极、信号存储电容及信号传输器，通过数据网线与扫描电路连接。TFT像元大小直接决定图像的

4、空间分辨率。17（2）DDR的基本原理1.透过人体后衰减的X射线作用于电子暗盒的硒层。2.硒层按吸收X射线量的大小产生成正比例的正负电荷对。3.顶层电极与集电矩阵间高压在硒层产生电场，正负电荷分离。18非晶态硒型平板检测器工作原理：入射X线光子在硒层中产生“电子-空穴”对；电子-空穴在极间电场的作用下向相反的方向移动形成电流并储藏在极间电容；储藏的电荷在读出控制信号的作用下被顺序读出并送放大电路；非晶态硒型平板检测器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（一）非晶硒平板探测器功能单元X线转换单元：作用：将X线转换成电子信号光电材料：非晶硒（a-Se）像素矩阵探测器阵列

5、单元：结构：玻璃基层上的探测元阵列，每个探测元包括一个电容和一个TFT，对应一个像素 电容：储存聚集的电荷TFT：开关，由高速处理单元的地址信号激活信号传输单元 高速信号处理单元 作用：产生地址信号并激活探测元阵列中的TFT 作用：对数字信号的固有特性进行补偿，并将数字信号传送到主计算机。二、间接转换型探测器（一）非晶硅平板探测器(IDR)（二）CCD探测器非晶态硅型平板探测器原理图IDR24非晶态硅型平板探测器工作原理：X线入射闪烁晶体被转换为可见光；由光电二极管将可见光转换为电信号，并将此电信号储藏在光电二极管自身电容上；在读出信号的控制下将储藏电荷读出并加以放大。非晶态硅型平板探测器原理

6、图IDR荧光材料层 探测元阵列层 高速信号处理单元 数字影像传输单元（一）非晶硅平板探测器荧光材料层 材料：闪烁体CsI（碘化铯），可将X线转换为可见光CsI晶体呈细针状或柱状排列，提高的分辨率CsI晶体掺入铊，发出550nm的光，正是非晶硅接收光的峰值。每个探测元包括一个非晶硅光电二极管和TFT 探测元阵列层 数字影像传输单元 高速信号处理单元 作用：产生地址信号并激活探测元阵列中的TFT 作用：对数字信号的固有特性进行补偿，并将数字信号传送到主计算机。DDR采用X线信息直接转换，没有能量信息的中间环节，减少了原始信号的损失，保证原始信息量最大化。DDR对温度敏感；IDR工作性能稳定，适合大

7、批量的X线摄影。IDR成像过程有光电转换环节。DDR和IDR的对比电荷耦合器件（CCD）是一种半导体器件。（二）CCD探测器 CCD探测器的结构是由数量众多的光敏像元排列组成，光敏元件排列成一行的称为线阵CCD，光敏元件排列一个由若干行和若干列组成的矩阵称为面阵CCD。光敏像元的数量决定了CCD的空间分辨率。（CCD的基本结构 用于成像的CCD摄像器件有两类：线阵式CCD，它的光敏单元有序地排成一行或一列，常用于传真机、扫描仪和高分辨率的静态照相机等。面阵式CCD，它的光敏单元以行列方式排成矩阵，常用于摄像机、数码相机等31CCD的基本结构 CCD单元的基本工作有效结构，即MOS电容阵列结构的

8、感光单元由感光区、信号暂存区和信号读出寄存器构成。每个感光单元是参杂多晶硅-二氧化硅-硅的MOS结构，（即金属-绝缘层-半导体）结构单元。32（三）CCD的工作原理 CCD器件是利用信号电压在半导体之中建立势阱，在形成后的势阱中储存光生信号电荷（图10-22b所示），再以适当时序的控制脉冲驱动下，把半导体表面上存储的电荷以电荷包的形式定向依次从一个电极（势阱）转移到另一个电极（势阱），直到CCD的输出端为止，也叫做电荷耦合器件。3334 1电位阱与电荷包v 当MOS结构金属电极加上正电压（称为栅压VG）时，图中在P型半导体内部空穴被排斥，在绝缘层界面下形成一个空间电荷区（耗尽层）。随着VG增高

9、，耗尽层深度增加，半导体内电子势能变低，电子有向电子势能低处移动的特点，因此耗尽层对电子像一个陷阱一样，称之为电位阱。35电位势阱可以用来存放电子，外来信号电荷通过光注入或电注入方式注入电位势阱。电荷量大小由外来信号决定，与栅压VG无关。势阱内存储的电子电荷通常称为电荷包。其特点是：VG增加，势阱变深；VG减小，势阱变浅，浅势阱中的电子有向势阱深处移动的特点。2、信号电荷的注入、转移和输出（1）信号电荷的注入v势阱内的电荷包是由光敏材料受光照射后激发，产生电子空穴对，空穴被排斥后，电子则作为反映光强的载体-电荷包被收集、注入到势阱中，这就是CCD摄像器件的光电变换过程。势阱中电荷包内电荷数量的

10、多少与对应像素的亮度和积累的时间成正比。36电荷注入方法电荷注入方法（a）背面光注入；（b）电注入37（2）信号电荷的转移v势阱内电荷包转移是通过相邻MOS单元结构上VG的变化来实现的。相邻的VG上所加的有规律的脉冲电压，称之为时钟驱动。利用势阱内电荷包有浅向深移动的属性，有规律的改变驱动电压的高低，可使电荷包按要求转移。通常有三相时钟驱动、二相时钟驱动和四相时钟驱动等几种方式，都是依靠相应的时钟脉冲序列控制电压高低来实现。我们以三相时钟驱动为例：38信号电荷的转移v每三个势阱为一组，对它们的VG加上三相时钟脉冲V1、V2、V3、。由于每个时刻上三个栅压只有一个为高电平，其余两个为低电平，所以

11、只有一个为深势阱，其余两个为浅势阱。浅势阱中的电荷包向深势阱中转移。随着时钟脉冲的推移，深势阱中的电荷包随之向前移动。每经过一个半时钟周期，电荷包便顺序转移三个势阱。如果改变三个电压的高低顺序，可以改变电荷的移动方向，所以三相时钟驱动可以实现电荷包的双向移动。39CCD芯片的构造 41电荷转移原理vCCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。v电荷在势阱内可以流动，它总是从相邻浅阱里流进深阱中，这种电荷流动称为电荷转移。v为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位

12、要求。42（3）信号电荷的输出v每个像素下面势阱内的电荷包转移后，需顺序向外电路输出，并转换成信号电流或电压，再由外电路放大和处理。常用的电路结构为反偏二极管CCD输出方式。结构见图10-27，在一个作为负载的电容上可得到相应的离散的负极性脉冲电压，形成负极性图像信号。4344光滴小桶光敏元动画演示CCD 的工作过程1.有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为电荷。CCD 的工作过程2.这些电荷可以被储存起来。当一个CCD芯片感光完毕后，每个像素所转换的电荷包就按照一行的方向转移出CCD感光区域，以为下一次感光释放空间。（3）信号电荷的转移（耦合）为实现信号电荷的转换：1、必须使

13、MOS 电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻MOS 电容栅极电压高低调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处。3、在CCD 中电荷的转移必须按照确定的方向。CCD 的工作过程3.电荷可以被有秩序地转移出感光区域。CCD 的工作过程4.信号电荷输出，转化成电流或电压信号。（三）CCD的工作过程（三）DR的主要特点（1）DDR由于成像环节明显减少，避免了图像信息的丢失。（2）DDR图像具有较高的分辨率（3.6LP/）能满足临床常规X射线摄影的需要。DDR图像可较其它成像方式更清晰，细节显示清楚。DDR图像由于采用14bit以上的图像数字转换，图

14、像灰阶范围大，层次丰富。53（3）放射剂量小，曝光宽容度大，曝光条件易掌握。（4）可以根据临床需要进行各种图像后处理。为影像诊断中的细节观察、前后对比、定量诊断及功能诊断提供技术支持。（5）DR图像可直接以国际标准的数字化格式（DICOM3.0）存储，由计算机进行档案管理，可在医院PACS上传输，在影像高分辨显示屏上显示，供医生诊断，并将数据传至激光打印机。54（三）DR的主要特点（6）DDR的电子暗盒被设计为平板状，可方便地应用于医院各种常规X射线摄影设备。X射线曝光后计算机自动扫描读取信息，5s内控制室的监视器上可显示出摄影图像。由于曝光宽容度大，曝光后瞬间各种人员可以对投照质量作出判断，

15、缩短了检查时间，避免了因技术原因对患者的重复检查。55（三）DR的主要特点（7）DDR作为常规X射线摄影，其通过量完全满足临床需要，但目前DDR尚不适用需要快速连续摄影的X射线造影检查。（8）大面积TFT工业生产存在很大难度。目前采用的方法是将4块（7in8.6in，178 216）尺寸的TFT拼接为14in17in，拼接处像素元间距为0.1，不影响DDR的图像质量。56（三）DDR的主要特点（四）DR与CR的性能比较1.成像原理 DDR是一种X射线直接转换技术；CR是一种X射线间接转换技术。2.图像质量与图像分辨率 当前CR系统的时间分辨率差，不能满足动态器官和结构的显示。DDR系统不存在光

16、学模糊，其清晰度主要由像素尺寸大小决定。573.DDR是发展方向 DDR的电子暗盒费用昂贵还需改装已有的X射线机设备，而CR相对费用较低，且多台X射线机可同时使用，无需改变现有设备。4.CR更适用于X射线平片摄影 CR非专用机型可和多台常规X射线摄影机匹配使用，且更适用于复杂部位和体位的X射线摄影；DDR系统则较适用于透视与点片摄影及各种造影检查，由于单机工作量的限制，较适用小医疗单位和诊所的一机多用目的。58（四）DDR与CR的性能比较DDR与CR的比较（小结）：DDR的图像清晰度优于CR；信噪比高；拍摄速度快；DDR的X线线转换率高；寿命长；DDR不能与常规X线设备匹配工作；DR系统实物图

17、60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61（一）工作环境三、使用与维护（二）校正（三）备份 机房内温度保持在2028（变化范围不超过5/h）；相对湿度控制在60%70%。严格按照生产商提供的维护手册定期进行校正，主要内容有偏移校正、增益校正、坏点校正 定期做好数据库的备份，保证数据库的完整性、正确性。高千伏、大电流的检查部位一定要注意遮线器（尤其是腰椎侧位等）的使用，以减少无用的X 线。保持工作环境的清洁，特别是系统和显示器外部的清洁。对于C CD 型DR，探测器内一般装有冷却装置，必须

18、有良好地散热，以保证探测器能够正常工作。（四）平板探测器（五）清洁（六）C CD 探测器第三节 数字减影血管造影(DSA)一、DSA图像形成原理 数字减影血管造影是将未造影的图像和造影图像，分别经影像增强器增强，摄像机扫描而矩阵化，经A/D转换成数字化，两者相减而获得数字化图像，最后经D/A转换成减影图像，其结果是消除了造影血管以外的结构，突出了被造影的器官影像。6465（运算器）可编程硬件电路（一）DSA成像方框图 数字减影血管造影的基本原理66发生器 控制台 软磁盘数字文斯特硬盘分析评价系统控制处理机DV1-2控制台磁盘多幅照相机监视器存储器矫正存储器存储器矫正存储器+/-运算单元D/A转

19、换器X线管人体影像增强器摄像机A/D转换器心电图注射器vDSA系统成像方框图摄制普通片；制备mask片（即素片、蒙片、掩模片、基片）所谓mask片就是与普通平片的图像完全相同，而密度正好相反的图像，即正像片，相当于透视影像；摄制血管造影片；把mask片与血管造影片重叠一起；与为同部位同条件曝光，认真地制备mask片是减影的关键。印制减影片。67DSA的减影基本过程(一)血管造影中的图像 蒙片(mask)：造影前不含对比剂的图像称之为蒙片造影图像(contrast image)：注入对比剂后得到的图像称之为造影图像 减影图像：造影图像与蒙片图像相减所得到的图像称为减影图像减影成功的关键在于选择的

20、 mask 像是否恰当。即mask像与造影图像之间构成的减影对是否能理想的消除软组织及骨组织影像，突出血管影像。造影图像 减影图像=蒙 片DSA的减影基本过程（图示）图像的矩阵化与像素化v数字扫描就是将图像矩阵化，该阵列由纵横排列的直线相互垂直相交而成，一般纵行线条数与横行线条数相等。各直线之间有一定的间隔距离，呈格栅状，这种纵横排列的格栅就叫矩阵。v格栅中所分的线条越多，图像越清晰、分辨率越强。一个典型的影像含有约25万个这样的像素。v对于正方矩阵来说，像素的数目与矩阵的行数或列数的平方成正比。矩阵中被分割的小单元称为像素。71 1.原始X线图像(模拟图像)3.模/数转换器将图像像素转换为数

21、字(图像数字化)2.摄像管将图像划分为矩阵(图像矩阵化)9 9 9 2 0 3 9 9 94 5 8 2 1 2 8 5 40 0 6 9 2 0 2 4 04 3 9 9 0 4 9 9 29 8 9 9 0 3 8 7 99 9 9 7 0 1 2 5 99 7 8 4 0 0 6 9 95 0 0 0 0 0 0 0 99 0 0 0 0 0 0 0 9(二)DSA成像原理以矩阵大小5*5为例：9 9 8 8 9 9 8 8 8 87 7 4 4 9 9 3 3 7 74 4 9 9 7 7 5 5 4 49 9 6 6 8 8 7 7 9 99 9 3 3 4 4 3 3 7 79 9

22、 8 8 3 3 8 8 8 87 7 4 4 4 4 3 3 7 74 4 9 9 3 3 5 5 4 49 9 6 6 5 5 5 5 8 89 9 3 3 4 4 3 3 7 70 0 0 0 6 6 0 0 0 00 0 0 0 5 5 0 0 0 00 0 0 0 4 4 0 0 0 00 0 0 0 3 3 2 2 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0=减影图像为“L”形的灰度由暗到亮的影像 减影结果对比度增强：造影图像 未造影图像 减影图像=v数字图像将模拟图像分成许多像素，并对每个像素赋予数字化，表现出来的是每个像素的不同亮度。表示像素的浓淡程度的数值有数十至数千级，以

23、2的乘方数bit表示，如N个 bit的二进制数字可表示2N个灰阶度级，例如8bit就是28256级，13 bit为2138192级。当然人的眼睛无法分辨这样的灰度级，只有通过窗口技术进行转换。74图像的矩阵化与像素化v由于人的眼有视觉暂留的特性，一般中等亮度暂留时间为0.10.16s，图像是由许多像素组成，如果一幅画面中的第一个像素到最后一个像素传递的时间小于0.1s，我们就会感到一幅完整的图像。而一幅图像有几十万至几百万个像素，每个像素所占的时间还不到1s，同时人眼具有比图像系统宽得多的动态范围。目前，DSA都采用高频率动态扫描，人们自然会感到清晰的图像。（50HZ、60HZ、120HZ）7

24、5图像的矩阵化与像素化（三）A/D转换vA/D转换器的功能是把来自电视摄像机的视频信号数字化。v这装置由一个大规模的集成电路内的大于一千个以上比较器组成，每秒可从一个视频信号采样两千万次，达到每个样本千分之一（10 bit）灰阶水平的精确度。扫描将图像分成许多像素（连续的物理量），然后变成数字信号（不连续的物理量），在扫描中以高电压代表电视信号明亮的部分，低电压代表电视信号黑暗的部分，按扫描规律顺序将像素的明暗变化转为电信号。76v若将高电压用二进制的1表示，低电压用二进制的0表示，则图像是由高低电压起伏的电信号变为二进制的数字信号0或1的变化，每个数位的值（1或0）经接通电子开关的“开”或“

25、关”，即可被记录。这样，电视摄像机所摄的X射线图像也就一个接着一个的变成数字。vA/D转换中的不足就是失去信号电压，即量化误差。77（三）A/D转换v视频模拟电子信号转换成数字形式，图像以数字形式存贮在视频处理器的存贮器内，数字化的时间和摄像管扫描的时间要同步。v对于数字减影要求将X射线信号增强，在光导摄像管和A/D转换器之间加一个对数放大器，使图像的亮度从亮到暗，按密度函数的对数规律变化。78（三）A/D转换79第四节 医用相机 数字图像打印装置一般分为：热敏打印激光打印一、热敏打印主要依靠热力头打印成像，故称直接热敏打印成像。（一）热敏打印机的基本结构（1）片盒部：是胶片暗盒装卸的地方。（

26、2）输片部：包括取片和输片。（3）清洁部：（4）记录部：（5）信号处理系统：（6）控制部分：（二）热敏打印机的成像原理“微型隔离技术”（MI技术）干式热敏打印机利用热力头打印技术成像 二、干式激光打印（一）激光打印机分类按激光的光源分类：医用氦氖激光打印机按胶片处理方式分类：湿式打印机医用红外激光打印机干式打印机（二）干式激光打印机基本结构干式激光打印机外观：（1）激光打印系统：（2）胶片传送系统：（3）信息传递与存储系统：（4）控制系统：（5）其它配件：（三）激光打印机的成像原理 小结详细介绍不同种类平板探测器的结构及成像原理，详细列出直接转换和间接转换DR的工作过程；简述了DR影像质量的标准及影响因素；详细叙述热敏打印和激光打印的特点及打印原理。