第三章 数字X线成像设备

第三章数字Ｘ线成像设备尽管新型的医学影像设备不断出现，传统的Ｘ线摄影还是常规检查的主流方式，目前70％以上的诊断用Ｘ线影像仍是采用增感屏／胶片方式摄取的，不能进人PACS（图象的存储、传输系统）。

因此，使常规Ｘ线影像数字化或记录在胶片上的信息数字化，对实现医学影像信息管理的现代化和实用化具有重要意义。

本章着重阐述数字Ｘ线成像设备的基本结构、功能和应用特点等内容。

第一节概述一、数字Ｘ线成像设备的发展数字Ｘ线成像设备是指把Ｘ线透射影像数字化并进行图像处理后，再变换成模拟图像显示的一种Ｘ线设备。

根据成像原理的不同，这类设备可分为计算机Ｘ线摄影（ＣＲ）系统、数字荧光ｘ线摄影（ＤＦ）系统和数字Ｘ线摄影（ＤＲ）系统。

ＣＲ是用存储屏记录Ｘ线影像，通过激光扫描使存储信号转换成光信号，再用光电倍增管转换成电信号，然后经A/D转换后，输人计算机处理，成为高质量的数字图像。

ＤＦ是Ｘ线被影像增强器接收后，经Ｘ线电视系统转换为模拟视频信号，再用A/D转换器变换为数字图像信号。

ＤＲ可分为直接数字X线摄影（ＤＤＲ）和间接数字X线摄影（ＩＤＲ）。

ＤＤＲ是指采用X线探测器直接将X线影像转化为数字图像的方法IDR是指由I．Ｉ－ＴＶ电视系统或胶片先获得模拟的Ｘ线影像，再转换成数字图像的方法，前者的成像原理与ＤＦ相同，后者是利用数字化扫描仪把胶片上记录的模拟信息数字化。

根据Ｘ线束的形状又可分为锥形成像法、扇形和笔形束成像法。

ＣＲ和ＤＦ属于锥形成像。

ＤＤＲ由于探测器的种类有一维探测器和二维探测器，成像方式各异；一维探测器采用扇形平面Ｘ线束或笔形Ｘ线束进行扫描投影，二维探测器则采用锥形照射。

如图３－１所示。

自从１９７２年Ｘ线CT问世后，医学影像领域出现了数字化浪潮，但传统Ｘ线影像的数字化最晚。

１９７９年出现飞点扫描的ＤＲ系统，１９８０年在北美放射学会的产品展览会上ＤＲ和ＤＦ的展品引起了全世界的关注，从此，以ＤＳＡ系统为代表的 DF得到了高速发展，１９８２年又研制出ＣＲ系统。

20世纪８０年代中期，各国厂商竞相开发DR和CR；２０世纪９０年代又大力研制直接 DR的探测器，推出了一些实用的DDR设备。

数字Ｘ线成像与传统的增感屏一胶片成像相比，有许多优点：１．对比度分辨率高２．辐射剂量小３．成像质量高能用计算机进行图像后处理，更精细地观察感兴趣的细节。

一些具有广阔应用前景的新技术（如三维Ｘ线成像技术、双能量Ｘ线成像技术等）都是以数字成像技术为前提的。

４．可利用大容量的光盘存储数字图像，消除用胶片记录Ｘ线影像带来的种种不便，并能进人ＰＡＣＳ，实施联网，更高效、低耗、省时间、省空间地实现图像的储存、传输和诊断。

综上所述，数字Ｘ线成像设备的发展对远程放射学系统的发展具有决定性的影响，这些设备在２１世纪将成为大中型医院放射科的主导设备，因此具有广阔的发展前景。

二、影像信号的数字化传统Ｘ线摄影的影像具有从白色到黑色这样一个连续的灰阶范围，它是Ｘ线透过人体内部器官的投影，像素的亮度也是连续变化，可取亮度最大值和最小值之间的任意值。

这种亮度或灰度可连续变化的影像是模拟影像，不能直接进行计算机处理。

（一）数字图像在ＣＲＴ上显示的图像信号都是模拟信号，信号的幅值随时间作连续变化。

按一定的时间间隔读取模拟信号瞬时的幅值，称为把信号离散化或采样。

把离散信号的时间变量和幅值都用若干位二进制数来表示，称为信号的量化。

把模拟信号离散化和量化就实现了信号的数字化。

数字信号具有抗干扰性强，且能计算机处理等优点。

数字图像显示为二维点阵或矩阵，一幅图像中包含的每个点或矩阵中的小单元叫像素，是构成数字图像的最小元素。

（二）数据采集系统的主要部件A/D转换器是实现Ｘ线图像数字化的关键部件，它把模拟图像信号分解成彼此分离的信息，把图像的连续灰度分离为不连续的灰阶，并赋予每个灰阶相应的二进制数字。

A/D转换器的位数越多，数字化的精度就越高。

数字图像信号只有经过Ｄ／Ａ转换器交换成模拟图像信号后才能在监视器上显示D/A转换器把以数字表示的像素灰阶转换为视频信号电平，形成不同亮度的像素。

第二节计算机Ｘ线摄影系统１９８２年出现了第一台ＣＲ系统，它可以代替普通Ｘ线胶片成像。

ＣＲ用存储荧光屏（ＳＰＰ）作面探测器，如影像板（ＩＰ）；其它的面探测器还有闪烁晶体加光电二极管阵列、闪烁晶体加CCD和非结晶硒探测器等。

一、ＣＲ的基本组成和工作原理ＣＲ的结构主要有信息采集、信息转换、信息处理和信息储存及记录等几部分（图３-2）。

信息采集：是以存储屏代替胶片，接受并记忆Ｘ线摄影信息，形成潜影。

信息转换：由读取装置来实现，用光电倍增管接收存储屏发出的荧光，并实现光电转换，再经A/D转换器变换成数字信号。

信息处理：由计算机来完成，是对数字化的Ｘ线图像作各种相关的后处理，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：利用存储媒体，如光盘等，通常在储存前进行数据压缩；用于诊断需要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等记录，而激光打印胶片是常规的记录方式。

ＣＲ信息还能直接在荧光屏上显示影像。

下面介绍ＣＲ系统的结构和功能。

二、影像板ＣＲ影像不是直接记录于胶片，而是先记忆在ＩＰ上IＰ可以重复使用，但没有影像显示功能。

（一）IＰ的结构（图３－３）１．表面保护层此层的作用是为了在使用过程中，防止荧光层受到损伤而设计的。

因此，要求它不随外界温度和湿度而变化，透光率高并且非常薄。

聚酯树脂类纤维具有此种特性，常用于制造这种保护层。

２．辉尽性荧光物质层辉尽性荧光物是一种特殊的荧光物质，它把第一次照射光的信号记录下来，当再次受到光刺激时，会释放储存的信号。

３．基板基板的作用是保护荧光层免受外力的损伤，材料也是聚酯树脂纤维胶膜。

４．背面保护层是为防止各影像板之间在使用过程中的摩擦损伤而设计的，其材料与表面保护层相同。

（二）IＰ成像原理射人ＩＰ的Ｘ线光子被ＩＰ荧光层内的辉尽性荧光体吸收，释放出电子。

其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态，形成潜影，完成Ｘ线信息的采集和存储。

当用激光来扫描（二次激发）已有潜影的ＩＰ时，即发生光激发辉尽发光现象（简称光致发光现象）；产生的荧光强度与第一次激发时Ｘ线的能量成正比，完成光学影像的读出。

ＩＰ的输出信号还需由读取装置继续完成光电转换和A/D转换，才能形成数字图像。

三、读取装置（一）结构ＣＲ系统的读取装置可分为暗盒型和无暗盒型。

1.暗盒型读取装置其特征是将ＩＰ置人与常规Ｘ线摄影暗盒类似的盒内，它可以代替常规摄影暗盒在任何 X线机上使用。

经Ｘ线曝光后的暗盒，从ＣＲ读取装置的暗盒插人孔送人读取装置内，这一操作可以在明室完成。

暗盒进人读取装置后IP被自动取出，由激光来扫描，读出潜影信息，然后被送到潜影消除部分，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。

不同尺寸的ＩＰ读取时间是相同的。

图３－４是暗盒型读取装置的结构。

２．无暗盒读取装置该装置集投照、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。

读出的数字图像信息连同病人的信息（如病历号、姓名、日期等）、摄影条件（照相部位等）一并输入计算机，进行图像处理。

病人信息可以通过磁卡或专门的录入装置输人或修改，最终合成打印在ＣＲ照片上。

输人的信息也是记录和检索的依据。

（二）读出原理储存在辉尽性荧光物质中的影像为潜像，以连续模拟信号的形式记录，要将其输出并转换成数字化信号，需采用如图３－５所示的激光扫描系统。

随着影像板匀速移动，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A/D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。

更具体地讲，记录在IP上的Ｘ线信息分两步读出。

首先，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。

读取装置输出的数字图像信号、从控制台输人的摄影信息、直方圆信息以及系统内部程序等一起送到计算机，经过各种图像处理，获得最佳的适合于诊断的数字Ｘ线图像。

四、计算机图像处理常规Ｘ线摄片的影像特性是由摄像条件、增感屏及胶片决定的，不能加以改变。

ＣＲ系统则不同，由于使用高精度扫描及读出信号数字化，通过计算机处理能够在大范围内改变影像特性，最终得到稳定而高质量的图像。

（一）图像处理的环节（二）图象读出灵敏度自动设定（三）图像的后处理图像的后处理，主要包括动态范围压缩、灰阶交换、空间频率处理等。

此外还有一些特殊处理，例如减影处理、叠加处理。

五、图象储存和记录装置适合于储存医学图像的媒体主要有磁带、硬盘和光盘。

若把Ｘ线数字图像记录在胶片上，常采用激光照相机和多幅照相机。

激光照相机：因诊断、阅片的需要，常用激光照相机把数字Ｘ线图像记录在胶片上，下面说明其结构、工作原理和特点等。

图３－１２是激光照相机的结构示意图。

ｌ．基本结构和功能激光照相机的主要组成部分如下：（1）激光发生器：是胶片打印的能量来源，常用半导体激光器和气体激光器。

（２）光调制器：以计算机输人的数字图像信号调制激光强度。

（３）光学扫描器：由摆动式反光镜或多面体旋转式反光镜组成，使激光束扫描胶片。

（４）胶片传输系统：保证胶片按照与扫描激光束垂直的方向高精度地移动，由电动机、引导轴、打印滚筒等组成。

（５）供片库：储存未感光的胶片，可容纳１００～２００张。

２．工作原理胶片在传送系统控制下朝一个方向高精度地移动，同时激光束相对于胶片移动方向反复作垂直扫描，因此激光束是以二维方式顺序扫描整张胶片。

激光束的光强度受计算机输出的数字图像信号调制。

激光束经旋转多面镜的反射作线扫描，装载胶片的打印滚筒和激光束动作同步，胶片在激光束的照射下曝光形成平片图像。

综上所述CＲ系统具有常规Ｘ线摄影方式不可能具备的各种处理功能，可综合运用各种处理功能，获得符合诊断要求的高质量图像；曝光剂量显著降低，可为常规Ｘ线摄影剂量的1/5～1/10；可与现有的Ｘ线成像设备匹配使用；节省胶片，可数字存储（如光盘），降低成本；可并人PACS，以各种方式传输。

第三节数字Ｘ线摄影系统２０世纪７０年代末开始了数字Ｘ线摄影（ＤＲ）的研究，在Ｘ线电视系统的基础上，利用A/D 转换器使模拟视频信号数字化，实现计算机处理。

随着微电子、光电子和计算机技术的发展，数字Ｘ线摄影的探测器和设备也加速发展，1995年出现了第一台性能优于ＣＲ的ＤＤＲ样机。