CR成像技术基本理论

PSL现象
某些物质可将第一次被激发的信息存贮记 录下来，当再次受到激发时则释放出与初 次激发所接受的信息相适应的荧光现象称 为光激发发光（PSL）现象。
氟卤化钡晶体有最强的PSL现象，目前所有 CR设备的IP板均采用氟卤化钡晶体作为IP 的荧光层。
光激发发光（PSL） 现象
波长
潜影的形成和读出
影像识别处理—EDR处理
目的：为了自动控制成像特性，实现影像密 度的稳定性，克服曝光偏差（不足或过度） 对影像密度的影响，体现CR系统优于屏-片 系统成像动态范围高的优越性。
动态范围：在线性范围区，相对可识别的两 个点（最大和最小）之间的亮度（密度）值。 如：模拟图像为100（1-102）、数字图像为 10000（1-104）。
EDR处理流程
2、预先用一束微弱的激光束扫描IP（已X线 曝光），抽样数据后，形成一个将要读出影 像的直方图。
3、通过对直方图的识别、分析，测得对诊断 有用影像信号的剂量范围（最大剂量值和最 小剂量值）。
EDR处理流程
4、各个部位的影像直方图与预读影像直方图 比较（形状、主兴趣区范围），确定正式读取 所需激光的条件（PSL量），为了精确性，有 的CR系统利用了神经网络（NN）技术。
第二个环节
即系统中显示影象特征有关的处理（第三 象限功能）。
该环节通过各种特定处理（如谐调处理等 ）为医生提供满足不同诊断要求的具有高 质量的影像。这个环节相当于数字设备的 图像后处理功能（post-processing）。
第三个环节
即系统中影像信息的存储与传输功能有关 的处理（第四象限功能）。
第 二 象 限 表示输入到影像读出装置（image reader device,IRD)信号和从IRD输出信号之 间的关系。IRD的作用是建立一个自动设定每 幅影像敏感性范围的机制，根据在IP上的成 像信息（X线剂量和动态范围）来确定读出的 条件。
第三象限：影像信息的处理
CR系统的数字图像可以根据不同临床诊断要 求对图像进行处理，在一定范围内改变影像 特征，提高影像质量，增加信息的显示率。
CR成像技术基本理论
重庆医科大学附属第一医院 放射科 曾勇明
CR的概念
CR:即计算机X线摄影（Computed radiography；CR）,
是使用可记录并由激光读出X线成像信息 的成像板（imaging plate，IP）作为载 体，经X线 曝 光、扫描读取和数字处理后 ，形成数字化信息的影像。
该环节的功能是获得质量优良的照片记录 ，在不衰减影像质量的前题下实施影像数 据的压缩，以达到高效率的存储与传输。
1、
2、
3、
CR系统影像处理三个环节
（二）与检测功能有关的处理
曝光数据识别器（EDR）：为了自动控制成 像特性来实现影像密度的稳定性，即克服 曝光不足或过度导致影像密度的不稳定性 ，影象读出装置（IRD）建立了一个自动设 定每幅影像敏感性范围的机制。
确定剂量范围
通过对直方图的分析计算，自动确定X线剂量 的范围；再算出有诊断价植的辉尽发光量的范 围，即读取装置的输人信号范围，从而决定本 次读出IP图像的最佳条件(读出的灵敏度和采 集范围)。
具体地说，就是决定光电倍增管的灵敏度和放 大器的增益。
CR系统不论条件摄影如何，读出灵敏度自动 设定机构都会自动校准X线曝光的误差，使读 取装置的输出信号总处于一定的范围内，图像 质量稳定。
即在IP获得的信息基础上，自动调节光激发发 光量和放大增益。X线曝光量大时，减少PSL 量；X线曝光量小时，增加PSL量。
神经网络（NN）技术示意图
EDR处理流程
通过EDR的处理，即后续补偿后，CR系统可 以保证整个系统在一个很宽的动态范围内， 自动获得较好密度和对比度的数字影像。
但应该注意的是：X线曝光量小，用大量PSL 读取后，会使X线量子噪声和光量子噪声都 增加，导致影像质量下降； X线曝光量大， 会使病人承受不必要的照射。所以，选择最 佳的X线曝光条件才是最理想的做法。
第一 象 限 表示IP的固有特性，即X线辐射 剂量与激光束激发的PSL强度之间的关系 。在1：104很宽的范围内是线性的，该线 性关系使CR系统具有较高的灵敏性和较 宽的动态范围。
第二象限：影像信息的读取
存贮在IP（PSL物质内）的影像信息，要将其 转换成数字信息，需要使用激光扫描读出装 置，经光电倍增管转换，相应较弱的电信号 被放大，再由A/D转换器转化成数字信号。
直方图
Soft Tissue
Spine, Diaphragm
Skin Line
几个部位图像的直方图
直方图的五种类型
用于不同的诊断目的： （1） 用于骨骼-皮肤的显示； （2） 用于骨骼-软组织的显示； （3） 用于胃肠道钡餐造影的显示； （4） 突出软组织信息的软组织显示； （5） 突出骨骼信息的骨骼显示。
CR系统噪声
二、CR影像的处理
经CR系统各种特定的处理后，可获得 质量优良的照片，为临床诊断提供高 诊断价值的影像信息。
（一）影像处理的运行原理
CR系统运行过程中，若干环节共同参 与影像的处理，并决定CR影像的质量 ，这些环节归纳为“四象限”理论。
第一象限：影像信息的采集
由于IP的光发射寿命期为0.8μs，所以 要求CR系统在很短的时间内，以很高的 密度读取大面积的影像信息，而不产生 重叠干扰，从而满足诊断要求。
X线量子的“统计涨落”
X线量子冲击到某个成像介质的受光面时，会 像雨点一样激起一个随机的图案，没有任何力 量可使它们均匀地分布在这个表面上，假如X 线量子无限多，单位面积内的量子数就可看成 是处处相等；假如X线量子很少，则单位面积 内的量子数就会因位置不同而不同。这种量子 密度的波动（涨落）遵循统计学规律，称之为 X线量子的“统计涨落”。
X线量子噪声
是X线被IP的荧光颗粒吸收过程中产生的噪声 。噪声量与X线检测器（IP）检测到的X线量 成反比，即与入射的X线量成反比。均方根（ RMS）值是描述噪声的物理量之一。
在低剂量区，RMS值对X线辐射剂量响应的变 化近似于一条直线递减，表示该区域的噪声主 要由X线量子的量子噪声引起；
在高剂量区，RMS值近似于一恒定值，表示该 区域的噪声不依赖于X线量。当入射剂量恒定 时，CR的噪声则由IP的吸收特性决定。
-标准型IP（Standard type;ST）:可减少量子噪声， 用于常规。
-高分辨型IP（High resolution;HR）:响应性高，多 用于乳腺。
（二） CR系统的噪声
可分为：量子噪声和固有噪声。 量子噪声又分为：
X线量子噪声 光量子噪声。
量子噪声主要由一次激发和二次激法后，X 线量子的“统计涨落”引起，其量化可用物 理量均方根（RMS）来描述。
CR系统成像原理
X线照射IP后，X线量子被IP成像层内的荧光颗 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，形成潜影（信息采集 ）；当扫描器用激光照射已形成的潜影时，半 稳定状态的电子转变为光量子，发生光激发发 光（Photo stimulated Luminescence ；PSL ）现象，光 量子由光电倍增管检测到，并被转化为模拟的 电信号，再经A/D转换后变成数字信号（信息 读出），最后通过计算机作进一步的处理获得 影像并存储（信息的处理与记录）。
又称层次灰度处理。依系统的敏感性范围 自动设定机制，即使摄影中X线量与X线质 有某些改变，在一定的敏感范围内，CR系 统也可读出影像的信号。
曝光数据识别（EDR）处理流程
分割标识范围的识别处理 X线照射野的识别处理 直方图分析 确定读取条件
EDR处理流程
EDR处理流程
1、CR读出装置存储了具有特性的各个部位 （如胸、腹等）和检查方法（平片、造影等） 的数字影像直方图。
直方图：直方图是一种函数，它表示数字图 像中每一灰度级与该灰度级出现的频数（具 有这一灰度级的像素数）之间的关系。通过 调整直方图，可以改变图像的对比度。
IP工作方式
第一节 CR特点及影响质量的因素
一、CR响应性的因素与噪声
CR系统的影像质量特征：
• 决定CR系统影像质量的三个环节
– 信息的采集（主要） – 信息的读出（主要） – 信息的处理和记录（微不足道）
（一） 决定CR系统响应性的因素
反映CR响应性的参数主要为： 影像的锐利度 影像的频率响应
通过CR的压缩处理，在胸部影像中可以 清楚地描绘出纵隔内的细微结构。
在胃肠道双重对比造影检查的影像中， 对高密度区域的压缩处理有利于显示充 满空气部位结构的细节。
在乳腺摄影中，对高密度区域的压缩处 理可以良好显示临近皮肤边缘部分的结 构。
CR压缩处理
低频图像
高频图像
2. 谐调处理
（三） 与显示功能有关的处理
为了提高诊断的准确性和扩展影象 诊断范围，通过对CR系统的显示功 能的处理，以提高影象的质量。
方法有：动态范围压缩处理、谐调 处理、空间频率处理。
1、 动态范围压缩处理
阶梯状分布的信号是模拟肺野、心脏、 纵隔等胸部的主要结构。各阶梯内细小 的信号变化是模拟肺血管与纵隔重叠的 骨骼。如果首先进行平滑处理，得到图B 那样的阶梯，其内的细小信号变化被平 滑，进而消失。
CR影像的锐利度
IP板自身特性和读出系统的电子和光 学特性决定,尤其是与二次激发使用 的激光的光点直径和激光在IP板荧光 体内散布有关。
• 扫描激光的光点直径（约小越好） • 激光在IP板荧光体内散布（越少越好）
影像的响应频率
CR系统充分考虑了对IP和激光扫描 读出足够的频率响应，使系统能对每 个部位摄影在较宽的动态范围内提供 适当的补偿，以保证图像质量。根据 临床应用的目的，可配置不同的IP。
图C为处理函数f（Sus），用图中的函 数代入原始影像信号Sorg，得到图E表 示的信号，低密度区域信号密度提高， 影像的动态范围变窄。此外，存在与各 个阶梯上的细小信号变化涉及的各个密 度区，可作为原始信号保持下来，这样 就不会存在影像信号的对比度下降的情 况。函数f（Sus）的形状是可以自由色 设定的。若使用图D中的函数，则可以 原始图像中的高密度区域为中心进行压 缩，处理结果如图F。
第 三 象 限 表示影像处理装置(image processor controller,IPC) ,即经影像处理装置处理后，显 示出适用于诊断的影像。显示的特征是可以 独立控制的，可根据诊断要求实施谐调处理 、频率处理和减影处理。
第四象限：影像的再现
储存在PSL物质上的X线影像是一种潜影， 由IRD读取并输入计算机处理后，还需要转 换成人眼可见的影像，方式有三种：荧光 屏、激光相机、多幅相机。
第四 象 限 表示影像记录装置（image recorder controller,IRC),（数字）影像信号重新被转化 为光信号以获得X线照片。IRC对CR系统使 用的胶片特性曲线自动实施补偿，以便使 曝 光曲线的影像密度呈线性。与普通摄影 不同，CR系统的特性曲线可依据X线剂量和 成像范围自动改变。
在上述四象限理论中，第一个象限涉及 IP固有特性，不可以调节。
其它三个象限可在系统运行中充分调节 ，实施影像处理，即实施影像处理的三 个环节。
第一个环节
即系统中检测功能有关的处理（第二象限功 能）。
该环节基于适当的影象读出技术，保证整个 系统在一个很宽的动态范围内自动获得具有 最佳密度与对比度的影象，并使之数字化。 这个环节由暴光数据识别器（Exposure data recognizer,EDR）完成。
IP的噪声
光量子噪声
是光电倍增管在把IP荧光层被二次激发时 产生的PSL转换为电信号的过程中产生的 噪声。
光量子噪声与光电子数成反比，光电子数 与X线量、IP吸收效率、IP的PSL量、光 电倍增管的转换效率等有关。
固有Байду номын сангаас声
固有噪声：是CR系统运行过程中产生的 非X线依赖性噪声 。
固有噪声包括：IP的结构噪声、激光噪 声、电路系统噪声、A/D转换的量子噪声 等，其中IP的结构噪声起支配作用。