影像技术学(第六章)

3）灰度量化（量子化）把模拟信号连续变化的灰度值转换成数 值上离散的有限个等级的整数量。
灰度值的总和称为灰阶。图像可以由灰阶中任何一个灰度值组成。
2.图像处理及输出 根据需要选用某种图像 处理技术，立即进行相 应的图象数据处理，从 而重建图像。 计算机接收数据采 集系统的数字信号 将接收到的图像数据 进行存储，以备随时 调用、显示或重建。
三、数字化影像的形成
数字化
图像数据采集
被照体
模拟信号
标 本 分 割
像 素 采 样
灰 度 量 化
数字信号
数字影像
图像处理
1.图像数据采集 借助探测器、CCD摄像管、探头、IP板、硒探测器等各种辐射接 收器件，通过曝光或扫描等形式后将收集到的模拟信号经A/D转 换器（模数转换器）转换成数字信号。——共计三个步骤 1）标本分割（标本化） 就是把图像分割成若干个相等的小单元。 它是一个图像行和列格栅化（矩阵的过程），矩阵大小通常决定 了像素的数量。行和列对像素而言又起到识别和定位的作用。 2）像素采样 一副图像被分割后，要对该图像中每一个像素所表 现的两点进行亮度采样，每一像素的光量子通过探测器（光电倍 增管）转换成相应大小的电信号（模拟信号）。
2.灰度级数与数字图像之间的关系 灰度级数用二进制表示，量化后灰度级数的数量由2n决定。 例如：一幅影像中的密度为0.2～3.0，其密度范围为2.8，若用 8bit量化，28=256,即为0～255灰阶，每一灰阶密度差为 2.8/256≈0.01，若用4bit量化，24=16,即为0～15灰阶，每一灰 阶的密度差为2.8/16≈0.18 。
4.后处理工作站的作用 后处理工作站能进行影像的谐调处理、空间频率处理和减影处理 等，并显示经处理前、后的影像。影像经过后处理能提高诊断的 准确性并扩大诊断范围。 5.存储装置 采用磁带、磁光盘、硬盘、激光打印胶片等方式将数据（影像） 存贮起来。光盘的储存方式大大地减小了影像储存的空间。用一 张2G容量的5英寸光盘，可以存储800幅CR影像，若采用不可逆 数字压缩技术可使存储量达到7500幅。一张磁盘（2G）可存储2： 1压缩的影像1000 幅。
1.X线机 可用传统X线机，不需单独配置。 2.成像板（imaging plate,IP） 为CR成像系统关键元件。
入射到IP的X线量子被IP的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态，形成潜影（信息 记录）；当用激光照射已经形成的潜影时，半稳态的电子转变为光 量子，发生光激发发光（photo stimulated luminescence,PSL） 现象，光量子随即由光电倍增管检测到，并被转化为电信号，这些 代表模拟信号的电信号再经模/数（A/D）转换器转换为数字信号 （信息读出） 。
结论：
用尽可能多的图像灰度的量化级数来精确表示原来的灰度，有 利于保持图像的不失真，但过高的灰度级数会占据大量计算机 存储空间。 3.数字影像数据量的计算 数字影像数据量＝横向像素数m×纵向像素数n×灰阶数b
五、信噪比与分辨力 信噪比（SNR） 为信号强度与噪声强度之比值。是评价影像质 量的重要指标。SNR越大，影像质量越好，反之，则差。
第一节 数字X线成像基础知识 一、模拟影像与数字影像 模拟影像：以普通X线照片为典型代表，它由像素点的空间排列 组合而构成照片上的影像，照片上点与点之间是连续的，没有间 隔，所以影像的密度是空间位置的连续函数。另外具体到任何一 个像素点的密度大小变化，也是一个连续变化的函数。因此模拟 影像能够非常真实地反映出影像信息的二维空间分布状态。 数字影像：是通过不同成像方式检测信息，按照一定的数据结构 经计算机重建影像；或者是将已经形成的模拟影像通过某种手段 将其分解成一定数量的微小区域，每个区域成为一个像素，将像 素中灰度的平均值取整数值；因此数字影像是由许多不同密度的 点（实为小区域）组成，点和点之间的密度是离散的，并且每一 个点的密度值也不连续，为离散的变化量。
4.兴趣区定量估值 1）用不同的灰度级或颜色来显示图像的量值； 2）兴趣区的显示和测量；3）兴趣区的距离、角度、几何尺寸测 量；4）部分图像区域的放大和旋转；5）特征提取和分类、病变 部分的识别和定量分析等。
第二节 计算机X线摄影
一、CR成像原理
（一）CR系统的组成 X线机、IP板、影像阅读处理器、后处理工作站、存储装置
四、影像的数据量 矩阵大小、灰度级数决定了影像的数据量，并影响影像质量和传 送、存储。
1.矩阵大小与图像的关系
矩阵大小的原则必须保证数字图像能不失真地反映原始图像信息。 观察野（Field of View）＝像素数量 * 像素大小 在空间分辨力相同的条件下，观察野（FOV）越大所需要的像素 越多，图像的矩阵也越大； 如图像矩阵大小固定，FOV增加时，像素的尺寸就增大，图像的 空间分辨力就降低； 为了获得图像更多的细节和更高的分辨力，我们需要大的像素矩 阵和小的像素尺寸。——占据计算机的存储空间，图像处理时间 延长。
数字影像的优势： 1.数字图像的密度分辨力高 数字图像可通过变化窗宽、窗位、 转换曲线等技术，可以使全部灰阶分段得到充分显示。
2.数字图像可以进行后处理 图像后处理使数字图像的最大特点。 可根据诊断要求，通过软件功能对图像进行处理。
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3.可以高保真地存储、 调阅、传输或拷贝。 影像数据的存储和 传输是PACS建立的 最重要 部分，是实 现联网、远程会诊、 实现无胶片化的基 础。
影像技术学
南京医科大学第二附属医院 放射科 田俊 E-mail:mosest@
第六章 数字X线摄影技术
信息时代就是计算机化的时代，它基于一种海量存储、高速 传输网络、高性能工作站及有效的科学管理。医学影像的数字化 主要是指医学影像以数字方式采集、传输信息，使采集的影像数 据得以直接利用计算机强大的高速运算处理能力，且方便、快速 地传输、显示、存储，为临床的诊断、治疗、研究提供极其重要 的信息。 医学影像数字化和艺术类图像数字化、计算机辅助工业造型 设计（CAD）等其他领域的图像数字化原理是类似的，在方法 上也没有本质的差别。但作为医学影像技术最终目的是要有助于 早期诊断、及时治疗，对病人微创或无创，使病人尽早康复。因 此，对于医学影像，通过数字化技术提高它的可视性、可懂性， 并能进行影像的修复、优化，感兴趣区域的测量与统计，信息的 保存与传输，所有这些都是为了研究人的正常解剖生理，有效地 发现异常病灶提供可靠的科学依据，这是医学影像数字化的根本 目的。
（1）表面保护层 通常由一层非常薄的聚酯树脂类纤维制成，具 有耐弯曲、耐磨、透光率高等特点。 作用：保护PSL物质层在使用中不受损伤，保护荧光层不受外界 温度、湿度和辐射的影响。 （2）成像层（辉尽性荧光物质层） 光激励发光（PSL）：有些物质在受到第一次激发光照射时，可 将第一次激发光所携带的信息贮存下来，当该物质再次受激发时 也可释放出与初次激发所接收的信息相应的荧光现象，该现象称 为光激励发光（photo stimulated luminescence,PSL）。我们 把产生该现象的物质称为辉尽性荧光物质。
六、常用数字图像处理技术 1.对比度增强 逐点修改输入图像中每个像素的灰度，而各像素 的位置不变，进行输入和输出图像像素间一对一的运算。该技术 主要用来扩大图像的灰度范围，尤其是突出感兴趣的灰度范围， 使图像的质量有所改善。 2.图像平滑技术 此技术可以降低噪声，提高图像质量，其缺点 是使图像的边缘轮廓变得模糊。 3.图像锐化 由于X线散射、患者的轻微颤动会产生影像模糊，锐 化处理能增强图像轮廓，使图像看起来比较清晰，其缺点使噪声 成分也同时增加。
3.信息的处理——对数字图像进行处理。 包括：谐调处理、空间频率处理和减影处理。 4.信息的存储与输出 数字信号形成的数字影像可储存于磁带、磁 光盘或通过激光打印储存于激光胶片上。 影像读取完成后，IP残存的影像数据可通过施于强光消除，IP可以 重复使用。
（三）CR系统的成像介质 1.成像板（IP） IP是成像系统的关键部件，代替传统的屏－片 系统。与传统胶片相比，具有重复使用的特点，可重复使用2-3 万次，但没有显示影像的功能。 组成：表面保护层、成像层、支持层和被衬层。
1.时间分辨力 又称动态分辨力，是指成像系统对运动部位成像的 瞬间显示能力。时间分辨力越高，对动态组织器官的成像显示能 力越强，影像越清晰。
2.密度分辨力 又称低对比度分辨力，是从影像中所能辨认密度差 别的最小极限，是对影像细微密度差别的辨别能力。常以百分比 表示（％）。 3.空间分辨力 又称高对比度分辨力，是在高对比条件下从影像中 可辨认的组织几何尺寸的最小极限，是对影像空间细微结构的辨 别能力。它是表示一副图像质量的量化指标，常以毫米（mm）、 单位距离内的线对数（LP/mm）或单位距离内的像素数 （pixels/mm）等来表示。
IP是记录影像信息的载体，可重复使用2-3万次。
3.影像阅读处理器 （1）在阅读或储存IP信息之前预先要输入病人的相关信息如： 姓名、性别、年龄、病人的编号等和确定欲选用的扫描方式。 （2）影像阅读处理器将IP从暗盒中取出，并送入激光扫描装置， 直到扫描仪准备好。 （3）阅读IP的信息，产生数字影像，进行影像处理并向激光打 印机等终端设备输出影像数据。
影像数字化研究始于20世纪40年代，50年代末到60 年代末广泛采用计算机模拟实验的方法研究静止图像和数 字图像的传输，初步实现了可视电话，数字图像的理论研 究相当深入。随着数字集成电路器件快速发展和其他硬件 系统的逐步研制成功，为20世纪70年代的医学影像数字化 技术的突破提供了软硬件的基础条件。1972年的CT机的 问世和80年代出现的MRI和DSA，成为医学影像科学技术 发展史上革命性的里程碑，也是数字化技术在医学影像中 应用的典型范例。
三、数字摄影中的常用概念
1.像素与体素 像素：是构成影像矩阵的基本单元，也就是代表影像矩阵中的一个小方 格。——二维概念 体素：X线影像实际上是包含人体某一部位的一定厚度信息的二维图像， 我们将其代表一定厚度的三维空间的体积单元称为体素。——三维概念 2.数字矩阵 是一个数学概念，它表示一个横成行、纵成列的数字集合， 是由二维（n行和m列）排列成的像素组合，一个像素就是坐标中的一 个点（x,y）。 3.灰阶 指照片或显示器上所呈现的黑白图像上各像素表现的不同深度的 灰色。把白色与黑色之间分成若干级，称为“灰度等级”，表现的亮度 （或灰度）信号的等级差别称为灰阶。 4.图像重建 将原始图像数据经计算得到二维或三维显示数据的过程称为 图像重建。重建后的图.信息采集 影像不直接记录在胶片上，而是通过涂在IP上的光 激励发光（PSL）物质来完成影像信息的采集。X线透过被照体 后与IP发生作用，将透过人体的模拟信息储存形成潜影，为影像 的进一步数字化成像创造条件。 2.信息转换（读取） PSL物质中贮存的潜影是模拟信号，要通 过激光扫描读出装置将其读出并转换呈数字信号。IP被激光激励 后，以蓝－紫色光的形式释放出IP内储存的能量。IP的荧光体被 第二次激发后发出光激励发光（PSL）产生荧光的强度与第一次 激发时所接收的X线能量成正比（即呈线性关系）。该荧光体二 次激发的光被沿着激光扫描线设置的高效集光器采集并导入光电 倍增管，光电倍增管再将接收到的光信号转换成为相应强弱的电 信号，继而电信号被馈入模/数（A/D）转换器转换成数字信号。