第五章 数字X线成像系统
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第五章 数字X线成像系统
范能胜
5.1 概述
1、什么是数字X线成像系统？
2、根据成像原理不同分为：
① 计算机X线摄影(CR)系统；
② 数字荧光X线摄影(DF)系统；
③ 数字X线摄影(DR)系统（又分为DDR
和IDR）；
3、根据X线束的形状分类：
4、数字X线成像的优点：
① 对比度分辨力高： ② 辐射剂量小： ③ 成像质量高：
③ 自动跟踪回放技术
3、数据采集和存储系统：
① 像素矩阵大小和采样率：像素矩阵
越大，需要的采样率越高。
② A/D转换器的量化等级和图像灰度 ③ 帧存储器的容量与每像素的量化等
级以及摄影速率
4、计算机系统：
脉冲图像方式 超脉冲图像方式
时间减影 连续图像方式 时间间隔差方式
心电图触发脉冲方式
1）脉冲图像(pulse image,PI)方式：
① 间歇脉冲曝光，脉冲持续时间大于
信号一帧的时间； ② 造影剂未流入血管前拍摄掩模像；
2）超脉冲图像(super pulse image,SPI) 方式:
① 拍摄速度更快；
5.4 数字减影血管造影系统
注射造影剂之前
相减
注射造影剂之后
工 5 作 4 原 理 1 基 本 结 构 和
. .
ALU 视频
A/D
信号
输 入 查找表
帧存储器 计算机
输 出 查找表
D/A
监 视 器
数字图像硬件结构
5.4.2 DSA的成像方式
1、时间减影： 方法：注射造影剂前先拍摄掩模像 并保存，注射造影剂后拍摄造影像， 按时间顺序将掩模像与造影图像相 减。
5.2.2 成像板
1、IP板的基本结构：
2、IP成像原理：
透 射 线
PSL 荧 光 层 读出 二 次 激 发 释 放 电 子 光 电 装 换 形 成 潜 影
X
A/D 转 换
数 字 影 像
3、IP的特性
①发射光谱和激发光谱
② 时间响应：
从激光照射荧光体发光到其衰减逐 渐终止的时间，
③ 动态范围 ： 动态范围宽，达到1：10000
③ 动态范围压缩： 以低密度区域为中心的压缩 以高密度区域为中心的压缩
④ 减影处理：
时间分辨率差，只能用于对时间分 辨率要求不高的场合。
⑤ 叠加处理：
使用多张IP板重叠起来进行摄影， 将信息量叠加平均处理，提高影像 的信噪比，改善图像质量。
5.2.5 图像存储和处理装置
存储图像： 硬盘； 光盘； 磁带； 将X线影像记录在胶片上： 激光照相机
④ 存储信息的消退 ：
存储在IP板中的电子影像，在读出 前出现部分被俘获的的光电子逃逸 的现象。
⑤ 天然辐射的影响：
对X线、紫外线、伽玛射线等敏感。
4、IP使用注意事项：
① 使用较大的IP板来记录图像，减少反
复选择IP板的次数；
② 再次使用前做一次强光照射，消除
潜影；
③ 做好IP板屏蔽工作；
5.2.3 读取装置
定义：DDR指采用一维或二维X线
探测器直接把X线转换为模拟电信号 进行数字化的方法，它不同于先获 得模拟图像，再对模拟图像进行数 字化的方法。
分类：
点扫描法 扫描投影数字X线摄影 线（扇）形扫描法 平板检测器数字X线摄影系统
1.扫描投影数字X线摄影
1）、点扫描法： （1）特点：扫描X线束呈点状。 （2）优点：
② 图像运动模糊小；
3）连续图像(continuous image,CI) 方式：
① X线连续照射，得到频率为25帧/30
帧每秒的连续图像；
4）时间间隔差(time interval difference,TID)方 式：
① 掩模像不断更新，
淹模像与造影像之 间的间隔可调；
5）心电图(electro cardiogram,ECG)触 发脉冲方式： 特点：采用ECG信号作为曝光控制信 号，使掩模像与造影像同相位。
间接数字X线摄影IDR
直接数字X线摄影DDR
5.3.1 IDR的基本结构和工作原理
1、基本结构
图像监视器
图 像 接收器
数 据 采集器
图 像 处理器
存储器
X线机
系统控制器
2、工作原理
透射 X线 I ．I 光学 系统 电 视 摄像机 A/D 数 字 图 像 信 号
3、主要缺点：
5.3.2 直接X线数字摄影
④ 数字图像易于传输、储存、查阅、图
像后处理等
5、空间分辨力比较： 数字X线成像：2~4LP/mm 胶片：5~7LP/mm
5.2 计算机Ｘ线摄影系统
CR特点： 出现时间：1982年
探测器：影像板（IP板） 优点：对比度分辨率高，需要的辐射
剂量小
信息采集
信息转换
信息处理
信息记录和保存
成 5 和 2 工 作 1 原 理的 基 本 组 . . CR
2、激光相机：
1 ） 基 本 结 构 和 工 作 原 理
2）灰阶密度校正调节功能：
选择合适的窗口输入信息； 选定机内提供的标准灰阶测试图像； 选择合适的胶片特性曲线；
3）主要特点： ① 数字化，灰阶密度调整范围为 8~12b； ② 图像放大（或缩小）技术； ③ 自动窗口技术； ④ 多幅照相； ⑤ 标准图像密度；
2、能量减影： ① 方法：在同一区域几乎同时用两种 不同的管电压取得两帧图像进行减 影。 ② 原理：利用了碘与周围软组织对X 线衰减系数在不同能量下有明显差 异的特性。 ③ 优缺点：
3、混合减影： 将时间减影技术和时间减影技术相 结合，产生了混合减影技术； 方法：
① 注射造影剂前先做一次能量减影； ② 注射造影剂后再做一次能量减影；
1、图像处理的环节
① 与系统检测功能有关的处理 ：预读
取，确定读出灵敏度。
② 与显示功能有关的处理 ：灰阶处理、
频率处理、减影处理等。
③ 与图像信息的存储和记录有关的处
理 ：图像的压缩。
数字图像后处理软件介绍：
窗宽窗位 边缘增强 图像平滑 对比度增强 图像放大缩小 图像裁减 感兴趣区分析 图像压缩 连续图像回放
1、结构：
暗盒型读取装置
非暗盒型读取装置
① 暗盒型读取装置：
病 人 信 息 影像板暗盒 暗盒插口
摄 影
信 息 输 入
IP缓冲堆栈 读取部分
IP分类器 消除部分 理 部 分
部分
计
算
机/图
像
处
② 无暗盒读取装置 ：
集X线投照、读取于一体，IP板在 曝光后直接被传送到激光扫描和残
影消除部分处理
2、读出原理：
① 散射线少； ② 使用光电倍增管，灵敏度高；
（3）缺点：机械装置复杂，扫描时 间长。
2）、线（扇）形法： （1）特点：扫描X线束呈线状或扇状。
（2）优点： 照射野大，X线利用率高，扫描速度 快。
2. DDR使用的X线检测器：
1）气体电离室检测器： 利用X线的电离效应，电离电荷的多 少与X线强度成正比，收集电离电荷 并形成电信号。
4）技术指标： ① 像素灰度等级：10b； ② 采样间隔：0.1mm ③ 激光束直径：80um； ④ 处理能力：最多240张/h；
5）CR系统改进方向： ① 提高时间分辨率，以适应动态器官 和结构的显示； ② 进一步提高X线的转换效率； ③ 减小IP荧光体内颗粒的尺寸，以提 高发光效率。
5.3 数字X线摄影系统
2、图像读出灵敏度自动设定： 1）预读程序：
分割 范围 识别 照射 野 识别 直方 图 分析
X线 剂量 和范围 的计算
确定 读出 调件
2）照射野边界的识别： ① 测定探测的起始点：利用照射野和 非照射野密度差别较大的特性；
② 测定照射野边缘的候补点： ③ 照射野形状的修正：主要是区别组
织密度对比强烈的候补点。
2）非晶态硒型平板检测器： （1）结构：
产生电子 空穴对
（2）工作原理：
① 入射X线光子在硒层中产生“电子-
空穴”对； ② 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； ③ 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；
像 素 矩 阵
3）非晶态硅型平板检测器： （1）结构：
（ 2 ） 工 作 原 理
（3）技术参数：
① 图像面积：320mm×256mm ② 像素矩阵：640×512 ③ 动态范围：14~16B ④ 曝光剂量：胶片系统的1/100~1/30
⑤ 采集时间：
2）平板探测器DDR系统
（1）组成：
探测器 矩 阵
X线 电子暗盒
图 像 控制 处理器 系统控制台
数据
监视器
X线机
网络
（2）图像质量
空间分辨率：3.6LP/mm。 对比度分辨力：取决于动态范围的大
小，平板探测器的动态范围可到达 104~105
（3）DDR与CR的比较：
① DDR的图像清晰度优于CR；
② 信噪比高；
③ 拍摄速度快；
④ DDR的X线线转换百度文库高； ⑤ 寿命长； ⑥ DDR不能与常规X线设备匹配工作；
2）图像增强器：
① 多视野I.I。
② 平板式I.I。
3）光学系统：
① 孔径大，光圈可调； ② 滤光片；
4）电视摄像机：
① 高清晰度、高分辨率和低残像，并
配合各种补偿电路； ② CCD摄像机和逐行扫描制式。
5）监视器：高分辨率、大屏幕。
6）X线图像亮度的自动控制： （1）自动亮度控制的作用：
（2）自动亮度控制的方法：
把掺铊的碘化铯闪烁发光晶体层覆盖 在光电二极管矩阵上，每个光电管就 是一个像素，由薄膜非晶态氢化硅制 成。
（2）工作原理：
① X线入射闪烁晶体被转换为可见光；
② 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；
③ 在读出信号的控制下将储藏电荷读
出并加以放大。
3、DDR系统实例： 1）多丝正比室扫描投影X线机： （1）多丝正比室结构：
分两步进行： 1、预读取：确定读出条件 2、读取：获得数字影像
3、影响图像质量的因数： ① 激光束的直径 ： ② 光电及传动系统的噪声 ：
X线量子噪声
光量子噪声 其它因素影响
③ 数字化的影响 ： 量化噪声等
5.2.4 计算机图像处理：
主要目的：改善图像质量。分为读 出前的处理和读出后的处理。
① 控制I.I的输出光量；
② 控制光学系统的输出光量：
7）X线剂量的管理： （1）剂量管理的主要任务： （2）剂量管理采取的措施：
① 栅控技术 ② 光谱过滤技术 ③ 脉冲透视技术 ④ 图像冻结技术
2、机械系统：
① 机架和床：双C臂、单Ｃ臂，可以多
轴向运动。
② 体位记忆技术：设定和保存各种投
照体位。
③ 将两次能量减影的图像再相减；
4、影响图像质量的因素： ① 成像方式； ② 投照X线的稳定性； ③ 曝光与图像采集的匹配同步； ④ 噪声； ⑤ 设备性伪影；
5.4.3 DSA对设备的特殊要求和技 术措施
1、X线发生器和显像系统 1）X线发生器：
① 功率： ② 管电压： ③ 管电流： ④ 高压控制方法
X线剂量大,吸 收差别小
X线剂量小,吸 收差别大
3 ） 读 出 系 统 工 作 特 性 ：
3、图像的后处理： 数字图像信号 胶片密度 ① 灰阶变换处理： I 0 f ( I i ), 而D h{ f ( I i )} 灰阶变换函数：
② 空间频率处理：
通过频率响应的条节来影响图像的锐 度，常用边缘增强的方法。
范能胜
5.1 概述
1、什么是数字X线成像系统？
2、根据成像原理不同分为：
① 计算机X线摄影(CR)系统；
② 数字荧光X线摄影(DF)系统；
③ 数字X线摄影(DR)系统（又分为DDR
和IDR）；
3、根据X线束的形状分类：
4、数字X线成像的优点：
① 对比度分辨力高： ② 辐射剂量小： ③ 成像质量高：
③ 自动跟踪回放技术
3、数据采集和存储系统：
① 像素矩阵大小和采样率：像素矩阵
越大，需要的采样率越高。
② A/D转换器的量化等级和图像灰度 ③ 帧存储器的容量与每像素的量化等
级以及摄影速率
4、计算机系统：
脉冲图像方式 超脉冲图像方式
时间减影 连续图像方式 时间间隔差方式
心电图触发脉冲方式
1）脉冲图像(pulse image,PI)方式：
① 间歇脉冲曝光，脉冲持续时间大于
信号一帧的时间； ② 造影剂未流入血管前拍摄掩模像；
2）超脉冲图像(super pulse image,SPI) 方式:
① 拍摄速度更快；
5.4 数字减影血管造影系统
注射造影剂之前
相减
注射造影剂之后
工 5 作 4 原 理 1 基 本 结 构 和
. .
ALU 视频
A/D
信号
输 入 查找表
帧存储器 计算机
输 出 查找表
D/A
监 视 器
数字图像硬件结构
5.4.2 DSA的成像方式
1、时间减影： 方法：注射造影剂前先拍摄掩模像 并保存，注射造影剂后拍摄造影像， 按时间顺序将掩模像与造影图像相 减。
5.2.2 成像板
1、IP板的基本结构：
2、IP成像原理：
透 射 线
PSL 荧 光 层 读出 二 次 激 发 释 放 电 子 光 电 装 换 形 成 潜 影
X
A/D 转 换
数 字 影 像
3、IP的特性
①发射光谱和激发光谱
② 时间响应：
从激光照射荧光体发光到其衰减逐 渐终止的时间，
③ 动态范围 ： 动态范围宽，达到1：10000
③ 动态范围压缩： 以低密度区域为中心的压缩 以高密度区域为中心的压缩
④ 减影处理：
时间分辨率差，只能用于对时间分 辨率要求不高的场合。
⑤ 叠加处理：
使用多张IP板重叠起来进行摄影， 将信息量叠加平均处理，提高影像 的信噪比，改善图像质量。
5.2.5 图像存储和处理装置
存储图像： 硬盘； 光盘； 磁带； 将X线影像记录在胶片上： 激光照相机
④ 存储信息的消退 ：
存储在IP板中的电子影像，在读出 前出现部分被俘获的的光电子逃逸 的现象。
⑤ 天然辐射的影响：
对X线、紫外线、伽玛射线等敏感。
4、IP使用注意事项：
① 使用较大的IP板来记录图像，减少反
复选择IP板的次数；
② 再次使用前做一次强光照射，消除
潜影；
③ 做好IP板屏蔽工作；
5.2.3 读取装置
定义：DDR指采用一维或二维X线
探测器直接把X线转换为模拟电信号 进行数字化的方法，它不同于先获 得模拟图像，再对模拟图像进行数 字化的方法。
分类：
点扫描法 扫描投影数字X线摄影 线（扇）形扫描法 平板检测器数字X线摄影系统
1.扫描投影数字X线摄影
1）、点扫描法： （1）特点：扫描X线束呈点状。 （2）优点：
② 图像运动模糊小；
3）连续图像(continuous image,CI) 方式：
① X线连续照射，得到频率为25帧/30
帧每秒的连续图像；
4）时间间隔差(time interval difference,TID)方 式：
① 掩模像不断更新，
淹模像与造影像之 间的间隔可调；
5）心电图(electro cardiogram,ECG)触 发脉冲方式： 特点：采用ECG信号作为曝光控制信 号，使掩模像与造影像同相位。
间接数字X线摄影IDR
直接数字X线摄影DDR
5.3.1 IDR的基本结构和工作原理
1、基本结构
图像监视器
图 像 接收器
数 据 采集器
图 像 处理器
存储器
X线机
系统控制器
2、工作原理
透射 X线 I ．I 光学 系统 电 视 摄像机 A/D 数 字 图 像 信 号
3、主要缺点：
5.3.2 直接X线数字摄影
④ 数字图像易于传输、储存、查阅、图
像后处理等
5、空间分辨力比较： 数字X线成像：2~4LP/mm 胶片：5~7LP/mm
5.2 计算机Ｘ线摄影系统
CR特点： 出现时间：1982年
探测器：影像板（IP板） 优点：对比度分辨率高，需要的辐射
剂量小
信息采集
信息转换
信息处理
信息记录和保存
成 5 和 2 工 作 1 原 理的 基 本 组 . . CR
2、激光相机：
1 ） 基 本 结 构 和 工 作 原 理
2）灰阶密度校正调节功能：
选择合适的窗口输入信息； 选定机内提供的标准灰阶测试图像； 选择合适的胶片特性曲线；
3）主要特点： ① 数字化，灰阶密度调整范围为 8~12b； ② 图像放大（或缩小）技术； ③ 自动窗口技术； ④ 多幅照相； ⑤ 标准图像密度；
2、能量减影： ① 方法：在同一区域几乎同时用两种 不同的管电压取得两帧图像进行减 影。 ② 原理：利用了碘与周围软组织对X 线衰减系数在不同能量下有明显差 异的特性。 ③ 优缺点：
3、混合减影： 将时间减影技术和时间减影技术相 结合，产生了混合减影技术； 方法：
① 注射造影剂前先做一次能量减影； ② 注射造影剂后再做一次能量减影；
1、图像处理的环节
① 与系统检测功能有关的处理 ：预读
取，确定读出灵敏度。
② 与显示功能有关的处理 ：灰阶处理、
频率处理、减影处理等。
③ 与图像信息的存储和记录有关的处
理 ：图像的压缩。
数字图像后处理软件介绍：
窗宽窗位 边缘增强 图像平滑 对比度增强 图像放大缩小 图像裁减 感兴趣区分析 图像压缩 连续图像回放
1、结构：
暗盒型读取装置
非暗盒型读取装置
① 暗盒型读取装置：
病 人 信 息 影像板暗盒 暗盒插口
摄 影
信 息 输 入
IP缓冲堆栈 读取部分
IP分类器 消除部分 理 部 分
部分
计
算
机/图
像
处
② 无暗盒读取装置 ：
集X线投照、读取于一体，IP板在 曝光后直接被传送到激光扫描和残
影消除部分处理
2、读出原理：
① 散射线少； ② 使用光电倍增管，灵敏度高；
（3）缺点：机械装置复杂，扫描时 间长。
2）、线（扇）形法： （1）特点：扫描X线束呈线状或扇状。
（2）优点： 照射野大，X线利用率高，扫描速度 快。
2. DDR使用的X线检测器：
1）气体电离室检测器： 利用X线的电离效应，电离电荷的多 少与X线强度成正比，收集电离电荷 并形成电信号。
4）技术指标： ① 像素灰度等级：10b； ② 采样间隔：0.1mm ③ 激光束直径：80um； ④ 处理能力：最多240张/h；
5）CR系统改进方向： ① 提高时间分辨率，以适应动态器官 和结构的显示； ② 进一步提高X线的转换效率； ③ 减小IP荧光体内颗粒的尺寸，以提 高发光效率。
5.3 数字X线摄影系统
2、图像读出灵敏度自动设定： 1）预读程序：
分割 范围 识别 照射 野 识别 直方 图 分析
X线 剂量 和范围 的计算
确定 读出 调件
2）照射野边界的识别： ① 测定探测的起始点：利用照射野和 非照射野密度差别较大的特性；
② 测定照射野边缘的候补点： ③ 照射野形状的修正：主要是区别组
织密度对比强烈的候补点。
2）非晶态硒型平板检测器： （1）结构：
产生电子 空穴对
（2）工作原理：
① 入射X线光子在硒层中产生“电子-
空穴”对； ② 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； ③ 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；
像 素 矩 阵
3）非晶态硅型平板检测器： （1）结构：
（ 2 ） 工 作 原 理
（3）技术参数：
① 图像面积：320mm×256mm ② 像素矩阵：640×512 ③ 动态范围：14~16B ④ 曝光剂量：胶片系统的1/100~1/30
⑤ 采集时间：
2）平板探测器DDR系统
（1）组成：
探测器 矩 阵
X线 电子暗盒
图 像 控制 处理器 系统控制台
数据
监视器
X线机
网络
（2）图像质量
空间分辨率：3.6LP/mm。 对比度分辨力：取决于动态范围的大
小，平板探测器的动态范围可到达 104~105
（3）DDR与CR的比较：
① DDR的图像清晰度优于CR；
② 信噪比高；
③ 拍摄速度快；
④ DDR的X线线转换百度文库高； ⑤ 寿命长； ⑥ DDR不能与常规X线设备匹配工作；
2）图像增强器：
① 多视野I.I。
② 平板式I.I。
3）光学系统：
① 孔径大，光圈可调； ② 滤光片；
4）电视摄像机：
① 高清晰度、高分辨率和低残像，并
配合各种补偿电路； ② CCD摄像机和逐行扫描制式。
5）监视器：高分辨率、大屏幕。
6）X线图像亮度的自动控制： （1）自动亮度控制的作用：
（2）自动亮度控制的方法：
把掺铊的碘化铯闪烁发光晶体层覆盖 在光电二极管矩阵上，每个光电管就 是一个像素，由薄膜非晶态氢化硅制 成。
（2）工作原理：
① X线入射闪烁晶体被转换为可见光；
② 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；
③ 在读出信号的控制下将储藏电荷读
出并加以放大。
3、DDR系统实例： 1）多丝正比室扫描投影X线机： （1）多丝正比室结构：
分两步进行： 1、预读取：确定读出条件 2、读取：获得数字影像
3、影响图像质量的因数： ① 激光束的直径 ： ② 光电及传动系统的噪声 ：
X线量子噪声
光量子噪声 其它因素影响
③ 数字化的影响 ： 量化噪声等
5.2.4 计算机图像处理：
主要目的：改善图像质量。分为读 出前的处理和读出后的处理。
① 控制I.I的输出光量；
② 控制光学系统的输出光量：
7）X线剂量的管理： （1）剂量管理的主要任务： （2）剂量管理采取的措施：
① 栅控技术 ② 光谱过滤技术 ③ 脉冲透视技术 ④ 图像冻结技术
2、机械系统：
① 机架和床：双C臂、单Ｃ臂，可以多
轴向运动。
② 体位记忆技术：设定和保存各种投
照体位。
③ 将两次能量减影的图像再相减；
4、影响图像质量的因素： ① 成像方式； ② 投照X线的稳定性； ③ 曝光与图像采集的匹配同步； ④ 噪声； ⑤ 设备性伪影；
5.4.3 DSA对设备的特殊要求和技 术措施
1、X线发生器和显像系统 1）X线发生器：
① 功率： ② 管电压： ③ 管电流： ④ 高压控制方法
X线剂量大,吸 收差别小
X线剂量小,吸 收差别大
3 ） 读 出 系 统 工 作 特 性 ：
3、图像的后处理： 数字图像信号 胶片密度 ① 灰阶变换处理： I 0 f ( I i ), 而D h{ f ( I i )} 灰阶变换函数：
② 空间频率处理：
通过频率响应的条节来影响图像的锐 度，常用边缘增强的方法。