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10 数字X射线成像



生物医学传感器与检测技术
第10章 数字X射线成像

数字化X摄影图像的获取方式
过渡方式 主要指X射线平片影像数字化。 电视摄像机:将X光平片图像用摄像机进行 摄影,像素大小通过片-机距离调整,可实 时显示在屏幕上。速度快,操作简便,但图 像分辨率较低; 扫描仪:用专用设备对X光平片影像进行扫 描,图像分辨率高,采集速度慢。


固态摄像机:核心是电子扫描固态传感器, 主要有电荷耦合器件(CCD)阵列、电荷注 入器件(CID)阵列和光电二极管阵列等。 视频采集卡:为具备视频输出口的影像设备 所采用,动态卡是B超和内窥镜等设备的主 要采集工具,静态卡则可用于CT、MRI等图 像的采集。

间接方式 通过某些媒介(如影像增强器、荧光体等)将 不可见的X射线转换为可见光,再通过光电转 换、A/D转换而获得数字化图像。可分为计算 机X射线摄影(CR)、影像增强器-电视(IITV)系统、碘化铯非晶硅探测器系统和CCD 平面传感器系统。

CR是一种较成熟的数字化X射线摄影技术, 通过影像板(IP)接受X射线照射后形成潜 影,随后用激光扫描激发潜影而发出荧光, 进而通过光电转换形成数字图像。 II-TV是最为普及的一种数字荧光成像技 术,通过输入屏接受X射线照射后产生可见 光光子,并进而释放光电子,光电子经高压 电场加速后,在输出屏上转换为强度大为增 强的可见光,再利用摄像机数字化。

直接方式 非晶硒平板探测器:X射线光子在非晶硒层 激发出电子-空穴对(电荷潜影),在偏置 电压下反向运动到薄膜晶体管并暂存于电容 中,然后通过读取电荷而形成数字图像数据。

多丝正比电离室:为一个矩形密封腔,其中 充填了惰性气体并设有漂移电极、阴极和阳 极。X射线在漂移电场中使惰性气体电离, 负离子朝阳极运动,并经加速电场加速引起 雪崩反应,产生大量离子云,其数量和直径 与电场强度和气压有关。离子云高速飞向金 属丝阳极,在与阳极碰撞时产生高速脉冲信 号。对脉冲进行计数机壳得到正比于入射光 子数量的计数值。

CR成像技术
CR系统的构造 CR系统以成像板(IP)为探测器,主要由X射 线机、IP、影像阅读器、影像处理工作站、影 像存储与打印系统构成。

X射线机 CR系统所用的X射线机与系统种类有关。 CR系统的激光阅读装置分为暗盒型和无暗 盒型。暗盒型阅读装置的CR需要暗盒来装 载IP经历成像过程,其X射线机与传统X射 线机兼容;无暗盒型CR的IP曝光于阅读装置 合为一体,需要配置单独的X射线发生装置。 临床使用的绝大多数CR系统都是暗盒型 CR,不需购置新的射线机,工作流程也与 传统的屏-片系统基本相同。

成像板 是CR系统的关键元件,代替了传统的屏-片 系统,具有很大的灵活性和多用性,可重复 使用。

影像阅读器 是阅读IP、产生数字影像、进行简单处理并 输出影像数据的装置。 影像处理工作站 具有影像处理软件,可提供不同解剖成像部 位的多种预设影像处理模式,还可进行影像 查询、显示与操作。

CR的成像原理

CR的影像读取

一般衡量影像板阅读仪的参数有四个:描述影像清晰 度指标的空间分辨率、描述影像层次指标的灰度等 级、描述处理能力的激光扫描速度和缓冲平台容量。 1. 目前的空间分辨率普遍能达到10像素/毫米,对大 片采取6或10像素/毫米的可调设置; 2. 灰度等级指标一般要求达到12bit(4096级)灰度 级; 3. 扫描速度和缓冲平台容量描述了阅读仪的处理能 力。大型阅读仪的扫描能力可达100板/小时,缓 冲平台容量可达20板。

曝光数据识别 在X射线采集条件不理想时,可能出现过度曝 光或曝光不足。CR系统中的曝光数据识别器 (EDR)能自动将其调整为具有理想密度和对 比度的影像。曝光后IP上采集的影像数据,通 过分割曝光模式识别、曝光野识别和直方图分 析来确定影像的最佳阅读条件,此机制就称为 曝光数据识别。

EDR的基础是直方图分析。通过直方图找到有 效图像信号的最大和最小强度,并据此调整阅 读的灵敏度和宽容度,以获得最佳的密度和对 比度。直方图的大体形状取决于解剖部位和用 于影像采集的摄影技术。

CR影像处理 对比度处理 CR数据的固有对比度很小,对比处理的目 的是使影像的对比度达到传统屏-片影像的 水平,或增强所希望特征的显著性。一般可 通过用户控制的查找表重设像素值,或利用 边缘锐化算子增强边缘。

频域处理 增强数据中特征的显著性,通常指影像中边 缘的显著性。可通过各种频域滤波器、模糊 蒙片减影和小波滤波等方法来进行。

能量减影 有选择性地去除影像中不同组织的信息。如 在同一部位获得高能量影像和低能量影像, 其中骨骼和软组织的信号强度不同。通过加 权减影可去除骨骼信号而仅获得软组织影像 或反之。CR中又分为一次曝光法和二次曝 光法。二次曝光法利用两种不同能量的X射 线进行两次成像,而一次曝光法是指在一次 曝光中使用两块成像板,其中夹入一块金属 滤过板来形成不同能量的两幅影像。

CR系统的优点、特点与不足
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优点 IP可重复使用 可与原有X光摄影设备匹配使用,不需特 殊训练 具有多种影像处理技术 具有多种后处理功能

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显示的信息容易被诊断医生阅读和理解, 且质量上更容易满足诊断要求 可数字化存储与传输,节省胶片,无需暗 室和储片室 可实现数据库管理,有利于查询、比较和 共享

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特点 高灵敏度 较高的空间分辨率 很高的线性度 大动态范围 优越的识别能力 宽容度大

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缺点 时间分辨率差,不能满足动态器官的影像 显示 在细微结构显示上,相较于常规的屏-片组 合,其空间分辨率有时显得不足 曝光剂量偏高,除了对信噪比要求不严格 的摄影部位外,要获得与常规屏-片系统等 同的影像质量,CR所需的曝光剂量高出 30%甚至更多。

DR成像技术
数字化X射线摄影系统(DR)相比于CR具有 更高的空间分辨率、更大的动态范围、更低的 X射线照射量,影像层次更丰富,曝光后几秒 内即可显示图像,大大改善了工作流程,提高 了工作效率。

直接数字化X射线成像 其最重要的部件为平板探测器,利用非晶硒的 光电导性将X射线直接转换为电信号,形成数 字化影像。

成像原理
入射X射线在非晶硒层激发出电子-空穴对,在偏置 电压作用下,电子和空穴分离并反向运动,形成电 流,其大小与入射X射线光子数量成正比,并存储 于极间电容中。通过控制场效应管的开关,可逐一 读出这些信号并转化为数字图像信号。

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非晶硒平板探测器的评价 图像质量高 时间分辨力高 曝光宽容度大 后处理功能强大 无胶片化 与PACS系统融合 只能专机专用,对环境要求高,大面积薄膜 晶体管的工业生产难度较大,仍未能满足心 血管等动态、快速连续摄影的造影检查。

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临床应用 胸部检查。一次摄取胸部信息后,可从计 算机内回调清晰图像,X射线曝光量小; 头颅和颈椎部位检查。照射条件较屏-片系 统要低得多,鼻、咽喉部、头颈部软组织 清晰可见; 静脉肾盂造影。由于能够即时回放和处理 图像,大大提高了造影检查的成功率,病 变的检出率也得以提高;

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胃肠造影。通过边缘增强处理,胃肠道的 轮廓线、黏膜皱襞、胃小区及胃小沟等图 像细节更为清晰; 乳腺检查。是乳腺疾病特别是乳腺癌的早 期诊断和检出率大为提高。

间接数字化X射线成像 间接数字化X射线成像的核心部件是非晶硅平 板探测器,其基本结构为碘化铯闪烁体层、非 晶硅光电二极管阵列、行驱动电路及图像读取 电路。

成像原理 碘化铯闪烁体将入射的X射线转化为可见 光,激发非晶硅光电二极管产生电流,并在 二极管自身的电容上形成储存电荷。

图像存储与传输系统(PACS)
PACS是医院用于管理医疗设备(CT、MRI、 X光、DSA、B超等)所产生的医学影像的信 息系统,它利用先进的计算机技术、图像压缩 技术、网络传输技术实现医学图像信息的数字 化存储、传送和处理。

产生与发展 随着大量新型医学影像设备投入临床,所产生 的大量影像资料对科室与医院管理提出了更高 的要求。传统的胶片备份、人工管理的方法, 不禁耗费大量资金、场地和人力,且工作效率 低、资料易丢失、查找困难、 图像传递时间长、存储时间 短、胶片易发黄变质。

医院迫切需要自动化影像管理系统,而病人的 影像检查结果也需要在会诊专家间共享。因 此,随着计算机性能提高和价格下降、大容量 存储介质的出现和价格下降、网络技术的发 展,PACS应运而生。

PACS按结构可分为集中式和分布式,按规模 大小分则可分为小型PACS(局限于单一影像 部门或科室)、院内图像发布系统(影像科范 围内的图像传输网络)、整个医院内实施的完 整PACS(医院内所有科室的数字化图像设备 或影像科与临床科之间的图像传输网络)和基 于全院PACS的远程放射医学系统(各医院的 PACS之间借助公用通信网络在广域网上进行 信息交换)。

国际标准化协议 DICOM 3.0 HL7

DSA成像
数字减影血管造影(DSA)是计算机与常规X 射线心血管造影相结合的一种检查方法。与传 统心血管造影相比,其图像的密度分辨率高, 能消除造影心脏血管之外的结构,图像清晰且 分辨率高,能进行动态性能研究,对比剂用量 少,心脏冠状动脉成像速度快,时间分辨率高。

DSA造影中对比剂的总量、流速控制及其与曝 光时间同步关系到检查的成败与受检者安全。 计算机控制的高压注射器确保在短时间内按设 置要求将对比剂注入血管,在血管中形成高浓 度,形成高对比度图像。

常规DSA是利用碘化铯荧光体探测器将穿过人 体的X投射线接受并变为光学图像,经影像增 强器增强后再用高分辨率摄像机扫描,所得图 像转化为数字图像并存储起来。通过将对比剂 注入前所摄蒙片与对比剂注入后摄得的血管充 盈像相减而得到只留下含对比剂的血管像的减 影图像。通过减影,消除了造影血管以外的结 构,突出了被造影器官的血管影像。

DSA图像处理 窗口技术:调节有效灰度范围及对比度; 再蒙片:重新确定蒙片,以对运动造成的减 影错位进行有效校正; 像素移位:利用内推法消除移动伪影,主要 消除因移动引起的减影像配准不良; 图像合成或积分; 滤波; 界标与兴趣区处理。

减影方式 时间减影:因获得造影像与蒙片的时间先后 不同而得名; 能量减影:对比剂中的碘与周围软组织对X 射线的衰减在不同能量下存在明显差异,碘 在33keV(K缘)时,其衰减曲线具有锐利 的不连续性,而软组织的吸收系数连续。因 此可采用高于和低于K缘的两种X光成像并 相减来得到保留含碘血管的影像; 混合减影。

成像方式 静脉DSA:通过静脉注射对比剂显示动脉系 统,是一种高剂量的造影检查; 动脉DSA:对比剂直接注入兴趣动脉或接近 兴趣动脉处。剂量低,影像重叠少,图像清 晰,成像质量高; 动态DSA:通过X射线管、人体和检测器的 规律运动获得清晰DSA图像。

临床应用

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