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1、第四章 数字X 线成像主要内容 第一节 数字图像基础知识 第二节 计算机X 线摄影 第三节 数字X 线摄影 第四节 数字剪影血管摄影 数字X 线成像技术是传统的X 线技术与计算机技术结合的产物。第一节 数字图像基础知识一、数字图像概念 数字图像：如果将一幅图像空间位置分成有限个像素的小区域，每个像素中的灰度平均值用一个整数来表示，这种图像信息便是数字信号，图像信息为数字信号的图像就是数字图像。与数字图像有关的基本概念：1 体素（voxel）代表一定厚度的三维空间的人体体积单元。是一个三维的概念。2 像素（pixel）组成数字图像的基本单元。是一个二维概念，是体素在成像平面的表现。3 像素值 是
2、像素的灰度值或强度值，一个像素只具有一个灰度值。4 视野（field of view，FOV）拟进行检查容积的选定区域。5 图像重建（image reconstruction）用采集的原始数据经计算而得到显示图像数据的过程。6 部分容积效应（partial volume effect）某像素位置上可能有多个不同X 线吸收系数的体素存在，该处像素的灰度值往往是多个体素灰度值依其体积所占比例而得的平均灰度值的现象。7 空间分辩力（spatial resolution）是指图像能分辨相邻两点的能力，常用能分辨两个点间的最小距离来表示。又称几何分辨力。8 密度分辩力（density resolutio
3、n）图像中可辨认低密度差别的最小极限，即对细微密度差别的分辨能力（数字图像灰度精度的范围）。又称为图像的灰度分辨力（或对比度分辨力）。9 时间分辩力（temporal resolution）成像系统对被检体组织运动部位的瞬间成像能力。二、数字图像与图像矩阵、灰度级数的关系 1 与图像矩阵的关系 图像矩阵中的行与列的数目一般都是2 的倍数。一幅图像中包含的像素数目等于图像矩阵行数与列数的乘积。2 与灰度级数的关系 A/D 转换器将连续变化的灰度值转化为一系列离散的整数灰度值，量化后的整数灰度值又称为灰度级（gray level）或灰阶。每个像素的灰度精度范围从l 位（2 个灰度级）到12 位（4
4、096 个灰度级）三、数字图像的形成 1 图像数据采集 是通过各种接收器件（如成像板、探测器、CCD 摄像管、检测器、探头等），将曝光或扫描等形式收集到的模拟信号转换成数字信号。数字图像的数据采集大都经过三个步骤：（1）分割：是将图像分割成若干个小单元的空间取样处理（下图a）。（2）采样：对一幅图像采样时该图像中像素的每一个亮点被采样，亮点的光强度通过光电倍增管转换成电信号（模拟信号）（下图b）。（3）量化：量化过程中，每一个被采样像素的亮度值都取整数（0、正数或负数），所取的数值决定了数字图像的灰度值，并且精确地对应于像素点。整个量化过程，整数表示的电子信号完全取决于原始信号的强度，并且与原
5、始信号的强度成正比。2 信号处理 计算机接受数据采集系统的数字信号后，立即进行数据处理：根据需要采取放大、滤波或降噪等处理方法，并将像素的位置信息与强度信息结合，重建出一幅图像。3 图像显示 计算机将信号处理后重建的图像输出至监视器屏幕上显示。同时，将所接受到的图像数据进行存储，以备随时调用、显示或重建。四、数字图像的特点 从应用角度分析，数字图像与模拟图像相比具有其自身的特点：1 密度分辨力高 屏-片系统的密度分辨力只能达到26 灰阶，数字图像的密度分辨力可达到210l2灰阶。2 可进行后图像处理 只要保留原始数据，就可以根据诊断需要，有针对性的对图像进行处理，以达到改善图像质量，增加诊断信
6、息，提高诊断准确性的目的。3 可以高保真地存储、调阅、传输或拷贝 数字图像可以存储于磁盘、磁带、光盘及各种记忆卡中，并可随时进行调阅、传输。五、数字图像的基本处理 常用的医学数字图像处理技术有：图像增强、图像运算、图像变换、图像分割及图像重建等。1 图像增强 图像增强是增强图像中某些有用信息，削弱或去除无用信息。如：增强图像对比度、提高信噪比、强调组织边缘等。2 图像运算 图像运算分为代数运算和几何运算。图像代数运算是指对两幅或两幅以上的图像进行加、减、乘、除运算，处理的基本单位是像素，通过运算改变像素灰度值，但不改变像素之间的相对位置关系。图像几何运算是指对图像进行缩放、平移、旋转、错切、镜
7、像等改变像素相对位置的处理。3 图像变换 图像变换是指将图像转换到频率域或其他非空间域的变换域中进行处理。4 图像分割 图像分割是按照某种原则将图像分成若干个有意义的部分，使得每一部分都符合某种一致性要求。5 三维重建 三维图像重建是指利用获得的连续二维断层图像信息，按照体绘制、面绘制等运算方法，重建出反映组织三维信息的三维影像。面绘制适于重建单个脏器组织，重在显示组织外观形态和空间结构，但不描述组织内部信息，信息利用率较小。临床常用的面绘制有表面阴影显示（SSD）（下图a）。体绘制适于多个脏器组织的重建，尤其对于相互包含的多重组织显示效果较好，其算法充分利用图像数据，反映的诊断信息更多。临床
8、常用的体绘制有最大密度投影（MIP）（下图b）、容积再现（VR）等。第二节 计算机X 线摄影 计算机X 线摄影（CR）是使用可记录并由激光读出X 线影像信息的成像板（IP）作为载体，经X 线曝光及信息读出处理，形成数字式平片影像。CR 系统中入射到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定状态，形成潜影（信息记录）；当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，发生光激励发光（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，再经A/D 转换器转换为数字信号（信息读出）；然后数字信号被传送到存储与显示元件中作进一
9、步处理与显示（信息的处理与记录）。一、CR 系统特点 CR 系统的优点：1 IP 可重复使用 2 具有多种处理技术 3 灵敏度高 具有较高的空间分辨力 4 具有高的线性度 5 动态范围大 6 宽容度大 7 高度的识别性 8 可数字化存储 CR 系统的缺点：1 时间分辨力较差 不能满足动态器官结构的显示；2 空间分辨力不如常规的X 线照片。二、成像板 成像板（IP）结构：IP 由保护层、PSL 物质层、基板等组成。2 特性 IP 的固有特征是X 线辐射剂量与激光束激发的PSL 强度之间的在1:104范围内是线性的，该线性关系使CR 系统具有高的敏感性和宽的动态范围。IP 可以重复使用，在IP 再
10、次使用前，应当用强光照射，消除可能存在的潜影。在使用中，应注意避免IP 出现擦伤。由于IP 中的荧光物质对放射线、紫外线的敏感度远高于普通X 线胶片，因此摄影前、后的IP 都要屏蔽。摄影后的IP 上的潜影会因光的照射而消褪，所以必须避光。避光不良或漏光的IP 上的图像会因贮存的影像信息量减少而变得发白，这与普通胶片正好相反。三、CR 成像基本原理 CR 系统成像可用四象限理论来描述其成像基本原理。1 影像信息采集（第一象限）CR 系统的影像是通过一种涂在IP 上的特殊物质-光激励发光物质来完成影像信息的采集，光激励发光（PSL）的强度与二次激发光（激光）的波长有关。2 影像信息读取（第二象限）
11、贮存在PSL 物质中的影像信息是以模拟信号的形式记录下来的，要将其读出并转换成数字信号，需使用激光扫描读出装置（称光激励发光扫描仪或PSL 扫描仪）。3 影像信息处理（第三象限）由第二象限输入的信息经影像处理装置（IPC）处理，显示出适用于诊断的影像，显示的特征是可以独立控制的，可根据诊断要求施行各种处理。如动态范围压缩处理、谐调处理、空间频率处理、减影处理等，能在较大的范围内改变影像特性。4 影像再现（第四象限）馈入影像记录装置（IRC）的影像信号重新被转换为光学信号以获得X 线照片。第四象限决定了CR 系统中输出的X 线照片的特性曲线。四象限理论中，第一象限涉及IP 的固有特性，在系统运行
12、中是不能调节的，第二至四象限则在系统运行中可充分调节，实施影像处理功能。四、CR 系统的图像处理 CR 系统中实施图像处理功能分为三个主要环节：第一个环节是与系统的检测功能有关的处理，即第二象限功能。该处理环节称为曝光数据识别（EDR）。第二个环节是与显示的影像特征有关的处理，即第三象限功能。这一环节的功能在于通过各种特定处理（如谐调处理、频率处理、减影处理等）为诊断医生提供满足不同诊断要求的、具有较高诊断价值的影像。第三个环节是与影像信息的存储与传输功能有关的处理，即第四象限功能。这个功能是获得质量优良的照片记录，并在不衰减影像质量的前提下实施影像数据的压缩，以达到高效率的存储与传输。（一）
13、与检测功能有关的处理 直方图分析五种类型：用于骨骼皮肤的显示；用于骨骼软组织的显示；用于胃肠道钡剂造影检查的显示；着重突出软组织信息的软组织显示；着重突出骨骼信息的骨骼显示。（二）与显示功能有关的处理 显示功能的处理包括：动态范围（dynamic range）压缩处理、谐调（层次）处理（gradation processing）、空间频率处理（spatialfrequency processing）和能量减影处理（energy subtraction processing）。CR 图像处理操作界面如右图所示。1 动态范围压缩处理 指将原始影像信号的信息范围按照诊断的需要、用适当的进行适当的处理
14、函数进行压缩处理，使不需要的信号被压缩掉，需要的信号清楚地显示出来。动态范围压缩处理在谐调处理与空间频率处理之前施行。4 减影处理 是通过采用一定的技术来消除无关结构的背景影像，使需要观察的结构能更清楚地显示。CR 系统也可完成血管造影与非造影影像的减影功能。CR 系统中减影方式有：时间减影和能量减影。CR 系统与DSA 设备相比有下述优点：IP 覆盖范围大，可克服DSA 设备中影像增强管（I.I）视野较小的限制；IP 的空间分辨力比I.I-TV 系统高；IP 的动态范围宽，利于曝光区域内的结构具有明显密度差别时信息的采集；曝光剂量低。五、影响CR 影像质量的因素 CR 系统成像过程中，对影像
15、质量的影响主要在于信息的采集、信息的读出、信息的处理与记录四个环节中，尤其以IP 的特征和阅读器的性能为重要。1 决定系统响应性的因素（1）进入IP 的散射线（2）激光束在IP 荧光层上的散射（3）电子系统的响应特征 2 噪声 CR 系统中存在着两种噪声，即量子噪声（X 线量依赖性噪声）和固有噪声（非X 线量依赖性噪声），量子噪声又分为X 线量子噪声和光量子噪声。第三节 数字X 线摄影 一、影像信息接收器（一）直接转换型平板探测器 直接转换FPD 分为非晶硒（a-Se）为光电材料的FPD 和多丝正比电离室型（现在已很少使用）。1 非晶硒（a-Se）平板探测器（1）组成：a-Se FPD 由X
16、线转换、探测元阵列、高速信号处理和数字影像传输单元等组成。（2）成像原理：2 多丝正比电离室 多丝正比电离室（MWPC）型直接数字X 线摄影，是中兴医疗公司与俄罗斯科学院核物理研究所于1999 年在中国共同研制成功的低剂量直接数字化X 线机，或称为低剂量X 线机，采用一种狭缝式的线扫描装置。（1）组成：多丝正比电离室由主机部分、探测系统、扫描机构、计算机系统和其它辅助系统组成。（二）间接转换平板探测器 间接转换平板探测器又分为碘化铯+非晶硅（CsI a-Si）和电荷藕合器件（CCD）摄像机两种。1 CsI a-Si 平板探测器 与直接转换FPD 的区别主要在于荧光材料层和探测元阵列层。（1）组
17、成：a-Si FPD 由荧光材料、探测元阵列、信号读取和信号处理单元等组成（下图）（2）工作原理：位于探测器顶层的CsI 闪烁晶体将入射的X 线图像转换为可见光图像；位于CsI 层下的a-Si 光电二极管阵列将可见光图像转换为电荷图像，每一个像素的电荷量与入射的X 线强度成正比，同时该阵列还将空间上连续的X 线图像转换为一定数量的行和列构成的点阵式图像；在中央时序控制器的统一控制下，位于行方向的行驱动电路与位于列方向的读取电路将电荷信号逐行取出，转换为串行脉冲序列并量化为数字信号。获取的数字信号经通信接口电路传送至图像处理器，形成X 线数字图像。上述过程完成后，扫描控制器自动对探测器内的感应介
18、质进行扫描，去除潜影。2 CCD 摄像机探测器 TV 摄像机有摄像管摄像机和CCD（电荷藕合器件）摄像机。CCD 系统和摄像管相比，在稳定性、几何精确度、信号一致性和体积方面都有优越性。但CCD 摄像机与其它X 线转换设备如影像增强器或闪烁体相匹配时，优点就不如平板探测器那么明显。CCD 摄像机阵列技术是采用近百个性能一致的CCD 摄像机整齐排列在同一平面上，它们前方一定距离（共同的焦点）上是一张荧光屏。X 线对被检体曝光时，荧光屏发出人体组织的可见光影像，每一个CCD 摄影机摄取一定范围的荧光影像，并转换成数字信号，再由计算机进行处理，将图像拼接，形成一幅完整的图像。二、成像性能 数字X 线
19、成像比屏-片系统、CR 系统成像的成像性能更优越，主要有三个方面。1 X 线敏感度 高X 线敏感度是X 线透视的首要条件。直接转换方法的感度取决于a-Se 层的X 线吸收效率。2 X 线响应特性 在管电压80kVp，X 线管前放置20mm 铝板测量对应于X 线剂量的电子信号。电子信号在很宽的X 线曝光范围内显示出良好的线性，在X 线曝光量过高的特殊情况下达到饱和。这些优秀的X 线探测器性能在从X 线透视到摄影的宽范围内都是适用的。3 空间分辨力第四节 数字减影血管造影 数字减影血管造影（DSA）是计算机与常规X 线血管造影相结合的一种检查方法。DSA 成像装置由影像增强器-摄像机、对数放大-A
20、/D 转换器、存储器、影像处理机及显示装置等组成。一、DSA 原理 DSA 中用来数字化并相减的信号取自摄像机的输出端，它是由透过人体后的X 线强度决定的。当单能窄束X 线通过两均匀介质时，X 线射出强度IT 和入射X 线强度I0 之间服从指数衰减规律。DSA 成像过程：摄制普通片，制成蒙片；摄制血管造影片（充盈图像）；将蒙片与血管造影片加权减影即得到DSA 图像。二、减影方式 1 时间减影 是DSA 的常用方式。在注入的对比剂进入ROI 之前，将一帧或多帧图像作为蒙片储存起来，并与含有对比剂的造影像一一相减。时间减影又可分为常规方式、脉冲方式、超脉冲方式等。2 能量减影 能量减影也称为双能减
21、影（dual-energy subtraction）、K-缘减影。进行某ROI 血管造影时，几乎同时用两个不同的管电压取得两帧图像对其相减，由于两帧图像是由两种不同的能量摄制的，故称之为能量减影。3 混合减影 混合减影是基于时间与能量两种减影方式相结合的减影方法。其基本原理是，在注入对比剂前后各使用一次能量减影，获得的注入对比剂前后能量减影像各一帧，对这两帧能量减影图像再减影一次，即得到混合减影图像。值得注意的是，经过两次减影，信号有所减少，噪声有所增大。SNR 大幅度地减少。补救办法有，加大曝光量和使用滤过。三、影响DSA 图像质量的因素 影响DSA 图像质量的主要因素有噪声与运动伪影。1 噪声 DSA 图像的噪声主要包括X 线穿过被检体时的散射噪声、摄影机的噪声、A/D 转换噪声等。其中散射噪声是最主要的噪声之一，取决于被检体厚度，被检体越厚，散射越多，噪声越大。2 运动伪影 是在摄片过程中由于被检者的运动而产生的伪影。DSA 系统均有消除运动伪影的功能，以便于实现最佳匹配。但是如果运动伪影过大，则可能使两帧图像无法匹配。运动伪影可以由受检者运动所造成，也可以由成像系统不稳定所致。此外，对比剂浓度、摄片的时间、受检者的部位、心脏的跳动、腹部的蠕动及受检者的精神状态也是影响DSA 成像质量的重要因素。