第四章-數(shù)字X線成像課件

1、第四章 數(shù)字X線成像沈乃澎沈乃澎 講師講師醫(yī)學影像系影像技術教研室醫(yī)學影像系影像技術教研室主要內(nèi)容第一節(jié) 數(shù)字圖像基礎知識第二節(jié) 計算機X線攝影CR成像原理（四象限理論）CR圖像處理第三節(jié) 數(shù)字X線攝影直接型FPD 間接型FPD第四節(jié) 數(shù)字剪影血管攝影DSA原理與方法第五節(jié) 數(shù)字X線圖像質(zhì)量2022-4-302目的要求掌握CR成像四象限理論數(shù)字圖像處理基本技術DSA原理與方法熟悉直接型FPD和間接型FPD的原理數(shù)字圖像的基本處理數(shù)字X線圖像質(zhì)量的影響因素了解CR、DR、DSA新技術2022-4-303第一節(jié) 數(shù)字圖像基礎知識數(shù)字X 線成像技術是傳統(tǒng)的X 線技術與計算機技術結(jié)合的產(chǎn)物。2022-

2、4-304數(shù)字圖像的特點從應用角度分析，數(shù)字圖像與模擬圖像相比具有其自身的特點：1密度分辨力高 屏-片系統(tǒng)的密度分辨力只能達到26灰階，數(shù)字圖像的密度分辨力可達到210l2灰階。2可進行后圖像處理 只要保留原始數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)診斷需要，有針對性的對圖像進行處理，以達到改善圖像質(zhì)量，增加診斷信息，提高診斷準確性的目的。3可以高保真地存儲、調(diào)閱、傳輸或拷貝 數(shù)字圖像可以存儲于磁盤、磁帶、光盤及各種記憶卡中，并可隨時進行調(diào)閱、傳輸。2022-4-3052022-4-306一、數(shù)字圖像概念數(shù)字圖像：將一幅圖像空間位置分成有限個像素的小區(qū)域，每個像素中的灰度平均值用一個整數(shù)來表示，這種圖像信息便是數(shù)字信

3、號，圖像信息為數(shù)字信號的圖像就是數(shù)字圖像。2022-4-307數(shù)字圖像與圖像矩陣、灰度級數(shù)的關系圖像矩陣 圖像矩陣中的行與列的數(shù)目一般都是2 的倍數(shù)。一幅圖像中包含的像素數(shù)目等于圖像矩陣行數(shù)與列數(shù)的乘積。2022-4-308灰度級數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)變化的灰度值轉(zhuǎn)化為一系列離散的整數(shù)灰度值，量化后的整數(shù)灰度值又稱為灰度級（gray level）或灰階。每個像素的灰度精度范圍從l 位（2 個灰度級）到12 位（4096 個灰度級）2022-4-309二、數(shù)字圖像有關的基本概念1體素（voxel） 代表一定厚度的三維空間的人體體積單元。是一個三維的概念。2像素（pixel） 組成數(shù)字圖像的基本

4、單元。是一個二維概念，是體素在成像平面的表現(xiàn)。3像素值 是像素的灰度值或強度值，一個像素只具有一個灰度值。4矩陣（matrix） 像素組成的橫成行、縱成列的數(shù)字方陣。5模/數(shù)轉(zhuǎn)換（analog/data, A/D) 模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并賦予相應量級，該元件稱ADC。2022-4-30106窗口技術（window technology） 選擇適當?shù)拇皩挻参粊碛^察圖像，使病變部位清晰的顯示出來。7空間分辯力（spatial resolution） 是指圖像能分辨相鄰兩點的能力，常用能分辨兩個點間的最小距離來表示。又稱幾何分辨力。8密度分辯力（density resolution） 圖像中可辨認

5、低密度差別的最小極限，即對細微密度差別的分辨能力（數(shù)字圖像灰度精度的范圍）。又稱為圖像的灰度分辨力（或?qū)Ρ榷确直媪Γ?噪聲（noise） 影像上觀察到的亮度水平隨機出現(xiàn)的波動，是統(tǒng)計學而不是檢測性的。10.信噪比（SNR） 信號強度與噪聲強度之比。2022-4-3011三、數(shù)字圖像的形成1圖像數(shù)據(jù)采集 是通過各種接收器件模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，包括抽樣（sampling)和量化(quantization) ：（1）分割：是將圖像分割成若干個小單元(空間取樣)處理（下圖a）（2）采樣：對一幅圖像采樣時該圖像中像素的每一個亮點被采樣，亮點的光強度通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號（模擬信號）（下圖b）（

6、3）量化：連續(xù)的灰度值變成離散的有限個等級的數(shù)字量。每一個被采樣像素的亮度值都取整數(shù)，為該點灰度值，并精確地對應于像素點。整數(shù)表示的電子信號取決于原始信號的強度，并且與原始信號的強度成正比。2022-4-30122022-4-30132信號處理 計算機接受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)字信號后，立即進行數(shù)據(jù)處理：根據(jù)需要采取放大、濾波或降噪等處理方法，并將像素的位置信息與強度信息結(jié)合，重建出一幅圖像。3圖像顯示 計算機將信號處理后重建的圖像輸出至監(jiān)視器屏幕上顯示。同時，將所接受到的圖像數(shù)據(jù)進行存儲，以備隨時調(diào)用、顯示或重建。2022-4-3014四、數(shù)字圖像的基本處理1圖像增強 圖像增強是增強圖像中某些有用

7、信息，削弱或去除無用信息。如：增強圖像對比度、提高信噪比、強調(diào)組織邊緣等。2圖像運算 圖像運算分為代數(shù)運算和幾何運算。圖像代數(shù)運算是指對兩幅或兩幅以上的圖像進行加、減、乘、除運算，處理的基本單位是像素，通過運算改變像素灰度值，但不改變像素之間的相對位置關系。圖像幾何運算是指對圖像進行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、錯切、鏡像等改變像素相對位置的處理。2022-4-30153圖像變換 圖像變換是指將圖像轉(zhuǎn)換到頻率域或其他非空間域的變換域中進行處理。4圖像分割 圖像分割是按照某種原則將圖像分成若干個有意義的部分，使得每一部分都符合某種一致性要求。5三維重建 三維圖像重建是指利用獲得的連續(xù)二維斷層圖像信息，按照體

8、繪制、面繪制等運算方法，重建出反映組織三維信息的三維影像。2022-4-3016第二節(jié) 計算機X 線攝影計算機X 線攝影（CR）是使用可記錄并由激光讀出X 線影像信息的成像板（IP）作為載體，經(jīng)X 線曝光及信息讀出處理，形成數(shù)字式平片影像。CR 系統(tǒng)中入射到IP 的X 線量子被IP 的成像層內(nèi)的熒光顆粒吸收，釋放出電子，其中一部分電子散布在成像層內(nèi)呈半穩(wěn)定狀態(tài)，形成潛影（信息記錄）；當用激光照射已形成的潛影時，半穩(wěn)定狀態(tài)的電子轉(zhuǎn)變?yōu)楣饬孔?，發(fā)生光激勵發(fā)光（PSL）現(xiàn)象，光量子隨即由光電倍增管檢測到，并被轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（信息讀出）；然后數(shù)字信號被傳送到存儲與顯示元

9、件中作進一步處理與顯示（信息的處理與記錄）。2022-4-30172022-4-3018一、CR 系統(tǒng)特點CR 系統(tǒng)的優(yōu)點：1IP 可重復使用 2具有多種處理技術 3靈敏度高 具有較高的空間分辨力4具有高的線性度 5動態(tài)范圍大 6寬容度大 7高度的識別性 8可數(shù)字化存儲2022-4-3019CR 系統(tǒng)的缺點：1時間分辨力較差 不能滿足動態(tài)器官結(jié)構(gòu)的顯示；2空間分辨力不如常規(guī)的X 線照片。2022-4-3020二、成像板成像板（IP）結(jié)構(gòu)： IP 由保護層、PSL 物質(zhì)層、基板等組成。2022-4-30212特性 IP 的固有特征是X 線輻射劑量與激光束激發(fā)的PSL 強度之間的在1:104范圍內(nèi)

10、是線性的，該線性關系使CR 系統(tǒng)具有高的敏感性和寬的動態(tài)范圍。IP 可以重復使用，在IP 再次使用前，應當用強光照射，消除可能存在的潛影。在使用中，應注意避免IP 出現(xiàn)擦傷。由于IP 中的熒光物質(zhì)對放射線、紫外線的敏感度遠高于普通X 線膠片，因此攝影前、后的IP都要屏蔽。攝影后的IP 上的潛影會因光的照射而消褪，所以必須避光。避光不良或漏光的IP 上的圖像會因貯存的影像信息量減少而變得發(fā)白，這與普通膠片正好相反。2022-4-3022三、CR 成像基本原理CR 系統(tǒng)成像可用四象限理論來描述其成像基本原理。1影像信息采集（第一象限） CR 系統(tǒng)的影像是通過一種涂在IP 上的特殊物質(zhì)-光激勵發(fā)光物

11、質(zhì)來完成影像信息的采集，光激勵發(fā)光（PSL）的強度與二次激發(fā)光（激光）的波長有關。2022-4-30232影像信息讀?。ǖ诙笙蓿?貯存在PSL 物質(zhì)中的影像信息是以模擬信號的形式記錄下來的，要將其讀出并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，需使用激光掃描讀出裝置（稱光激勵發(fā)光掃描儀或PSL 掃描儀）。2022-4-30243影像信息處理（第三象限） 由第二象限輸入的信息經(jīng)影像處理裝置（IPC）處理，顯示出適用于診斷的影像，顯示的特征是可以獨立控制的，可根據(jù)診斷要求施行各種處理。如動態(tài)范圍壓縮處理、諧調(diào)處理、空間頻率處理、減影處理等，能在較大的范圍內(nèi)改變影像特性。4影像再現(xiàn)（第四象限） 饋入影像記錄裝置（IRC）的

12、影像信號重新被轉(zhuǎn)換為光學信號以獲得X 線照片。第四象限決定了CR 系統(tǒng)中輸出的X 線照片的特性曲線。四象限理論中，第一象限涉及IP 的固有特性，在系統(tǒng)運行中是不能調(diào)節(jié)的，第二至四象限則在系統(tǒng)運行中可充分調(diào)節(jié)，實施影像處理功能。2022-4-30252022-4-3026四、CR 系統(tǒng)的圖像處理CR 系統(tǒng)中實施圖像處理功能分為三個主要環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)是與系統(tǒng)的檢測功能有關的處理，即第二象限功能。該處理環(huán)節(jié)稱為曝光數(shù)據(jù)識別（EDR）。第二個環(huán)節(jié)是與顯示的影像特征有關的處理，即第三象限功能。這一環(huán)節(jié)的功能在于通過各種特定處理（如諧調(diào)處理、頻率處理、減影處理等）為診斷醫(yī)生提供滿足不同診斷要求的、具有較

13、高診斷價值的影像。第三個環(huán)節(jié)是與影像信息的存儲與傳輸功能有關的處理，即第四象限功能。這個功能是獲得質(zhì)量優(yōu)良的照片記錄，并在不衰減影像質(zhì)量的前提下實施影像數(shù)據(jù)的壓縮，以達到高效率的存儲與傳輸。2022-4-30272022-4-3028（一）與檢測功能有關的處理直方圖分析五種類型：用于骨骼皮膚的顯示；用于骨骼軟組織的顯示；用于胃腸道鋇劑造影檢查的顯示；著重突出軟組織信息的軟組織顯示；著重突出骨骼信息的骨骼顯示。2022-4-3029（二）與顯示功能有關的處理顯示功能的處理包括：動態(tài)范圍（dynamic range）壓縮處理、諧調(diào)（層次）處理（gradation processing）、空間頻率處

14、理（ spatialfrequency processing）和能量減影處理（ energy subtraction processing）。CR 圖像處理操作界面如右圖所示。2022-4-30301動態(tài)范圍壓縮處理指將原始影像信號的信息范圍按照診斷的需要、用適當?shù)倪M行適當?shù)奶幚砗瘮?shù)進行壓縮處理，使不需要的信號被壓縮掉，需要的信號清楚地顯示出來。動態(tài)范圍壓縮處理在諧調(diào)處理與空間頻率處理之前施行。2022-4-30314減影處理 是通過采用一定的技術來消除無關結(jié)構(gòu)的背景影像，使需要觀察的結(jié)構(gòu)能更清楚地顯示。CR 系統(tǒng)也可完成血管造影與非造影影像的減影功能。CR 系統(tǒng)中減影方式有：時間減影和能量減

15、影。2022-4-3032CR 系統(tǒng)與DSA 設備相比有下述優(yōu)點：IP 覆蓋范圍大，可克服DSA 設備中影像增強管（I.I）視野較小的限制；IP 的空間分辨力比I.I-TV 系統(tǒng)高；IP 的動態(tài)范圍寬，利于曝光區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)具有明顯密度差別時信息的采集；曝光劑量低。2022-4-3033五、影響CR 影像質(zhì)量的因素CR 系統(tǒng)成像過程中，對影像質(zhì)量的影響主要在于信息的采集、信息的讀出、信息的處理與記錄四個環(huán)節(jié)中，尤其以IP 的特征和閱讀器的性能為重要。1決定系統(tǒng)響應性的因素（1）進入IP 的散射線（2）激光束在IP 熒光層上的散射（3）電子系統(tǒng)的響應特征2噪聲 CR 系統(tǒng)中存在著兩種噪聲，即量子噪

16、聲（X 線量依賴性噪聲）和固有噪聲（非X 線量依賴性噪聲），量子噪聲又分為X 線量子噪聲和光量子噪聲。2022-4-3034第三節(jié) 數(shù)字X 線攝影一、影像信息接收器（一）直接轉(zhuǎn)換型平板探測器直接轉(zhuǎn)換FPD 分為非晶硒（a-Se）為光電材料的FPD 和多絲正比電離室型（現(xiàn)在已很少使用）。1非晶硒（a-Se）平板探測器（1）組成：a-Se FPD 由X 線轉(zhuǎn)換、探測元陣列、高速信號處理和數(shù)字影像傳輸單元等組成。2022-4-30352022-4-30362022-4-3037（2）成像原理：2022-4-3038（二）間接轉(zhuǎn)換平板探測器間接轉(zhuǎn)換平板探測器又分為碘化銫+非晶硅（CsIa-Si）和電荷

17、藕合器件（CCD）攝像機兩種。1CsIa-Si 平板探測器 與直接轉(zhuǎn)換FPD 的區(qū)別主要在于熒光材料層和探測元陣列層。（1）組成：a-Si FPD 由熒光材料、探測元陣列、信號讀取和信號處理單元等組成（下圖）2022-4-30392022-4-3040（2）工作原理：位于探測器頂層的CsI 閃爍晶體將入射的X 線圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像；位于CsI 層下的a-Si 光電二極管陣列將可見光圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖像，每一個像素的電荷量與入射的X 線強度成正比，同時該陣列還將空間上連續(xù)的X 線圖像轉(zhuǎn)換為一定數(shù)量的行和列構(gòu)成的點陣式圖像；在中央時序控制器的統(tǒng)一控制下，位于行方向的行驅(qū)動電路與位于列方向的讀取電路

18、將電荷信號逐行取出，轉(zhuǎn)換為串行脈沖序列并量化為數(shù)字信號。獲取的數(shù)字信號經(jīng)通信接口電路傳送至圖像處理器，形成X 線數(shù)字圖像。上述過程完成后，掃描控制器自動對探測器內(nèi)的感應介質(zhì)進行掃描，去除潛影。2022-4-30412CCD攝像機探測器 TV 攝像機有攝像管攝像機和CCD（電荷藕合器件）攝像機。CCD系統(tǒng)和攝像管相比，在穩(wěn)定性、幾何精確度、信號一致性和體積方面都有優(yōu)越性。但CCD 攝像機與其它X 線轉(zhuǎn)換設備如影像增強器或閃爍體相匹配時，優(yōu)點就不如平板探測器那么明顯。CCD 攝像機陣列技術是采用近百個性能一致的CCD 攝像機整齊排列在同一平面上，它們前方一定距離（共同的焦點）上是一張熒光屏。X 線

19、對被檢體曝光時，熒光屏發(fā)出人體組織的可見光影像，每一個CCD 攝影機攝取一定范圍的熒光影像，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由計算機進行處理，將圖像拼接，形成一幅完整的圖像。2022-4-3042二、成像性能數(shù)字X 線成像比屏-片系統(tǒng)、CR 系統(tǒng)成像的成像性能更優(yōu)越，主要有三個方面。1X 線敏感度 高X 線敏感度是X 線透視的首要條件。直接轉(zhuǎn)換方法的感度取決于a-Se 層的X 線吸收效率。2022-4-30432X 線響應特性在管電壓80kVp，X 線管前放置20mm 鋁板測量對應于X 線劑量的電子信號。電子信號在很寬的X 線曝光范圍內(nèi)顯示出良好的線性，在X 線曝光量過高的特殊情況下達到飽和。這些優(yōu)秀的X

20、 線探測器性能在從X 線透視到攝影的寬范圍內(nèi)都是適用的。2022-4-30443空間分辨力2022-4-3045第四節(jié) 數(shù)字減影血管造影數(shù)字減影血管造影（DSA）是計算機與常規(guī)X 線血管造影相結(jié)合的一種檢查方法。2022-4-30462022-4-3047DSA 成像裝置由影像增強器-攝像機、對數(shù)放大-A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲器、影像處理機及顯示裝置等組成。2022-4-3048一、DSA 原理DSA 中用來數(shù)字化并相減的信號取自攝像機的輸出端，它是由透過人體后的X 線強度決定的。當單能窄束X 線通過兩均勻介質(zhì)時，X 線射出強度IT和入射X 線強度I0之間服從指數(shù)衰減規(guī)律。2022-4-3049DSA 成像過程：攝制普通片，制成蒙片；攝制血管造影片（充盈圖像）；將蒙片與血管造影片加權(quán)減影即得到DSA 圖像。2022-4-3050二、減影方式1時間減影 DSA 的常用方式。在注入的對比劑進入ROI 之前，將一幀或多幀圖像作為蒙片儲存起來，并與含有對比劑的造影像一一相減。時間減影又可分為常規(guī)方式、脈沖方式、超脈沖方式等。20