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1、医学影像设备学,第四章 数字 X线设备,学习目标,一、掌握X线计算机摄影的基本结构及成像原理。二、掌握数字摄影装置的基本结构和成像原理。三、孰悉数字减影血管造影像装置的基本结构和对设备的特殊要求。,目录,一、概述二、计算机X线摄影装置三、数字X线摄影装置,第一节 概述,第一节 概述,数字X线成像设备 是指X线透射图像数字化并进行图像处理再变成模拟图像显示的一种设备。,数字X线成像与传统增感屏、胶片成像的比较1.对比度分辨率高2.动态范围广、曝光容度宽3.辐射剂量小4.图像后处理功能强5.可利用大容量存储器存储数字图像，并可方便接入PACS系统实现图像的存储、传输和诊断。6.数字X线设备的空间分
2、辨力（约为2040LP/cm）不如屏-胶组合（理论值为5070LP/cm）的高。,第一节 概述,第二节 计算机X线摄影设备,第二节 计算机X线摄影设备,一、基本组成CR主要由信息采集、信息转换、信息处理、信息存储和记录等部份组成,第二节 计算机X线摄影设备,信息采集:IP代替胶片,以潜影的形式记忆X线图像信息转换:由影像读取装置实现,将潜影变为数字图像信号信息处理:由计算机完成,对数字图像进行各种相关后处理信息存储和记录:利用存储媒介如光盘等激光相机打印CT扫描机主要由硬件结构和软件结构两大部分组成,第二节 计算机X线摄影设备,二、CR工作原理：用存储屏记录X线影像，通过激光扫描使存储信号转换
3、成光信号，此光信号经过光电倍增管转换成电信号，再经过A/D转换后输入计算机处理，形成高质量的数字图像。,第二节 计算机X线摄影设备,第二节 计算机X线摄影设备,三、影像板（一）影像板结构表面保护层光激励发光荧光层（PSL)基板背面保护层,第二节 计算机X线摄影设备,表面保护层：聚酯树脂类纤维制成，能弯曲、耐磨损、透光性好。保护荧光层不受外界温度、湿度和辐射的影响。涂布兰色滤光层，提高清晰度,第二节 计算机X线摄影设备,荧光成像层：用多聚体溶液把微量的二价铕的氟卤化钡晶体相互均匀结合涂布而成。,它把第一次照射光的信号记录下来，当再次受到光刺激时，会释放存储的信号（掺入二价铕Eu 2+的氟囟化钡B
4、aFXEu 2+X=Cl、Br、I）,第二节 计算机X线摄影设备,基板：聚酯树脂类纤维制成。保护荧光物质层免受外力损伤。颜色：黒色,第二节 计算机X线摄影设备,背面保护层：材料与表面层相同，避免IP在使用过程中的摩擦。,第二节 计算机X线摄影设备,（二）影像板工作原理 射入IP板的X线光子被IP荧光层内辉尽性荧光体（PSL）吸收，释放出电子，其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态，形成潜影，完成X线信息的采集和存储。激光扫描IP板，发生光激发辉尽现象（光致发光现象），发出的荧光强度与第一次激发时X线的能量成正比，完成光学影像的读出。,第二节 计算机X线摄影设备,（三）特性,1.发射光谱与激发光谱
5、由IP受激发而释放出的光子波长与光强的关系称为发射光谱。最强波长为390400nm。PSL强度与读取光波波长的关系曲线称为激发光谱。最强在600nm左右。,2.时间响应当停止用激光照射荧光物时，PSL强度按其衰减规律逐渐终止。IP的PSL强度衰减速度很快，不会发生采集和读出信息的重叠。3.动态范围 直线性 特大宽容度1:10000 可以精确地检测到每一种组织间极小X线吸收差异,第二节 计算机X线摄影设备,4.存储信息的消退 X线激发IP后，潜影存储于荧光体中，在读取前一部分电子随时间延长将逃逸从而使第二次激发时的荧光强度减少，称为存储信息的消退。IP消退很微弱，8h减少25%。受时间、温度影响
6、。,第二节 计算机X线摄影设备,5.天然辐射的影响 来自建筑物上固定装置、天然放射性元素、宇宙射线、IP板上微量放射性元素。IP不仅对X线敏感，对其他电磁波也敏感，如紫外线、射线、射线射线及电子线等。长期存放会产生小黑斑。使用前必须激光擦除。,第二节 计算机X线摄影设备,（四）使用注意事项 1.选用较大得IP来记录X线影像，大大减少胶片尺寸的选择次数。2.IP再次使用时，最好重作一次光照射，以消除潜影。3.由于IP的荧光物质对X线得敏感度高，要求很好的屏蔽。,第二节 计算机X线摄影设备,第二节 计算机X线摄影设备,四、读取装置（一）结构1.暗盒型读取装置：将IP置入常规X线摄影暗盒类似的盒内，
7、它可替代常规摄影暗盒在任何X线机上使用。2.无暗盒型读取装置：IP在X线曝光后直接被传送到激光扫描和潜影消除处理，供重复使用。,第二节 计算机X线摄影设备,（二）读取装置原理：,第二节 计算机X线摄影设备,读出原理：（1）用一束微弱的激光粗扫IP，并立即算出读出图像的直方图（）自动调整光电倍增管的灵敏度及放大器的增益，再用高强度激光精细地读出潜影，并实现数字化，经过各种图像处理，获得最佳的适合于诊断的数字X线图像。,第二节 计算机X线摄影设备,（三）影响图像质量好坏的因素1.激光束的直径：越小越好2.光电及传动系统的噪声3.数字化的影响取样频率低“马赛克”伪影量化级数少“等高线”伪影一般数字化
8、取样间隔为.10.2mm像素的灰度级为8bit时，就可获得较满意的数字图像,五、计算机图象处理.图象处理环节图像读出过程的处理：图像读出灵敏自动设定，图度自动获得最佳密度和对比度图像。图像显示图像过程的处理：显示图像的特殊处理，以获得较高诊断价值的图像，也称后处理。图像存储和记录过程的处理：在不影响图像质量的基础上压缩图像，并可进行保存和传输。还可用激光相机打印出图像。,第二节 计算机X线摄影设备,2.图象读出灵敏度自动设定为在不同X线剂量下，获得相同图像质量，采用灵敏度自定设定功能。预读程序流程：,第二节 计算机X线摄影设备,3.图像后处理,灰阶处理空间频率处理动态范围压缩减影处理叠加处理,
9、图像处理：调节亮度、对比度、窗宽、窗位、放大反转、旋转、距离面积测量文字注释修改病人资料等,第二节 计算机X线摄影设备,图像读出灵敏度自动设定 大曝光剂量例1和小曝光剂量例2,第二节 计算机X线摄影设备,六、存储与记录装置,硬盘光盘七、评价标准（参考教材）八、使用注意事项和保养（参考教材）,第二节 计算机X线摄影设备,第三节 数字X线摄影设备,第三节 数字X线摄影设备,一、构成二、分类三、工作原理四、CR 与DR的比较,第三节 数字X线摄影设备,一、构成DR由X线发生器、X线探测器、图像处理器、图像显示器等组成1.X线发生器：采用中、高频逆变发生器。2.X线探测器：是将X线信息转换成电信号的器
10、件3.图像处理器：其功能包括各种图像处理，如灰阶变换、黑白反转、图像滤波降噪、放大等。4.图像显示器：用于摄影图像的重现阅读,第三节 数字X线摄影设备,二、分类1.非晶硒平板探测器型2.非晶硅平板探测器型3.多丝正比室扫描型4.CCD摄像机型,第三节 数字X线摄影设备,三、工作原理1.非晶硒平板探测器（1）结构：基板、集电矩阵、硒层、电介层、顶层电极、保护层等组成,第三节 数字X线摄影设备,（2）工作原理入射X线光子在硒层中的产生电子-空穴对，在顶层电极和集电矩阵间外加高电压电场的作用下，电子和空穴向反方向移动，形成信号电流，被相应单元的接受电极所收集，形成信号电荷，每个像素都有一个场效应管，
11、起开关作用，在读取控制信号的作用下，依次读出并经放大后被同步转换成数字图像信号,第三节 数字X线摄影设备,2.非晶态硅平板探测器（1）结构：由基板、非晶硅阵列、碘化铯层等构成,第三节 数字X线摄影设备,（2）工作原理非晶硅FPD受X射线照射后，将X线图像转换为荧光图像，再经非晶硅光电二极管构成的矩阵转换成图像电信号，在计算机读出电路的控制下，依次读出，再经A/D转换后，获得数字图像信号。,闪烁体GOS,非晶体硅传感器,外罩,闪烁体：GOS传感器:非晶体硅成像范围：14x17像素：2,208 x 2,688 pixel象素尺寸：160m分辨率：3.1 lp/mm灰阶度：A/D:14bits,大面
12、积金属绝缘体半导体传感器,操作环境：5 35C 3075%RH,第三节 数字X线摄影设备,第三节 数字X线摄影设备,3.多丝正比室扫描型DR（1）结构：高压电源、水平狭缝、多丝正比室、机械扫描系统、数据采集、计算机控制、图像处理系统等组成。,（2）工作原理 锥形X线束经水平狭缝准直后形成平面扇形X线束。通过病人被检部位后射入水平放置的多丝正比室窗口，在被探测器接收后，机械扫描装置使X线管头、水平狭缝及探测器沿垂直方向作均匀的同步平移扫描，到达新位置后再作水平照射投影；如此重复进行，就完成一幅图像的采集。多丝正比室的每根金属丝都与一路放大器相连，经A/D转换器将电压信号数字化后，输入计算机进行图
13、像处理。,第三节 数字X线摄影设备,第三节 数字X线摄影设备,4.CCD摄像机型DR（1）结构：主要由荧光板、反光板、CCD摄像机、计算机控制及处理系统等组成。,第三节 数字X线摄影设备,（2）工作原理 X线透过人体被检部位后，经滤线栅滤除散射线到达荧光板，将X线图像转换成荧光图像，荧光经透镜反射后，通过镜头聚焦将可见光投射到CCD芯片上，CCD芯片再将可见光转换为电信号，最终获得数字化图像。,第三节 数字X线摄影设备,CCD摄像机型DR,四、DR与CR的比较详见下页。,第三节 数字X线摄影设备,第四节 数字减影血管造影设备,目录,一、基本结构二、影响图像质量的因素三、对X线机的要求四、X线管
14、及探测器支撑装置五、导管床六、高压注射器七、数字系统八、DSA系统的特殊功能九、图像质量参数及检测十、日常维护与保养,第四节 数字减影血管造影设备一、基本结构不含对比剂的影像称为掩模像（mask image）或蒙片，注入对比剂后得到的影像称为造影像或充盈像。造影像减去掩模像得到减影像。减影后的图像信号与对比剂的厚度成正比，与背景无关。在减影像中，骨骼和软组织等背景影像被消除，只留下含有对比剂的血管影像。,第四节 数字减影血管造影设备,第四节 数字减影血管造影设备,数字图像硬件框图,监视器,二、影响图像质量的因素1成像方式（1）脉冲方式：采用间歇X线脉冲来形成掩模像和造影像，每秒摄取数帧影像，脉
15、冲持续时间一般大于视频信号一帧的时间。由于曝光X线脉冲的脉宽较大（例如100ms左右）它主要用于脑血管、颈动脉、肝动脉、四肢动脉等活动较缓慢的部位。,第四节 数字减影血管造影设备,（2）超脉冲方式以每秒630帧的速率进行X线脉冲摄像，然后逐帧高速反复减影，具有频率高、脉宽窄的特点，能以实时视频的速度连续观察X线数字影像或减影像，具有较高的动态清晰度。这种方式能适应肺动脉、冠动脉、心脏等快速活动的脏器，影像的运动模糊小。,第四节 数字减影血管造影设备,（3）连续方式所用X线可以是连续的，也可以是脉冲的，得到与摄像机同步的、频率为每秒25帧的连续影像。因采像频率高，能显示快速运动的部位，如心脏、大
16、血管，时间分辨力高。平板探测器无同步方面的限制，但有平板刷新频率方面的限制。,第四节 数字减影血管造影设备,2摄影X线的稳定性 由于普遍采用脉冲影像方式，必须保证前后各帧影像所接受的X线剂量恒定，要求X线机的高压稳定、应用高频高压发生器，增加附件滤过，优化x线能谱。3X线探测器对于应用I.I采集图像的设备，X线曝光脉冲应与摄像机场同步保持一致。,第四节 数字减影血管造影设备,4噪声 成像链的各个环节均会产生噪声。5伪影 在成像过程中，会产生各种伪影，如：运动伪影、饱和伪影、设备性伪影等。,第四节 数字减影血管造影设备,三、对X线机的要求1.大功率X线发生器采集频率高，则分给每幅图像曝光时间均很
17、短；为了减少活动脏器在曝光期间的活动，多采用脉冲曝光，曝光时间多在数毫秒。这就要求所用的X线机能在很短的时间内输出足够大的功率，从而获得满意的X线图像。一般要求X线机高压发生器的功率在80kW或以上。,第四节 数字减影血管造影设备,2.高压波形平稳 高压发生器输出的高压要平稳。为保证每幅图像感光量均匀一致，除各照射参数一致外，还要求kV值输出稳定，具有良好的重复性。当前DSA均采用逆变高频高压发生器，容易获得波纹较平稳高压。3.脉冲控制 脉冲控制有栅控X线管方式和高压初级控制方式。栅控管方式高压波形陡峭，x线质量高，软射线少。4.x线管和散热 要求大功率旋转阳极x线管，满足几个ms摄影的目的，
18、阳极热容量大，采用外接循环散热器（大部分采用水做为冷却液）满足连续摄影的要求。DSA x线管通常有三个焦点，通过电子聚焦形成微焦点，为满足各种放大摄影的要求。,第四节 数字减影血管造影设备,四、X线管及探测器支撑装置1.机架结构（1）三轴落地式C型臂结构示意图：C臂、偏置臂、L臂分别可以绕x、y、z轴旋转，既可以单独运动也可以联合运动，满足各种成像的要求。,第四节 数字减影血管造影设备,三轴落地式C型臂结构示意图,天轨吊架及落地式双C型臂,第四节 数字减影血管造影设备,天轨双C臂,第四节 数字减影血管造影设备,天轨吊架C臂,大型C形臂,2.机架功能（1）角度支持：C型臂可方便地进行各种角度的透
19、视和摄影。（2）角度记忆：当C型臂转到需要的角度进行透视观察时，系统能自动搜索并重放该角度已有的造影像，供医生诊断或介入治疗时参考；也可根据图像自动将C型臂转到采集该图像时的位置重新进行透视、造影。这种技术特别有利于心、脑血管的造影，尤其是冠状动脉介入治疗手术。,第四节 数字减影血管造影设备,（3）体位记忆技术：体位记忆能存储多达100个体位，各种体位可事先预置，也可在造影中随时存储、调用，使造影程序化，加快了造影速度。（4）快速旋转：C型臂能在托架中快速旋转运动，达到每秒4560。要求C型臂具有精确的角度重现性，与图像处理软件配合完成。（5）安全保护：C型臂支架还配有自动安全防撞装置。计算机
20、能根据机架、床的相对位置自动预警和控制C型臂的运动速度，利用传感器感受周围物体的距离，自动实现减速或停止。,第四节 数字减影血管造影设备,五、导管床可以在水平轴平移及旋转在垂直轴升降。,第四节 数字减影血管造影设备,第四节 数字减影血管造影设备,六、高压注射器,1.结构图,2.工作原理（1）系统方框图,第四节 数字减影血管造影设备,1）流率控制：设定对比剂或生理盐水的注射速率2）注射量控制：对比剂注射量由电路控制和检测。为了使注射量精确，微处理器计算从增量编码器送来的脉冲并与设定注射量比较，如果实际注射量达到设置注射量，注射就会停止。3）压力阈值：基于安全的考虑，注射器的压力由电路对其监测与限
21、制，对电机电流进行采样并精确测量实际压力，如果实际压力试图超过预置压力，则注射流率就会被限制。4）键盘控制：键盘控制由控制面板、系统显示组成。它允许进行注射编程，观察每次注射后的结果，从处理器中读出信息等。处理器含有微处理器、存储芯片及其电路。微处理器直接控制键盘板上所有控制功能。,第四节 数字减影血管造影设备,（2）主处理器：主处理器在整个系统中起着主控作用，通过它的数据、状态和控制总线与系统中所有相应的电路进行通信，它提供以下功能：与键盘控制板接口通信（RS-422接口）；读控制板上的注射程序；把从预编程存储器（PPI）中来的程序送到控制板，将信息送至系统进行显示。（3）伺服控制：伺服系统
22、的主要功能：为注射头电机提供电能；控制对比剂的流率、注射量及压力；检测实际注射流率和压力信号；当有错误时使电机停止运转。,第四节 数字减影血管造影设备,七、数字系统1.成像链,模拟成像链,第四节 数字减影血管造影设备,数字成像链,第四节 数字减影血管造影设备,DSA 采集板结构示意图,2.图像采集,第四节 数字减影血管造影设备,（1）采集帧缓存：主要是接受来自A/D转换后的图像数字信号，将图像进行反转后输出至积分器和积分帧缓存。（2）积分帧缓存：主要实现图像的降噪和图像的保存。实时透视和电影的图像噪声可在这通过递归和非递归的算法进行降噪。（3）积分器：通过对输入透视和电影图像数据进行实时积分而
23、完成数据的平均，实现降噪。（4）PCI接口：将从PCI总线传来的控制信号传递给其他部分。,第四节 数字减影血管造影设备,3.计算机系统（1）系统控制,计算机系统控制图像采集流程图,第四节 数字减影血管造影设备,1）启动开关信号：启动开关1使计算机对X线机发出曝光准备信号；同时，计算机发出光阑控制信号，使光圈孔径缩小。启动开关2闭合使造影过程开始，计算机启动高压注射器，并对X线机发出脉冲曝光启动信号。2）联络信号：X线机准备完毕后，向计算机发出准备就绪信号，表示可以进行脉冲曝光。曝光开始后，向A/D转换电路发出采样开始信号；转换结束后，通知计算机读取数字信号，再次进行脉冲曝光，采集下一帧图像。,
24、第四节 数字减影血管造影设备,（2）数字图像的输出：主机配有标准的DICOM3.0图像接口，通过接口可以并入医院的PACS网络，融入到医院的RIS或HIS之中。图像以国际标准DICOM3.0格式刻录，所以可与多种媒体兼容，包括个人电脑。软阅读监视器要求配备医学图像专用的高清晰度、黑白、高分辨力监视器。现在检查室内的监视器常采用多屏、分屏显示的形式，便于随时对照。,第四节 数字减影血管造影设备,（3）图像处理功能1）数字减影：主要包括时间减影、能量减影和混合减影等三种方式。目前主要减影方式为时间减影，即对同一部位对比剂注射前后分别采集并作减影处理。2）数字电影减影：以快速短脉冲曝光进行数字图像采
25、集。实时成像，每秒2550帧，一般单向可达50帧/秒、双向25帧/秒。这种采集方式用于心脏、冠状动脉等运动部位。,第四节 数字减影血管造影设备,3）路径图技术：方法是注入少许对比剂后采集图像，使用峰值保持技术，将此图像与以后透视的图像进行叠加显示。图像上既有前方血管的固定图像，也有导管的走向和前端位置的动态图像，利于指导导管及导丝更容易地送入病变部位的血管内。4）自动分析功能：在心室和血管造影后，计算机利用分析软件实时提取与定量诊断有关的功能性信息，添加在形态图像上。5）虚拟支架置入术：置入支架对很多疾病是很好解决方案，但要取得手术成功的关键是正确选择合适的置入支架。虚拟支架置入系统可在有待进
26、行支架置入的病变血管部位形象地展示支架置入的效果，可清晰地模拟显示内支架置入后的情况。,第四节 数字减影血管造影设备,路径图技术,第四节 数字减影血管造影设备,主要包括：左心室体积计算和分析功能:可以算出射血分数、室壁运动、心排量、心脏重量及心肌血流储备等功能参数。冠状动脉分析软件：是计算机运用几何、密度等处理方式，测量血管直径、最大狭窄系数、狭窄或斑块面积、病变范围及血流状况等。功能性图像：是利用视频密度计对摄取的系列图像绘出时间视频密度曲线，反映功能性信息。计算出局部器官实质血流灌注参数。这些参数，可在早期发现病灶，实施治疗。,第四节 数字减影血管造影设备,八、DSA系统的特殊功能1旋转D
27、SA 它利用C型臂的两次旋转动作，第一次旋转采集一系列蒙片像，第二次旋转时注射对比剂、曝光采集充盈像，在相同角度采集的两幅图像进行减影，以获取序列减影图像2岁差运动DSA DSA的另一种运动形式。它利用C型臂和偏置臂两个方向的旋转，精确控制其转动方向和速率，形成了X线管焦点在同一平面内的圆周运动，探测器在C型臂的另一端做相反方向圆周运动，从而形成岁差运动（进动）。,第四节 数字减影血管造影设备,33D-DSA 3D-DSA是近几年在旋转DSA技术上发展起来的新技术，是旋转血管造影技术、DSA技术及计算机三维图像处理技术相结合的产物。4RSM-DSA 实时模糊蒙片（real-time smoot
28、hed mask，RSM）DSA是DSA的另一种减影方式。它是利用间隔很短的两次曝光，第一次曝光时增强器适当散焦，获得一幅适当模糊的图像，间隔33毫秒再采集一幅清晰的造影图像，两者进行减影可以获得具有适当骨骼背景的血管图像。,第四节 数字减影血管造影设备,3D-DSA,第四节 数字减影血管造影设备,5步进DSA 步进DSA即下肢血管造影的跟踪采集。其主要技术环节是：控制床面移动速度分段采蒙片像，以同样程序分段采集血管造影图像，计算机减影后拼接连成长腿，并实时显示DSA图像。6自动最佳角度定位系统 从两个投影角度大于45的血管图像，计算出两条平行走向的血管在360球体范围内的最佳展示投射角度。,
29、第四节 数字减影血管造影设备,第四节 数字减影血管造影设备,7C型臂体层成像 C型臂体层成像是平板探测器DSA与体层技术结合的产物。是利用C型臂快速旋转采集数据重建出该处的体层图像。一次旋转可获得区域信息，重建出多个层面的图像。83D路径图 三维路径图技术则是对该部位行血管重建，形成三维血管图像后，对三维血管图像的旋转，C型臂随着图像的转动自动地跟踪，自动调整为该投射方向的角度，这样使透视图像与三维图像重合，可以最大程度显示血管的立体分布，以利于引导导管或导丝顺利地进入到欲进入的血管内。,第四节 数字减影血管造影设备,DSA断层,第四节 数字减影血管造影设备,九、图像质量参数及检测1图像质量参
30、数 图像质量参数主要包括空间分辨率、低对比度分辨率、对比度和空间的一致性以及对比度线性四部分。（1）空间分辨率：是指DSA系统对相邻高对比度物体或血管的分辨能力。空间分辨率可用调制传递函数（modulation transfer function，MTF）来描述。,第四节 数字减影血管造影设备,（2）低对比度分辨率：相对于常规X线透视、摄影设备来说，DSA系统的低对比度分辨能力有很大提高。系统的低对比度分辨能力主要受几何放大倍数、像素大小、X线线质和X线辐射量等因素的影响。（3）对比度和空间的一致性：对比度一致性：即使覆盖血管的组织的密度和厚度变化很大，也能使这些血管图像的对比度相同。空间一致性:是指成像视野内系统的放大倍数是一致的。如果系统空间一致性得不到满足，图像就会产生严重畸变。（4）对比度线性：是指DSA系统能使图像的对比度与碘对比剂的厚度成正比，而不受X线剂量的影响。十、日常维护与保养1.表面、外观、地面的及时清洁。2.活动部位的润滑。,第四节 数字减影血管造影设备,
