(医学PPT课件)数字X线成像(医学影像成像原理).ppt
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医学影像成像理论,数字X线成像,1,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线摄影第四节数字减影血管造影,2,第一节数字图像基础知识,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。
图4-1数字X线成像系统框图,3,一、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：
是像素的灰度值或强度值，一个像素只具有一个灰度值。
4,4.矩阵（matrix）：
一个横成行、纵成列的数字方阵。
5.采集矩阵（acquisionmatrix）：
每幅画面观察视野所含像素的数目；6.显示矩阵（displaymatrix）：
监示器上显示的图像像素数目。
7.视野（fieldofview，FOV）：
拟进行检查容积的选定区域。
8.位深（bitdepth）：
又称位分辨力（bitresolution），代表一幅图像中包含的二进制位的数量。
8位深（28）表示有256种灰度或彩色组合。
9.模/数（analogidata，A/D）：
指把模拟信号转换为数字形式，即把连续的模拟信号分解为离散的信息，并分别赋予相应的数字量级，完成这种转换的元件称模/数转换器（ADC）。
5,10.灰阶（grayscale）：
在影像或显示器上所呈现的黑白图像上的各点表现出不同深度灰色，把白色与黑色之间分成若干级，称为灰度等级，表现的灰度（或亮度）信号的等级差别称为灰阶。
为适应人视觉的最大等级范围，灰阶一般只有16个刻度，但每一刻度内又有4级连续变化的灰度，共有64个连续的不同灰度的过渡等级。
11.原始数据（rawdata）：
由探测器直接接收到的信号，经放大后再通过A/D转换所得到的数据。
12.显示数据（displaydata）：
组成某层面图像的数据，亦即该层面各体素灰度值的矩阵中的数据。
6,13.动态范围（dynamicrange）：
对光电转换器而言，亮度响应并非从零水平开始，也不会持续无限大的亮度，响应的有用最大与最小亮度值之比即为动态范围。
14.窗口技术（windowtechnology）：
是调节数字图像灰阶亮度的一种重要方法。
即选择适当的窗宽和窗位来观察图像，使病变部位清晰地显示出来。
15.窗宽（windowwidth，WW）：
表示数字图像所显示灰阶范围，即放大的灰度范围上下限之差。
16.窗位（windowlevel，WL）：
又称窗水平。
是图像显示中放大的灰度范围的平均值，即放大灰度范围的灰度中心值。
7,17.空间分辨力（spatialresolution）：
又称高对比分辨力，是指图像能分辨相邻两点的能力，常用能分辨两点的最小距离来表示。
通常用LP/mm表示。
18.密度分辨力（densityresolution）：
又称低对比分辨力，是指在低对比情况下分辨物体密度微小差别的能力。
通常用百分数表示。
19.时间分辨力（temporalresolution）：
成像系统单位时间可采集的图像数。
20.噪声（noise）：
为图像中可见的斑点、细粒、网纹或雪花状的异常结构，是影响影像质量的重要因素，它掩盖或降低了某些影像细节的可见度，使获得的影像不清晰。
在X线数字成像中，影像上观察到的亮度水平随机出现的波动称为噪声。
从本质上分析，噪声主要是统计学而不是检测性的。
8,21.信噪比（signalnoiseratio，SNR）：
在实际的信息中一般都包含有信号和噪声。
用来表征信号强度同噪声强度之比的参数称为信号噪声比。
SNR值愈大，噪声对信号的影响愈小，信息传递质量就愈高。
22.调制传递函数（modulationtransferfunction，MTF）：
是以空间频率为变量的函数。
各个值都有自己的调制传递值和相位传递值。
用于评价成像系统对物体成像的再现能力。
23.噪声功率谱（noisepowerspectrum，NPS）：
又称威纳频谱，表示图像中单位长度上噪声能量随空间频率变化的分布情况，其值是噪声自相关函数的傅立叶变换。
能量是指影像的微小密度差。
24.量子检出效率（detectivequantumefficiency，DQE）：
成像系统的有效量子的利用率。
9,图像矩阵大小与图像关系：
矩阵大小根据应用和成像系统的容量决定。
一幅图像中包含的像素数目等于图像矩阵行与列数目的乘积。
图像的像素数少，像素尺寸大，图像的空间分辨力低；像素数量多，图像的空间分辨力高（LP/mm）。
图像的像素数是由像素大小和整个图像的尺寸决定的。
像素数与像素大小的乘积决定视野（fieldofview，FOV）。
图像矩阵大小固定，FOV增加图像空间分辨力降低。
二、数字图像与图像矩阵、灰度级数的关系,10,二、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。
11,2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（graylevel）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（4096个灰度级）,12,三、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：
分割、采样、量化
（1）分割：
是将图像分割成若干个小单元的空间取样处理。
13,三、数字图像的形成,
（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）。
（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，并且与原始信号的强度成正比。
14,2图像重建：
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。
15,四、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。
16,五、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、镜像等改变像素相对位置的处理。
17,3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）。
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。
临床常用的体绘制有最大密度投影（MIP）、容积再现（VR）等。
18,19,20,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步处理与显示（信息的处理与记录）。
21,22,一、CR系统特点,CR系统的优点：
1IP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,23,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。
24,二、成像板,1.成像板（Imagingplate，IP）结构：
IP由保护层、PSL物质层、基板等组成。
25,IP及暗盒,26,
（1）表面保护层：
防止PSL物质层在使用过程中受到损伤。
用聚酯树脂类纤维制造。
（2）PSL物质层：
将PSL物质混于多聚体溶液中，涂在基板上干燥而成。
具有适度的柔软性和机械强度，不因湿度、温度和放射线、激光等影响发生物理性质变化。
PSL物质结晶体颗粒的平均直径在47m，晶体颗粒直径增大，发光量增强，影像清晰度降低。
（3）基板：
保护PSL物质层免受外力损伤。
材料是聚酯树脂纤维胶膜，厚度在200350m。
为避免激光在PSL物质层和基板之间发生界面反射，提高影像清晰度，基板制成黑色。
为防止光透过基板而影响到下一张IP，在基板上加一个吸光层。
（4）背面保护层：
为防止使用过程中IP之间的摩擦损伤，避免输运过程中产生静电干扰的导电层。
材料同表面保护层。
27,2成像板的原理X线PSL物质（BaFXEu2+晶体），发出荧光，荧光强度与入射X线量相关，形成潜影激光扫描电信号（模拟信号）A/D转换（数字信号）。
28,
（1）发射与激发光谱:
当X线初次照射掺杂Eu2+的BaFXEu2+晶体时，其吸收光谱在37keV处有一锐利、锯齿形的不连续吸收，这是晶体中钡原子的K缘所致。
被X线激活的BaFXEu2+晶体在受到二次激发光照射时，作为发光中心的Eu2+可发出波长峰值约为390400nm的紫色荧光，荧光的强度主要取决于作为一次激发光的X线的照射量。
29,IP第2次读出光线以600nm左右波长的红光最佳，它可最有效地激发PSL，称为激发光谱。
发射光谱与激发光谱波长的峰值间需有一定的差别，以保证二者在光学上的不一致，从而达到影像最佳的SNR。
30,3IP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。
31,4IP使用注意事项
（1）IP使用前应用强光照射，消除存在的潜影；
（2）储存在PSL物质中的影像信息随储存时间的延长而衰减，所以曝光后IP必须在8h内扫描读出；（3）IP不仅对X线敏感，对紫外线、射线、射线、射线以及电子等电磁波也敏感，摄影前、后的IP都要屏蔽。
避光不良或漏光的IP上的图像会因储存的影像信息量减少而变得发白。
（4）注意避免IP出现擦伤。
32,三、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。
影像信息采集,影像信息读取,影像信息处理,影像再现,33,2影像信息读取（第二象限）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）。
图4-11CR系统影像读取原理示意图,影像信息读取,34,35,3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。
影像信息处理,36,4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。
储存在PSL物质中的X线影像是一种潜影，由激光扫描仪读取并输入计算机进行数据处理后，还需要变换成人眼能看见的影像。
常用的方法有:
荧光屏显示、用多幅照相机将荧光屏显示的影像拍摄到胶片上、用激光照相机直接将影像信号记录下来。
影像再现,37,四象限理论中，第一象限涉及IP的固有特性，在系统运行中是不能调节的，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。
影像信息采集,影像信息读取,影像信息处理,影像再现,38,四、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。
39,4-12,40,
（一）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。
41,
（二）与显示功能有关的处理显示功能的处理包括：
动态范围（dynamicrange）压缩处理、谐调（层次）处理（gradationprocessing）、空间频率处理（spatialfrequencyprocessing）和能量减影处理（energysubtractionprocessing）。
CR图像处理操作界面如右图所示。
42,1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。
43,4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。
44,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。
45,五、影响CR影像质量的因素,CR系统成像过程中，对影像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。
46,CR系统的优点及其应用价值,1.可降低X线剂量胸部投照：
常规X线摄影的1/201/7；胃肠道造影：
为常规X线摄影的1/20；泌尿与盆腔：
为1/81/22.可与原有的X线摄影设备匹配工作充分利用医院原有X光机,避免资源浪费。
3.具有多种图像后处理功能如测量（大小、面积、密度）、局部放大、对比度转换、对比度反转、影像边缘增强技术、多幅显示及减影等。
提高影像质量，避免重照4.可数字化存储实现医院医学影像的数字化基础便于并入网络系统，进行图像存储与传输；省去胶片费用及存储胶片空间。
47,CR系统当前的不足及缺点,1、时间分辨力较差，不能满足动态器官和结构的显示2、空间分辨力还稍显不足类似于胶片扫描仪只能单次摄片，缺乏高级应用软件流程长，速度慢劳动强度高辐射剂量大IP板为消耗品科技含量低，成本较低,48,无论是成像方式上，还是工作流程上，CR与常规X-ray系统相比均没有根本性的改变。
CR仅仅是常规X-ray的数字化，而不是数字化的X-ray。
49,第三节数字X线摄影,20世纪90年代初，X线物理研究人员认识到平板探测器（flatpaneldetector，FPD）将是X线成像的一个重要技术性突破，不久便开始对其进行开发研究。
将薄膜晶体管（thinfilmtransistor，TFT）阵列技术应用于二维平面X线探测元阵列，加速了实用装置的开发研究。
随后，用于乳腺和胸部X线摄影的样机开始投放市场。
1995年北美放射年会上报道了基于Se的直接转换型FPDo1997年出现了直接转换和间接转换型FPD开发的报道。
近年用于数字透视和摄影的30帧/秒的大面积FPD已逐步应用于临床，可提高空间分辨力和高对比度的数字动态影像和静态影像。
50,第三节数字X线摄影,数字X线摄影是指计算机控制下，采用一维或二维的X线探测器直接把X线影像信息转化为数字信号习技术。
DR与CR相比，具有五个优点：
曝光剂量降低，被检者受照射剂量更小；时间分辨力明显提高，在曝光后几秒内即可显示图像；具有更高的动态范围，DQE和MTF性能好；能覆盖更大的对比度范围，使图像层次更丰富；操作快捷方便，省时省力，提高工作效率。
DR主要的成像方法有：
直接型FPD（DDR）、间接型FPD（IDR）、MWPC（multi-wireproportionalchamber，多丝正比电离室型）和CCD技术等。
DR技术发展的焦点是FPD的动态显示能力，希望新FPD能用于从普通X线摄影到胃肠道、心血管对比研究的各种检查，可向临床提供更多有诊断价值的信息。
51,第三节数字X线摄影,一、直接转换型平板探测器（Flatpaneldetector,FPD）直接型FPD也叫电子暗盒（electroniccassette），主要由导电层、电介层、Se层、顶层电极、集电矩阵层、玻璃衬底、保护层，以及高压电源和输入输出电路组成，其中Se层和集电矩阵层最为重要。
52,
（一）基本结构1.X线转换单元：
应用a-Se为光电材料将X线转换成电子信号。
当X线照射a-Se层时，由于光电导性产生一定比例的正负电荷。
通过使用几千伏的电压，使产生的电荷以光电流的形式沿电场移动，并且由于探测元阵列的存在而使电荷无丢失或散落的聚集起来。
53,2.探测元阵列单元用TFT技术在一玻璃基层上组装几百万个探测元的阵列，每个探测元包括一个电容和一个TFT，且对应图像的一个像素。
诸多像素被安排成二维矩阵，按行设门控线，按列设图像电荷输出线。
54,3.高速信号处理单元产生地址信号并随后激活探测元阵列单元中探测元的TFT。
作为对这些地址信号的响应而读出的电子信号被放大后送到ADC。
4.数字影像传输单元对数字信号的固有特性进行补偿，并将数字信号传送到主计算机。
在X线透视中，动态影像的采集达到30幅/秒，相应的数据传输速度应超过109位。
55,
（二）工作原理：
集电矩阵由按阵元方式排列的TFT组成，a-Se涂覆在集电矩阵上。
当X线照射a-Se层时，由于光电导性产生一定比例的电子-空穴对，在顶层电极和集电矩阵间外加高压电场的作用下，电子和空穴以电流形式沿电场移动，导致TFT的极间电容将电荷元丢失或散落地聚集起来，电荷量与人射光子成正比。
这样，每个TFT成为一个采集图像的最小单元（像素）。
每个像素区域内形成一个场效应管，起开关作用。
读出时，某一行被给予电压，这一行的开关就被打开，电荷从被选中行的所有电容中按顺序逐一送到外电路。
56,在大型电路中，这样将产生几个信号必须同时被读出，TFT被来自高速处理单元的地址信号激活时，聚集的电荷就会被以电信号的形式读取到高速信号处理单元中，经读出放大器放大后被同步地转换成数字信号。
57,补充1：
探测器DQE,DQE（检测量子效率）是指成像系统中输出信号（信噪比平方）与输入信号（信噪比平方）之比。
可以解释为成像系统中有效量子的利用率。
DQE值越高（最高值为1，即100利用），有效量子利用率高，输出信息也就越高，实际是不可能。
58,补充2：
焦点的调制传递函数MTF,焦点的调制传递函数（modulationtransferfunctiom,MTF）：
是指X管焦点面上光源使肢体成像时，肢体组织影像再现率的函数关系。
在同一个空间频率值时，MTF值越大的焦点，成像性能好；MTF值越小的焦点，成像性能差。
MTF的阈值：
0MTF1。
MTF=1，表示成像系统的输入与对比度相等。
MTF=0，表示成像系统的输出对比度为0，即影像消失。
这意味着成象系统不能把输入影象信息全部再现出来。
换言之,凡是经过成象系统所获得的影象,都程度不同地损失了输入影象的信息。
59,补充2：
焦点的调制传递函数MTF,按国际上的统一规定:
若仅研究以空间频率（LP/mm）为变量的光学传递函数的绝对值部分内容的，称作调制传递函数MTF（ModulationTransferFunetion）；若仅研究以空间频率（LP/mm）为变量的光学传递函数的相位传递值部分内容的，称作相位传递函数PTF（Phasetransferfunction）；若将PTF与MTF两部分结合起来为研究内容的，就称作光学传递函数OTF（Opticaltransferfunction）。
60,二、间接型转换平板探测器间接型FPD是一种以a-Si光电二极管阵列为核心的X线影像间接转换探测器。
在X线照射下，FPD的闪烁体或荧光体层将X线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的a-Si阵列转变为电信号，通过外围电路检出及A/D转换，获得数字图像。
由于其经历了X线-可见光-电荷-数字图像的成像过程，通常称作间接转换型FPD。
a-SiFPD具有成像速度快、良好的空间及密度分辨力、高SNR、直接数字输出等优点，从而被广泛的应用于各种数字化X线成像装置。
61,
（一）基本结构a-SiFPD基本结构由CsI闪烁体层、a-Si光电二极管阵列、行驱动电路以及图像信号读取电路四部分构成。
62,1.荧光材料层即CsI闪烁体。
闪烁体是一种吸收X线并把能量转换为可见光的化合物。
CsI闪烁体吸收X线量子并将其转换成可见光，与a-Si光谱灵敏度的峰值相匹配。
好的闪烁体对每个X线光子可以产生许多个可见光光子，每lkeVX线输出20-50个可见光光子。
闪烁体通常是高原子序数的物质，有高的X线接收能力。
因为Cs具有高原子序数，是X线接收器的好材料。
FPD所采用的碘化铯闪烁体（cesiumiodidescintillator）材料由连续排列的针状CsI晶体构成。
63,图4-29,图4-30,CsI的X线吸收系数是X线能量的函数，随着X线能量的增加，CsI材料的吸收系数逐渐降低；材料厚度增加吸收系数升高。
在常规诊断用X线能量范围内，CsI材料具有优于Se材料及其他X线荧光体材料的吸收性能。
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