数字X线的摄影系统

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20世纪70年代末开始了数字x线摄影(dr)的研究，在i.i-tv系统的基础上，利用a/d转换器使模拟视频信号数字化，实现计算机处理。随着微电、光电子和计算机技术的发展，数字x线摄影的探测器和设备也正在加速发展，1995年出现了第一台性能优于cr的ddr样机。
一、dr的基本结构和工作原理
1.dr的基本结构dr系统的基本组成如图5-13所示，它包括：

（1）x线影像接收器把x线图像转换为可见图像（光信号或电信号）或直接转换为数字信号，例如i.i-tv的成像系统，各种探测器。
（2）数据采集器把模拟信号转换为数字信号，主要由a/d转换器组成。
（3）图像处理器主要包括各种数据查找表，专用运算器等，根据需要来进行各种图像的处理，如灰阶变换、黑白反转、图像滤波、数字减影等。
（4）存储器用于记忆若干幅数字图像。
（5）图像监视器数字图像经d/a转换后形成了不同亮度的像素，按一定的显示矩阵结构在监视器上重现。
（6）系统控制器由计算机主机和其它控制电路组成，完成整个系统的指挥和协调。
2.dr的工作原理下面以i.i-tv成像方式的dr系统为例来介绍其工作原理，其成像原理框图如图5-14所示。

该系统由i.i把作为信息载体的x线转换为可见光，再由ccd或真空摄像管转换成视频信号，经a/d转换后形成数字图像信号。这是最先得到实际使用的dr设备。
近年来ccd摄像机在提高空间分辨率、改善信噪比和减少伪影等方面均有长足的进步，大有取代真空摄像管的趋势。目前i.i-tv成像系统的采样矩阵可达4096×4096像素，灰度分辨率达12bit，采样速度已达64帧／秒。
这种系统的主要缺陷是：由于i.i和摄像管中的光散射和电子散射，引入了附加的对比度损失；电视摄像管的动态范围小，不能发现微小的组织差异；i.i的视野小，边缘和中心的分辨率不一致。
二、直接数字的x线摄影系统
ddr指采用一维或二维x线探测器直接把x线转换为模拟电信号而进行数字化的方法。20世纪70年代末到80年代中期的ddr采用x线扫描投影，再经放大合成为二维图像的成像方法。90年代中期出现了二维的平板型探测器（flat panel detector,fpd)，有将x线直接转换成数字信号的非晶态硒fpd；也有先经闪烁发光晶体转换成可见光，再转换为数字信号的非晶态硅fpd。
（一）数字扫描投影的x线摄影
1.点扫描法用很细的x线束逐点对人体进行扫描，在任一时刻的人体只有一个很小的点正在接受x线照射。在具有很高量子检出效率的闪烁晶体探测器（如碘化钠或锗酸铋）内x线转换成可见荧光后，被反光材料反射到光电倍增管变换为电信号，输出与入射x线强度成正比的电脉冲。在图5-14中，用机械扫描系统来实现x线束的扫描，在每一个位置，病人保持不动，x线管和探测器同步平移跨过病人。逐点扫描一行后，病人在垂直方向移动一小步，再重复平移的过程。不同时刻透过病人的x线经探测器转换，输出电脉冲序列，它反映了扫描路径上各点物质结构的信息。电脉冲序列经a/d转换后，按顺序一行一行地存储起来，就组成一幅二维图像。
点扫描法的优点是散射体积很小，减少了因散射引起的图像质量下降；由于光电倍增管的灵敏度高，可以降低x线的剂量。缺点是运动机构比较复杂，扫描时间较长。
2.线（扇）形扫描法x线经狭缝准直形成线束或扇束，在任一瞬间只照射人体某一薄层，通过被检体到达探测器后，转换成具有被检体上某一行信息的电信号，该信号经a/d转换后，变为数字x线图像中的“行”。该系统工作时，使被检体相对于x线束和探测器作平移运动，探测器输出按“行”分布的电信号，经a/d转换后按顺序存储起来，构成二维数字图像。图5-14是线扫系统的示意图，探测器的尺寸应覆盖病人被照射的宽度，由多个探测器排列成一行。线扫描系统比点扫描系统的速度快，对x线源的利用也充分。

表5-2  四种摄影方式的性能比较
摄影方法        空间分辨率(lp/mm)        反差检测能力（%）        信噪比（最大）        照射量（c/kg）        摄影速度（幅/秒）
屏胶系统        4～7        2        100:1        5.16×10-5        2
i.i-tv系统        2        0.5        300:1        2.58×10-5        30
扇束扫描        1～2        0.2        500:1        1.81×10-5        0.5
点束扫描        1～2        2        170:1        0.1×10-5        很小
（二）ddr使用的x线探测器
1.气体电离室探测器由许多单元组成阵列，每个单元构成一个像素，大小为0.5mm×0.5mm。探测器阵列的高压极板与收集极平面平行，相距1cm，其间充以特定成分的惰性气体，如氙气。收集极是一组蚀刻在印刷电路板上的金属丝，沿x线入射方向排列分布，线宽0.4mm、间隔0.1mm、长度为10cm，每个收集电极丝都与一个放大器相连。当x线入射到电离室中，使气体产生电离，在极间电场的作用下，离子与电子沿电场分别向两电极漂移，同时在外电路产生与入射x线强度成正比的输出信号，按时间顺序读出后就构成图像的一条扫描线。机械扫描系统使x线管和探测器阵列作同步扫描运动，获得图像的各条扫描线，形成二维的x线投影图像。
2.非晶态硒型平板探测器封装在类似胶片夹的暗盒内，主要由集电矩阵、硒层、电介层、顶层电极和保护层等构成。集电矩阵由按阵元方式排列的薄膜晶体管(