成像技術基本理論

1、CR的概念,CR:即計算機X線攝影（Computed radiography；CR）,是使用可記錄并由激光讀出X線成像信息的成像板（imaging plate，IP）作為載體，經X線曝光、掃描讀取和數字處理后，形成數字化信息的影像。,CR系統(tǒng)成像原理,X線照射IP后，X線量子被IP成像層內的熒光顆粒吸收，釋放出電子，其中一部分電子散布在成像層內呈半穩(wěn)定狀態(tài)，形成潛影（信息采集）；當掃描器用激光照射已形成的潛影時，半穩(wěn)定狀態(tài)的電子轉變?yōu)?/p>

2、光量子，發(fā)生光激發(fā)發(fā)光（Photo stimulated Luminescence ；PSL ）現(xiàn)象，光量子由光電倍增管檢測到，并被轉化為模擬的電信號，再經A/D轉換后變成數字信號（信息讀出），最后通過計算機作進一步的處理獲得影像并存儲（信息的處理與記錄）。,PSL現(xiàn)象,某些物質可將第一次被激發(fā)的信息存貯記錄下來，當再次受到激發(fā)時則釋放出與初次激發(fā)所接受的信息相適應的熒光現(xiàn)象稱為光激發(fā)發(fā)光（PSL）現(xiàn)象。氟鹵化鋇晶體有最強的PSL現(xiàn)象

3、，目前所有CR設備的IP板均采用氟鹵化鋇晶體作為IP的熒光層。,,光激發(fā)發(fā)光（PSL） 現(xiàn)象,波長,潛影的形成和讀出,,IP工作方式,第一節(jié) CR特點及影響質量的因素,一、CR響應性的因素與噪聲CR系統(tǒng)的影像質量特征：決定CR系統(tǒng)影像質量的三個環(huán)節(jié)信息的采集（主要）信息的讀出（主要）信息的處理和記錄（微不足道）,（一）決定CR系統(tǒng)響應性的因素,反映CR響應性的參數主要為：影像的銳利度影像的頻率響應,CR影像的銳利

4、度,IP板自身特性和讀出系統(tǒng)的電子和光學特性決定,尤其是與二次激發(fā)使用的激光的光點直徑和激光在IP板熒光體內散布有關。掃描激光的光點直徑（約小越好）激光在IP板熒光體內散布（越少越好）,影像的響應頻率,CR系統(tǒng)充分考慮了對IP和激光掃描讀出足夠的頻率響應，使系統(tǒng)能對每個部位攝影在較寬的動態(tài)范圍內提供適當的補償，以保證圖像質量。根據臨床應用的目的，可配置不同的IP。-標準型IP（Standard type;ST）:可減少量子噪聲，用

5、于常規(guī)。-高分辨型IP（High resolution;HR）:響應性高，多用于乳腺。,（二）CR系統(tǒng)的噪聲,可分為：量子噪聲和固有噪聲。量子噪聲又分為：X線量子噪聲光量子噪聲。 量子噪聲主要由一次激發(fā)和二次激法后，X線量子的“統(tǒng)計漲落”引起，其量化可用物理量均方根（RMS）來描述。,X線量子的“統(tǒng)計漲落”,X線量子沖擊到某個成像介質的受光面時，會像雨點一樣激起一個隨機的圖案，沒有任何力量可使它們均勻地分布在這個表面上，假

6、如X線量子無限多，單位面積內的量子數就可看成是處處相等；假如X線量子很少，則單位面積內的量子數就會因位置不同而不同。這種量子密度的波動（漲落）遵循統(tǒng)計學規(guī)律，稱之為X線量子的“統(tǒng)計漲落”。,X線量子噪聲,是X線被IP的熒光顆粒吸收過程中產生的噪聲。噪聲量與X線檢測器（IP）檢測到的X線量成反比，即與入射的X線量成反比。均方根（RMS）值是描述噪聲的物理量之一。在低劑量區(qū)，RMS值對X線輻射劑量響應的變化近似于一條直線遞減，表示該區(qū)域的

7、噪聲主要由X線量子的量子噪聲引起；在高劑量區(qū)，RMS值近似于一恒定值，表示該區(qū)域的噪聲不依賴于X線量。當入射劑量恒定時，CR的噪聲則由IP的吸收特性決定。,IP的噪聲,光量子噪聲,是光電倍增管在把IP熒光層被二次激發(fā)時產生的PSL轉換為電信號的過程中產生的噪聲。光量子噪聲與光電子數成反比，光電子數與X線量、IP吸收效率、IP的PSL量、光電倍增管的轉換效率等有關。,固有噪聲,固有噪聲：是CR系統(tǒng)運行過程中產生的非X線依賴性噪聲 。

8、固有噪聲包括：IP的結構噪聲、激光噪聲、電路系統(tǒng)噪聲、A/D轉換的量子噪聲等，其中IP的結構噪聲起支配作用。,CR系統(tǒng)噪聲,二、CR影像的處理,經CR系統(tǒng)各種特定的處理后，可獲得質量優(yōu)良的照片，為臨床診斷提供高診斷價值的影像信息。,CR系統(tǒng)運行過程中，若干環(huán)節(jié)共同參與影像的處理，并決定CR影像的質量，這些環(huán)節(jié)歸納為“四象限”理論。,（一）影像處理的運行原理,第一象限：影像信息的采集,由于IP的光發(fā)射壽命期為0.8μs，所以要求CR系

9、統(tǒng)在很短的時間內，以很高的密度讀取大面積的影像信息，而不產生重疊干擾，從而滿足診斷要求。第一象限表示IP的固有特性，即X線輻射劑量與激光束激發(fā)的PSL強度之間的關系。在1：104很寬的范圍內是線性的，該線性關系使CR系統(tǒng)具有較高的靈敏性和較寬的動態(tài)范圍。,第二象限：影像信息的讀取,存貯在IP（PSL物質內）的影像信息，要將其轉換成數字信息，需要使用激光掃描讀出裝置，經光電倍增管轉換，相應較弱的電信號被放大，再由A/D轉換器轉化成數字信

10、號。第二象限表示輸入到影像讀出裝置（image reader device,IRD)信號和從IRD輸出信號之間的關系。IRD的作用是建立一個自動設定每幅影像敏感性范圍的機制，根據在IP上的成像信息（X線劑量和動態(tài)范圍）來確定讀出的條件。,第三象限：影像信息的處理,CR系統(tǒng)的數字圖像可以根據不同臨床診斷要求對圖像進行處理，在一定范圍內改變影像特征，提高影像質量，增加信息的顯示率。第三象限表示影像處理裝置(image processo

11、r controller,IPC) ,即經影像處理裝置處理后，顯示出適用于診斷的影像。顯示的特征是可以獨立控制的，可根據診斷要求實施諧調處理、頻率處理和減影處理。,第四象限：影像的再現(xiàn),儲存在PSL物質上的X線影像是一種潛影，由IRD讀取并輸入計算機處理后，還需要轉換成人眼可見的影像，方式有三種：熒光屏、激光相機、多幅相機。第四象限表示影像記錄裝置（image recorder controller,IRC),（數字）影像信號重新被轉

12、化為光信號以獲得X線照片。IRC對CR系統(tǒng)使用的膠片特性曲線自動實施補償，以便使曝光曲線的影像密度呈線性。與普通攝影不同，CR系統(tǒng)的特性曲線可依據X線劑量和成像范圍自動改變。,在上述四象限理論中，第一個象限涉及IP固有特性，不可以調節(jié)。其它三個象限可在系統(tǒng)運行中充分調節(jié)，實施影像處理，即實施影像處理的三個環(huán)節(jié)。,第一個環(huán)節(jié),即系統(tǒng)中檢測功能有關的處理（第二象限功能）。該環(huán)節(jié)基于適當的影象讀出技術，保證整個系統(tǒng)在一個很寬的動態(tài)范圍內

13、自動獲得具有最佳密度與對比度的影象，并使之數字化。這個環(huán)節(jié)由暴光數據識別器（Exposure data recognizer,EDR）完成。,第二個環(huán)節(jié),即系統(tǒng)中顯示影象特征有關的處理（第三象限功能）。該環(huán)節(jié)通過各種特定處理（如諧調處理等）為醫(yī)生提供滿足不同診斷要求的具有高質量的影像。這個環(huán)節(jié)相當于數字設備的圖像后處理功能（post-processing）。,第三個環(huán)節(jié),即系統(tǒng)中影像信息的存儲與傳輸功能有關的處理（第四象限功能）。

14、該環(huán)節(jié)的功能是獲得質量優(yōu)良的照片記錄，在不衰減影像質量的前題下實施影像數據的壓縮，以達到高效率的存儲與傳輸。,CR系統(tǒng)影像處理三個環(huán)節(jié),1、,2、,3、,（二）與檢測功能有關的處理,曝光數據識別器（EDR）：為了自動控制成像特性來實現(xiàn)影像密度的穩(wěn)定性，即克服曝光不足或過度導致影像密度的不穩(wěn)定性，影象讀出裝置（IRD）建立了一個自動設定每幅影像敏感性范圍的機制。,影像識別處理—EDR處理,目的：為了自動控制成像特性，實現(xiàn)影像密度的穩(wěn)定性

15、，克服曝光偏差（不足或過度）對影像密度的影響，體現(xiàn)CR系統(tǒng)優(yōu)于屏-片系統(tǒng)成像動態(tài)范圍高的優(yōu)越性。動態(tài)范圍：在線性范圍區(qū)，相對可識別的兩個點（最大和最?。┲g的亮度（密度）值。如：模擬圖像為100（1-102）、數字圖像為10000（1-104）。,曝光數據識別（EDR）處理流程,分割標識范圍的識別處理X線照射野的識別處理直方圖分析確定讀取條件,EDR處理流程,EDR處理流程,1、CR讀出裝置存儲了具有特性的各個部位（如胸、

16、腹等）和檢查方法（平片、造影等）的數字影像直方圖。直方圖：直方圖是一種函數，它表示數字圖像中每一灰度級與該灰度級出現(xiàn)的頻數（具有這一灰度級的像素數）之間的關系。通過調整直方圖，可以改變圖像的對比度。,直方圖,,幾個部位圖像的直方圖,,直方圖的五種類型,用于不同的診斷目的：（1）用于骨骼-皮膚的顯示；（2）用于骨骼-軟組織的顯示；（3）用于胃腸道鋇餐造影的顯示；（4）突出軟組織信息的軟組織顯示；（5）突出骨骼信息的

17、骨骼顯示。,EDR處理流程,2、預先用一束微弱的激光束掃描IP（已X線曝光），抽樣數據后，形成一個將要讀出影像的直方圖。3、通過對直方圖的識別、分析，測得對診斷有用影像信號的劑量范圍（最大劑量值和最小劑量值）。,EDR處理流程,4、各個部位的影像直方圖與預讀影像直方圖比較（形狀、主興趣區(qū)范圍），確定正式讀取所需激光的條件（PSL量），為了精確性，有的CR系統(tǒng)利用了神經網絡（NN）技術。 即在IP獲得的信息基礎上，自動調節(jié)光激

18、發(fā)發(fā)光量和放大增益。X線曝光量大時，減少PSL量；X線曝光量小時，增加PSL量。,神經網絡（NN）技術示意圖,EDR處理流程,通過EDR的處理，即后續(xù)補償后，CR系統(tǒng)可以保證整個系統(tǒng)在一個很寬的動態(tài)范圍內，自動獲得較好密度和對比度的數字影像。但應該注意的是：X線曝光量小，用大量PSL讀取后，會使X線量子噪聲和光量子噪聲都增加，導致影像質量下降； X線曝光量大，會使病人承受不必要的照射。所以，選擇最佳的X線曝光條件才是最理想的做法。,確

19、定劑量范圍,通過對直方圖的分析計算，自動確定X線劑量的范圍；再算出有診斷價植的輝盡發(fā)光量的范圍，即讀取裝置的輸人信號范圍，從而決定本次讀出IP圖像的最佳條件(讀出的靈敏度和采集范圍)。具體地說，就是決定光電倍增管的靈敏度和放大器的增益。CR系統(tǒng)不論條件攝影如何，讀出靈敏度自動設定機構都會自動校準X線曝光的誤差，使讀取裝置的輸出信號總處于一定的范圍內，圖像質量穩(wěn)定。,（三）與顯示功能有關的處理,為了提高診斷的準確性和擴展影象診斷范圍

20、，通過對CR系統(tǒng)的顯示功能的處理，以提高影象的質量。方法有：動態(tài)范圍壓縮處理、諧調處理、空間頻率處理。,1、動態(tài)范圍壓縮處理,階梯狀分布的信號是模擬肺野、心臟、縱隔等胸部的主要結構。各階梯內細小的信號變化是模擬肺血管與縱隔重疊的骨骼。如果首先進行平滑處理，得到圖B那樣的階梯，其內的細小信號變化被平滑，進而消失。,圖C為處理函數f（Sus），用圖中的函數代入原始影像信號Sorg，得到圖E表示的信號，低密度區(qū)域信號密度提高，影像的動態(tài)

21、范圍變窄。此外，存在與各個階梯上的細小信號變化涉及的各個密度區(qū)，可作為原始信號保持下來，這樣就不會存在影像信號的對比度下降的情況。函數f（Sus）的形狀是可以自由色設定的。若使用圖D中的函數，則可以原始圖像中的高密度區(qū)域為中心進行壓縮，處理結果如圖F。,通過CR的壓縮處理，在胸部影像中可以清楚地描繪出縱隔內的細微結構。在胃腸道雙重對比造影檢查的影像中，對高密度區(qū)域的壓縮處理有利于顯示充滿空氣部位結構的細節(jié)。在乳腺攝影中，對高密度區(qū)域

22、的壓縮處理可以良好顯示臨近皮膚邊緣部分的結構。,低頻圖像,高頻圖像,CR壓縮處理,2. 諧調處理,又稱層次灰度處理。依系統(tǒng)的敏感性范圍自動設定機制，即使攝影中X線量與X線質有某些改變，在一定的敏感范圍內，CR系統(tǒng)也可讀出影像的信號。CR系統(tǒng)中的諧調處理可獨立控制影像的顯示特征，決定用何種密度再現(xiàn)影像，諧調處理通常在空間頻率處理之后實施。,密度：人們把膠片乳劑膜在光作用下致黑（銀顆粒沉積）的程度稱照片影像的密度，又稱黑化度。對比度：是

23、照片上相鄰組織影像的密度差?；叶龋涸谡掌蝻@示器上所呈現(xiàn)的黑白圖像上，各點表現(xiàn)出不同深度的灰色，即為影像的灰度?；译A：把黑色與白色之間分成若干級（灰階等級），表現(xiàn)出的亮度（或灰度）信號的等級差別稱為灰階。,灰階與數字圖像的關系,A/D轉換器將連續(xù)變化的灰度值（模擬圖像特性）轉化為一系列離散的整數灰度值，量化后稱為灰階。量化后的灰階數量有2N決定，N是2進制的位數，稱為位（bit ），用來表示每個像素的灰度精度（或深度），也用來表

24、示數字圖像的對比度分辨率（或密度分辨率）。CR系統(tǒng)通常為10 bit（ 210：1024個灰度級）。,連續(xù)信號與離散信號曲線,模擬圖象,數字圖象,圖像數字化的方法,是將二維圖像分割成由許多不同灰度的象素（pixel)組成的矩陣，矩陣分割越細則象素越多,，空間分辨率就越高；每個象素的灰度用一個數字來表示，灰度級分隔越細則對比分辨率就越高。,諧調處理的參數,通過對灰度的調整，來改變影像對比度和整體密度。1、諧調類型GT：是一組非線性的轉

25、換曲線，就象選擇不同γ值的膠片，16條曲線的作用是：A：大寬容度的層次；B-J：類似I.I-TV系統(tǒng)，肩部高密度和足部高密度；K-L：為DSA設置的高對比度；M：黑白反轉；N：為胃腸造影設置；O：優(yōu)化骨骼；P：優(yōu)化肺野。,諧調處理的參數,2、旋轉中心GC：為諧調曲線的中心密度，根據診斷要求在CR系統(tǒng)中設定為0.3-2.6。在實際應用中首先選擇GC，確定興趣區(qū)最清晰的顯示，再作其他的調整。3、旋轉量GA：就象改變膠片特性曲

26、線的斜率（γ值），調整影像的對比度。4、諧調移動量GS：優(yōu)化整幅影像的密度。,（1）諧調類型,（gradation type,GT）:其作用是顯示灰階范圍內各段被壓縮和放大顯示程度，有A-P共16類型。,（2）旋轉量,（gyration amount,GA）:亦稱轉換灰度量，GA=-4—4（不包括0），GA=1表示所選擇層次曲線GT上無變化，GA越大，對比度越高；反之，GA越小，對比度越低。,（3）旋轉中心,（gyration

27、center,GC）:GC=0.3-2.6，改變GC就可改變曲線的密度中心，甚至可由正像變?yōu)樨撓?，或由負像變?yōu)檎瘛?（4）諧調移動量,（gradation shift,GS）：亦稱作灰度曲線平移，GS=-1.44—1.44，利用GS的細微調節(jié)來獲得最優(yōu)化的密度，GS用來調節(jié)整幅影像的密度，要減少影像密度，可降低GS；要提高影像密度，可增加GS。,借助以上四個參數可以獲得滿足診斷的影像對比度、總體光學密度和黑白影像反轉等效果。用一

28、種諧調處理技術處理所有影像是不理想的，故一些CR系統(tǒng)有各種諧調處理程序應用于不同的成像目的。,諧調處理參數的調節(jié),,乳腺圖象灰階處理,,胸部圖象灰階處理,空間頻率處理,空間頻率處理（spatial frequency processing）：是指系統(tǒng)對空間頻率響應的調節(jié)，它的處理影響影像的銳利度（sharpness）。在屏/膠系統(tǒng)中，隨著空間頻率的增加響應變小，即影像的高頻率成分的對比減小；在CR系統(tǒng)中，可通過空間頻率處理來調節(jié)頻率

29、響應，如以提高影像中高頻率成分的頻率響應，從而增加此部分的對比度。,空間頻率處理,是CR系統(tǒng)對空間頻率響應的調節(jié)，空間頻率響應處理影響的是影像的銳利度。相對灰度調整（諧調處理）而言，它從另一個角度改善圖像質量。響應：在電子學中，信號的輸入叫激勵（激發(fā)），信號的輸出叫響應。,空間頻率處理分為圖像平滑和圖像銳化。圖像平滑，即對高頻分量進行衰減，用于消除圖像的噪聲。圖像銳化，即加強圖像的輪廓，使圖像的信息讓人更易觀察。圖像的邊緣輪廓是像

30、素灰度徒變的部分，包含著豐富的高頻分量，若把此部分突出，就能使圖像的輪廓清晰，邊緣增強。,空間頻率處理,空間頻率處理采用一個不鮮明（模糊）的影像來增加空間頻率的響應，所以又稱為不鮮明蒙片處理（非銳化蒙片）處理。QL(x,y)=Q(x,y)+K*Q(x,y)*［Q(x,y)-QUS(x,y）］一幅圖像主要增強頻率成分，由不鮮明蒙片的大小決定。,空間頻率處理技術1,使用小的不鮮明蒙片，在數字矩陣一定的情況下，像素尺寸變小，相當于增大

31、了不鮮明蒙片的空間頻率，處理的結果使QL的峰值右移（高頻側），將高頻成分增強。即高通濾波法，實現(xiàn)圖像的銳化，使影像的邊緣增強，但噪聲也增強。,空間頻率處理技術2,使用大的不鮮明蒙片，在數字矩陣一定的情況下，像素尺寸變大，相當于減小了不鮮明蒙片的空間頻率，處理的結果使QL的峰值左移（低頻側），將高頻成分衰減。即低通濾波法，實現(xiàn)圖像的平滑。使影像的銳利度降低，但噪聲也降低。,,,,用小尺寸蒙片的QL,,決定頻率處理條件的頻率響應方式,1

32、、頻率等級：即對空間頻率的分級，按頻率處理要增強的影像成分的頻帶，分為0-9共10級。2、頻率類型：用于調整增強系數，控制每一種組織密度的增強程度， FCR有12種可選擇。3、增強程度：指頻率增強程度的最大值。在FCR為0-16。,邊緣增強技術是空間頻率處理的較常用技術，該技術是通過增加對選擇的空間頻率的響應，使興趣結構的邊緣部分得到增強，從而突出結構的輪廓。改變顯示矩陣的大小也可決定不同結構的對比，使用較大的矩陣可使處于低空間頻

33、率的軟組織結構得到增強；使用較小的矩陣則可使較細微的結構，如骨的細微結構得到增強。,邊緣增強 Unsharp Masking,,,,,,,,,在CR系統(tǒng)中，使用的空間頻率處理稱為不鮮明蒙片（unsharp masking）處理，因為處理中使用了一個不鮮明（模糊的）影像Qus作為蒙片影像，以增加空間頻率響應。,unsharp masking,一幅影像中，主要增強的成分頻率是由不鮮明蒙片的大小決定的，如果使用了大的不鮮明蒙片，不鮮明影像在較

34、低頻率上的響應將變得較少，這樣Q-Qus和QL的響應峰值將移向低頻率側，低頻率成分將被增強。使用小的不鮮明蒙片，則將增強高頻率成分。這樣，就可通過調節(jié)不鮮明蒙片的尺寸，選擇性的增強影像的低頻或高頻成分的頻帶，從而得到滿足診斷要求的影像。,QL(x,y)=Q(x,y)+K*Q(x,y)*［Q(x,y)-QUS(x,y）］決定影像的頻率成分增強程度的加權系數K不是一個常數，而是原始影像Q的函數，如是常數在實施強頻率處理時，會在密度變化

35、區(qū)域出現(xiàn)偽影；在影像中的低密度部分（Q值小的部分）實施顯著的增強時，往往會在局部增大X線量子噪聲，從而降低影像質量。實施非線性處理，以上不利因素將被去除，和線性相比高密度區(qū)的影像也同樣的被增強。在低密度區(qū)加權系數減少，在高密度區(qū)加權系數增加，此類空間頻率處理稱為非線性不鮮明蒙片處理。,一幅具有寬動態(tài)范圍的影像可以顯示一個廣闊的可見區(qū)域用于診斷，但是若直接顯示在膠片上，對于診斷則是不適應的，因為在這種情況下影像的對比會很低。頻率增強

36、是一種改善頻率成分響應的處理方法，該方法可以增加影像局部的對比度，而不改變整個影像的密度范圍，因此頻率處理可明顯改善影像的診斷信息。,圖像處理,空間頻率處理能影響影像的銳利度，在屏/膠系統(tǒng)中，影像內高頻成分對比減小，而CR系統(tǒng)可通過空間頻率處理調節(jié)頻率響應，提高影像內高頻成分，從而增強該部分的對比度?？臻g頻率處理涉及空間頻率等級和增強程度。因為X線穿過物質到達膠片的能量均有差異，因此各點的頻率均不同，改變空間頻率等級和增強程度就可改變

37、某一頻率的響應，提高某一頻率區(qū)的圖像銳利度。層次增強的圖像能夠提供更好的組織X線衰減程度的信息，而空間頻率增強能提供更好的物體輪廓的信息。CR系統(tǒng)圖像處理功能的合理應用可為臨床診斷提供更多有價值的信息。,胸部影像處理,,Original image,胸部影像處理,,After Processing,頭部影像的處理,處理前,頭部影像的處理,處理后,4、減影處理,是DSA設備主要的功能，減影方式有時間減影、能量減影和混合減影，CR系統(tǒng)

38、主要采用的是能量減影。能量減影方式有兩種：兩次曝光法和一次曝光法。,兩次曝光法：在X線設備曝光過程中，X線管幾乎同時地切換兩次KV值，從而得到兩幅不同能量的照片，再進行減影處理。一次曝光法：是在暗盒中放置兩塊IP，中間放置一塊銅板，兩塊IP在同時一次曝光下，得到兩幅曝光能量不同的照片，進行減影處理。,能量減影方式,胸部攝影的能量減影,CR系統(tǒng)減影處理的優(yōu)點,1）IP覆蓋范圍大，而DSA受到影像增強器視野較小的限制；2）IP的空間分