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数字X线技术及其发展--数字X线成像系统(1)

文章来源:www.3618med.com发布日期:2013-07-15浏览次数:28868

         数字技术的发展为X射线机带来r革命性的变化。数字化探测器的发展、高频高压发生装揖的应用不仅大大地提高了X射线影像的质量,同时也减小了医患人员所受 到的辐射剂量。这些技术上的进步还大大提高了病人的通过率,为临床提供了更多的 诊断信息。 数字化X射线技术的发展不仅引起了技术领域及行业的关注,同时还受到了不少国家政府层而的支持,一些前沿技术(如DR)的前期研发都曾得到政府的巨额投入,这些投入有些已转换成为一些国家在该技术领域的垄断。

         据近美国放肘界的市场调查公司IMV关于美国DR市场的报告,近年来美国DR市场连续快速增长;美国在2005年交伺的X光机中50%已经是DR系统;在美 国的4860家医院中,X光机的平均拥有量为3.4台,其中62%的医院拥有DR或是CR,只有38家医院仍然只有常规胶片系统,X光机的装机总量高达16500套;在2006年影像设备采购中,DR系统占到了71%。报告认为美国的DR市场已经开始起飞。

         (一)数字X射线机及其关键技术

         1.数字X线技术优势

         数字技术具有许多优点,在信号的采集、处理、传输、存储各个过程巾数字化技术都较之模拟技术表现出巨大的优越性。数字技术也为医学成像带来了质的变化,继而出现r数字医学影像这一概念,数字x射线影像设备并不单纯的是数字技术在x射 线领域中的应用,它包括了更多的实际内容,如数字化探测器的实现、计算机控制、 高频高压发生器等,这些技术上质的飞跃使数字x射线机较之传统射线机在许多方面 都发生了深刻的变化。

         (1)传统X射线摄影与透视。模拟图像按取得的方法分成直接和间接两种。直接 指X线摄影和常规透视,通常称为屏/片系统,间接指采用影像增强器检查。对于传统的直接X线摄影,被照体影像信息的透射线怍用于增屏/片,使胶片中的乳剂感光,经显影后以光学影像的形式表现出,成为可见的光密度影像;常规透视则指以荧光屏代替胶片实时观察透射X线的方法;这些方法被使用了近一百年,成像的质量主要取 决于胶片和荧光屏的质量。对任意一台模拟成像设备(对直接模拟影像来说就是指X线胶片),在使用衅/片体系摄影时量子转换效率(可以理解为X光粒子转换为可见光 的效率)低和曝光宽容度低已成为模拟摄影技术的大缺点。

 

         图2-3为传统屏/片系 统的工作原理。X线摄影时,仅有1% ~ 2%透过人体的X线量子使胶片感光。X线量子利用率低,要使胶片达到足够的曝光量就必须要求X线摄影时使用大剂量曝光,这 种方式会使受检者受到过多的X射线辐射性照射。由于技术卜的原因,胶片对曝光条件的要求比较苛刻,与此相应的技术指标是曝光宽容度。曝光宽容度足指为了得到用 于检验分析的x线摄影图像所需胶片的曝光范围。
         常规的胶片因其有限的曝光宽容度不能涵盖人体结构的全部信息量,因此在使用中对曝光技术条件的优化选择较为复杂, 这也是传统放射医师的重要技能之一。曝光宽容度这一概念只适用于x线胶片。对其 余成像设备则使用“动态范围”这一概念。为了使上述直接模拟图像的技术缺憾得到 改进,研究人员推出了曝光宽容度大的胶片、非对称的屏/片体系、楔形滤进板、扇形 束扫描修正的方法等等。但是,所有这些改进都有其优.“和不足。大宽容度胶片和非 对称的屏/片体系扩大了图像的曝光宽容度,却降低了影像的对比度。楔形滤过板的应用,增加了对纵隔的曝光量,减少了对肺野的曝光量,缩减了两者透过X射线辐射的 差距。在这种情况下显示人体结构的信息量增多,但是采取-述措施不可避免地会出现由滤过板造成的假象。

         同数字x射线技术相比,胶片存档的难度大,人力、物力投人多。据统计,x线 摄影有20%的时间浪费在了存档、取档上。除了放射医师对胶片进行显影处理要花费 时间以外,图像分析只能在固定的地点,在拍摄、显影、定影、记录、存储、传输、 调用等一系列舶环节上既耗时也不方便,而且出错所带来的风险较大,由于不能立拍立现,有时不得不进行重复摄影。

         (2)X射线机电视系统。X线电视系统是间接成像,其原理是利用影像增强器将 不可见的X线转换为亮度很高的可见光图像,再通过摄像机转换成电信号,经过放大处理后用电缆输送到监视器,显示出人体各部位的组织结构,习惯E被称之为x线电视。对于x线电视而言,影像增强器是其核心部件,它在x射线摄影上的应用是x射 线技术发展历史上的一个里程碑。影像增强管是20世纪50年代初发明的一种将X线 转换成可见光线的高真空器件,它不仅实现了不可见光到可见光的转换,而且可以得 到足够的可见光输出,比荧光屏的转换率高很多。
         此类基于间接(将X光转换成可见光再放大)模拟技术而发展起来的诊断设备,至今在临床上仍有应用。影像增强器可 将成像于荧光屏上的弱光信号放大几千倍至上万倍,只有如此,图像才能够借助于摄像管将图像记录在监视器上或是录像机里。这种间接模拟图像的清晰度明显逊色于传统的X线摄影,但是所需曝光量降低,病人受到的辐射减少,医生可以做到隔室操 作,因此还是具有优势的。图2-4所示为X射线电视系统工作流程。CCD(电荷耦合器件)在间接模拟技术旗础上的应J FJ实现了X射线摄影的数字化。随着CCD技术的发 展,人们很快用其取代传统的摄像头与影像增强器结合,构成了影像增强器+CCD的 方式,在克服了拖尾、信噪比低、响应时间长、残像等一系列问题之后,如今基于 这一方式构成的系统已在临床上得到广泛的应用。上述两种x线成像方式称为传统 成像。

         (3)传统成像与数化探测器成像技术比较。传统X线摄影技术是放射影像学领域 早、应用广泛的成像方式。它以胶片为图像采集、显示、存储和传递的载体,以二维成像方式将X射线入射方向上人体组织的X射线吸收差异呈现为不同密度的影 像。胶片影像分辨率是由胶片溴化银分子颗粒决定的。数字X射线技术是X射线照射人体后不直接用于胶片,而是被探测器接受并转化为数字化信号,获得X射线衰减值 的数字矩阵,经计算机处理后重新成像。其数字图像数据可利用计算机进一步处理、 显示、存储和传输,分辨率比普通X胶片高,诊断信息十分丰富,并能更有效地利用 信息,提高X射线摄影检查的诊断价值。与胶片相比数字X射线明显地减少曝光和处 理时间,消耗成本也低(无胶片和化学药液),没有化学废物。
         数字技术使X射线机 可实现实时成像,成像速度与曝光剂量与常规X射线机比大大降低。从图像处理来 看,数字图像可以通过各种软件对图像进行有针对性的处理,如提高软组织的对比度、 边缘强化处理等,这些都有利于诊断质量的提高。在有蟪情况下,对检验结果可使用计算机辅助诊断(CAD),提高医院的效率。数字化之后的图像还可以通过无线传输将 检验结果从觋场传输到其他地方,此外,图像存储保管的成本也低,表2-3是数字化X射线与传统x射线技术指标对比。

         图2-5直观地绘出了传统X模拟信号及数字X信号在生成图像的各个过程中图像细节对比度的变化。

         图2-5中,如果说图像细节对比度的 理论值是100,那么在实际成像过程中,由 于散射、焦点几何尺寸等因素的影响在产 生图像时这一理论值有所降低,在图像获 取过程中传统模拟图像较之数字图像使得图像细节对比度进一步降低,而在图像获 得之后,由于数字图像的动态范围大,因此可以进行窗宽窗位等各种图像后处理,从而使陶像的细节对比度表达得以提升,这也是数字图像明显的优势。所以从总体上讲,数字图像较之传统的模拟成像方法更 有利于疾病的诊断。

         2.数字化X线机技术在临床应用中的意义
         (1)数字化使临床获得图像的信息量大大增加。图像的数字化对临床具有重大的 意义。虽然离散性对图像的清晰度有影响,但只要这种离散度足够“细致”,诊断就不会受到影响。数字化X射线探测器及丰富的图像处理等使得装备为临床提供的诊断信 息大大地丰富了,进而提高了临床的诊疗水平,当然这些信息也需要占用大瞳的存贮空间。

         (2)数字化的图像可提高剥软组织的鉴别能力。图像的数字化还有利于提高设备 的软组织的鉴别能力。对比度是反映屏幕上或X线胶片上两个相邻组织间影像的密度差,它依赖于被照物体不同组织所吸收X射线的差异,从而形成对比。但数字化图像 的对比度由于被量化,因此可以通过调节窗宽窗位以及灰阶来得到强调显示。所谓窗宽窗位的调整是指通过对接收强度和显示强度曲线的斜率和上下限的调整达到观察目 的调整,临床上通过接收强度和显示强度曲线的各种非线性调整还可以获得不同效果的观察。数字化图像对比座可改变是数字化X摄影的主要优势之一。

         (3)数字化可使图像动态范围扩大。数字化图像的另一特点是其动态范围大。动态范围是在有效的范围内大X线辐射强度与小X线辐射强度的比值关系,这里所说的有效范围是指在这一强度范围下保证图像分析处于可按受的对比度。动态范围这一概念可以同X线胶片曝光宽容度这一概念相比较。

         (4)数字化X线机意义及不足。数字化X射线摄影的清晰度不如传统X射线摄 影。X光胶片的清晰度大为20LP/mm;屏/片体系为10LP/mm;带影像增强器的监视 屏上的图像为1~3LP/mm。数字图像的清晰度与成像设备性质和像素的尺寸有关,在0.7 -5 (6) LP/mm的范围内。X线数字化图像是离散的,清晰度逊色于模拟图像,但 是它的综合能力更强,尤其是在大的动态范围内对比度仍然很高。这些优势明显地扩 大了数字化方法的应用。

         3.数字化X射线技术发展中的关键技术

         数字化摄影系统的关键技术和部件包括数字化的探测器,对应数字化摄影所需要 的射线发生装置、辅助装置和相关软件。 数字化探测器是近年来为括跃的一个技术领域,也是X线数字中为关键的一个部分。通过几十年的努力,尤其近年来数字化探测器在临床上的应用越来越营遍, 而传统X线机正在加速萎缩。从技术上讲,目前临床上的数字化探测器正处于多种类型、多种技术并存的时期,在今后的竞争中临床需求与工程化的比重将更加突出,低 剂量、低成本、高可靠性将成为市场竞争的关键。 射线发生装嚣始终是X线发展过程中的重要组成部分。

         近年来,数字化技术的不 断渗透使高频高压发生器进入到了一个新的时期,借助数字化技术高频高压发生装置 已经可以达到100kHz以上,这些发展降低了X射线给医患人员带来的损害,也使X线 的控制越来越精细。同样,X线球管的进步也为现代数字化技术的应用提供了更多的保证,DSA、X-CT的实现无一不仰赖于球管技术的进步。 X线机其他辅助装置和相关软件也是数字化X线技术中的关键技术。数字化X线 技术的真正应用需要有相关的辅助装麓,一些数据库的建立和软件甚至还是数字化X线机中的不可或缺的重要组成部分。 
         成像方式实现数字化是X射线数字进程中的重要部分。在数字化X射线技术发展 的过程中,电视技术与影像增强器的结合实现了X线机的隔室操作,同时也为后来的 数字化进程奠定了基础。光敏器件一电荷耦合器件( CCD)的出现并与影像增强器结 合,实现了X射线数字化的步,此后,CR、DR相继出现标志着数字化X线机进 入了新的实用阶段。