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CR系统所用的X线机与CR系统的种类有关。
CR系统的激光阅读装置分为暗盒型(cassettetype)和无暗盒型(non-cassettetype)两种。
暗盒型阅读装置的CR需要暗盒作为载体装载IP经历曝光、激光扫描的过程,系统所用的X线机与传统的X线机兼容,不需要单独配置。
无暗盒型读取装置CR系统的IP曝光和阅读装置组合为一体,连同影像向工作站传输的整个过程都是自动完成,需要要配置单独的X线发生装置。
目前,临床使用的绝大多数CR系统都是暗盒型阅读装置CR,不需要单独购置新的X线机,摄影技师的工作流程也与传统屏-片系统基本相同。
注意:
如果原有X线机为工频机,同现代X线机(中高频)相比,会出现较多的低能射线;
而CR吸收同传统屏/片相比,容易吸收更多的低能射线(包括散射线),会降低图像的清晰度。
因而CR摄影最好使用中、高频X线机。
二、影像板(IP)
IP是CR成像系统的关键元件,代替传统的屏-片系统,可以重复使用。
一、结构与组成
IP从外观上看就象一块增感屏,它由表面保护层、光激励荧光物质层、基板层和背面保护层组成。
影像板成像层的氟卤化钡晶体中含有微量的二价铕离子,作为活化剂形成了发光中心。
二、成像过程
成像层接收X线照射后,X线光子的能量以潜影的形式贮存起来,然后经过激光扫描激发所贮存的能量而产生荧光,继而被读出转换为数字信号馈入到计算机进行影像处理和存储。
CR影像的获取过程也是影像板的工作过程,即经过X线曝光后的暗盒插入CR系统的读出装置,IP被自动取出,由激光束扫描,读出潜影信息,然后经过强光照射消除IP上的潜影,又自动送回到暗盒中,供摄影反复使用。
三、
IP的规格尺寸与常规胶片一致,一般有3543cm(1417英寸)、3535cm(1414英寸)、2530cm(1012英寸)和2025cm(810英寸)四种规格。
根据不同种类的摄影技术,IP可分为标准型(ST)、高分辨型(HR)、减影型及多层体层摄影型。
新的成像板改善了敏感度,清晰度和坚韧性,同时与旧的成像板兼容。
电子束处理外涂层用于保护成像板免于机械磨损和化学清洁剂的损伤。
在正常条件下,成像板的使用寿命为10000次。
三、影像阅读器
影像阅读器是阅读IP、产生数字影像、进行影像简单处理,并向影像处理工作站或激光打印机等终端设备输出影像数据的装置。
它具有将曝光后的IP由暗盒中取出的结构。
取出的IP被放置在第一堆栈里,直到激光扫描仪准备好。
在激光扫描仪中,数字化影像被送到灰度和空间频率处理的内部影像处理器中,然后送至激光打印机或影像处理工作站。
影像读取完成后,IP的潜影被消除,存储在第二堆栈内,在这里等待装入暗盒。
四、影像处理工作站
具有影像处理软件,提供不同解剖成像部位的多种预设影像处理模式,实现影像的最优化处理和显示,并进行影像数据的存储和传输。
影像处理工作站可以进行影像的查询、显示与处理(放大、局部放大、窗宽窗位调节、旋转、边缘增强、添加注解、测量和统计等等),并把处理结果输出或返回影像服务器。
五、监视器
监视器用于显示经影像阅读处理器处理过的影像。
六、存储装置
存储装置用于存储经影像阅读处理器处理过的数据,有磁盘阵裂、磁带阵列等等。
第二节CR成像基本原理
一、CR基本原理
(一)CR系统的工作流程
1、信息采集(acquisitionofinformation)传统的X线摄影都是以普通的X线胶片为探测器,接受一次性曝光后,经冲洗来形成影像,但所获得的影像始终是一种模拟信息,不能进行任何处理。
CR系统实现了用影像板来接受X线下的模拟信息,然后经过模/数转换来实现影像的数字化,从而使传统的X线影像能够进入存储系统进行处理和传输。
2、信息转换(transformationofinformation)是指存储在IP上的X线模拟信息转化为数字化信息的过程。
CR的信息转换部分主要由激光阅读仪、光电倍增管和模/数转换器组成。
IP在X线下受到第一次激发时储存连续的模拟信息,在激光阅读仪中进行激光扫描时受到第二次激发,而产生荧光(荧光的强弱与第一次激发时的能量精确地成比例,呈线性正相关),该荧光经高效光导器采集和导向,进入光电倍增管转换为相应强弱的电信号,然后进行增幅放大、模数转换成为数字信号。
3、信息处理(processingofinformation)是指用不同的相关技术根据诊断的需要实施对影像的处理,从而达到影像质量的最优化。
CR的常用处理技术包括有谐调处理技术、空间频率处理技术和减影处理技术。
4、信息的存储与输出(archvingandoutputofinformation)在CR系统中,IP被扫描后所获得的信息可以同时进行存储和打印。
CR系统本身存在着一个小网络,能够实现影像的储存和传输;
亦可传输到由多台数字数字摄影机组成的PACS网络系统(PACS是英文PictureArchiving&
CommunicationSystem的缩写,译为"
医学影像存档与通信系统)。
而且能够长久的作为网络资源保存,以供检索和查询为医学诊断提供帮助。
信息的输出是指一个是向其它的网络输送影像资料,另一个是传送影像信息到打印机上进行打印输出。
打印的方式主要是激光胶片、热敏胶片和热敏打印纸三种类型。
进行打印的图像可以来自激光阅读仪、影像处理工作站和光盘存储系统。
(二)IP中X线信息影像的阅读过程
1、IP置于暗盒内,利用传统X线设备曝光,X线穿透被照体后与IP发生作用,形成潜影。
2、潜影经过激光扫描进行读取,IP被激励后,以紫外线形式释放出存储的能量。
这种现象叫光激励发光(PhotostimulableLuminescence,PSL)。
3、利用光电倍增管,将发射光转换成电信号。
4、电信号在计算机屏幕上重建成可见影像,并根据诊断的特性要求进行影像的后处理。
影像读取过程完成后,IP的影像数据可通过施与强光来消除,这就使得IP可重复使用。
二、CR影像记录
(一)影像板
CR系统中,影像板取代了胶片-增感屏体系中的胶片成为影像记录的载体。
因此,影像板是影像记录的关键,根据可否弯曲分为刚性板和柔性板两种类型。
影像板的核心是用来记录影像的荧光涂层。
柔性板使用弹性荧光涂层,影像板也变得轻巧柔软,可随意弯曲。
柔性影像板简化了影像板扫描仪的传输系统,结构较为简单,使得扫描速度较快,设备体积较小。
刚性板不能弯曲,阅读仪的传输结构和工作原理不同于前者,但其损坏几率小,寿命长,由于影像板引起的伪影少。
随着对影像质量需求的不断提高,荧光涂层的开发更加深入,技术更加复杂。
目前的影像板使用寿命普遍超过10000次。
用户不断提高的要求刺激了技术更新速度的加快,反过来不断的技术更新也将会更新用户的观念,今后对使用质量和效率的要求将超过对耐用性的要求。
(二)光激励荧光体(PSP)影像采集
光激励荧光体的晶体结构“陷阱”中存储的是吸收的X线能量,所以有时称作“存储”荧光体。
在光激励发光(photostimulatedluminescence,PSL)过程中,在适当波长的附加可见光能量的激励下,这种俘获的能量能够被释放出来。
PSP影像的采集和显示可以归纳为图1所示的5个步骤。
未曝光的PSP探测器装在有铅背衬的暗盒内,用与屏/片成像相同的X线成像技术对其曝光。
穿过被照体的X线光子被PSP接受器吸收,以俘获电子的形式形成“电子”潜影。
然后将PSP暗盒放在影像阅读仪中对看不见的潜影进行“处理”,在这里,影像接受器从暗盒中取出,用低能量高度聚焦和放大的红色激光扫描。
一种较高能量低强度的蓝色PSL信号被释放出,它的强度与接受器中吸收的X线光子的数量呈正比。
PSL信号然后从红色激光中分离,引导入光电倍增管,转换成电压,经模数转换器数字化,以数字影像矩阵的方式存储。
PSP探测器被扫描后,再利用强的白光对残存的潜影进行彻底擦除,以备下次使用。
采集到的数字化原始数据的影像分析对有用影像的相关区域进行确定,按照用户选择的解剖部位程序将物体对比度转换成模仿模拟胶片的灰阶影像。
最后,影像在胶片上记录或在影像监视器上观察。
在采集过程中,PSP系统近乎仿效传统屏/片探测器的范例。
然而,在理解过程中存在着许多重要的差异,要注意充分利用PSP的成像性能。
(三)PSP接受器特性
PSP设备基于光激励发光的原理,当一个X线光子在PSP材料中积存能量时,有三种不同的物理过程在能量转换中发生。
能量首先以可见光的形式释放荧光,这个过程是传统X线摄影增感屏成像的基础。
PSP也可以释放出足够量的荧光对传统X线胶片曝光,但这不是我们所要的成像方法。
PSP材料在晶体结构缺陷中存储绝大部分积存的能量,因而得名存储荧光体。
这种存储的能量形成潜影,随着时间推移,潜影会由于磷光的产生而自然消退。
如果用适当波长的可见光激励,激励发光的过程可以立即释放出部分俘获的能量,发出的可见光为产生数字化影像的信号。
许多化合物具有PSL的特性,但具有X线摄影所需要特性的却为数不多,即普通激光可以产生与激励-吸收波峰相匹配的波长、具有普通光电倍增管输入荧光体容易吸收的激励发射波峰、潜影稳定性(不会因荧光产生而引起信号明显损失)。
最接近这些要求的化合物是碱土卤化物,商品名为RbCl,BaFBr:
Eu2+,BaF(BrI):
Eu2+,BaSrFBr:
Eu2+。
PSP接受器的横断面结构如图2所示。
(四)稀土的添加和吸收过程
微量的Eu2+混杂物加在PSP中,以改变它的结构和物理特性。
微量的混杂物,也叫作活化剂,替代了晶体中的碱土,形成了发光中心。
由于X线吸收而发生的电离,在PSP晶体中产生电子/空穴对。
一个电子/空穴对将一个Eu2+跃迁到激发态Eu3+,当Eu3+返回到基态Eu2+时会产生可见光,以俘获电子的形式存储的能量形成潜影。
当前,有两种主要的理论来解释PSP的能量吸收过程和随后发光中心的形成。
如图3所示,它们是双分子再结合模型和光激励发光复合物(photostimulatedluminescencecomplex,PSLC)模型。
使用后种模型在BaFBr:
Eu2+中发生的物理过程,看上去与实验发现十分近似。
此模型中,PSLC是一个亲近Eu3+-Eu2+再结合中心的较高能量(F中心)的亚稳态复合物。
PSP中X线的吸收引起了“空穴”和“电子”的形成,从而激发一个“非活化PSLC”被一个F中心俘获,或者通过“F中心物理”所解释的“exitons”的形成和/或再结合来形成一个活化的PSLC。
无论哪种情况下,形成的活化PSLC的数量(亚稳态部位俘获电子的数量)正比于对荧光体曝光的X线剂量。
典型涂层厚度的BaFBr:
Eu和稀土屏Gd2O2S:
TbX线吸收效率在3550keV之间,由于BaFBr荧光体中钡具有较低的K边缘吸收,故而它具有较好的X线衰减。
然而,一旦低于或高于这个范围,稀土钆荧光体要好一些。
与感度400的稀土接受器相比,用典型能谱的X线对PSP荧光体照射时,需要更高的曝光量才能获得相同的量子统计。
此外,PSP接受器对低于K边缘X线的高吸收能力(会吸收大部分的低能散射线),使得自身对散射线更加敏感。
随着时间的推移,俘获的信号会通过自发荧光呈指数规律消退。
一次曝光后,典型的成像板会在10分钟到8小时之间损失25%的存储信号,这个时间段之后逐渐变慢。
信号消退给输出信号带来不确定性,可通过固定曝光和读出时间间隔来固定存储信号的衰退,从而消除这种不确定性。
三、CR影像的读取
(一)影像板阅读仪
影像板阅读仪是读出影像板所记录影像的设备。
它的技术指标将直接影响所输出影像的质量。
一般衡量影像板阅读仪的参数有四个:
描述影像清晰度的指标空间分辨率、描述影像层次的指标灰度等级、描述处理能力的激光扫描速度和缓冲平台容量。
当前CR系统的空间分辨率普遍能够达到10像素/毫米的水平,无论影像板的大小。
较早的CR系统,由于当时计算机的处理能力不够,往往仅对小尺寸的影像板以9~10像素/毫米采集数据,而对大尺寸的影像板(14”14”以上),只能达到5~6像素/毫米,因此给人以CR大片粗糙的感觉。
新型的CR系统,对大片采取6、10像素/毫米两档可调的设置,由用户自己设置。
以适应不同场合对扫描速度和扫描影像质量的不同需要。
CR系统的灰度等级指标一般都要求达到4096级灰阶。
也就是使用12位(bit)处理器。
一些高指标的影像板扫描仪,使用了更高的14位处理器,力求更佳的影像效果。
另外两个指标扫描速度和缓冲平台容量描述的是影像板阅读仪的处理能力。
新型的大型影像板阅读仪的扫描能力可以达到每小时100板,同时装备有大容量的影像板缓冲平台。
等待扫描的IP先放在缓冲平台上,由设备自动顺序导入扫描,扫描完毕后IP也自动输送到另一个缓冲平台上,等待下一次使用。
目前最大的缓冲平台的容量可达20块影像板。
显然,缓冲器容量大、扫描速度快的阅读仪效率更高,更节省人力资源和投资。
(二)激励和发射
积存在已曝光BaFBr:
Eu荧光体中的“电子”潜影与激活的PLSC(F中心)相对应,局部的电子数量与大曝光范围的一次X线量直接呈正比,一般超过10000比1(是曝光量的4个数量级)。
Eu3+-F中心复合物的激励和存储电子的释放至少需要2eV的能量,给定波长的高度聚焦激光源最容易完成此任务,最常用的是HeNe(=633nm)和“二极管”(680nm)产生的激光。
一次激光的能量激发荧光体中位于局部F中心的电子。
按照vonSeggern的理论,在荧光体矩阵中可能出现两种能量轨迹,一种是无逸脱返回F中心位置,或者是“开隧道”到临近的Eu3+复合物。
后者更有可能发生,这时电子进入中间能态并释放出非可见光的辐射“声子”。
一个3eV能量的可见光光子立即跟随此电子经过Eu3+复合物的电子轨道落入更稳定的Eu2+能级。
(三)读出过程
1、激光扫描由HeNe或二极管发出的激光束,经由几个光学组件后对荧光板进行扫描。
首先,激光束分割器将激光的一部分输出到监视器,通过参照探测器的使用来补偿强度的涨落。
这一点很重要,因为被激励可见光的强度取决于激励激光源的强度。
激光束的大部分能量被扫描镜(旋转多角反射镜或摆动式平面反射镜)反射,通过光学滤过器、遮光器和透镜装置,从而提供一个同步的扫描激光束。
为了保持恒定的聚焦和在PSP板上的线性扫描速度,激光束经过了一个f-q透镜到达一个静止镜面(一般是圆柱状和平面镜面的组合)。
激光点在荧光体上的分布调整为一个直径为1/e2的高斯分布,在大多数阅读仪系统中大约为100m。
激光束横越荧光体板的速度的调整,要根据激励后发光信号的衰减时间常数来确定(BaFBr:
Eu2+约为0.8ms),这是一个限制读出时间的主要因素。
激光束能量决定着存储能量的释放,影响着扫描时间、荧光滞后效果和残余信号。
较高的激光能量可以释放更多的俘获电子,但后果是由于在荧光体层中激光束深度的增加和被激发可见光的扩散而引起空间分辨率降低。
到达扫描线的终点时,激光束折回起点。
荧光体屏同步移动,传输速度经过调整使得激光束的下次扫描从另一行扫描线开始。
荧光体屏的移动距离等于沿快速扫描方向的有效采样间隔,从而确保采样尺寸在X和Y方向上相等。
荧光屏的扫描和传送继续以光栅的样子覆盖屏的整个区域。
扫描方向、激光扫描方向、或者快速扫描方向都是指得沿激光束偏转路径的方向,慢扫描、屏扫描、或者副扫描方向指得是荧光屏传送方向。
屏的传送速度根据给定屏的尺寸来选择,使扫描和副扫描方向上的有效采样尺寸相同。
激光点在成像接受器表面的直径是1/e2,这个尺寸在目前市场销售的CR系统中都是固定的,从而给两个方向上的空间分辨率强加了上限。
激光经过荧光屏时PSL的强度正比于这个区域吸收的X线能量。
读出过程结束后,残存的潜影信号保留在荧光屏中。
在投入下一次重复使用之前,需要用高强度的光源对屏进行擦除。
除非是极度曝光过度,在擦除过程中,几乎所有的残存俘获电子都能有效去除。
在有些系统中,屏的擦除是与整体曝光量相关联的过程,由此较长的曝光需要较长的擦除周期。
2、PSL信号的探测和转换PSL从荧光屏的各个方向发射出来,光学采集系统(沿扫描方向上位于激光-荧光体界面的镜槽或丙烯酸可见光采集导向体)捕获部分发射的可见光,并将其引入一个或多个光电倍增管(PMT)的光电阴极。
光电阴极材料的探测敏感度与PSL的波长(例如400nm)相匹配。
从光电阴极发射出的光电子经过一系列PMT倍增电极的加速和放大,增益(也就是探测器的感度)的改变可通过调整倍增电极的电压来实现,因此可以获得有用输出电流以适应满足适宜影像质量的曝光量。
PMT输出信号的动态范围比荧光板高的多,在整个宽曝光范围上获得高信号增益。
可见光强度相对于一次辐射曝光量的改变在1-10000或“四个数量级放大”的范围内呈线性。
输出信号的数字化需要最小和最大信号范围的确认,因为大多数临床使用曝光量在100-400动态范围内改变。
在一些PSP阅读仪中,用一束低能量的激光粗略的预扫描已曝光的PSP接受器进行采样,确定有用的曝光范围。
然后调整PMT的增益(增加或降低)在高能量扫描时对PSL进行数字化。
绝大多数系统中,PMT放大器预调整为对2.58109C/kg(0.01mR)至2.58105C/kg(100mR)曝光范围产生的PSL敏感。
大多数PSP阅读仪系统然后用模拟对数放大器或“平方根”放大器对PMT输出信号进行放大。
对数转换为一次X线曝光量和输出信号幅度之间提供一种线性关系,平方根放大为量子噪声与曝光量提供线性关系。
无论哪种情况,信号的总体动态范围被压缩以保护在整个有限离散灰阶数量上的数字化精度。
3、数字化数字化是将模拟信号转换成离散数字值的一个两步过程,信号必须被采样和量化。
采样确定了PSP接受器上特定区域中PSL信号的位置和尺寸,量化则确定了在采样区域内信号幅度的平均值。
PMT的输出在特定的时间频率和激光扫描速率下测量,然后根据信号的幅度和可能数值的总量,将其量化为离散整数。
模数转换器(AnalogtoDigitalConverter,ADC)转换PMT信号的速率远大于激光的快速扫描速率(大约快出2000倍,与扫描方向的像素数相对应)。
特定信号在扫描线上某一物理位置的编码时间与像素时钟相匹配,因此,在扫描方向上,ADC采样速率与快速扫描(线)速率间的比率决定着像素大小。
副扫描方向上,荧光板的传输速度与快速扫描像素尺寸相匹配,以使得扫描线的宽度等同于像素的长度(也就是说,像素是“正方形”的)。
像素尺寸一般在100200m,据接受器的尺寸而定。
由于来自PMT的模拟输出在最小和最大电压之间具有无限范围的可能值,所以ADC要将此信号分解成一系列离散的整数值(模拟到数字单位)以完成信号幅度的编码。
用于近似模拟信号的“位”数,或者“像素浓度”决定了整数值的数量。
PSP系统一般有10、12或16位ADC,故而有210=1024、212=4096、216=65536个可能数值来表达模拟信号幅度。
Kodak使用16位数字化形式来执行最终12位/像素影像的数字化对数转换。
其它生产商在信号的预数字化时使用模拟对数放大器(Fuji)或平方根放大器(Agfa)。
当ADC的位数(量化等级)受限时,模拟放大可以在信号估算时避免量化误差。
四、四象限理论
计算机X线摄影系统应用数字成像处理技术把从IP上阅读到的X线影像数据变换为能进行诊断的数字图像,这些数据能够在CRT上显示,也可以通过胶片进行记录,当X线采集条件在不理想的情况下,导致过度曝光或曝光不足,但CR系统能把它们变成具有理想密度和对比度的影像,实行这种功能的装置就是曝光数据识别器(ExposureDataRecognizer,EDR),EDR结合先进的图像识别技术,诸如:
分割曝光识别、曝光野识别和直方图分析,很好地把握图像的质量。
(一)EDR的基本原理
EDR是利用在每种成像采集菜单(成像部位和摄影技术)中X线影像的密度和对比度具有自己独特的性质而运作的,EDR数据来自于IP和成像菜单,在成像分割模式和曝光野的范围被识别后,就得出了每一幅图像的密度直方图。
对于不同的成像区域和采集菜单,直方图都有不同的类型相对应。
由于这种特性,运用有效地成像数据的最大值S1和最小值S2的探测来决定阅读条件,从而获得与原图像一致的密度和对比度,阅读条件由两个参数来决定,阅读的灵敏度与宽容度,更具体地说是光电倍增管的灵敏度和放大器的增益。
调整以后,将得到有利于处理和储存的理想成像数据。
EDR的功能和CR系统运作原理将归纳为四个象限来进行描述。
如图2-1所示。
1、第一象限显示入射的X线剂量与IP的光激励发光强度的关系。
它是IP的一个固有特征,即光激励发光强度与入射的X线曝光量动态范围成线性比例关系,二者之间超过1:
104的范围。
此线性关系使CR系统具有很高的敏感性和宽的动态范围。
2、第二象限显示EDR的功能,即描述了输入到影像阅读装置(imagereader,IRD)的光激励发光强度(信号)与通过EDR决定的阅读条件所获得的数字输出信号之间的关系。
IRD有一个自动设定每幅影像敏感性范围的机制,根据记录在IP上的成像信息(X线剂量和动态范围)来决定影像的阅读条件。
A线所表达的读出条件是具有较高的X线剂量和较窄的动态范围;
B线所表达的是具有较低的X线剂量和较宽的动态范围;
经常地,CR系统的特征曲线根据X线曝光量的大小和影像的宽容度可以随意的改变,以保证稳固的密度和对比度,由于
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