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CR成像技术
第一章 CR成像技术
CRstands for ComputerRadiography
DR represents DigitalRadiography
1974年，富士胶片公司（Fuji）开始构架计算机x线摄影（computedradiography，CR）的原理，并进行基础研究工作。
1981年，成像板（或影像板imagingplate，IP）研制成功并推向市场，使数字X线成为现实。
计算机X线摄影是光激励存储荧光体（photostimulablestoragephosphor，PSP）成像亦称为存储荧光体成像（storagephosphorimaging）、数字存储荧光体成像（digitalstoragephosphorimaging）或数字化发光X线摄影（digitallumineseenceradiography）。
它是一种X线摄影的数字采集技术，此技术使用常规X线摄影的采集结构，利用光激励荧光体的延迟发光特性在其中积存能量。
经x线照射后，荧光体再经激光束扫描，以可见光的形式释放出积存的能量，释放的光激励可见光被探测器捕获，转换成数字信号，同时记录下荧光屏上可见光释放的具体定位。
数字数据经过后处理形成符合要求的图像，被传送到硬拷贝打印机或软拷贝显示器，用于影像诊断。
第一节 CR系统的构造
CR系统以IP为探测器，利用现有的x线设备进行X线信息的采集来实现图像的获取。
它主要结构：
X线机、影像板、影像阅读器、影像处理工作站、 影像存储系统和打印机组成。
（一）X线机
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，装载的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CR系统的IP曝光和阅读装置组合为一体，图像向工作站传输的整个过程都是自动完成的，需要配置单独的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，工作流程也与传统的屏．片系统基本相同。
（二）影像板（IP板）
IP是CR成像系统的关键元件，作为记录人体影像信息、实现模拟信息转化为数字信息的载体，代替了传统的屏-片系统。
它既适用于固定式X线机，也可用于移动式床边x线机，既可用于普通的X线摄影，也可用于特殊摄影和造影检查，具有很大的灵活性和多用性，可以重复使用。
IP板从外观上看就像一块单面增感屏，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。
IP板的规格尺寸与常规胶片一致，一般有35cm×43cm（14ft×17ft）、35cm×35cm（14ft×14ft）、15cm×30cm（10ft×12ft）和20cm×25cm（8ft×10ft）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。
新型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等待激光扫描仪的扫描过程。
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，重新装入暗盒。
（四）影像处理工作站
影像处理工作站具有影像处理软件，可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，并可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（如放大、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），并可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，有磁盘阵列、磁带阵列等等。
二．CR的成像原理
（一）CR的成像原理
1．CR影像的形成过程
（1）成像板置于暗盒内，利用传统设备曝光，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予强光来消除，这就使得IP可重复使用。
CR影像的形成过程如图：
2．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。
（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。
1）.模拟影像
模拟（analogue）是以某种范畴的表达方式如实地反映另一种范畴。
日常生活中有许多这样的现象，如温度与时间、电源的频率、电压或电流的变化等。
这些信息量的变化是随时间或距离的改变而呈连续变化的。
因此，把这种连续变化的信号称为模拟信号或称模拟量。
由模拟量构成的图像称模拟图像（analogueimage）。
传统的X线透视荧屏影像、普通X线照片影像以及影像增强器影像均属于模拟影像。
这些影像中的密度（或亮度）在位置上是连续函数，影像中的点与点之间是连续的，中间没有间隔，感光密度随着标点的变化呈连续性改变。
影像中每处的亮度呈连续性分布，具有不确定的值，只受亮度最大值与最小值的限制。
2）.数字成像方法：
数字（digital）成像方法是采用结构逼进法，影像最大值与最小值之间的系列亮度值是离散的，每个像点都具有确定的数值，这种影像就是数字影像（digitalimage）。
数字图像的表达有两个要素，像素的大小和每个像素的灰度值。
将模拟量转换为数字信号的器件称为模／数（A／D）转换器（analoguetodigitalcoverter）。
A／D转换器把模拟量（如电压、电流、频率、脉宽、位移、转角等）通过取样转换成离散的数字量，这个过程称为数字化。
转化后的数字信号输入计算机图像处理器进行数字逻辑运算，处理后重建出图像，这种由数字量组成的图像就是数字图像。
由此可见，数字影像是将模拟影像分解成有限的小区域，每个小区域中量度的平均值用一个整数表示，即数字图像是由许多不同密度的点组成的。
对于同一幅图像，可以有两种表现形式，即模拟方法和数字方法，
从应用角度分析，数字图像与传统的模拟图像相比，数字图像的优势为：
1）、数字密度分辨率高。
2）、数字图像可进行多种后处理。
图像后处理是数字图像最大的特点，只要保留原始数据，就可以根据诊断的需
要，并通过软件功能，有针对性地对图像进行处理，以提高诊断率。
处理方法有窗口技术、参数测量、图像计算、特征提取、图像识别、二维或三维重建、灰度变换、数据压缩、图像放大与反转、图像标注等，实现计算机辅助诊断，从而提高影像诊断水平。
3）、数字图像可以存储、调阅、传输和数字拷贝。
影像数据的储存和传输是图像存储与传输（PACS）系统建立的基础，为联网、远程会诊、远程影像教学、实现无胶片化、图像资源共享等奠定了良好基础。
数字图像是信息放射学、信息高速公路必备的条件。
（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。
（4）信息的存储与输出（archivingandoutputofinformation）：
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。
影像信息一般被存储在光盘中，随刻录随读取。
一盘存储量为2G的光盘（有A、B两面）在压缩比为1：
20的前提下，若每幅影像平均所占据的存储空间是4M，则每面盘可以存图像5000幅，而且能够长久地作为网络资源保存，以供检索和查询，为医学诊断提供帮助。
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。
（二）CR的影像记录
1．CR的影像采集
光激励荧光体晶体结构“陷阱”中存储的是吸收的X线能量，故也称做“存储”荧光体。
在光激励发光过程中，以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。
未曝光的CR成像板装在有铅背衬的暗盒内，使用与屏-片成像相同的X线成像技术对其曝光。
穿过被照体的x线光子被成像板吸收，以俘获电子的形式形成“电子”潜影。
然后将CR暗盒放在影像阅读仪中，对看不见的潜影进行“处理”。
在这里，影像探测器从暗盒中取出，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（光激励荧光体）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。
然后PSL信号从红色激光中分离，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。
成像板被扫描后，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。
1）。
矩阵
原始的射线图像是一幅模拟图像，不仅在空间而且在振幅（衰减值）都是一个连续体。
计算机不能识别未经转换的模拟图像，只有将图像分成无数的单元，并赋予数字，才能进行数字逻辑运算。
摄影机扫描就是将图像矩阵（matrix）化，还有计算机X线摄影（CR）、激光对IP潜影的读取，特别是数字X线摄影（如IDR、DDR）的探测器本身就划分为无数个小区域的矩阵（如2048×2048）。
矩阵是由纵横排列的直线相互垂直相交而成，一般纵行线数与横行线条数相等，各直线之间有一定的间隔距离，呈栅格状，这种纵横排列的栅格就叫矩阵。
矩阵越大，栅格中所分的线条数越多，图像越清晰，分辨率越强。
常见的矩阵有512×512，1024×1024，2048×2048，每组数字表示纵横的线条数，两者的乘积即为矩阵的像素量，即信息量。
2）。
像素
矩阵中被分割的小单元称为像素（pixel）。
像素是构成数字图像的最小元素。
采集到的数字化原始数据的影像送入计算机处理，对有用的影像相关区域进行确定，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
2．CR探测器的特性
CR成像是基于光激励发光的原理。
当一个X线光子在PSP（光激励存储荧光体photostimulablestoragephosphor，PSP）材料中积存能量时，它的能量转换的物理过程为：
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，则存储荧光体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。
激励发光的过程可以立即释放出部分俘获的能量，发出的可见光通过光电转换为数字化影像信号。
3、信号消退
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，以消除这种不确定性。
（三）CR的影像读取
1.·影像板阅读仪影像板阅读仪是读出成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，包括描述影像清晰度指标的空间分辨率、描述影像层次指标的灰度等级、描述处理能力的激光扫描速度和缓冲平台容量。
第三节 CR影像处理技术
一．对比度处理（谐调处理）
由于人体衰减的微小差异，CR数据具有很小的固有对比度。
对比处理的目的是改变影像数据的设置，使其对比度等同于传统屏－片影像，或者是增强所希望特征的显著性。
对比处理又叫做层次处理（gradationprocessing）、色调谐调（tonescaling）或对比增强（contrastenhancement）o
对比度处理有两种不同的方法，最常用的技术是按照用户控制的查询表重新变换各个像素值。
对比度曲线的整体改变可以在不同的灰阶等级产生不同的局部对比度。
有的厂家用四种不同的参数（GA、GC、GT、GS）来控制此处理过程；有的厂家用两种（平均密度和LUT起始）；有的厂家用三种（窗左延伸、窗右延伸，感度测量）；有的厂家处理提供可选择的模仿屏一片系统的基本曲线形状（GI），还具有增加或减少层次（GC和GA）和整体亮度（GS）的能力。
二．空间频率处理
它是一种边缘锐利技术，用以改善组织边缘轮廓的锐利程度。
三．动态范围控制
CR系统的动态范围控制（dynamicrangecontrolDRC：
）采用压缩处理。
DR压缩处理是在谐调处理和空间频率处理的前期自动进行的，它是一种在单幅影像显示时提供宽诊断范围影像增强的新型影像处理算法，在具有高密度的胸部及四肢成像中显示出特殊的价值。
四．能量减影
传统的减影方式有时间减影和能量减影两种方式。
由于CR系统在采集影像信息方面速度较慢，时间分辨力不高，所以．在组织的减影中一般都采用能量减影的方式，能量减影的具体方法是：
有选择地去掉影像中的骨骼或软组织的信息。
在同一部位同一次曝光中分别获得一幅高能量影像和一幅低能量影像，由于这两幅影像中的骨骼与软组织信号强度不同，通过计算机加权减影，实现这两幅图像的减影。
结果，与骨骼相一致的信号被消除，得到软组织影像；同样，与软组织相一致的信号被消除得到了骨骼组织的影像。
第四节 CR系统质量控制与性能检测
一．质量控制与定期维护
定期质量控制检测，对于检查系统性能和维持最优化影像质量是必需的。
每天、每周、每月、每年的推荐检测步骤都是执行Qc程序的一部分。
1．技师、医师、物理师、临床工程师的应用培训
技师需要至少一周的岗位培训，还应该在最初培训的一到两个月后再经过一星期的进修。
放射科医师也应该在系统的最初使用过程中与应用专家沟通，按照自己的喜好进行特殊影像处理算法。
物理师应该关注处理算法功能，指导如何去调整影像外观和创建检查算法。
医院工程人员应该接受简单预防性维护任务和恢复最小程度错误的培。
2．每天（技师）
（1）视察系统的运行情况，包括阅读仪、ID终端和影像观察监视器。
（2）检查照片冲洗机的药液活性、药液槽和补充泵或干式相机的运行状况。
（3）制作激光成像感光测量胶片条并测量照片密度。
（4）检查胶片供给。
3．每周（技师）
（1）清洁系统和冲洗机的过滤器和通风孔。
（2）擦除所有很少使用或没有流通的成像板。
（3）为冲洗机制做曝光仪感光测量胶片条，并测量照片密度。
（4）检查暗盒和成像板。
（5）采集测试模体影像，并在计算机数据库中编入目录。
当超出预设定的界限时，核查系统性能并采取措施。
4．每月（技师）
（1）照片冲洗机维护，包括药液更换以及药液槽和辊轮的彻底清洁。
（2）执行量化QC模体分析，如低对比、空间对比度、信噪比等的抽查。
（3）检查照片重拍率，概观曝光指数，确定不可接受影像的产生原因。
（4）检查QC数据库，确定问题的原因并执行校正措施。
5．每半年至一年（医学物理师）
（1）对所有成像板执行线性／感度测试。
（2）视察并估影像质量；抽查影像处理算法的适用性。
（3）执行验收检测步骤以确定和（或）重新建立基准值。
（4）检查重拍现象、患者曝光量趋向、QC记录和设备维修历史。
（5）除了定期检测外，所有的检查都应该在一个“视为需要”的原则下执行。
指定的QC技师、物理师、维修人员都应该参与到预防性维护和质量控制程序中。
PSP系统的侵入性调整和校正的执行，仅能由“销售商许可”人员、具有相关知识的技师物理师以及负责质量控制的维修人员来完成。
除了定期测试外，所有的检查都应该在一个“视为需要”的原则下执行，尤其是在硬件／软件变化和设备大修做变时。
第五节 CR的临床应用及评价
一．CR系统的临床应用价值
1．CR系统的优点：
（1）X线剂量比常规x线影像在一定程度上有所降低。
（2）IP替代胶片可重复使用。
（3）可与原有的x线摄影设备匹配使用，放射技师不需要特殊训练。
（4）具有多种处理技术，如谐调处理、空间频率处理、时间减影、能量减影、体层伪影抑制、动态范围控制等。
（5）具有多种后处理功能，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、多幅显示以及减影等。
（6）显示的信息易被诊断医生阅读、理解，且质量更易满足诊断要求。
（7）可数字化存储与传输，进入网络系统，节省胶片，无需暗室和储片库。
（8）实现数据库管理，有利于查询和比较，实现资料共享。
2．CR影像的特点
（1）高灵敏度。
即使采集很弱的信号时也不会被噪声所掩盖而显示出来。
（2）具有较高的空间分辨率。
在CR系统中，10英寸×12英寸的IP的空间分辨率可达到3．3LP／mm，能够分辨影像中较小的细节。
（3）具有很高的线性度。
所谓线性就是指影像系统在整个光谱范围内得到的信号与真实影像的光强度是否呈线性关系。
人眼对光的感应为对数关系，对细微的细节改变不能觉察，但在临床研究中往往需要做一些定量的测量，良好的线性度至关重要。
在CR系统中，在1：
10的范围内应具有良好的线性，非线性度小于1％。
（4）大动态范围，即系统能够同时检测到极强和极弱的信号，能把一定强度的影像信号分得更细，使影像显示出更丰富的层次。
（5）优越的识别性能。
CR系统装有曝光数据识别技术和直方图分析，能更加准确地扫描出影像信息，显示最理想的高质量图像。
（6）宽容度大。
CR系统可在成像板获取的信息基础上自动调节光激励发光的量和放大增益，在允许的范围对被摄物体以任何X线曝光剂量获取稳定的、最适宜的影像密度，同时获得高质量的影像。
这样就可以最大限度地减少X线照射量，降低患者的辐射损伤。
3．CR影像的不足
（1）时间分辨率差，不能满足动态器官的影像显示。
（2）空间分辨率相对较低。
在细微结构的显示上，与常规X线检查的屏－片组合相比，CR系统的空间分辨率有时显得不足。
（3）早期的CR机曝光剂量偏高。
临床应用表明，与常规屏．片系统相比，除了对信噪比要求不严格的摄影部位外，要获得等同的影像质量，CR影像所需的曝光剂量高出30％，甚至更多。
第二章 DR成像技术
数字化x线摄影系统（digital-radiography，DR）的研制，并在20世纪90年代后期取得了突破性进展，出现了多种类型的平面X线摄影探测器（flatpannldetector FPD）。
平板探测器DR技术的出现是医学X线摄影技术的一场革命。
DR较之CR具有更高的空间分辨率、更高的动态范围、更低的X线照射量，图像层次更丰富，在曝光后几秒内即可显示图像，大大改善了工作流程，提高了工作效率。
根据DR成像技术的不同，可分为直接数字化x线成像（非晶硒）、间接数字化x线成像（非晶硅）、CCDX线成像、多丝正比电离室成像等。
第一节 直接数字化X线成像
DR系统最重要的部件是平板探测器，直接数字化X线成像的平板探测器利用了非晶硒的光电导性，将X线直接转换成电信号，形成全数字化影像。
（一）基本结构
非晶硒平板探测器的结构主要包括以下四部分。
1．Ｘ线转换介质
Ｘ线转换介质位于探测器的上层，为非晶硒光电材料，利用非晶硒的光电导特性将X线转换成电子信号。
当x射线照射非晶硒层时，可产生正负电荷，这些电荷在偏置电压的作用下以电流的形式沿电场移动，由探测器单元阵列收集。
2．探测器单元阵列
探测器单元阵列位于非晶硒的底层，用薄膜晶体管（thinfilmtransistor，TFT）技术在玻璃底层上形成几百万个检测单元阵列，每一个检测单元含有一个电容和一个TFT，而且每一个检测单元对应图像的一个像素。
电容储存着由非晶硒产生的相应电荷。
3．高速信号处理
由高速信号处理产生的地址信号顺序激活各个TFT，每个储存电容内的电荷按地址信号被顺序读出，形成电信号，然后进行放大处理，再送到A／D转换器进行模／数转换。
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