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系统原理

DR系统原理—泛太斯堪原理及应用

摘要：

   21世纪医学影像的主流将是全面数字化，作为最常规的医用诊断设备－X线机也将全面走向数字化。

本文主要介绍了PAXSCAN直接数字成像（DR）系统的原理、主要性能以及与传统产品的比较。

  随着计算机和电子技术的飞速发展，超声、CT、DSA、MRI、SPE-CT、PET等全新的影像成像技术进入医学领域，丰富了医学影像学的诊断信息，提高了影像诊断水平，同时实现诊断信息数字化，为逐步建立数字化医学影像家族的图像存储传输系统（PACS）和远程诊断学系统奠定了基础。

这些数字影像诊断成功经验促进了X线摄影数字化的进展。

  全数字化放射学、图像引导及远程放射医学作为相互关联的技术将成为21世纪的主流而使医学影像学的面貌焕然一新。

RSNA第84届年会，1998年12月在美国芝加哥召开。

在会上,Varian公司推出了PAXSCAN直接数字成像系统。

据年会传出的信息：

全世界50％的放射科将在5年内全部数字化而成为无胶片科室；70％的放射科10年内实现。

在设备引进时，数字化X线机自然应列为首先。

  PAXSCAN4030是40cmX30cm非晶硅直接数字化平板成像系统。

该系统是由非晶硅影像板、高清晰度监视器和装有高性能软件的工作站组成，可以省去任何摄影X线胶片。

曝光后立即成像，PAXSCAN产生一个12-bit灰阶的图像,具有胶片相同的图像质量。

PAXSCAN系统安装简单直接,专门为医院现有X光机升级为数字X光机而设计。

一、术语（Glossary）

1、非晶硅（Amorphoussilicon）

  硅是通过蒸化沉淀成型的一种非晶体薄片.常规集成电路是由晶体硅晶片组成。

晶体硅晶片是生长晶（growncrystals）的切片。

非晶硅装置可以做的比晶体大的多，因为需要的是非单晶。

非晶硅对于X线接收器来说是最理想的材料，因为非晶硅对放射线的伤害是免疫的.供成象器使用的非晶硅被搀入氢和扩散P/N掺杂物产生P/N结。

2、碘化铯（Cesiumiodide）

  大部分高效的闪烁体在诊断X线能量段内，碘化铯具有高X线接收和高可视光子产量。

搀入钠（sodium）产生兰光，在核粒子检测器中被用作光电阴极.搀入铊（thallium）,被用为硅检测器,因为它产生绿光。

CsI:

Na具有极强的吸湿性和易潮性,一般使用需要环境控制。

CsI:

TI适度吸湿但易保护,适合在空气中使用。

对于成像,这两种类型逐渐开发成为一种高密度的细柱,供给一个光导纤维,提高分辨率。

3、带自动焊接

  传感器上的每行和每列必须独立和外部电子设备连接。

这些连接的空间常常比象素的尺寸还小.为了连接上千个节点,小的柔性印刷板被使用,每个板含有一个集成电路,在玻片上汇集了许多信号（一般128或更多）到节点（20-30）。

低密度端容易与带附加电子设备的印刷电路板焊接。

高密度端使用一个各向异性的导片与玻片连接控制温度和压力。

因为柔性电路一般为一卷像胶片,至少在大容积上,吸附过程（attachmentprocess）由机器完成。

该技术称为带自动焊接,该方法称为TAB吸附。

为了方便现在称小的柔性板为TABs。

4、调制传递函数（Modulationtransferfunction）（MTF）

  与对比度传递函数相似,是由比条纹更准确的正弦波（sine）组成的光学图表示。

选择频率信号的振幅（amplitude）被称为该频率的调制深度。

整个系统的MTF可以用单个元件的MTF相乘来定义。

二、原理

1、传感器平板（SENSORPANEL）

  传感器平板的目的是聚集通过X线接收产生的电荷,逐行扫描电荷放大器。

电荷存储设备是光电导体成象器内的电容器或使用闪烁体的平板内的光电二极管.熟知允许电荷溢流的开关可以是一个二极管,一个二极管对或一个薄片三极管.所有这些存储装置的组合都可以工作,每一个都有其缺点和优点.Varian产品中使用了光电二极管TFT的组合,因为该组合使用简单,工业有效（市场上可以买到）,设计灵活.

2、非晶硅传感器平板的放大（Photomicrographofana-Sisensorpanel）

       图中,开关使用的是一个薄片三极管（TFT）,非常像使用在液晶显示的活动矩阵里的开关。

平板设计中一个重要的目的是取使用光电二极管（高占空因子）的成象器的最大区域,这样使到达光的量浪费最小。

信号通过细金属线传输,该传感器平板的象素中心矩是127微米，占空因子是35%。

当前,瓦瓦里安产品中使用的是高占空因子的平板。

3、非晶硅平板电路图（Circuitdiagramofanamorphoussilliconsensorpanel）

      在运行中,光电二极管通过加给它的一个外部电压反向偏置.当TFT开关低时,通过闪烁体的光产生的电荷聚集在二极管上.读出时,这一行被给与电压,打开这一行的开关.电荷从被选中行的所有二极管中沿数据线同时流出.在大型电路中,这样将产生几千个信号必须同时被读出。

瓦里安已经开发了一个用户128通道低噪音装置,具有大的电荷存储容量。

该目的是为了适应非晶硅传感器平板宽的动态范围。

三、X线转换（X-rayconversion）

  三种方法转换X线为可读出的电荷可用非晶硅来完成.它们是本征导电；光敏电阻和闪烁体方法。

每种方法都有它的缺点和优点，把它们应用到X线成象器上都有一定的局限性。

在所有方法中，每桢被读出之前,电荷被聚集,Gamma摄像机记录它所接收到的X线光子数。

此技术基本上没有被用于X线成像,因为收到的X线光子太多而不能记录。

1、本征电导方法（TheIntrinsicMethod）

  到达的X线被非晶硅二极管捕获,产生空穴－电子对.应用极把电荷分开。

因为每5电子伏X线能量,产生一个电荷对,信号高。

由于非晶硅接收的X线非常低,所有光电二极管需要10-20mm厚。

制造这样厚的非晶硅设备是不可行的.本征电子装置是用晶体硅制造的，一排或二排可以使用,但价格比较高。

2、光敏电阻原理（ThePhotoconductorMethod）

      光敏物质具有比硅更高的对X线的接收能力，在光敏物质上涂一层传导电荷的采集板作为一个电容器。

当X线被接收,它同样产生空穴-电子对但产生的电荷必须被存储在外层，防止外部串扰。

应用场不仅可以隔离电荷，而且还可引导电荷到正下面的采集板,修正图像锐化。

通常，光敏电阻，硒也有相对低的X线吸收能力,要求大约20电子伏才能电子-空穴对。

这限制了需要的最小剂量和产生信号的大小。

具有低能量要求和高X线吸收的其它物质正在开发。

3、闪烁体原理（TheScintillatorMethod）

       闪烁体是一种吸收X线并把能量转换为可见光的化合物。

好的闪烁体每个X线光子可以产生许多个可见光光子,每1kVX线输出20－50个可见光光子。

闪烁体通常是由高原子序数的物质组成，高原子序数的物质有高的X线接收能力,和一个低浓度的催化剂，它直接把光谱转换为可见光光子散射。

闪烁体是粒状的像磷或晶体像瑟二极管。

4、磷闪烁体结构      磷是一种受到X线发光的物质。

用于X线成像的磷是由稀土硫氧化物搀入其它稀土元素组成.通常是硫氧化钆（gadolinium）和硫氧化镧（lanthanum）搀入铽（terbium）.它们发射兰到绿光极易和胶片灵敏度相匹配。

使用不同的颗粒和化合物可以产生不同的分辨率和亮度.在使用时,它们与蓝色黏合剂混合,涂上塑料薄膜。

这种设计可以紧贴X光胶片提高灵敏度。

但它们也紧贴非晶硅光电管使电子X线检测器灵敏度至少和胶片一样好磷屏产生一个可见光光子需要几十电子伏,X线接收是好的。

涂层必须厚来阻止高能射线，否则光散射是一个问题。

5、碘化铯闪烁体结构 为了分辨率和亮度更好的结合，铯二极管被使用。

CsiI有实用的特性，在适当的蒸发条件下,它随着细针的排列密度而变化（10-20mmindiameter）。

这样产生的晶体作为光导管,可见光光子产生在输入层附近,输入层要求比较厚（upto1mm）,保持高的分辨率.因为铯有大的原子数,它是一个优秀的X线接收器,所以,这种金属对于输入的X线非常适用。

产生每个光子需要20-25电子伏。

当搀入铊（thallium）CsI激发出550nm的光，正是非晶硅光谱灵敏度的峰值.在当前的产品的中,碘化铯与非晶硅的结合具有最高的DQE值材料。

四、传感器平板

       传感器平板的目的是聚集通过X线接收产生的电荷，逐行扫描电荷放大器。

电荷存储设备是光电导体成象器内的电容器或使用闪烁体的平板内的光电二极管。

熟知允许电荷溢流的开关可以是一个二极管,一个二极管对或一个薄片三极管。

所有这些存储装置的组合都可以工作，每一个都有其缺点和优点。

Varian产品中使用了光电二极管TFT的组合,因为该组合使用简单,工业有效（市场上可以买到）,设计灵活。

1、非晶硅传感器平板的放大（Photomicrographofana-Sisensorpanel）

       图中，开关使用的是一个薄片晶体管（TFT），非常像使用在液晶显示的活动矩阵里的开关。

平板设计中一个重要的目的是取使用光电二极管（高占空因子）的成象器的最大区域,这样使到达光的量浪费最小。

信号通过细金属线传输,该传感器平板的象素中心矩是127微米，占空因子是35%。

当前，瓦里安产品中使用的是高占空因子的平板。

2、非晶硅平板电路图（Circuitdiagramofanamorphoussilliconsensorpanel）｝

   在运行中，光电二极管通过加给它的一个外部电压反向偏置.当TFT开关低时,通过闪烁体的光产生的电荷聚集在二极管上。

读出时，这一行被给与电压，打开这一行的开关。

电荷从被选中行的所有二极管中沿数据线同时流出。

在大型电路中，这样将产生几千个信号必须同时被读出。

瓦里安已经开发了一个用户128通道低噪音装置，具有大的电荷存储容量。

该目的是为了适应非晶硅传感器平板宽的动态范围。

五、实时处理

1、主处理器      从传感器平板成像程序的初期,瓦里安就已经掌握了该原理，数据离开瓦里安产品之前,所有图像处理必须提供给用户一个实时的清晰准确的图像数据。

更进一步，很明显这些处理不得不致力于硬件,因为商用图像处理板很昂贵,必须依靠标准计算机。

对于这些成象器,被设计为16-bit的程序管路处理器，处理40兆象素/秒，用FPGA装置执行。

实时的功能包括:

       偏移量（offset）校正和增益,逐个象素（pixelbypixel）

       黑电平箝定（clamping）

       污点插补（blemishinterpolation）

       桢积累（accumulation）和均化（averaging）

为了支持该处理器在不同操作模式下具有图像校正数据,每个NVRAM和SDRAM达128Mbit被提供。

2、辅助处理器（AuxiliaryProcessor）

    用户要求的后处理，第二插入式处理器可以被增加。

这样可以提供下面这些附加的实时功能:

       X线曝光控制,图像数据柱型图窗口化

       扫描转换为常规视频格式

       查找目录（tables）,GAMMA校正

       降噪可变递归滤波

   所有这些功能都是通过外部软件控制。

3、读出放大器       从传感器平板上读出信号必须满足一个与要求相冲突的凌乱分类。

最佳的性能要求噪音低、动态范围宽和响应速度快。

物理条件约束要求多通道被压缩到小区域内，防止串扰和过热。

平板的电阻，电容和缺点必须给予补偿。

采样信号所必须的所有功能和合并成一个单独的数据串必须被包括。

为了满足这些迫切的需求，瓦里安公司已经开发了一个用户多通道电荷放大器。

该专利设备的突出特点是:

       128独立通道

       低噪音,大动态范围

       相关双通道取样（correlateddoublesampling）

       128-to-1输出多路器（Multiplexer）

       1x,2x,or4x芯片存储（on-chipbinning）

       有源噪音去除（activenoisecancellation）

       输入ESD保持

该放大器被安装在用户TAB包。

六、PAXSCAN与其它成像系统的比较

以前的实时X-射线成像（照相和透视）一般包括一个摄像机和可把X射线转换成可见光到镜头上。

近来，除了仅用CCD的新系统，带影像管的摄像机已很普通。

CCD系统（和其它使用电晶体成像设备）和影像管相比,在稳定性、几何精确度、信号一致性和体积方面都有优越性。

当增加X射线转换设备时，这些优点已不存在。

传感器平板成像器则补充了这些优点，以图示说明：

1、带有X-射线成像增强器CCD

      这种组合提供在大面积范围内低流量的X射线实时成像系统。

几何失真和易磁化性相对于图像亮点很高，由于增强剂的获得依赖于电子加速度，外部磁场易受此干扰，因此要求电压很高。

2、双镜头的CCD

       由于镜头的光学采集效率很低,这种组合需要射线流量高或一个实时操作的增强摄像机。

反射从初级X射线束移动摄像机。

改变视野或能量波段如同改变转换屏幕一样容易。

3、带有光纤缩减器（reducer）的CCD

       这种组合适用于小面积情况,几何失真性和一致性很好,提供适应各种能量波段的不同屏幕。

在高能量段时,从初级线束移动摄像机可能需要一个直角缩减器。

4、传感器平板成像器       平板成像器简单性避免了象其它大多数成像器退化的最大可能。

提高了动态范围、对比度和几何性。

转换器可供选择。

在高能量段,只有扫描和读取设备需要放置在主线束以外。

七、影像接受器规格

       影像传感器类型 大格式非晶硅a-Si:

H

       有效区域282mmx406mm（11.1英寸X16.0英寸）

       格式（象素数目）2232x3200（7.1百万象素）

       分辨率（象素大小） 127μm

       动态范围 2000:

1

       模数转换器12位

       非均匀性 修正后1%

       MTF,调制传函参数 X线80kVp条件下的标准屏幕,在每毫米2 线对时大于35%

       单幅图像传输时间到达计算机约需5秒

       X线转换屏幕Gd2O2S:

Tb:

TbKodakLanexRegular

       影像系统尺寸50cmx36.6cmx4.6cm

       影像系统重量约9.1kg

       电源系统尺寸25cmx25cmx9cm

       电源系统重量约3.6kg

       电源交流115伏,60赫;220伏,50赫

八、PAXSCAN4030-M工作站

1、影像显示

       高分辨率图形用户界面（GUI）和图像显示

       1280x1600x75Hz逐行显示

       高亮度，高对比度黑白显示器

2、用户界面

       图形化用户界面

       可定制的键盘控制

       友好的用户操作方式

3、硬件规格

       奔腾II

       WindowsNT平台

       256MRAM内存

       4GBSCSI-2高速主硬盘

       4GBSCSI-2高速备份硬盘

       PCI网络接口卡

       X线接口卡

       高分辨率视频显示卡

       计算机鼠标键盘

       可选配8GBRAID主硬盘

       可选配光盘存储器

九、图像处理功能

1、数字X线影像

       影像修正

       影像自动存储至病人数据库

       影像显示

       影像效果数字增强功能

       在线影像重现及处理

       数字存储和图像修正,可添加病人信息注解及时间

       X线控制界面

2、临床图像处理

       最优对比度及分辨率增强功能

       窗宽窗位及正/负片显示

       边缘增强

       图像滤波功能:

旋转,中位,边缘提取

       图像移动及缩放

       电子准直器

       图像注解任意放置

       绘图工具可标定区域

       可选择删除文字和局部图形

       图像多格式显示

3、图像文件操作

       文件目录便于管理及选择

       由目录至主显示窗口撏戏艛功能

       图像无级旋转

       图像垂直,水平翻转

       多种显示格式1:

1,2:

1,4:

1,6:

1,9:

1,12:

1,16:

1

       文件删除功能

       屏幕拷贝至参考任务（应用软件）

4、图像测量

       直线长度测量

       与水平轴角度测量

5、图像存储及文件管理

       多任务病人文件系统

       用户可选择图像,任务及病人文件进行删除

       重现储存的病人文件或数据库中的多个任务

       可生成病历研究任务

       可进行多个病人文件删除

       可进行多个病人任务删除

       可进行指定图像文件删除

       病人文件列表打印

       在线大容量硬盘存储能力

       以BMP文件格式屏幕拷贝至其它设备

6、影像打印影像通讯功能

       多任务后台胶片打印

       通过PC并行口打印

       WindowsNT网络功能

十、PAXSCAN系统特点

      外形设计紧凑可方便安装到现有摄影X线系统内

       动态范围广,软件功能强大减少了因不正确的曝光参数引起的重拍次数

       病人流量增加,曝光后图像传输至高分辨率高清晰度黑白显示器只需5秒

       自动对比度和分辨率功能减少了操作的必要性,同时人工图像处理能够对特定区域进行处理

       节约空间,网络及归档软件可以代替昂贵的洗片机和庞大的胶片存储设备

       多幅同屏显示,图像选择快速有效  

金标ＤＲ系统配置

配置

1.ProVario50X-ray高频发生器

2.支撑泛太斯勘及球管的支架；可变胶片距:

120cm至180cm。

3.插入泛太斯勘的BUCKY可用/可不用滤线栅曝光,离子室,AEC；泛太斯勘可旋转90°

4.滤线栅44/cm,12:

1,150cm

5.三视野离子室

6.手动准直器

7.高压电缆14m

8.X光球管RAD14,带球管卡圈

9.PAXCAN4030直接数字成像板

10.PAXCAN数字系统（工作站/21"立式监视器/软件/连接电缆）

PAXSCAN数字系统

影像板高清晰度监视器装有高性能软件的工作站

PAXCAN4030直接数字成像板规格

成像板类型大格式非晶硅a-Si:

H有效区域282毫米X406毫米（12英寸X16英寸）格式（象素数目）2232X3200（7.1百万象素）分辨率（象素大小）127μm动态范围2000:

1模数转换器12位非均匀性修正后1%调制传函参数（MTF）X线80kVp条件下的标准屏幕,在每毫米2线对时大于35%单幅图像传输时间到达计算机约需5秒

X线转换屏幕Gd2O2S:

Tb

PAXSCAN4030-M工作站

影像显示高分辨率图形用户界面

1600X1200逐行显示高亮度,高分辨率黑白显示器

用户界面

图形化用户界面可定制的键盘控制友好的用户操作方式

硬件规格

奔腾III600MHzWindowsNT平台

256MRAM内存

8GBSCSI高速主硬盘

1.44"软驱可读写光去驱

PCI10/100网络接口卡

AGP32MB视频卡

X线接口卡计算机鼠标/键盘

图像处理功能

数字X线影像图像修正图像自动存储至病人数据库图像显示图像效果数字增强功能在线影像重现及处理可添加病人信息注解及时间

X线控制界面可选配RS232发生器通讯端口

临床图像处理

最优对比度及分辨率增强功能窗宽窗位调整及正负片显示边缘增强图像过滤功能:

旋转，均化，锐化,图像平移及缩放电子准直器图像注解任意放置绘图工具可标定区域可选择删除文字和单幅图像图像多幅同屏显示

图像文件操作

文件目录便于管理及选择由目录至主显示窗口搜索功能图像无级旋转图像垂直,水平翻转多种显示格式1:

1,2:

1,4:

1,6:

1,9:

1,12:

1,16:

1文件删除功能屏幕拷贝至参考任务（应用软件）

图像测量

直线长度测量角度测量

图像存储及文件管理

多任务病人文件系统用户可选择图像,任务及病人文件进行删除重现储存的病人文件或数据库中的多个任务可生成病历研究任务可进行多个病人文件删除可进行多个病人任务删除可进行指定图像文件删除病人文件列表打印大容量硬盘存储能力以BMP文件格式屏幕拷贝至其它设备

影像打印

多任务后台胶片打印通过PC并行口打印

DICOM3.0打印

DICOM病人文件打印

DICOM任务打印

DICOM当前任务打印

影像通讯功能

DICOM3.0发送功能

DICOM病人文件发送

DICOM任务发送DICOM当前任务发送

WindowsNT网络功能