医用X射线机支撑装置深入探究文献综述.docx

1、医用X射线机支撑装置深入探究文献综述工程硕士学位论文开题报告 论文题目: 医用X射线机支撑装置的深入研究 主 题 词 : 数字X线摄影机 CR DR 工程领域: 医疗设备 领域代码: 学生姓名 : 焦寒冰 学 号 : GS0702138 导师姓名 : 江月松 开题时间 : 2009年11月26日 北京航空航天大学电子信息工程学院第一章 X射线成像技术在医学中应用人体各个组织、器官在发挥功能和进行代谢时都会伴随有某种信息产生。如果我们能够采集这些信息,并对其加工、处理,就能对人体的健康情况有所了解,对疾病进行有效的预防和治疗,从而提高人类生活和健康水平。一般说来,人体的信息可以表现为多种能量形式

2、。例如,电的、光的、热的、压力的、化学的等等。但从信息检测方面来说,可以将这些信息分为两大类,即电的信息与非电信息。对于电信息,例如心电、脑电、肌电、胃电、肠电等,可以直接用生物电极将其连接到生物放大器进行放大,然后数字化,送到计算机分析和处理。对于非电信息例如体温、脉搏、血压等,则要用相应的传感器将它们转换为电信号,然后加以处理。早期对于人体信息的处理限于离散的数据点、连续改变的生理曲线。虽然,这些处理结果在临床上具有一定的意义,但很到不直观。人们不再满足这种方式,希望能够直接看人体内部,甚至微观的图像,从而对人体组织形态以及病理改变有个直观的了解。随着科学技术的发展,各种医学图像应运而生,

3、并得到迅速的发展。下面对X射线成像技术进行详细的理论分析。1.1常规X射线成像一、 伦琴开创了人体图像的先河 提起医学图像,我们不能不提及一位伟大的科学家,他就是德国物理学家伦琴。1895年11月8日伦琴在研究阴极射线管中气体放电现象时,用一只内嵌两个金属电极(阳极和阴极)的密封玻璃管,在电极两端加上几万伏的高压电,用抽气机将玻璃管内空气抽出。为了遮住高压放电时的弧光外泄,在玻璃管外面套上一层黑色纸板。他在暗室中进行这项实验时,偶然发现约两米远的凳子上出现一片亮光。原来,那儿放着一块做别的实验用的涂有铂氰化钡(一种荧光物质)的硬纸板。他觉得很奇怪,是什么原因使这原来并不发光的纸板发光了呢?阴极

4、射线(电子束)不能穿透空气这么长的距离,他敏锐地猜测,这很可能是管子发出的某种未知的“东西”到达纸板,使铂氰化钡发光。伦琴就用数学上通常表示未知数的符号“X”给这未知的射线命名,称做“X”射线,并用“X”射线给他夫人的手拍照。这就是人类史上第一张医学图像。为了纪念他,人们将“X”射线又叫做伦琴射线。1901年,伦琴本人也因为这一重大贡献获得第一个诺贝尔物理学奖。一百多年来,X射线照相技术在临床医学上得到日益广泛的应用,成像技术本身也在不断地发展。在现今社会中,几乎应用在所有的医院和诊所之中。二、 X射线摄影与屏-胶片系统X射线成像是基于待成像物体各组成部分组织的密度不同,因而对X射线的衰减不同

5、,从而形成透射X射线强度差异,导致在乳胶片上成像的。入射强度为的X射线通过厚度为的物体。输出X射线强度与该物体的衰减系数有关,即如果X射线通路上有n种组织,其衰减系数与厚度分别是i和xi,则输出X射线强度为作为接受器的平板荧光屏,将出射的X射线能量转换为可见光。由于屏的亮度较低,只能在暗室中观察。为了解决荧光屏亮度低的问题,人们研究出了影像增强管。在影像增强管中,碘化铯等材料制成的荧光屏和光电阴极紧密相接。入射的X射线与荧光屏作用后产生可见光,可见光又使光电阴极产生电子,这些电子经过一个透镜系统加速并聚焦在输出荧光屏上。使带有影像增强管的X射线图像质量明显改善,可以在明室内观察,达到临床应用的

6、要求。这就是我们常说的X光透视检查。由于病人的检查结果需要备案,以便对病人的发病史和治疗过程进行跟踪,而使用涂上感光乳剂的胶片与荧光增强屏组成的屏-胶片系统,可以得到高分辨的X射线图像,胶片所记录的X射线图像可以长期保留和备案。1.2 X射线计算机断层扫描成像在X射线透视和摄影技术中,显然得到的X射线图像是X射线通路上物体对射线吸收的积分效果。一个大小和密度相同的肿瘤或病灶,无论在体内前、中或后部,它在X射线照片上表现的图像是一样的。也就是说,X射线图片不能反映组织或病灶的三维空间位置,这就需要采用计算机断层扫描技术(computed tomography,简称CT)。一、 CT断层成像扫描方

7、式 如果我们设想将人体水平方向上的剖面划分为许多正方形或长方形的小单元(称做像素, pixel),为了简便起见,这里仅用22像素矩阵。然后在人体周围沿不同方向不断改变X射线源及接收探测器的位置。这样,每次X射线通路上都有不同的像素组合,探测器会记录响应的强度值。设每个像素对X射线的衰减记作fi,则每条X射线通路上物体对射线总衰减Pj与fi的关系可用线性方程组表示。显然,求解该方程组得到各个fi的数值,再将其映射成相应的灰度值并显示再荧光屏上,就得到这个断层的图像。要想得到完整的物体断层图像,就必须使X射线扫描范围覆盖整个物体。在X射线的发展过程中,经历了三个不同的阶段(见图1)。首先,是使用单

8、一的点X射线源-探测器对沿某个方向平移。每移动一次,相当获取一条光线数据。从头到尾扫描一趟得到一个角度上的数据。然后X射线源-探测器对同步旋转一个角度,再获取一组数据。依此,每隔一定角度获取一组数据,直至旋转一周。另一种扫描方式是使用点X射线源-平板探测器阵列对构成扇型扫描,扫描过程相同,但节省很多时间。再一种扫描方式是使用点X射线源-弧状探测器阵列对构成扇型扫描,扫描过程相同,效率和性能均有较大提高。图1. 三种不同的扫描方式图2. Radon变换重建图像图3. 人脑CT断层图像比较(a)1972年,(b)2005年二、 CT断层图像的反投影重建从探测器数据生成断层图像的过程称做图像反投影重

9、建。在线性方程组求解过程中,系数矩阵的行列式值可能为零,无法用计算逆矩阵的方法求解。即使用奇异值分解等其他方法,由于断面图像数十万像素,方程组的求解也是十分困难的。其实,关于断层图像的重建, 1917年奥地利数学家Radon就已从理论上证明了利用投影重建图像的可能性。但由于计算量很大,直到今天才得以实现。Radon变换可以从02每隔1度的一维傅里叶变换组合,或直接进行二维傅里叶变换,然后再做二维逆傅里叶变换重建图像(图2)。目前医用CT广泛使用的是滤波反投影方法(filtered back projection, FBP)。三、 三维计算机断层图像技术重建的断层图像只是物体的一个层面。要想获得

10、整个物体的三维信息,还要将点X射线源-探测器对沿方向一起平移并对下一个层面扫描。当扫描范围超过物体的大小时就可以停止扫描。所获得的一系列二维断层图像数据构成三维体数据(volume data)用于计算机图像的后处理,进行感兴趣区的三维重建。这就是计算机断层扫描技术(CT)。最早的CT并非用于医学。20世纪六七十年代,随着半导体技术的迅速发展,半导体集成电路的集成度越来越高。在一个很小的芯片内封装成千上万个晶体管和电阻、电容等器件。大规模的生产线需要对半导体芯片缺损进行快速检测,工业CT应运而生。这种CT技术能否用于人体的检查呢?如果从上到下逐层对人体某一部位扫描,这些串起来的层片就构成了人体的

11、三维图像。当代图像重建理论最杰出的贡献者之一是美国的物理学家CormackAM。他自20世纪50年代起发表了一系列论文,不仅证明了在医学领域中从X射线投影数据重建图像的可能性,而且提出了相应的实现方法,并完成了仿真与实验研究。真正设计出一个装置能够实现人体断面成像的是英国工程师Housfield G H。在1972年英国放射学年会上,Housfield公布了计算机断层成像研究结果。CT的发明是20世纪最重大的科学技术成就之一,也是放射学史上一个里程碑。为此,Housfield与Cormack共享1979年诺贝尔生理和医学奖。四、 重建图像灰度与X射线衰减系数的对应关系CT重建的图像是衰减系数的

12、分布。人体内部大部分软组织的衰减系数与水的衰减系数相近,因此不能用计算得到的值直接成像。在实际应用中,通常将值转换为一个相对值CT值。CT值又称Hounsfield数,定义如下:CT值=1000,其中与分别为组织和水的衰减系数。CT值用HU表示。例如水的HU值是零,空气的HU值为-1000,骨骼的HU值为+1000。人体组织的HU值可以跨越从几百到数千的范围。由于常规显示图像灰度范围是(0255),所有的X射线图像装置都配有窗宽、窗位调节功能,可以将感兴趣的HU值区间映射到(0255)全灰度范围,便于观察病灶细节。五、 CT断层图像的特点(1)与二维X射线透视和摄影技术的直接物理成像不同,CT

13、图像是通过计算机按照某种数学模型计算出来的结果并重建的图像。图像的质量完全取决所采用的算法。(2)就图像剖面而言,二维X射线透视和摄影技术得到的图像是X射线从前到后穿透人体得到的人体正面像,而CT断层图像则是从上向下看到的水平剖面。(3)二维X射线透视和摄影技术得到的图像没有物体形状、大小和彼此间的空间关系,较难理解。CT技术使我们能够看到人体的内部,传统的平面的医学图像立体化了。1.3二维X射线医学成像技术的发展和应用虽然CT断层图像的出现给人类医学带来划时代革命性转变,由于方便易用,价格便宜和医院已有设备沿袭,二维X射线透视和摄影系统仍然在医院广泛应用,不可取代。相应的技术也有迅速的发展。

14、一、 数字减影血管造影通常的X射线图像中包含血管、骨骼和软组织。但在血管疾病诊断中只希望突出血管结构。数字减影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)可以将X射线血管造影剂注入血管,并在同一部位摄下注入造影剂前后的两幅图像,然后相减得到清晰的血管图像。二、 计算机放射成像计算机放射成像(computed radiography, CR)自上世纪80年代起,已经成为应用最广泛的医学成像设备之一,CR使用数字化影像板( image plate, IP)替代传统X射线成像胶片。它将影像以能量潜影形式暂时储存在IP板的荧光闪烁层内,之后再通过高能量激光束激发扫

15、描,荧光闪烁层能量释放并发出可见光,被光电二极管读取并转换为数字信号,为图像后处理。与传统屏-片系统相比,避免了图像质量易受增感屏类型及曝光条件影响,无须冲洗胶片,灵敏度高,动态范围宽(10000: 1),图像矩阵为25002000,图像可擦除、可反复使用。因为已经形成数字影像,便于计算机处理和与医学图像存档及通信系统(PACS)联接。最新推出的IP双面读取技术增加荧光体涂层总厚度,提高X射线光子向荧光转换的效率。临床数字化CR应用从钨靶X射线四肢摄影到钼靶X射线乳腺摄影,已涵盖全部X射线摄影体位。在应用于床旁摄影和急诊时,CR较为灵活,对于旧X射线设备采用影像板数字化,CR也是一种重要的过渡

16、手段。三、 直接数字化X射线摄影(digital radiography,DR)DR以非晶硒/非晶硅大面积薄膜晶体管(TFT为核心部件。它的非晶硒探测器不需要任何中间步骤就可以直接将X射线转换为电信号,形成数字化图像。相对其他普通X射线设备, DR承载的信息量最大,成像效果最好。特别是DR具有数字化图像的优势,可进行各种图像后处理。利于实现医院全数字化。 第二章 数字化影像设备CR和DR随着医学影像的迅猛发展，传统X线摄影已逐渐显示其弊端, X线机也将全面走向数字化。由此，计算机放射摄影(Computed Radiography;CR)和直接数字化摄影(DireetRadiography;DR

17、)应运而生。2.1 CR成像原理CR是以成像板IP(Imagingplate)为影像载体来替代传统的X线胶片，采用与常规X线摄影一致的投照技术，在X线对成像板曝光的同时记录下X线影像信息，接过信息的读取与处理后，即可获得数字化的X线影像信号。CR的构成包括2大部分:成像板与信息读出装置。成像板是X线影像的接受体，准确地说，是一个影像信息的采集与信息形成的转换部件，其外观和结构形式如同X线摄影用的增感屏，是由保护层、成像层、支持层和背衬层复合而成的一块薄板。成像层中的氟卤化钡晶体，是记录影像的核心物质，该晶体内的化合物经过X线照射后可将接受到的X线模拟影像以潜影的形式储存在晶体内。一般来说，这种

18、潜影信息在IP中的留存时间可达8h以上。当需要解读时，可用激光束扫描成像板激发储存在晶体内的潜影能量，使之转换成荧光输出。信息读出装置的作用是将成像板中储存的潜影信息解读出来。它由激光器、光扫描器、光电倍增管、放大器洒少D转换器、影像处理单元和输出接口等组成。在IP被装人信息读出装置人口后，激光器发出的精细激光束经机械移动光扫描器的放射，逐行扫描到欲被解读潜影信息的IP成像板上。.在激光束扫描的同时，被驱动系统IP不断向前推进，于是在既定时间内激光束可将lP完整扫描一遍。激光所照射之处，IP上的晶体被强光激发，产生“光致发光”现象，有蓝色荧光出现，荧光亮度的强弱与该点潜影信息密度为线性关系。该

19、荧光被沿着激光扫描线设置的高效光导器采集，并导人光电倍增管，由此转化为相对应的电信号。在送入电路系统经过A了D信号变换，即可被用于数字图像处理，输出到影像显示、储存或传输通讯系统。2.2 DR成像原理DR是指在专用计算机控制下，直接读取感应介质记录到的X线影像信息，并以数字化再现或记录影像的技术方式。它是由通过电缆串接在一起的电子暗盒、扫描控制器、系统控制及影像显示器等构成。其使用方法更为简练，将电子暗盒置于与X线管相对应的患者身后，接收到的X线信息被直接变化为数字信号，经由电缆传输至系统控制部分处理成影像。DR系统直接将X线光子通过电子暗盒转换为数字影像，其基本原理是:透过人体后的X线有不同

20、程度的衰减，作用于电子暗盒内的硒层上。硒层光导体按吸收X线能量的大小产生与X线强弱成正比的正负电荷对，顶层电极与集电矩阵间高电压在硒层内产生电场，使X线产生的正负电荷分离，正电荷移向集电矩阵直至存储于薄膜晶体管内的电容器中，矩阵电容器中所存的电荷与X线影像成正比。随后扫描控制器控制扫描电路读取每个矩阵电容单元的电荷，将电信号转换为影像信号，进而形成数字化影像。数字化影像数据经过处理、运算后，在显示器上显示或者进人储存装置存档。电子暗盒被设计为平板状，主要由探测器矩阵、硒层、电介层、顶层电极和保护层等组成，硒有很高的光电导率，并对X线有很高的敏感性。硒的下方是X线的探测器矩阵，矩阵中的最小单元为

21、一个像素。探测器矩阵在行和列方向上都与外电路相连并被编址，在专门的控制电路作用下按一定规律把各个像素的储存电荷读出，并形成14bit数字信号输出。 2.3 CR和 DR的比较一、 成像原理的比较DR是一种X线直接转换技术，它利用硒作为X线检测器，成像环节少;CR是一种X线间接转换技术，它利用影像板作为X线检测器，成像环节相对DR较多。DR和CR将穿透被照射物体后的X线信息转化为数字信息，灰阶由胶片的256级提升至2048级，能在计算机中处理，因而可通过软件和功能实现图像的优化，图像质量大大提高。DR的核心技术是它的平板(FP)、采用一个带有碘化艳闪烁器的单片非结晶硅面板。将吸收的X光信号转换成

22、可见光信号、再通过低噪声光电二极管阵列吸收可见光，并转换为电信号，然后通过低噪声读出电路将每个像素的数字化信号传送到图像处理器，由计算机将其集成为X线影像，以DOE为评价参数，DR是最高的，因而其图像层次丰富、影像边缘锐利清晰，细微结构表现出色。CR则将信息首先记录在涂有氟化钡的IP板上，再通过扫描装置实现数字化转换，其曝光条件仍由所匹配的x线成像设备所限制，因而图像与DR相比略逊。CR的图像对比度和噪声的表现也不错，这可能与其摄影时使用较高的mAs有关。图像质量的提高提升了诊断医师的满意度，大大减少了疾病的漏诊和误诊。二、 图像分辨率的比较DR无光学散射而引起的图像模糊，其清晰度主要由像素尺

23、寸大小决定;CR系统由于自身的结构，在受到X线照射时，影像板中的磷粒子使X线存在着散射，引起潜像模糊;在判读潜像过程中，激光扫描仪的激发光在穿过影像板的深部时产生散射，沿着路径形成受激荧光，使图像模糊，降低了图像分辨率，因此，当前CR系统的不足之处主要是时间分辨率较差，不能满足动态器官和结构的显示。三、 DR是今后的发展方向就目前而言，电子暗盒的结构为14xl7英寸，由4块75x8英寸采集板所组成，每块的接缝处由于工艺限制不能做得无缝，且一块损坏毕将导致4块全部更换，不但费用昂贵，还需改装现有的X线机设备。而CR的相对费用较低，且多台X线机可同时使用，无须改变现有设备。四、 CR系统更适用于X

24、线平片摄影其非专用机型可和多台常规X线机匹配使用，且更适用于复杂部位和体位的X线摄影;DR系统则较适用透视与点片摄影及各种造影检查，由于单机工作的通量限制，不宜取代大型医院中多机同时工作的常规X线摄影设备，但较适合于小型医疗单位和诊所的一机多用的目的。事实上，CR和DR系统在相当长的一段时间内将是一对并行发展的系统。五、 能显著降低患者接受的X线剂量传统胸部高kV投照较以前采用低kV已使投照剂量有所减少，而DR和CR同样采用高kV进行胸部摄片，患者所受的X线剂量更少。DR的屏感光度最高可达4(X)，甚至1以洲)，很低的X线量就能成像，通过数字化图像处理技术能获得理想的诊断图像。CR的屏感光度为

25、200，与常用的增感屏相当，同样能实现小剂量成像，而使用与传统投照方法相同的剂量时，图像质量明显要好。六、 DR和CR强大的质量控制模块和后处理技术保证了图像质量的稳定性。DR所具有的自动曝光控制技术(Automatic ExpOsure Control;AEC)，其原理是通过设定不同的探测区域(电离室)，在曝光前准确测量了打在患者身后X线胶片上辐射的剂量，当达到屏幕胶片联合使用的预定剂量时自动关闭X线系统，这就保证了只采用最小的所需剂量，结果图像表现出一致的黑度，由于图像中的错误而使X线检查重复进行的可能性也得到减小。同时用这种方法摄影时，也可间接地减少患者的照射剂量。通过AEC技术，配合其

26、工作站上的多种处理模式，使成像质量稳定且操作简单化，无须进行任何人为的调整和再处理。CR之曝光指数(ExposureIndex;ED参考值和EVP值(增加图像的视觉范围并同时保留图像细部的对比度)是影响图像质量的重要参数。不同的部位都有不同的EI和EVP值，对应有各自的图像处理曲线，能使扫描转换后的图像达到最佳，因而可通过控制手动曝光量，使每次曝光后的EI值尽量接近所对应的参考值，再利用EVP处理，达到监控图像质量的目的。但由于成像和后处理缺乏直接的关联，要获得质量好的图像，仍需要一定的技术和经验以取得合适的摄影条件，使其操作的简易性和图像质量的稳定性逊于DR。七、 DR摄影明显缩短了病人的等

27、候时间、体现了“以病人为中心”的服务宗旨。DR是直接式数字摄影，在曝光后26s即可成像，再通过PACS网络约10s的输送存储，即可供影像工作站即时调用，调用时间为24s，整个胸部正侧位从摄影到影像生成共需2min。CR在数字化处理器(Digitizer)中的扫描时间约70s，整个摄影过程约需6min，与传统X线摄影的时间相当或稍快(例如使用多槽扫描方式时)。在传统X线摄影中，从患者检查至发报告，共约7min(以一名患者照完片马上冲洗计算，若多人时此时间会更长)。DR与CR和传统X线摄影比较，分别将检查时间减少了71%和20%，DR则比CR减少了67%。由此可见，DR能更有效地缩短病人检查和获得

28、报告的时间，从而改善了医疗服务质量。第三章 DR的临床应用DR系统因其影像的采集、显示、转输、存储、后处理等技术的组合使用,操作方便、快捷、减轻劳动强度等优势在临床X线摄影中得以广泛的应用。3.1 材料与方法Hologic DR系统,男性患者(包括肋骨骨折、肺内占位性病变等)12例,1765岁;女性患者(包括肋骨骨折、肺内占位性病变等)10例,2270岁。曝光条件胸部正位:120kV,8mAs;侧位:130kV,12mAs,固有滤过是0.5mm的铜,附加滤过是1mm的铝。处理技术使用DR后处理中的局部放大、图像反转、消噪、伪彩色以及灰和空间频率调节等技术对以上患者的图像进行后处理。3.2 结果

29、由于DR的空间分辨率高(3.6LP/mm),可进行病灶的局部放大处理功能,并且图像土出现放大失真,使得影像的清晰度得以明显的提高。为了进行比较,同时进行了相应病人的CR摄影检查,其中有14例CR、DR共同发现患者的病变,但有5例CR影像没有发现明显异常或者显示不够清晰,再经DR摄影以及进行后处理后发现了微小病灶,3例DR、CR均未发现明显异常。(图1)所示为一45岁、男性患者,左下肺有一个小的低密度病灶(3.3mm*3.4mm),一般情况下很可能误诊或漏诊,通过放大处理后病灶显示的非常清晰(经CT和病理证实为肺癌),(图2)为病灶局部放大图。(图3)所示为一43岁、女性患者,左侧第六肋骨骨纤。

30、常规显示状态下,病变模糊不清,经过放大和边缘强化处理后,病灶得以清晰显示(图4)。以上功能都是在DR高空间分辨力的基础上实现的。3.3总结 DR有其低耗,高质量图像的无胶片化,对受检者和检查者低辐射损伤,图像分辨率较高,光宽容度大,工作效率高,强大的图像后处理等优点,以及它在控制台操作上运用图标化设计,且直观易操作,并在操作界面上可同时观察到病人及其检查信息,曝光条件设置,检查辅导,预览图像等功能。为技术员的操作提供了很多的方便,在工作效率上有了很大的提高。DR成像系统能在计算机上对图像进行处理,医师可通过计算机配置的软件功能进行影像的放大、缩小、测量、影像的增强、黑白反转、区域裁剪、图像灰度

31、、边缘柔化,锐化等方法观察投照部位和病灶的内部情况,医师通过显示屏对灰度值进行调节,有重点的观察某个病灶局部,而传统X胶片的黑白对比度和亮度是固定的,不可以调节。所以放射科医师在观察DR影像时要比传统X胶片更加主动,更加直观,并能更好的做出诊断。DR在临床的运用为X线摄影成像注入了新的研究方法和诊断疾病的依据,是普通X线摄影技术和诊断方式的一次革命。参考文献1 WilliA K. Computed Tomography: Fundamentals, System Technology, ImageQuality, Applications. MCD Verlag, 20002 JamesAM.

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