第十章 CR和DR成像理论

第十章 CR和DR成像理论

第一节 CR

计算机X线摄影（简称CR），是光激励存储荧光体（Photostimulable Storage

Phosphor，PSP）成像。

CR利用IP取代传统的屏/片体系，进行病人影像的高敏感性记录。尽管看上去与传统的增感屏很相似，但其功能有很大的差异，它在光激励荧光体中记录X线影像，并使其影像信息以电信号方式提取出来，是实现常规X线摄影数字化的最早成像技术。

一、成像原理 （一）工作流程

1、信息采集（acquisition of information） 传统的X线摄影都是以X线胶片为探测器，接受一次性曝光后，经冲洗形成影像，但所获得的影像始终是一种模拟影像。CR系统实现了用成像板来接受X线的模拟信息，然后经过模/数转换来实现影像的数字化。对IP的曝光过程就是信息采集。

2、信息转换（transformation of information） 是指存储在IP上的模拟信息转化为数字信息的过程。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（processing of information） 是指使用不同的相关技术根据诊断的需要对影像实施的处理，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（archving and output of information） 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。一张存储量为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，那么，每张盘可以存图像5000幅。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。

（二）成像原理

在CR成像系统中，成像板（IP）作为一种辐射接收部件替代了常规X线摄影用的胶片，成为影像记录的载体。

成像板上涂有一层“光激励荧光体（PSP）”，选用的材料必须具有“光激励发光（PSL）”的特性。许多化合物具有这种特性，但适宜X线摄影所需要特性的却为数不多。最接近

2+

X线摄影要求的化合物是“碱土卤化物”，如BaFBr:Eu，BaF(BrI):Eu2+，BaSrFBr:Eu2+。

微量的Eu混杂物加在光激励荧光体中，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。

曝光后的成像板，由于吸收X线而发生电离，在光激励荧光体的晶体中产生电子/空穴对（陷阱）。一个电子/空穴对将一个Eu跃迁到激发态Eu，以俘获电子的形式存储的能量形成潜影，也就是说，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。当Eu在适当波长的附加可见光能量的激励下，再返回到基态Eu时，会将俘获的能量以可见光的方式被释放出来。

曝光后的成像板在读取仪内，经过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光激励发光（PSL）信号被释放出，它的强度与接受器中吸收的

2+

3+2+

3+

2+

X线光子的数量呈正比。蓝色的光激励发光（PSL）信号从红色激光中分离，导入一个

或多个光电倍增管。

最常用的激光是HeNe（λ=633nm）激光和“二极管”（λ=680nm）激光，光激励发光的波长为390nm-490nm范围，恰好与光电倍增管（PMT）光电阴极探测敏感度的波长（400nm）相匹配。

光电倍增管将接收到的光信号转换成电压，电压经过增幅，输入模/数转换器转换成数字，通过釆样和量化，以数字影像矩阵的方式存储。

对采集到的原始数据影像分析，确定有用影像的相关区域，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，重建出影像在监视器上显示或通过打印机打印出照片影像。

影像读取过程完成后，IP的影像数据可通过施加强光照射来消除，这就使得IP可重复使用。

（三）相关概念解释

1.扫描方向 又称激光扫描方向或称快速扫描方向，指的是沿激光束偏转路径的方向。

2.慢扫描方向 又称屏扫描方向或称副扫描方向，指的是成像板传送方向。IP的传送速度根据不同的IP尺寸来选择，使扫描和副扫描方向上的有效采样尺寸相同。

3.激励发光信号的衰减 当激励光停止后，光激励发光的信号即刻由强变弱直至消失，此过程称之为衰减。各种荧光物质的荧光衰减时间长短，用衰减时间常数表示。成像板中氟溴化钡?铕（BaFBr:Eu）晶体的光激励发光信号的衰减时间常数约为0.8ms。这是一个限制读出时间的主要因素，它制约了激光束横越荧光体板的扫描速度。

4.模数转换速率 指模/数转换器在单位时间内将输入的模拟信号转换成数字信号的频率。在CR系统读取中，模数转换器转换光电倍增管（PMT）信号的速率远大于激光的快速扫描速率，是快速扫描速度的2000倍，约与扫描方向的像素数相对应。

5.自发荧光消退 曝光后的成像板中已形成潜影，既便成像板未被读取，仍在暗盒内存放着，随着时间的推移，俘获的信号会呈指数规律逐渐消退，这种现象称为自发荧光消退。

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。信号的消退在读取时表现出曝光的不足，故要求我们在工作中对曝光后的成像板及时读取，以消除自发荧光消退的影响。

二、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，实现这种功能的装置就是曝光数据识别器(Exposure

2+

Data Recognizer 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来很好地控制图像的质量。

(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来运作的，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，运用有效的成像数据的最大值

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贮存的理想成像数据。

EDR的功能和CR系统工作原理将归纳为四个象限来进行描述，如图11-1-1所示。 图10-1 四象限理论示意图

（一）第一象限

涉及IP的固有特征，即X线的辐射剂量与激光束激发IP的光激励发光（PSL）强度之间的关系。二者之间的关系在大于1:10的范围是线性的。该线性关系使CR系统具有高敏感性和宽动态范围。

（二）第二象限

涉及输入到影像阅读装置（image reader，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。图11-1-1中所示，例1的读出条件由A线指示，使用了较高的X线剂量和较窄的动态范围；例2的读出条件由B线指示，使用了较低的X线剂量和较宽的动态范围。由于在第一象限中IP性质的特性化和在第二象限的自动设定机制，成像与显示的特征是分别独立控制的。读出的影像信息被馈送到第三象限的影像处理装置中。

（三）第三象限

涉及影像处理装置（image Processor,IPC）显示出适用于诊断的影像。也就是说，显示的特征是可以独立控制的，可根据诊断要求施行谐调处理、空间频率处理和减影处理等，使影像能够达到最佳的显示。

（四）第四象限

涉及影像记录装置（image recorder,IRC）。馈入IRC的影像信号重新被转换为光学信号以获得X线照片。IRC对CR系统使用的胶片特性曲线自动实施补偿，以使相对于曝光曲线的影像密度是线性的。这样，第四象限决定了CR系统中输出的X线照片的特性曲线和常规X线照片的特性曲线不同。CR系统的特性曲线是依据X线剂量和成像范围自动改变的。

4

上述四象限理论中，第一象限涉及IP的固在特征，在系统运行中是不能调节的。第二至四象限则在系统运行中可充分调节，实施影像处理功能。

2009年“全国卫生专业技术资格考试指导”“放射医学技术“（33）

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三、曝光指示器

在CR的应用中,正确理解各种物理量的定义及物理意义,合理选择各种参数,是CR质量控制的重要内容，曝光指示器是CR的选择参数之一。

PSP系统可以在曝光不足或过度时都能提供适当的光学密度或影像灰阶输出值，这归功于大宽容度响应和将信号定标在预设输出范围的算法。运用不适当技术时潜在的问题因此可能被掩盖。

在成像板上具有平均入射照射量指示值来验证摄影技术是否正确，这一点十分重要。每一PSP生产商都有一种特定的方法来提供这种信息。对于Fuji来说，采用反比于入射照射量的感度值（Sensitivity number）。Kodak提供曝光指数（Exposure

Index），直接正比于照射量的对数值。Agfa提供的指示值叫做lgM，它的值也与照射

量的对数值呈正比。Konica提供的曝光指数称REX（相对照射量）。这些（或其他）相对曝光指示值主要依赖探测器上吸收的能量以及在处理过程中PSL释放的强度，因此，能量积存和荧光体衰减都对曝光指数产生影响。照射野分割和直方图分析同样影响曝光指示值。同时，不恰当的使用处理算法也会使曝光指示产生变化。

对于所有的数字系统而言，在对被照体成像时，IP上的照射量在整幅影像中都有所不同。使用任何单一的数值来表达照射量是不可能的，即使是一个校准过的绝对曝光度量标准。事实上，所有的曝光指示器都是反映IP板上一些特定区域的统计特征（比如均值或中位数）。因此，我们要认识到，曝光指数只是探测器上照射量的估计值，而不是一个绝对值。另外，曝光指示值随kVp（峰值电压）的变化和IP的不同衰减/吸收对线束滤过作用的不同而不同。熟悉和掌握由生产商提供的具体使用方法有助于进一步了解曝光指示的数值，并能够将这些值与探测器感度更好的结合，确定出最佳的校准方法。

1、Fuji系统

Fuji PSP系统使用感度值来实现对入射照射量的评估，此照射量穿过被照体后到达成像板。标准分辨率（standard resolution）的成像板在常规的处理条件下，在无滤过80kVp线束下通过以下公式得出系统的感度值：

成像板上较低（高）的入射照射量会产生较低（高）的PSL信号（取决于直方图分析）。这种情况下，需要增加（降低）信号的放大率来获得数字化的最优化信号范围。根据曝光直方图的形状，放大的量值间接地由系统感度值来表达。计算机算法根据不同的解剖特征描绘出不同的直方图形状，确定最大值、最小值和中位值。按照上面所述对信号的放大进行调整，将中位值映射为输出范围的中点。Fuji系统常采用的两种算法包括自动模式和半自动模式。自动模式是将整个图像的区域用于图像分割和直方图评估，而半自动模式则是对特定的图像区域（例如中央的10cm×10cm区域）。自动模式根据直方图的最大值和最小值间的像素点来确定曝光宽容度，而半自动模式则是预先设定宽容度的范围。第三种选择称为固定感度模式。在IP板读出时，用户要预先设定感度值。这种模式下的系统就类似于传统屏-片探测器，在摄影技术方面当然要求准确地选择。

2、Kodak系统

Kodak PSP系统所使用的曝光指数，与成像板上平均入射照射量的对数呈正比，计算公式为：

1mR的照射量（80kVp，0.5mmCu，1mm Al滤过）产生的曝光指数为2000。在相同准直系统下，10mR的照射量产生的曝光指数为3000，0.1mR产生1000的曝光指数。对荧光屏的照射量加倍时，曝光指数值增加300。因此EI的单位是“kilobels”（类似工程学中常用的单位分贝）。当使用高分辨PSP接受器（HR成像板）时，EI具有较低的范围，这是由于IP的衰减较低所决定的。

3、AGFA系统

AGFA PSP系统使用了一种叫做“lgM”的曝光指示值，它是原始直方图照射量中位值的对数。每一次AGFA PSP检查都设定一种感度等级（Speed Class），系统会以想要的感度为中心，对在4个数量级范围变化的照射量进行补偿。

lgM值指的是对成像板的实际照射量，与仅为平均灰阶值的扫描均值（Scanned

Average Level，SAL）有一种数学关系。用75kVp和1.5mm Cu附加滤过，感度等级

为200，2.2mR（20?Gy）照射量对成像板曝光产生的SAL为1800。作为PMT输出的方根放大的结果，感度等级200的SAL值的特性响应为：

SAL200 = 1214?[照射量（mR）]

SAL值随着感度等级S的方根值的增加而增加：

SAL（S）= SAL200?（S/200）

灰阶数值可重新表达为照射量的对数值，这里的4095等同于3.2768，零点未加定义。lgM与SAL的关系为：

lgM = 3.2768?log[（4095/SAL）]

联合以上三个等式并将其简化，lgM与照射量的确切关系为：

照射量（mR）= [（2276/S）?（10（

lgM?3.2768）

20.5

）]

从这个等式中可以断定，lgM的数值有0.3的变化时，对应于照射量将有两个数量级的变化。尽管lgM的绝对数值依赖于感度等级，但lgM和照射量之间的相对变化是与感度等级无关的。因此，lgM用“lgE”单位来表达，相当于贝尔（bels，B）。

这个相对照射量的范例，被合并到剂量监测软件中，并作为AGFA PSP系统的一个选件。对于每一检查、体位和暗盒尺寸，lgM的平均值要么经过50次检查后计算得出，要么手动设置。对于那种类型、体位和暗盒尺寸在后来的每次检查中，lgM值都要与标称lgM值进行比较。剂量的偏移同时以数值和温度曲线的形式表达出来。每种类型的最后100次检查的标称lgM值和平均统计结果可以打印或以电子格式保留。

4、Konica系统

Konica REX值由以下公式计算得出：

S = QR ? E1/E

这里QR是预置的量化范围，E1是成像板上产生数值1535时的照射量（mR）, E是成像板上用于计算S值的区域的平均照射量。以QR值200为例，在80kVp的条件下，

IP上1mR照射量，系统准值后显示数值为1535。因此，照射量1mR时对应的S=200 ?

(1/1)，照射量2mR对应的S值为100。

生产商通常是以在IP板上产生1mR的照射量（尽管能量会有变化）为基础的“目标”照射量，这样就很类似一个“感度200”等级的探测器。因为相对于感度400的屏\\片探测器，PSP IP的吸收效率较低，而我们需要获取与屏\\片基本相同的SNR。另外一点是，生产商用于校准的X射线质也有所不同。所有系统的曝光指数的稳定性主要依赖于kVp和滤过。目前我们正在努力制定一个标准化的方法，对所有的DR系统的曝光指示值进行校准，目前正由AAPM进行拟定。

2009年“全国卫生专业技术资格考试指导”“放射医学技术“（34）

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第二节 DR 一、概 述

1986年，随着DSA（Digital subtraction angiography）技术的问世，在布鲁塞尔第15届国际放射学术会议上首次提出数字化X线摄影（Digital

radiography，DR）的物理学概念，开启了计算机技术与传统X线成像技术结合的发

展进程。

常规X线检查实现数字化最早的是X线I.I-TV系统，开始时将摄像管输出的视频信号经A/D转换成数字信号输入给计算机重建出图像。CCD摄像机问世后，替代了原来的摄像管，CCD可将影像增强器输出屏的影像直接转换成数字信息输入计算机。当时称此设备为DR。

后来，CR问世，率先实现了常规X线摄影的数字化。20世纪90年代后期，薄膜晶体管（TFT）阵列等新技术推出，使数字X线摄影的探测器研制取得突破性进展，多种类型的固态一体化平板探测器(Flat panel detector，FPD)投入临床应用，将此类成像技术称为DR。

由于各生产厂家在DR成像设备中采用的成像元器件及成像方式不同，DR的设备类型越来越多。

随着硬件及软件不断的研发，DR的成像功能也越来越扩展，图像显示由静态到动态，由平片到体层，由重叠到减影，由局部到全长。设备的改进推动着医学影像技术和医学影像诊断学的发展。

二、直接转换式平板探测器 （一）概念

直接转换式平板探测器名称中有两层含义，一是直接转换，系指该探测器利用的光导半导材料是非晶硒，非晶硒俘获入射的X线光子后，直接将接收到的X线光子转换成电信号，故称其为直接转换。二是平板，系指探测器的单元阵列采用的是薄膜晶体管

(thin film transistor，TFT)技术。制成的探测器外形类似平板状，所以，这种探

测器称为直接转换式平板探测器。

多丝正比电离室探测器虽属直接转换式，但其结构非板形，是一种狭缝扫描装置，不属于平板探测器。

（二）成像原理

透过被照体的X线照射到平板探测器的非晶硒层时，由于非晶硒的导电特性被激发出电子-空穴对，即一对正负电子。该电子-空穴对在外加偏置电压形成的电场作用下被分离并反向运动，负电子跑向偏压的正极，正电子跑向偏压的负极，于是形成电流。电流的大小与入射X线光子的数量成正比，这些电流信号被存储在TFT的极间电容上。

每个TFT形成一个采集图像的最小单元，即像素。每个像素区内有一个场效应管，在读出该像素单元电信号时起开关作用。在读出控制信号的控制下，开关导通，把存储于电容内的像素信号逐一按顺序读出、放大，送到A／D转换器，从而将对应的像素电荷转化为数字化图像信号。信号读出后，扫描电路自动清除硒层中的潜影和电容存储的电荷，为下一次的曝光和转换做准备。

三、间接转换式平板探测器 （一）概念

间接转换型探测器系指X线影像信息在转换为电子信号过程中，中间需要经过光电转换之后再变为电信号。属于此类型的探测器有：间接转换式平板探测器（碘化铯+非晶硅，或使用硫氧化钆/铽+非晶硅）和闪烁体+CCD阵列探测器。因闪烁体+CCD阵列探

测器在制作过程中，闪烁体和CCD阵列之间需要有一定的距离，故探测器外形尺寸较厚，不属平板探测器。

（二）非晶硅平板探测器成像原理

位于探测器顶层的碘化铯(CsI)闪烁晶体，受到X线照射后，由于它的特性将入射的X线光子转换为可见光，可见光激发碘化铯层下的非晶硅光电二极管阵列，使光电二极管产生电流，从而将可见光转换为电信号，在光电二极管自身的电容上形成储存电荷。

每一像素电荷量的变化与入射X线的强弱成正比，同时，读出阵列还将空间上连续的X线图像转换为一定数量的行和列构成的总阵式图像。点阵的密度决定了图像的空间分辨率。在中央时序控制器的统一控制下，居于行方向的行驱动电路与居于列方向的读取电路将电荷信号逐行取出，转换为串行脉冲序列并量化为数字信号。获取的数字信号经通信接口电路传至图像处理器，从而形成X线数字图像。

四、直接与间接方式性能比较 （一）非晶硒平板探测器的评价

1．非晶硒FPD的最大优点是X线光子直接转换成电信号，无中间环节，不存在其他类型DR探测器因增感屏或闪烁体引起光线散射而造成的图像模糊效应，避免电信号的丢失和噪声的增加，提高空间分辨力。

2．非晶硒光导材料的分辨率特性好，灵敏度高，因此量子检测效率（Detective

quantum efficiency，DQE）和MTF高，空间分辨率可达3.6lp／mm，动态范围可达104—105，图像层次丰富，图像质量好。

3．非晶硒的吸收效率高，转换特性在1?10000范围内是线性的，曝光宽容度大，容许一定范围内的曝光误差，通过影像后处理修正图像质量；配合自动曝光控制功能，可基本杜绝因曝光参数选择不当所致重复摄影。

4．非晶硒FPD对环境要求高，需要较高的偏置电压；另外以硒为基础的探测器由于曝光后存在的潜影滞后，刷新速度慢，动态摄影速度受到限制。

5．大面积的TFT生产工艺复杂，在工业生产中存在较大难度。

（二）非晶硅平板探测器的评价

1.和非晶硒平板探测器一样，非晶硅平板探测器同样具有成像速度快、良好的空间及密度分辨率、高信噪比、直接数字输出等优点，其临床应用基本相同。

2.与非晶硒平板探测器成像方式相比，非晶硅光电二极管是将荧光材料转换的可见光再转换成电子信号的。X线一旦被转换成可见光，就会产生一定的散射和反射，使得有价值的信息丢失或散落，从而在一定程度上降低了X线感度和空间分辨率。

3.非晶硅抗辐射能力强，是理想的X线探测器材料，能适应多次曝光摄影和透视的工作需要，在获取高质量动态影像方面具有优势。

非晶硅和非晶硒两种平板探测器是目前DR成像设备中使用最多的类型机。

2.与非晶硒平板探测器成像方式相比，非晶硅光电二极管是将荧光材料转换的可见光再转换成电子信号的。X线一旦被转换成可见光，就会产生一定的散射和反射，使得有价值的信息丢失或散落，从而在一定程度上降低了X线感度和空间分辨率。

3.非晶硅抗辐射能力强，是理想的X线探测器材料，能适应多次曝光摄影和透视的工作需要，在获取高质量动态影像方面具有优势。

非晶硅和非晶硒两种平板探测器是目前DR成像设备中使用最多的类型机。

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