【医学图像处理】X-ray 数字射线成像

最初，使用的是胶卷胶片摄影技术，其中制作了X射线胶片的物理副本。现在，这些已被数字射线照相术取代。有两种不同的技术：计算机射线照相和数字射线照相。

1.计算机射线照相

所使用的带荧光屏的磁带。当X射线撞击时，它们在荧光粉中形成潜像。然后将盒带放到读取器上，上面放着激光，激光释放存储的光子，收集信号并将其数字化以显示在显示屏上。

2.数字射线照相

对于数字射线照相，不使用暗盒。X射线撞击固定放置的一组硬件，然后将数字信息直接发送到读出机制。

• 间接DR： x射线光子撞击到闪烁体层，然后释放出光子，然后撞击到将信号数字化的有源矩阵阵列

• 直接DR： x射线光子直接作用在光电导体层上，产生正电荷和负电荷。正电荷被吸引到存储潜像的电荷电容器上。然后通过TFT开关逐像素读取。

标准DR流程

1. 标准射线照相X射线管产生的X射线
2. 数字图像检测器捕获的图像
3. 通过模数转换器（ADC）数字化为数据流
4. 转移到系统计算机
5. 通过数模转换器（DAC）输出为视频格式
6. 图像的后处理
7. 显示在合适的显示设备上

计算机射线照相（CR）

X射线发光

X射线发光是在荧光屏中将X射线能量转换为光的物理机制。它涉及两种机制，它们在照射荧光屏时都会在某种程度上发生：

• X射线荧光：立即发射光。这是在丝网胶片射线照相中占主导地位的机制

• X射线磷光：这是指发光延迟了数分钟，数小时或数天的时间，并且可以通过将特定的彩色光照射到磷光体上来加速发光。这是CR中利用的机制。它允许将X射线能量临时存储在荧光屏中，以便稍后读取。

CR图像板（CR IP）

该板是一层磷光体晶体（由二价euro离子活化的氟代卤化钡制成）嵌入聚合物粘合剂中，其顶面由一层增韧的塑料保护。它通常为0.3毫米厚。

图像处理

1.潜像形成

X射线光子被吸收到磷光体晶体中，从而产生高能光电子。这会沿其轨道离子化大量原子，释放出数千个电子（一个吸收的X射线光子会产生超过100个被捕获的电子）。电子被暂时捕获在整个荧光粉晶体层的特定位置，从而产生潜像。

2.激光模拟发射

如果放置足够长的时间，电子会自发地放松回到其基态，并且图像会随着时间的流逝而衰减。在读出过程中，IP用红色激光束扫描，激发被捕获的电子，使其立即弛豫回其基态，并释放出存储的能量，使之成为光谱蓝色部分中的光子。然后，光子由光纤收集到光电倍增管（PM）。PM管产生电流。

3.重设纸盒

读数是“破坏性的”，因为它消除了潜像。然后在重新使用暗盒之前，将胶片暴露在强光下以消除任何残留信号。

4.图像的后处理

数字图像结构

像素点

空间分辨率取决于像素大小。每个像素以二进制格式记录一个与图像相应部分中信号强度有关的值。在二进制系统中，1位是灰色的一个值。

画面质量

曝光指数（速度）

曝光指数（EI）是对图像接收器上曝光量的度量。在屏幕胶片X射线照相术中，可以清楚地知道图像曝光不足或曝光过度，因为图像太亮或太暗。在数字射线照相中，图像的亮度以数字方式改变，不再有清晰的视觉链接。但是，如果图像曝光不足或曝光过度，则仍然可能通过引入噪声或降低对比度来影响图像质量。制造商测量EI曝光的理想程度。每个制造商都针对光学质量提供了推荐的EI范围。

评估EI的一种方式的示例是“敏感度数（S数）”，其计算公式为

S = 2000 / X

X =入射在IP上的剂量，S大小通常在200-300之间运行。S <200改善了信噪比，但增加了患者剂量；S> 400，当需要最小的辐射时，例如重复的儿科胶片。

幅度（动态范围）

与SFR（具有特征曲线）不同，动态范围非常高，剂量响应呈线性，这意味着CR在更宽的曝光范围内都能产生良好的对比度。

空间分辨率

改进之处：

• 较小的读出激光束直径（“读出”图像板的细线）
• 较小的像素
• 荧光粉晶体更小
• 荧光粉层更薄
• 没有光反射/吸收背衬层（尽管通过使用更多的光子进行图像生成来提高效率，但仍会产生散射）

空间分辨率最好通过调制传递函数（MTF）来描述。

调制传递函数

MTF表示输出与输入调制的比率。MTF为1表示成像和显示的空间分辨率相同。随着空间频率的增加，MTF会降低，直到添加噪声为止，无法可视化更高空间频率的细节- “极限空间分辨率” -并且MTF为0（即未传递任何信息）。

CR成像的探测量子效率（DQE）

DQE = SNR^2_输出 / SNR^2_输入

SNR =信噪比

DQE越高，检测器可以更有效地记录信息。DQE为0.25意味着检测器只能利用1/4的入射x射线光子。对于CR成像系统，通常为: 标准IP为0.25; 高分辨率IP为0.12

伪影

• 莫尔图案：当使用固定的X射线防散射栅格时，栅格的线性结构与数字化图像的常规像素阵列之间会存在干扰。

• 重影图像：由于前次曝光后残留的图像内容。

• 过高/过低的图像密度：由于数据自动量程软件的错误操作，先前是由于对X射线准直器的识别不正确。

• 过度的数字增强：例如沿高密度结构边缘的振铃效果或此类结构内的阴影。

数字射线照相

在CR中，必须将胶卷暗盒从患者下方取出，然后送入阅读器进行冲洗。在数字射线照相（DR）中，图像直接从图像检测器产生，并显示在屏幕上。

有两种类型：

• 间接DR： X射线→存储的电子→光子→读出电子设备

• 直接DR： X射线→充电→读出电子设备

间接DR

硬件

1）闪烁体层

大多数系统使用500μm的碘化铯（CsI：TI）薄层 作为闪烁体以捕获图像，并涂覆在a-Si：H有源矩阵阵列上（某些系统使用氧硫化g作为闪烁体层）。CsI：TI是一种通道晶体结构，可确保将由于记录图像的散射而导致的不清晰度降至最低。X射线光子的吸收会在光谱的绿色 部分释放约3000个光子。

2）有源矩阵

这由掺杂有氢的 非晶硅层（a-Si：H）形成，并形成了读出电子设备。有源矩阵由高分辨率的电子组件组成。每个像素通常包括：

• 光电二极管（光传感器）-放大来自入射光子的信号
• 电荷存储电容器-存储潜像信号
• 薄膜晶体管（或TFT开关）-潜像被读出并传输到TFT开关，从而产生电压信号，该电压信号被数字化并转换为图像

该电路（TFT和电荷存储电容器）占用了每个像素的一小部分区域，从而阻止了该区域中的图像形成。这是由填充因子计算的 。

填充系数=敏感面积/总体面积

3）TFT阵列

这是一种放大信号然后将其存储为电荷的设备。通过施加高电位可以释放和读取电荷。在阵列中，每个晶体管对应一个像素。

4）X射线窗口

探测器入口上方的半透明X射线窗口由铝或碳纤维制成，以最大程度地减少X射线光子的不必要吸收和散射。

图像形成

• CsI：TI吸收X射线光子并释放光子
• 这些光子然后被光电二极管吸收，电荷存储在每个像素位置的电荷存储电容器中
• 潜像被顺序读出到一组电荷敏感放大器（TFT开关）中
• 然后将生成的电压信号数字化并传输到建立DR映像的系统计算机

直接DR

使用一层X射线光电导体材料代替X射线闪烁器。

光电导体

这直接将X射线光子能量转换为自由电荷载体（电子和空穴），即切掉了“中间人”或光子。最常用的光电导体是 非晶硒 或 a-Se。

图像形成顺序

1. a-Se光电导体吸收的X射线光子
2. 在a-Se中产生电荷载流子（负电子和正空穴）
3. 处于正电位的表面电极会吸引并丢弃所有电子
4. 正电荷被吸引到形成潜像的电荷存储电容器上
5. 然后依次通过对每排TFT开关（每个TFT对应一个像素）进行门控依次读取潜像，以读取电荷图案并将其传输到一组电荷敏感放大器
6. 然后将生成的电压信号数字化并传输到建立DR映像的系统计算机
7. 后期处理

后期处理

伪影和校正

1. 伪影

• • 整个场的阴影不规则：由于X射线吸收层的灵敏度或增益的不均匀变化
• • 图像中的亮点/暗点或线条：由于有源矩阵阵列中缺陷像素的单独行和/或列

1. 校正

• • 增益校准：使用先前获取的掩模图像（包括用均匀X射线束获取的图像），然后从患者图像中减去该增益掩模图像
• • 像素校准：像素阵列中的缺陷可以通过使用参考图对正常运行的相邻像素的数据值进行插值来校正

自动量程

数据需要与显示设备匹配。

1。 识别相关图像场

1. 代表每个灰度值的像素数量的数据直方图的生成
2. 分析直方图以排除不包含临床信息（非常高和很低的值）的数据范围
3. 选定的灰度范围已归一化以匹配显示图像

数字图像增强

灰度修改

查找表（LUT）是系统地重映射所记录的图像中的灰度值的值的新范围，以改善以某种方式所显示的图像的方法。移位LUT梯度和位置可调整图像的平均亮度和显示的对比度。

空间特征增强

1. 锐化蒙版算法用于生成原始图像的模糊版本
2. 然后将其从原始图像中减去以生成仅保留图像中精细结构的图像
3. 将精细细节图像添加回原始图像
4. 产生增强的合成图像

显示器显示

阴极射线管（CRT）

通过用聚焦的电子束扫描荧光屏而生成的可见图像，这些电子都包含在真空玻璃管中。

平板显示器

大多数显示监视器基于液晶（LC）技术。将适当的电压分布施加到有源矩阵会在逐个像素的基础上调制光偏振，从而改变包括屏幕上看到的图像在内的发光。它产生具有更高分辨率和更少功耗的更高对比度图像。

硬拷贝

有时需要打印硬拷贝图像。使用激光打印机将硬拷贝图像记录到具有银晶体的胶片上，以产生潜像。通过加热胶片，将其转换为可见图像。这种“干式”薄膜处理消除了对传统化学处理的需求。

20200510