【医学图像处理】X-ray Fluoroscopy 荧光检查

荧光检查是使用实时X射线成像。它曾经利用自1950年代末以来一直使用的图像增强器，但现在使用的是平板探测器，其类似于投影放射学中使用的数字射线照相术。

定义

Fluoroscopy

• 在临床室的显示器上查看实时成像
• 矩阵较小（512 x 512像素），仅当时间分辨率而非空间分辨率优先时才需要8位灰度
• 可以获取连续的（电影）或脉冲荧光图像

荧光照相 Fluorography

• X射线曝光完成后通常形成并查看的图像
• 与荧光透视法相比，在更高剂量下可获得更好质量的图像
• 矩阵通常为1024 x 1024像素，每个像素代表10位灰度信息

“ 灰度”数字X射线成像模式 ‘Greyscale’ digital x-ray imaging modes

• 例如荧光检查，数字心脏和数字斑点成像，其中的图像类似于平片X射线照片或倒置的图像。

减法数字成像

例如血管造影。拍摄的基础图像然后从具有对比度的图像中减去以得到仅显示对比度的图像。

图像增强器（Image intensifier ，II）

IITV系统的特征在于能够将输入光转换为更高的输出（增益或增强）。X射线II射线管是被金属外壳包围的真空玻璃或陶瓷外壳（用于屏蔽外部光源和磁场）。

图像增强（或放大）的程度由亮度增益（G_Brightness）给出，该亮度增益是输出屏幕的亮度与输入屏幕的亮度之比。

G_亮度 = G_最小值 x G_通量, G_最小值=最小增益, G_通量=通量增益

反过来，最小化增益描述了由于II管中图像的缩小导致亮度增加了多少。

G_缩小 =（D_输入 / D_输出）^2，D_输入 =输入屏幕的直径，D_输出 =输出屏幕的直径.

在测量II管放大信号的能力时，我们无法测量输入屏幕的亮度，这限制了G_亮度的使用。现在，我们使用图像增强器转换因子（G_x）。

G x = L / X’ ,L = II输出的亮度（单位=坎德拉m^-2）, X’= II输入剂量率（单位=μGys^-1）

影响II管亮度增益的因素：

• 放大倍数 -
• • 缩小（即最小化）的电子光学因子。放大倍数更多=增益更高
• • 缩放区域：G x与输入区域的减小成正比
• Flux -
• • II管两端施加的电压差越高=通量增益越高

G_minification ~ 100, G_flux ~ 100, G_x ~ 10-30

设备配置

• 标准R和F：
• • 带有台下式II系统的台式X射线管
• • 桌子可以倾斜和旋转
• • 放射科医生站在病人旁边来操作系统
• 遥控器R和F：
• • X射线管安装在病床上方，II系统下方
• • 更高的散射剂量，因此放射线医师必须站在屏幕后面才能通过遥控器操作操作系统
• 固定C臂：
• • II型X射线管和II型系统连接到C型结构，可以根据需要旋转和上下移动患者
• • 可以安装在天花板或地板上
• 移动C型臂：
• • 可通过轮子运输到需要的地方的系统，例如剧院

影像增强系统（IITV）

• II型X射线管的内部结构：

• • 输入画面
• • 电光
• • 输出级

1）输入画面

1. II输入窗口

• 凸面金属屏蔽层覆盖II的输入面
• 通常由铝或钛箔（低Z金属）制成，以使X射线束以最小的衰减进入
• 为管子的敏感输入组件提供保护并保持真空

2.输入荧光粉

• 的层钠激活的碘化铯（CSI：Na）的良好的X射线吸收效率（70-90％）
• 引导进入细小的针状晶体（直径5µm），具有类似光纤的特性
• 沉积在薄铝基板上
• CsI：Na厚度通常为400-500µm
• 每个X射线光子在蓝色光谱中产生约3000个光子

  3.光电阴极

• 然后，荧光粉发出的荧光会被吸收在光激活的阴极中，该阴极包含非常薄的锑铯（SbCs3）合金层，其光谱灵敏度与CsI：Na的蓝光发射非常匹配
• 荧光光子的吸收在II管体内释放出电子模式
• 每个吸收的X射线光子释放约200个电子

II电子光学

输入屏幕相对于阳极（输出屏幕）保持在负电压，电位差为25 kV。这意味着产生的电子会加速通过II电子管，并仔细聚焦在输出屏幕上。输出屏幕是输入屏幕直径的1/10，因此会产生缩小和反转的图像。

• 电子聚焦

聚焦电极是管内的金属环，相对于光电阴极保持为正电压。这限制了电子管中的电子沿着将其直接引向输出屏幕的路径行进，从而使落在屏幕上的电子强度模式精确地（但最小化）了输入屏幕上模式强度的复制品。

• 放大

通过电子束的电子聚焦以电子方式实现放大。如果对输入屏幕的较小区域进行了采样，则图像仍会显示在输出屏幕的同一区域（输出图像尺寸保持不变）。这导致图像放大。由于使用的信号较少，因此图像的亮度较低，因此需要更高的剂量。但是，随着图像放大，分辨率会更好。

放大原因：

• • 图像亮度降低，所需剂量增加
• • 更好的分辨率

II输出级

输出画面

沉积在输出窗口内表面上的薄层银活化的硫化锌镉（ZnCdS：Ag）晶体将电子转换为光子。通过电子的加速和II管中出现的图像的缩小，输出图像得到了显着增强。屏幕的直径通常为25-35毫米，厚度为几微米。

输出屏幕的该表面涂有非常薄的铝层，该铝层可以：

• 构成阳极结构的一部分
• 高速电子穿过铝层
• 该层是不透明的，防止了磷光体发出的光反照光光电阴极并降低了II性能。光被反射回输出端，从而增加II管的增益。

输出窗口

这是一个光学透明的玻璃块端口，增强的光图像通过该端口离开II管。输出窗口中的光散射或光晕会严重降低II输出图像的对比度。可以通过以下方法使光晕最小化：

• 烟熏玻璃
• 特殊光学涂料
• 非常厚的玻璃
• 光纤束

图像显示

使用电视成像系统，来自输出屏幕的图像显示在监视器上。

II电视摄像机

这些在临床实践中不再使用。

电子电视摄像管

电视摄象管使用的电子束逐行扫描。扫描方向由围绕管子外部排列的聚焦和偏转线圈确定。

确定分辨率：

• 垂直分辨率取决于扫描线的数量
• 水平分辨率取决于系统的带宽（较高的带宽=较低的分辨率）

电荷耦合器件（CCD传感器）

固态CCD传感器取代了电子电视摄像机的镜筒。CCD中的每个像素都有一个关联的电极。将正偏压施加到在硅衬底的区域中形成“势阱”的电极。

1. 光子（来自II输出）被吸收到CCD（光敏阵列）的硅基板中
2. 每个光子产生一个电子-空穴对
   • 正极的“漏洞”流失了
   • 负电子积聚在势阱中
3. 然后将这些电荷包转移到遮光存储阵列中
4. 然后从存储部分逐行读取数据
   • 在每个像素处累积的电荷量与入射光的强度成正比

好处

• 小巧，便宜，紧凑，低功耗
• 自扫描图像读取
• 滞后可以忽略不计（对于视频透视检查很重要）
• 出色的热，电和磁稳定性
• 出色的可维护性和长寿命
• 与数字X射线成像模式的兼容性

画面质量

自动亮度控制（ABC）

又名自动剂量率控制。ABC的目的是保持独立于检查的恒定观看条件。这是通过mA和kV调节完成的。通过对视频信号进行电子采样或通过使用光电传感器测量II光输出来确定需要更改mA或kV。

ABC允许的剂量取决于所使用的模式：

• 最低患者剂量率模式
• 标准患者剂量率模式
• 高患者剂量率模式（高图像质量） NB ABC用于荧光检查，自动曝光控制（AEC）用于荧光检查和射线照相。

数字图像处理

为了改善图像在屏幕上的外观，可以将几种算法应用于数字图像。

灰度处理

• 灰度范围压缩
• 用于抑制或突出显示强度并改善图像的对比度平衡。通过使用模拟（视频）电路或通过查找表（LUT）来实现
• 对比度和亮度调节

空间过滤

• 类似于投影射线照相中的边缘增强
• 改善显示的空间分辨率
• 最适合用于高对比度图像，例如钡GI研究

时间过滤

• 这用于降低噪音水平
• 当前帧与一组先前帧取平均值。这会产生数字生成的滞后，以消除噪声波动。同样，通过组合多个帧产生的较高信号也会导致较小比例的噪声
• 最适合准静态结构

平板探测器

平板探测器使用与数字射线照相技术相同的技术，因为有一个平板探测器可以提供直接的电子读数，而不需要像IITV那样将模拟转换为数字。类似于数字射线照相，动态FP检测器可以是直接的也可以是间接的。但是，它们通常与CsI：Tl X射线​​闪烁体层间接结合，该层叠加在a-Si高分辨率有源矩阵上。

• 好处

• • 较小的设备
• • 视频信号以数字形式出现，从而降低了电子噪声
• • 正方形或矩形场（与IITV中的圆形场不同）=角落处的覆盖范围更好
• • 矩阵大小为2048 x 2048像素的时间分辨率更好
• • 每像素12或14位的灰度
• • 产生比IITV更好的图像质量
• • 更少的伪像，例如几何失真，渐晕或对比度损失
• • 侦探量子效率比IITV高10-20％，因此可以降低患者剂量
• • 可用的缩放选项（但不会像IITV那样增加空间分辨率）

数字减影血管造影

使用荧光检查的常见程序是数字减影血管造影（DSA）。在此过程中，通过从图像中删除背景解剖结构来突出显示对比度轮廓结构。这分四个阶段完成：

1. 获取蒙版图像（IM）以记录解剖背景
2. 对比注入。所获取的一系列图像，它们显示出对比度的到达和减小（对比介质增强图像，I C）
3. 通过数字处理器减去图像帧。减去组1和组2共有的任何结构（即，所有背景解剖结构但不填充对比结构）
4. 放大对比信号以增强血管显示对比度

DSA的伪像

DSA最独特的伪像是misregistration 配准错误：

• 结构移动甚至1毫米也会导致配准错误。
• 计算机会通过以下方式纠正这些问题：
• 像素移位（对比图像和蒙版图像在扣除之前会在空间上偏移，以补偿运动）和
• 重新遮罩（在后期阶段，而不是初始遮罩中，重新遮罩到图像）

剂量

给病人的剂量

用皮肤剂量率，即每单位时间的剂量，可以更好地代表患者的剂量。

最大入口皮肤剂量率限制为每分钟100 mGy

减少患者剂量

• 设备安装
• • X射线束的严格准直
• • 适当的X射线光谱过滤器可最大程度地减少患者皮肤的剂量率
• • 增加患者和X射线源之间的距离
• • 最小化患者和II入口之间的间隙 如果可能，请移除防散射网格
• 成像程序
• • 避免以相同的投影角度不断成像
• • 尽可能减少X射线束的照射时间
• • 具有最低剂量率的ABC模式可用于诊断图像
• • 脉冲透视检查法，如果可能的话，以最小可接受的脉冲率
• • 避免使用II变焦
• 数字流程
• • 最后一张图像
• • 道路制图-在造影剂注入阶段获取的数字荧光透视图像。然后从后续的透视图像中实时减去该图像，以突出显示注入对比的结构并去除背景解剖
• 荧光成像
• • 最大化目标血管（例如动脉内而不是静脉内）中造影剂的浓度，以增加信号并因此降低剂量

给员工的剂量

• 杂散辐射：
• • 距焦点1米处的灯管外壳泄漏每小时应小于1 mGy
• • 来自患者的X射线散射是员工剂量的最大贡献。1m距离的〜0.1％的患者剂量
• • 来自房间结构的X射线的二次散射

    减少员工剂量

    使用铅围裙和其他辐射防护罩，例如手套，眼镜和甲状腺防护 铅橡胶布和活动铅玻璃罩 与患者保持最大距离 监控员工个人剂量

20200519