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1、摄影学成像原理全册配套最摄影学成像原理全册配套最 完整精品课件完整精品课件 医学影像技术系医学影像技术系 第一节第一节 人体基本构成人体基本构成 诊断诊断X线领域线领域 第一节第一节 人体构成人体构成 人体的构成分为组织元素构成，器官形态构成，空人体的构成分为组织元素构成，器官形态构成，空 间分布构成三大要素。间分布构成三大要素。 对对X X线成像而言，起决定作用的是组织有效原子序数，线成像而言，起决定作用的是组织有效原子序数， 组织密度，组织厚度。组织密度，组织厚度。 对对CTCT成像而言，起决定作用的是组织对成像而言，起决定作用的是组织对X X线的衰减。线的衰减。 对对MRMR成像而言，起

2、决定作用的是组织的成像而言，起决定作用的是组织的氢原子核分分 布和弥散状态。主要基于布和弥散状态。主要基于3 3个可变的生物学参数：个可变的生物学参数： 质子密度（质子密度（proton densityproton density） 纵向驰豫恢复时间（纵向驰豫恢复时间（T1 relaxation time)T1 relaxation time) 横向驰豫恢复时间（横向驰豫恢复时间（T2 relaxation time)T2 relaxation time) 1、人体基本元素、人体基本元素 人体几乎人体几乎99%是由氧、碳、氢、氮、钙和磷六个元是由氧、碳、氢、氮、钙和磷六个元 素构成。约素构成。

3、约0.85%是由钾、硫、钠、氯、镁五元素构成，是由钾、硫、钠、氯、镁五元素构成， 其余是人体必须的各种微量元素。其余是人体必须的各种微量元素。 http:/ 人体十大元素人体十大元素 http:/faculty.southwest.tn.edu/rburkett/nature_of_molecules.htm 2、人体组织成分的物理性能、人体组织成分的物理性能 5.551.651.8511.613.8C.O.H.Ca骨骨 3.170.915.96.3C.H.O脂肪脂肪 3.361.007.4H.O.C肌肉肌肉 3.431.007.4H.O水水 0.0031.2910-5 7.6C.O空气空气

4、每立方米电子数每立方米电子数 （1026电子电子m 3） ） 密度密度 （kg.cm 3） ） 有效原子序数有效原子序数 ( ) 构成元素构成元素.物质物质 Z 3、人体组织类型、人体组织类型 按照人体组织类型，大体分为；按照人体组织类型，大体分为； 1、骨组织（骨皮质、骨松质、软骨）、骨组织（骨皮质、骨松质、软骨） 2、软组织（包括皮肤、肌肉、内脏、软骨）、软组织（包括皮肤、肌肉、内脏、软骨） 3、液体（血液及体液，密度和软组织相似）、液体（血液及体液，密度和软组织相似） 4、脂肪组织、脂肪组织 5、某些存在人体内的气体、某些存在人体内的气体 4、人体组织原子序数、人体组织原子序数 原子序数

5、本质上是一个原子的独有特征，人体组原子序数本质上是一个原子的独有特征，人体组 织属于多种原子的化合物和混合物，与织属于多种原子的化合物和混合物，与X射线的相互作射线的相互作 用，常规采用有效原子序数。用，常规采用有效原子序数。 人体组织的有效原子序数计算公式；人体组织的有效原子序数计算公式； Zeff = 2.94f1Z12.94 + f2Z22.94 + f3Z32.94 + - - . Zeff = 2.94(0.21)2.94 + (0.88)2.94 =7.42 例如，水的有效原子序数为；例如，水的有效原子序数为； Perry Sprawls, Ph.D. Characteristic

6、s and Structure of Matter 骨的主要成分；骨的主要成分；Ca5(OH)(PO4)3 胶原蛋白胶原蛋白13.8 5、人体组织密度、人体组织密度 Physical Characteristics of Contrast-Producing Materials Material Effective Atomic Number (Z) Density (g/cm3) Water7.421.0 Muscle7.461.0 Fat5.920.91 Air7.640.00129 Calcium20.01.55 Iodine53.04.94 Barium56.03.5 密度的表示；密度

7、密度的表示；密度Density为质量为质量Mass 与体积与体积Volvume 的比值。（的比值。（g/cm3或或kg/m3）。）。 人体不同组织密度的变数，包括生理性变化和病理人体不同组织密度的变数，包括生理性变化和病理 性改变。性改变。 6、组织厚度、组织厚度 物质的组织厚度增加，物质的组织厚度增加，X线穿透该组织的距离增加，线穿透该组织的距离增加， 则对则对X线的衰减也成指数比例增加。线的衰减也成指数比例增加。 第二节第二节 X线与人体的基本作用线与人体的基本作用 吸收与衰减吸收与衰减 1、X线与人体相互作用的基本特点线与人体相互作用的基本特点 透过、吸收、散射透过、吸收、散射 http

8、:/en.wikibooks.org/wiki/Basic_Physics_of_Digital_Radiography/The_Patient X线的吸收与衰减线的吸收与衰减 吸收；吸收；X X线能量通过物质时，发生光电效应和俄歇效应。线能量通过物质时，发生光电效应和俄歇效应。 X X线转变为其它形式的能量（光电子）而被人体吸收线转变为其它形式的能量（光电子）而被人体吸收 的现象。称为的现象。称为 物质对物质对X X射线的吸收。射线的吸收。 衰减衰减 ；X X线能量通过物质时，发生康普顿效应，线能量通过物质时，发生康普顿效应，X X线能线能 量转变为其它形式的能量（反冲电子和散射光子）而量转

9、变为其它形式的能量（反冲电子和散射光子）而 减弱的现象，称为减弱的现象，称为 X X射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减。 单能、窄束单能、窄束X射线的衰减射线的衰减 概念：概念：单能指单能指X线束所有光子能量相同。窄束指线束所有光子能量相同。窄束指X线束线束 中除了方向一致的原射线外，无任何散射线。中除了方向一致的原射线外，无任何散射线。 衰减规律：衰减规律：单能窄束单能窄束X线通过均匀物质时，只有光子个线通过均匀物质时，只有光子个 数减少，无光子能量变化，其强度衰减为相同比率，符数减少，无光子能量变化，其强度衰减为相同比率，符 合指数衰减规律。合指数衰减规律。 单能窄束单能窄束X线在物质中

10、连续衰减线在物质中连续衰减 指数衰减规律指数衰减规律 为线性衰减系数，描述物质对为线性衰减系数，描述物质对X线的吸收能力线的吸收能力 连续射线在物质中的衰减连续射线在物质中的衰减 概念：概念：连续射线是不同能量光子组成的混合射线束。连续射线是不同能量光子组成的混合射线束。 衰减规律：衰减规律：当连续射线通过物质后，当连续射线通过物质后，光子减少光子减少， X线线 平均能量提高平均能量提高。 2、X线对比度的形成线对比度的形成 X线影像的形成，在本质上是人体不同组织对线影像的形成，在本质上是人体不同组织对X线线 吸收、衰减差异的客观反映。组织的物理性质，人体组吸收、衰减差异的客观反映。组织的物理

11、性质，人体组 织的结构差别形成了织的结构差别形成了X线影像的对比度。线影像的对比度。 人体各组织对人体各组织对X线的衰减，按照骨、肌肉、脂肪、线的衰减，按照骨、肌肉、脂肪、 空气的顺序由大变小。空气的顺序由大变小。 X线能与人体组织衰减的分析线能与人体组织衰减的分析 思考；思考；X线能与人体组织衰减的分析线能与人体组织衰减的分析 四肢四肢X线摄影时，涉及人体组织为骨、肌肉、脂肪，线摄影时，涉及人体组织为骨、肌肉、脂肪， 采用低采用低kV摄影技术，利用光电效应，提高组织对摄影技术，利用光电效应，提高组织对X线吸收线吸收 差。差。 理由是在光电效应占优势时，有效原子序数为衰减的主要原因。理由是在光

12、电效应占优势时，有效原子序数为衰减的主要原因。 X X线衰减为原子序数的四次方，人体组织的有效原子序数差异较大时，线衰减为原子序数的四次方，人体组织的有效原子序数差异较大时， 采用较低能量的光电效应会放大不同组织的吸收差，从而提高采用较低能量的光电效应会放大不同组织的吸收差，从而提高X X线影线影 像对比度。像对比度。 胸部胸部X线摄影时，涉及人体组织为骨、肌肉、脂肪，空线摄影时，涉及人体组织为骨、肌肉、脂肪，空 气，组织密度差异很大，采用高气，组织密度差异很大，采用高kV摄影技术，利用康普顿摄影技术，利用康普顿 效应减小组织对效应减小组织对X线吸收差。线吸收差。 理由是在康普顿散射占优势时，

13、每立方厘米电子数为衰减的主要理由是在康普顿散射占优势时，每立方厘米电子数为衰减的主要 原因。人体组织的每立方厘米电子数很接近，不同组织在高原因。人体组织的每立方厘米电子数很接近，不同组织在高kVkV的质量的质量 衰减系数差异不大，从而使不同原子序数的组织同时显示低反差影像。衰减系数差异不大，从而使不同原子序数的组织同时显示低反差影像。 胸部摄影技术胸部摄影技术 80kV 120kV Shanghai Medical Imaging，Vol，No4 3、X线对比剂的使用线对比剂的使用 当人体组织密度差较小时，为了显示出等密度组当人体组织密度差较小时，为了显示出等密度组 织间隙的结构（血管走形分布

14、，脏器空腔内结构）和织间隙的结构（血管走形分布，脏器空腔内结构）和 器官供血生理学变化（血流灌注状态和功能状态），器官供血生理学变化（血流灌注状态和功能状态）， 需要引入某种不同密度的组织对比剂来增强组织间的需要引入某种不同密度的组织对比剂来增强组织间的 吸收差，通过扩大吸收差，通过扩大X线对比度来比衬出组织结构。线对比度来比衬出组织结构。 常用的有高密度对比剂（离子型和非离子型）和低常用的有高密度对比剂（离子型和非离子型）和低 密度对比剂（空气）。密度对比剂（空气）。 X线对比剂的衰减机理线对比剂的衰减机理 ZZ Z Z Z 1288919991100 595693193760 694118

15、9307020 康普顿（康普顿（%）光电（光电（%）康普顿康普顿 （%） 光电光电 （%） 康普顿康普顿 （%） 光电光电 （%） 碘化钠碘化钠( = 49.8）骨骨( = 13.8）水水( = 7.4）X线能量线能量 （keV） ZZZ 1、高原子序数的物质光电吸收效率高。、高原子序数的物质光电吸收效率高。 2、利用特定元素的、利用特定元素的K系吸收边效应。系吸收边效应。 http:/opticalengineering.spiedigitallibrary.org/article.aspx?articleid=1077419 随着随着 X 射线能量的增加，物射线能量的增加，物 质相应的线性

16、衰减系数值随之降质相应的线性衰减系数值随之降 低。但当射线能量到达某个数值低。但当射线能量到达某个数值 时，其线性衰减系数值会突然增时，其线性衰减系数值会突然增 加，衰减系数值突变处称为此种加，衰减系数值突变处称为此种 材料的吸收限。材料的吸收限。 例如，经常使用的碘造影剂例如，经常使用的碘造影剂 吸收限为吸收限为 33.2keV，而钆的吸收，而钆的吸收 限约为限约为 50.2keV 。 血管碘剂灌注成像血管碘剂灌注成像 消化道钡剂通过成像消化道钡剂通过成像 器官供血状态成像器官供血状态成像 四川大学华西临床医学院四川大学华西临床医学院 医学影像技术系医学影像技术系 医学影像成像原理医学影像成

17、像原理 X线成像线成像技术的基础技术的基础 黄黄 林林 一、信号理论的基本概念一、信号理论的基本概念 （ signal ） 信号的物理分类信号的物理分类 信号信号 电信号电信号 非电信号非电信号 探测器探测器 模拟信号模拟信号 离散信号离散信号 采样采样 抽样信号抽样信号 数字信号数字信号 量化量化 X线转换基本流程线转换基本流程 直接转换直接转换 间接转换间接转换 X线 能量转换器能量转换器 频率变化频率变化 能量变化能量变化 可见光可见光电荷电荷 电荷电荷 X线透视线透视X线摄影线摄影 CT X线摄影线摄影 增感屏增感屏 荧光屏荧光屏 X线探测器线探测器 CT探测器探测器 X线探测器线探测

18、器 1. 信号是信息的载体（表达信息的某种物理量或是传递信息的函数）和具信号是信息的载体（表达信息的某种物理量或是传递信息的函数）和具 体表现形式。体表现形式。 例如，可见光、图像通过光信号（粒子理论用光子表述，波动理论例如，可见光、图像通过光信号（粒子理论用光子表述，波动理论 用电磁频谱表述用电磁频谱表述）传递；语音通过声信号（声波为一种机械波，由物体传递；语音通过声信号（声波为一种机械波，由物体 （声源）振动产生）传递。（声源）振动产生）传递。 2. 信号具有随时间变化的特点。信号具有随时间变化的特点。 提示，只有变化的量，才可能含有信息。提示，只有变化的量，才可能含有信息。 1.信号分为

19、模拟信号信号分为模拟信号 ( Analog Signal )和数字信号和数字信号( Digital Signal )。 提示，模拟信号和数字信号之间可以相互转换。提示，模拟信号和数字信号之间可以相互转换。 1、模拟信号的物理分类、模拟信号的物理分类 共同特点都是连续信号共同特点都是连续信号 人类听觉所能感觉的声波频率在人类听觉所能感觉的声波频率在20-16000Hz之间。之间。 举例；人类听觉特征及信息处理能力举例；人类听觉特征及信息处理能力 空气传导空气传导 声波声波 耳廓耳廓 外耳道外耳道 空气振动空气振动 外耳外耳 鼓膜鼓膜 锤骨锤骨 钻骨钻骨 镫骨镫骨 前庭窗前庭窗 传声变压传声变压

20、外、内淋巴外、内淋巴 螺旋器螺旋器 液波传音液波传音 蜗神经蜗神经 听神经听神经 神经冲动神经冲动 听觉中枢听觉中枢 中耳中耳内耳内耳迷路迷路大脑皮层大脑皮层 识别分析识别分析 骨传导骨传导 声音传导声音传导 二、模拟信号的特性二、模拟信号的特性 （ analog signal ） 1、基本定义、基本定义 时间时间 幅值幅值 频率频率 时域分析时域分析频域分析频域分析 模拟信号模拟信号指时间连续、幅值连续的信号。指时间连续、幅值连续的信号。 2、时域、时域-连续信号的时间特性连续信号的时间特性 信号随时间变化，幅度发生变化。以时间函数描述信号的图象称为信号随时间变化，幅度发生变化。以时间函数描

21、述信号的图象称为 时域图时域图（Time domain ） ，在时域上分析信号称为时域分析。，在时域上分析信号称为时域分析。 当模拟信号采用连续变化的电磁波表示时，电磁波本身既是信号载当模拟信号采用连续变化的电磁波表示时，电磁波本身既是信号载 体，同时作为传输介质。体，同时作为传输介质。 调频与调幅的演示调频与调幅的演示 时间、幅值连续的信号时间、幅值连续的信号 3、频域、频域-连续信号的频率特性连续信号的频率特性 信号含有不同频率的正弦分量。可用信号的频谱函数信号含有不同频率的正弦分量。可用信号的频谱函数 来表示，以频谱描述信号的图象称为频域图（来表示，以频谱描述信号的图象称为频域图（fre

22、quency domain），在频域上分析信号称为频域分析。），在频域上分析信号称为频域分析。 频谱频谱：频谱函数表征信号各频率（：频谱函数表征信号各频率（frequency）成分，）成分， 以及各频率成分的振幅（以及各频率成分的振幅（Amplitude）和相位）和相位 （phase ）。可用傅立叶分析将它分解为许多不同频率）。可用傅立叶分析将它分解为许多不同频率 的正弦分量，将各正弦分量的振幅与相位分别按频率高的正弦分量，将各正弦分量的振幅与相位分别按频率高 低次序排列成频谱。低次序排列成频谱。 频带频带：复杂信号频谱中含各分量的频率，频谱中该有效：复杂信号频谱中含各分量的频率，频谱中该有效

23、 频率范围称为该信号的频带。频率范围称为该信号的频带。 频域图频域图 Amplitude 三、分频的基本认识三、分频的基本认识 1、可见光的分频、可见光的分频 光信号分频光信号分频 白光白光单色光单色光 2、人体结构的大致分频、人体结构的大致分频 结肠结肠成人肺纹理成人肺纹理幼儿肺纹理幼儿肺纹理骨小梁骨小梁乳腺乳腺 0.5mm0.2mm0.15mm0.1mm0.05mm 注意，人体结构是各种原始频率的混合，只是受到注意，人体结构是各种原始频率的混合，只是受到 X线能转换和处理能力限制以及人眼识别能力限制。线能转换和处理能力限制以及人眼识别能力限制。 3、X线采集人体信号的分频线采集人体信号的分

24、频 每毫米线对 LP = 1/2d，d为结构宽度 四、模拟四、模拟X线成像线成像 影像、成像是医学影像学专用名词。影像、成像是医学影像学专用名词。 1、基本概念、基本概念 （1）X线摄影线摄影；用；用X线透过人体后的能量变化来表达人体线透过人体后的能量变化来表达人体 信息，并用信息，并用X线胶片记录和显示的一种成像技术。线胶片记录和显示的一种成像技术。 （2）成像方法的三大要素）成像方法的三大要素； 人体（信息源）人体（信息源） X线（信息载体）线（信息载体） 荧光屏、胶片（信息接收器）荧光屏、胶片（信息接收器） （3）X线成像程序；线成像程序； 原发原发X线线 人体人体 调制调制X线线 信息

25、采集信息采集 能量转换能量转换 潜影形成潜影形成 化学处理化学处理 影像形成影像形成 2、X线与人体的相互作用线与人体的相互作用 （1）透过）透过；原发；原发X线在透过人体后保持原来强度和方向。线在透过人体后保持原来强度和方向。 （2）衰减）衰减；X线光子以一定几率与物质中的原子发生相线光子以一定几率与物质中的原子发生相 互作用，使互作用，使X线光子能量的全部或一部分转移给物质线光子能量的全部或一部分转移给物质 （吸收（吸收-光电效应）；或光电效应）；或X线光子的传播方向发生改变，线光子的传播方向发生改变， 使沿原方向的光子数量减少（散射使沿原方向的光子数量减少（散射-康普顿效应）。康普顿效应

26、）。 X线 三角体 X线影像 3、X线模拟成像的两种模式线模拟成像的两种模式 X线电视系统原理线电视系统原理 显示显示 影像增强器影像增强器 光学系统光学系统摄像系统摄像系统 成像基本流程成像基本流程 胶片显定影胶片显定影 X线照片线照片 能量转换器能量转换器 信号的频率变化信号的频率变化 ，能量变化，能量变化 ；物态的表现形式变化；物态的表现形式变化 可见光可见光 增感屏增感屏 荧光屏荧光屏 胶片感光胶片感光 X线照片线照片 X线电视线电视 I I 增强管增强管 光电转换光电转换 荧光屏荧光屏 信息读出信息读出 氧化还原反应氧化还原反应 X线透视线透视 能量转换器能量转换器 光电子学反应光电

27、子学反应 信息读出信息读出 阅片灯阅片灯 光化学反应光化学反应 4、模拟、模拟X线影像的特性线影像的特性 （1）模拟）模拟X线影像是曝光瞬间，线影像是曝光瞬间，X线透过人体后，所获取的线透过人体后，所获取的X线线 信号具有空间、时间和位置上的连续性。因此，具有唯一性的信号具有空间、时间和位置上的连续性。因此，具有唯一性的 特征和不可复制性的真实记录。特征和不可复制性的真实记录。 （2）X线能量转换设备（线能量转换设备（X线透视系统，屏线透视系统，屏/片系统）对片系统）对X线量子线量子 的转换能力存在一定阈值，可能造成高能量和低能量的的转换能力存在一定阈值，可能造成高能量和低能量的X线在线在 采

28、集过程或信息处理过程中丢失。采集过程或信息处理过程中丢失。 （3） X光影像的形成采用光化学原理，感光材料（光影像的形成采用光化学原理，感光材料（X线胶片）的线胶片）的 敏感性决定了敏感性决定了X线采集能力。在感光过程中，卤化银晶体颗粒线采集能力。在感光过程中，卤化银晶体颗粒 是潜影的一个显影单位。是潜影的一个显影单位。 （4）在显定影处理过程中，影像还原的程度随冲洗条件的变化）在显定影处理过程中，影像还原的程度随冲洗条件的变化 而改变。而改变。 胶片的感光原理胶片的感光原理 感光材料；感光材料；能起光化学反应，经过显定影处理后能形能起光化学反应，经过显定影处理后能形 成影像的材料。成影像的材

29、料。 感光乳剂；感光乳剂；感光乳剂是由对光敏感的微细颗粒悬浮在感光乳剂是由对光敏感的微细颗粒悬浮在 明胶介质中而成的。胶片上的明胶与某些食品所用明明胶介质中而成的。胶片上的明胶与某些食品所用明 胶类似。胶类似。 卤化银晶体；卤化银晶体；在明胶中悬浮着的光敏物质是卤化银颗在明胶中悬浮着的光敏物质是卤化银颗 粒。卤化银晶体具有一经曝光其结构就发生变化的特粒。卤化银晶体具有一经曝光其结构就发生变化的特 性。性。 增感屏能量转换与屏片组合增感屏能量转换与屏片组合 胶片感光特性胶片感光特性 胶片的化学处理胶片的化学处理 1；溴离子；溴离子 2；银离子；银离子 光化学反应又称为光化作用，是指光化学反应又称

30、为光化作用，是指 由一个原子、分子、自由基或离子由一个原子、分子、自由基或离子 吸收一个光子所引发的化学反应吸收一个光子所引发的化学反应。 模拟模拟X线影像形成原理线影像形成原理 AgX Ag+ X e Ag+ e Ag hv A; 感光中心感光中心 B; 显影中心显影中心 C; 潜影潜影 D; 显影显影 E; 还原银颗粒还原银颗粒 暗室化学与处理流程暗室化学与处理流程 显影；显影；将曝光形成的潜像变成可见影像。将曝光形成的潜像变成可见影像。 组成：显影剂、保护剂、促进剂、抑制剂组成：显影剂、保护剂、促进剂、抑制剂 还原剂还原剂-米吐尔、对苯二酚、米吐尔、对苯二酚、菲尼酮菲尼酮 定影；定影；使

31、银盐还原停止，并除去胶片中残余的未曝光银盐。使银盐还原停止，并除去胶片中残余的未曝光银盐。 组成组成:定影剂、保护剂、坚膜剂、酸定影剂、保护剂、坚膜剂、酸 定影剂定影剂-硫代硫酸钠、硫代硫酸胺硫代硫酸钠、硫代硫酸胺 调制调制X线影像的形成线影像的形成 照片密度的测定照片密度的测定 高对比度与低对比度胶片高对比度与低对比度胶片 胶片的感光原理小结胶片的感光原理小结 （一）（一） 胶片的感光是化学反应中的光化学氧化还原反应胶片的感光是化学反应中的光化学氧化还原反应。胶片的核心物质卤化银的。胶片的核心物质卤化银的 感光，是在吸收光量子的能量后，光量子激发溴离子，使其电子能量加大脱离溴离感光，是在吸收

32、光量子的能量后，光量子激发溴离子，使其电子能量加大脱离溴离 子，即子，即Br+hvBr+e， 此电子又去还原银离子而成为银原子，即此电子又去还原银离子而成为银原子，即Ag+eAg （二）潜影的形成分三步（二）潜影的形成分三步 1、溴化银晶体颗粒的溴离子，受到光量子的冲击，释放出若干电子。、溴化银晶体颗粒的溴离子，受到光量子的冲击，释放出若干电子。 2、这些电子在溴化银晶体格内自由移动时，遭到了感光中心被吸陷，从而使感光、这些电子在溴化银晶体格内自由移动时，遭到了感光中心被吸陷，从而使感光 中心带上了负电荷。这个感光中心就成了陷阱。与此同时，晶体格内游离的银离子中心带上了负电荷。这个感光中心就成

33、了陷阱。与此同时，晶体格内游离的银离子 ，因为带有正电荷，于是在静电吸引下被移向感光中心。，因为带有正电荷，于是在静电吸引下被移向感光中心。 3、银离子与感光中心的电子中和，形成了中性的银原子，沉积在感光中心上。光化、银离子与感光中心的电子中和，形成了中性的银原子，沉积在感光中心上。光化 学反应的不断进行，感光中心的银原子聚集到一定大小时学反应的不断进行，感光中心的银原子聚集到一定大小时(至少至少36个银原子个银原子)，它，它 就成了显影中心，许许多多显影中心就成了被照体的潜影。就成了显影中心，许许多多显影中心就成了被照体的潜影。 （1）Ag+eAg （2）36个个Ag显影中心显影中心 （3）

34、无数显影中心）无数显影中心潜影潜影 （4）潜影）潜影+显影剂显影剂Ag颗粒颗粒(肉眼可见肉眼可见) 模拟模拟X线影像小线影像小 结结 模拟模拟X线影像是用一种物理量来连续的、形象的表现线影像是用一种物理量来连续的、形象的表现 另一种物理特性的图像。另一种物理特性的图像。 优点是在整个优点是在整个X线成像过程，线成像过程，X线信息的传递和转换线信息的传递和转换 均保持连续性，完整性和真实性。均保持连续性，完整性和真实性。 缺点是模拟转换方式受到转换介质的制约，原始缺点是模拟转换方式受到转换介质的制约，原始X 线信息因为增感材料对线信息因为增感材料对X线敏感性不同，形成采集能力线敏感性不同，形成采

35、集能力 的差异；胶片感光材料的灰阶动态范围较小，不能满的差异；胶片感光材料的灰阶动态范围较小，不能满 足影像信息全部显示；足影像信息全部显示；X线胶片是一次性记录和显示线胶片是一次性记录和显示 的介质，成像后不能改变或进行后处理。的介质，成像后不能改变或进行后处理。 四川大学华西临床医学院四川大学华西临床医学院 医学影像技术系医学影像技术系 医学影像成像原理医学影像成像原理 X线成像线成像技术的基础技术的基础 黄黄 林林 一、数字理论的基本概念一、数字理论的基本概念 数字信号数字信号 ( digital signal ) 基本概念基本概念 数字信号数字信号：时间和幅度上都是离散：时间和幅度上都

36、是离散 ( 量化量化 ) 的信号。的信号。 数字信号形成：数字信号形成：本质上是将模拟信号通过物理过程转本质上是将模拟信号通过物理过程转 换成数值序列并再现的过程。换成数值序列并再现的过程。 五个阶段五个阶段：采样、量化、转换、还原、信号重建。：采样、量化、转换、还原、信号重建。 模拟信号和数字信号的相互转换模拟信号和数字信号的相互转换 模拟信号一般通过模拟信号一般通过PCM码调制方法量化为数字信号，码调制方法量化为数字信号， 即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值码。即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值码。 二进制是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，二进制是一种数字信号。二

37、进制码受噪声的影响小， 易于数字电路进行处理。易于数字电路进行处理。 第一阶段第一阶段-信号采集信号采集 采样定理采样定理 （sampling theorem ） 计算机仅能处理离散的信号计算机仅能处理离散的信号。在实现计算机处。在实现计算机处 理前，必须将连续信号实现离散化。理前，必须将连续信号实现离散化。将信号在时间上将信号在时间上 连续变化的波形，每间隔一定时间采集一次，得到不连续变化的波形，每间隔一定时间采集一次，得到不 连续的、分散的数值（离散点的集合），用这些样本连续的、分散的数值（离散点的集合），用这些样本 值替换原来连续信号波形的过程叫做采样。值替换原来连续信号波形的过程叫做采

38、样。 采样定理采样定理 采样定理是采样定理是1928年由美国电信工程师年由美国电信工程师H.奈奎斯特奈奎斯特 （ Nyquist ）首先提出。采样定理说明采样频率与信号）首先提出。采样定理说明采样频率与信号 频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。 奈奎斯特采样定理奈奎斯特采样定理 （Nyquist stabitity criterion ） 信号可以看成若干正弦波组成的，如果对某一带信号可以看成若干正弦波组成的，如果对某一带 宽有限时间内的连续信号进行抽样，当采样频率达到宽有限时间内的连续信号进行抽样，当采样频率达到 一定数值，可以在接收端恢复

39、原信号。条件是，最低一定数值，可以在接收端恢复原信号。条件是，最低 采样频率采样频率 “大于大于”信号频率最大分量两倍（幅值、信号频率最大分量两倍（幅值、 相位、频率）。即；相位、频率）。即； fsmax2fmax fsmax为为采样频率，采样频率，fmax为最高频率分量，为最高频率分量， fmax / T 。 采样频率用赫兹（采样频率用赫兹（Hz）表示。即每秒从连续信号）表示。即每秒从连续信号 中提取并组成离散信号的采样个数。这种采样称为均中提取并组成离散信号的采样个数。这种采样称为均 匀采样。注意以下问题：匀采样。注意以下问题： 1、信号经采样后频谱的变化？、信号经采样后频谱的变化？ 2、

40、信号是否大量被丢失？、信号是否大量被丢失？ 3、采样序列能否代表原始信号？、采样序列能否代表原始信号？ 4、由离散信号恢复连续信号的条件？、由离散信号恢复连续信号的条件？ 采样频率采样频率 （Sampling Frequency） 信号的采样过程信号的采样过程 在电子学上，采样由电子开关（采样器）将连续信号切断在电子学上，采样由电子开关（采样器）将连续信号切断/ /接通，实现接通，实现 一次采样。一次采样。 t0时刻时刻S闭合，闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。这一阶段被迅速充电，电路处于采样阶段。这一阶段uo跟跟 随随ui变化。变化。t1时刻采样阶段结束，时刻采样阶段结束，S断开，电路

41、处于保持阶段。在断开，电路处于保持阶段。在t1 与与 下一个下一个t0 (t0)之间，完成数据转换。之间，完成数据转换。 采样频率为采样频率为fsfs，采样间隔则为，采样间隔则为 T=1/fs T=1/fs 。 采样频率越高，时间间隔数越小，采集的信息量越大。采样频率越高，时间间隔数越小，采集的信息量越大。 讨论讨论 1，信号还原误差，信号还原误差 注意；正弦信号不能采用注意；正弦信号不能采用fsmax 2fmax。 。用 用Matlab软件模拟，软件模拟， 10Hz正弦信号在不同采样频率下获得的波形，当采样频率正弦信号在不同采样频率下获得的波形，当采样频率9f 时，时， 波形较平滑，基本还原

42、到原来波形。波形较平滑，基本还原到原来波形。 讨论讨论 2；信号混叠（；信号混叠（alias） 合适的采样率合适的采样率 采样率过低形成的采样率过低形成的 信号畸变称混叠信号畸变称混叠 第二阶段信号量化第二阶段信号量化 经过采样，连续信号在时间被均匀分解成离散信号。经过采样，连续信号在时间被均匀分解成离散信号。 但是每个抽样信号强度的幅值还是连续值，不能编成数字但是每个抽样信号强度的幅值还是连续值，不能编成数字 码。因此，离散时间信号不等同于数字信号。码。因此，离散时间信号不等同于数字信号。 连续幅度的离散化通过量化连续幅度的离散化通过量化(quantization)来实现。抽来实现。抽 样信

43、号在空间上的幅值区间内设定等分刻度，把信号强度样信号在空间上的幅值区间内设定等分刻度，把信号强度 划分成等间隔离散的整数值，称为线性量化。划分成等间隔离散的整数值，称为线性量化。 离散点的幅度区间离散点的幅度区间 ？ 1、量化概念、量化概念 假设模拟信号带宽范围（假设模拟信号带宽范围（-4V,+4V-4V,+4V），将幅值按），将幅值按1616 个电平量级均匀量化，量化间隔为个电平量级均匀量化，量化间隔为0.5V0.5V。各个量化区间。各个量化区间 依次为：依次为： -3.75、 -3.25、 -2.75、 -2.25、 -1.75、 -1.25、 -0.75、 -0.25、 0.25、 0.

44、75、 1.25、 1.75、 2.25、 0.75、 3.25、 3.75 端点端点 在一个信号幅值空间范围，将信号的整个强度范在一个信号幅值空间范围，将信号的整个强度范 围进行人为的电平分级（围进行人为的电平分级（Gray ScaleGray Scale），按不同的量化），按不同的量化 区间（区间（2 2n n）等距设定量化）等距设定量化电平电平端点。端点。用用二进制字节编码二进制字节编码 表示信号强度的幅值。形成了信号变化的二进制脉冲序表示信号强度的幅值。形成了信号变化的二进制脉冲序 列。列。 1 1字节编码；字节编码；8 8位位 （2 28 8=256=256级）级） 2 2字节编码；

45、字节编码；1010位（位（2 210 10=1024 =1024级）级） 1212位（位（2 212 12=4096 =4096级）级） 1616位（位（2 216 16=65536 =65536级级 量化量化精度精度 3bit/pixel 4bit/pixel 8bit/pixel 10bit/pixel 12bit/pixel 1bit/pixel 量化量化精度与图像精度与图像灰度灰度 讨论讨论 ; 信号量化要点信号量化要点 电压脉冲强度（幅值）的量化过程采用电压脉冲强度（幅值）的量化过程采用16位模位模/数数 转换器转换器(A/D) ，实际应用中将根据采集的原始信号幅度，实际应用中将根据

46、采集的原始信号幅度 和量化分级精度要求，使用到和量化分级精度要求，使用到1014位。位。 对医学影像的信号强度，量化分级越精细，对信对医学影像的信号强度，量化分级越精细，对信 号强度变化幅值的测量越准确。对连续信号的还原越号强度变化幅值的测量越准确。对连续信号的还原越 精确。精确。 高度精细量化的问题是，因为采样频率高，总信高度精细量化的问题是，因为采样频率高，总信 息量太大，从而带来传输、计算、存储等问题。息量太大，从而带来传输、计算、存储等问题。 第三阶段信号的二进制转换第三阶段信号的二进制转换 信源编码与译码信源编码与译码 电平信号转换为数字编码采用二进制编码，信号电平信号转换为数字编码

47、采用二进制编码，信号 （信源）编码的作用有（信源）编码的作用有4个。个。 1、信号传输的需要、信号传输的需要； 每一个电平信号的量化值（模拟每一个电平信号的量化值（模拟 信号）用一组数字编码（数字信号）表示。一个序列的信号）用一组数字编码（数字信号）表示。一个序列的 电平信号就形成一系列数码信号，称为码流（数据流）。电平信号就形成一系列数码信号，称为码流（数据流）。 2、控制差错；、控制差错；提高抗干扰能力，实现可靠通信。提高抗干扰能力，实现可靠通信。 3、数据恢复；、数据恢复；信源译码是信源编码的逆过程。信源译码是信源编码的逆过程。 4、数据管理；、数据管理；数字化处理与存储。数字化处理与存

48、储。 数字信号传输系统数字信号传输系统 D/A转换器转换器A/D转换器转换器 能将模拟信号转换为数字信号的仪器称为模数转换器（能将模拟信号转换为数字信号的仪器称为模数转换器（A/D转换器或转换器或 ADC）；能将数字量转换为模拟量的）；能将数字量转换为模拟量的的仪器的仪器称为数模转换器（称为数模转换器（D/A转换器转换器 或或DAC）。）。ADC和和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两 者之间的接口（者之间的接口（Interface ）。）。 模模/数转换数转换 ( Analogue Digital Converter，ADC，A/D

49、) Uin(+) VCC D0 Uin(-) D1 AGND D2 ADC0801 D3 UREF/2D4 CLKRD5 D6 CLKinD7 CS RDWR DGND INTR 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k +5V +5V (1) (2) (10) (6) (7) (8) (9) (19) (4) (18) (17) (16) (15) (14) (13) (12) (11) (5) (20) (3) LED 输入模 拟电压 ui 05V 调节时 钟频率 R 10k C 150pF 空脚 集成集成A/D转换器转换器电路电路 A/D数模转换器数模转换器 例如例如: 采用采用1

50、6 bitA/D转换器，设定采集能力转换器，设定采集能力 8bit ，电压区间为，电压区间为5V 00000000 0V 00000001 20mV 00000010 40mV 脉冲编码调制脉冲编码调制 ( Pulse Code Modulation( Pulse Code Modulation PCM) PCM) 电平信号的数字编码电平信号的数字编码 数字编码方式数字编码方式 讨论讨论 1; 灰度信号量化标度误差灰度信号量化标度误差 Z Zi i Z Z Z Zi+1 i+1区段量化后成为整数值 区段量化后成为整数值Q Qi i 原信号真实值原信号真实值Z Z和对应灰度值和对应灰度值Q Qi