X线摄影技术PPT课件.ppt
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1、X线摄影技术线摄影技术 X线产生必须具备以下三个条件 电子源:X线管灯丝通过电流加热后放散出电子,这些电子在灯丝周围形成空间电荷,即电子云。 高速电子的产生:灯丝发散出来的电子能以其高速冲击阳极,其间必须具备两个条件,一是在X线管的阴极和阳极之间施以高电压,两极间的电位差使电子向阳极加速;二是为防止电子与空间分子冲击而减弱,X线管必须是高真空。 电子的骤然减速:高速电子的骤然减速是阳极阻止的结果。电子撞击阳极的范围称靶面,靶面一般用高原子序数、高熔点的钨制成。阳极作用有两个,一是阻止高速电子产生X线;二是形成高压电路的回路。X线的本质 X线是一种能,有两种表现形式:一是微粒辐射,二是电磁辐射。
2、X线属电磁辐射的一种,具有二象性、微粒性和波动性,这是X线的本质 X线特性 物理效应穿透作用:X线具有一定的穿透能力。波长越短,穿透作用越强。穿透力与被穿透物质的原子序数、密度和厚度呈反比关系。荧光作用:荧光物质,如钨酸钙、氰化铂钡等,在X线照射下被激发,释放出可见的荧光。电离作用:物质在足够能量的X线光子照射下,能击脱物质原子轨道的电子,产生电离。电离作用是X线剂量、X线治疗、X线损伤的基础。干涉、衍射、反射与折射作用:X线与可见光一样具有这些重要的光学特性。它可在X线显微镜、波长测定和物质结构分析中得到应用。化学效应感光作用:X线具有光化学作用,可使摄影胶片感光。着色作用:某些物质经X线长
3、期照射后,使其结晶脱水变色。如铅玻璃经X线长期照射后着色。生物效应X线是电离辐射,它对生物细胞,特别是增殖性强的细胞有抑制、损伤、甚至使其坏死的作用,它是放射治疗的基础。X线与物质的相互作用 相干散射(或称不变散射)一个低能量X线光子冲击到物质的原子上,形成原子的激发状态。原子在恢复其常态时,放出一个与原入射光子波长同样、方向不同的光子,此即相干散射。在X线诊断范围内,相干散射产生的几率最多只占5%。光电效应在X线诊断范围内,它是X线与物貭相互作用的主要形式之一,它以光子击脱原子的内层轨道电子而产生。光电效应产生的几率受三个因素影响:光子必须有克服电子结合能的足够能量;光子能量与电子结合能接近
4、相等或稍大于;轨道电子结合的越紧,越容易产生光电效应。光电效应产生的几率约占70%。光电效应在X线摄影中的意义:不产生有效散射,对胶片不产生灰雾;可增加X线对比度;光子能量全部被吸收,病人接受的剂量相对较多。康普顿效应(或称散射效应)在X线诊断范围内,它是X线与物貭相互作用的另一个主要形式。当一个光子击脱原子外层轨道电子时,入射光子就会偏转,以新的方向散射出去,光子能量的一部分作为反跳电子的动能,而绝大部分能量作为光子散射。在诊断X线能量范围内,康普顿散射的几率占25%。电子对效应和光核反应此两种X线与物质的相互作用形式,在诊断X线能量范围内不发生 X线检查方法 X线透视检查优点:可转动病人体
5、位,改变方向观察;了解器官的动态变化;设备简单,操作方便,费用低;可立即得出结论。缺点:影像对比度、清晰度差,难以分辨密度或厚度差异较小的器官,以及密度或厚度较大的部位;缺乏客观记录也是重要缺点。同时,透视检查的辐射剂量远大于同一部位的摄影检查。X线摄影检查优点:成像清晰,对比度良好;密度、厚度差异较大或密度、厚度差异较小的部位能得到显示;有客观记录。缺点:每一幅照片只是一幅相对的影像,要建立立体概念需要相互垂直的两个方法摄影;对功能观察不及透视;费用高。X线造影检查人体组织有相当部分只依靠自身的密度、厚度、原子序数的差异不能在普通摄影检查中显示。此时,可将原子序数高于或低于该组织结构的物质引
6、入器官或周围间隙,使之产生对比影像,此即造影检查。引入的物质称为对比剂。X线特殊检查在普通检查的基础上,利用特殊的检查装置,使受检部位显示出普通检查不能获得的影像,此称特殊检查。如体层摄影、乳腺摄影、放大摄影等。计算机X线摄影,科学的讲,应该是光激励存储荧光体(Photostimulable Storage Phosphor,PSP)成像,或叫做存储荧光体成像(storage phosphor imaging)、数字存储荧光体成像(digital storage phosphor imaging)和数字化发光X线摄影(digital luminescence CRCR的临床应用的临床应用 CR
7、的优点X线曝光量比常规X线摄影有一定程度的降低;IP替代胶片可重复使用;可与原有的X线摄影设备匹配使用;具有多种处理技术:谐调处理、空间频率处理、时间减影、能量减影、体层伪影抑制、动态范围控制;具有多种后处理功能,如测量(大小、面积、密度)、局部放大、对比度转换、对比度反转、影像边缘增强、多幅显示以及减影等;显示的信息易被诊断医生阅读、理解,且质量更易满足诊断要求;可数字化存储,可进入网络系统,可节省部分甚至全部胶片,也可节约片库占有的空间及经费;实现数据库管理,有利于查询和比较,实现资料共享 CR影像特点灵敏度较高:即使是采集较弱的信号时也不会被噪声所掩盖而显示出来;具有很高的线性度:所谓线
8、性就是指影像系统在整个光谱范围内得到的信号与真实影像的光强度是否呈线性关系,即得到的影像与真实影像是否能够很好吻合。人眼对光的感应为对数关系,对细微的细节改变不能觉察,但在临床研究中往往需要做一些定量的测量,良好的线性度至关重要。在CR系统中,在1?104的范围内具有良好的线性,非线性度小于1%。动态范围大:即系统能够同时检测到极强和极弱的信号。它的另一显著特点是能把一定强度的影像信号分得更细,使影像显示出更丰富的层次。识别性能优越:CR系统装有曝光数据识别技术和直方图分析,能更加准确地扫描出影像信息,显示出高质量图像。CR系统曝光宽容度较大:常规屏/片系统因曝光宽容度较小,图像质量很大程度上
9、决定于摄影条件。CR系统可在成像板获取的信息基础上自动调节光激励发光的量和放大增益,可在允许的范围对摄影的物体以任何X线曝光剂量,获取稳定的、最适宜的影像密度,同时获得高质量的影像。这样可以最大限度地减少重拍率,降低患者的辐射损伤 CR的不足 时间分辨率差:时间分辨率差,不能满足动态器官和结构的显示。 空间分辨率低:在细微结构的显示上,与常规X线检查的屏-片组合相比,CR系统的空间分辨率有时显得不足 四象限理论四象限理论计算机X线摄影系统(CR),应用数字成像处理技术把从成像板(IP)上阅读到的X线影像数据变换成具有理想密度和对比度的影像。实行这种功能的装置就是曝光数据识别器(Exposure
10、 Data Recognizer,EDR),EDR结合图像识别技术如分割曝光识别、曝光野识别和直方图分析,能很好地把握图像的质量。第一象限 显示入射的X线剂量与IP的光激励发光强度的关系。它是成像板(IP)的一个固有特征,即光激励发光强度与入射的X线曝光量的动态范围成线性比例关系,二者之间超过1?104-的范围。此线性关系使CR系统具有很高的敏感性和大的动态范围。第二象限 显示EDR的功能,即描述了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。影像阅读装置有一个自动设定每幅影像敏感性范围的机制,根据记录在
11、成像板(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。第三象限 显示了影像的增强处理功能(谐调处理、空间频率处理和减影处理),它使影像能够达到最佳的显示,以求最大程度的满足临床的诊断需求。第四象限 显示输出影像的特征曲线。横坐标代表了入射的X线剂量,纵坐标(向下)代表胶片的密度,这种曲线类似于增感屏/胶片系统的X线胶片特性曲线,其特征曲线是自动实施补偿的,以使相对曝光曲线的影像密度是线性的。这样,输入到第四象限的影像信号被重新转换为光学信号以获得特征性的X线照片。CRCR图像处理技术图像处理技术 谐调处理(gradation processing)谐调处理也叫层次处理,主要用来
12、改变影像的对比度、调节影像的整体密度。在FCR系统中,它以16种协调曲线类型(gradation type,GT)作为基础,以旋转量(ratation amount,GA)、旋转中心(rotation center,GC)和移动量(gradation shift,GS)作为调节参数,来实现对比度和光学密度的调节,从而达到影像的最佳显示。在常规的增感屏/胶片摄影系统中,若给定适当的X线曝光剂量,能得到一幅好的照片;若选择的曝光量过高或过低,那么所得到的影像无法进行放射诊断。而CR系统利用成像板(IP)有很大的曝光宽容度,即给每一个部位的曝光条件是一个范围,即使曝光量高一点或低一点,通过谐调处理技
13、术把读出的影像调节为符合诊断要求的图像。CRCR图像处理技术图像处理技术 空间频率处理(spatial frequency processing) 空间频率处理技术是以中边缘锐利技术,它是通过对频率响应的调节突出边缘组织的锐利轮廓。在传统的屏/片系统中,频率越高,频率响应却越小。而在CR系统中是根据图像的显示效果的需要来控制频率的响应。如提高影像高频成分的频率响应可增加了此部分的对比。空间频率的响应程决定频率等级(frequency rank,RN)、频率增强(degree of enhancement,RE)和频率类型(frequency type,RT)组成 CRCR图像处理技术图像处理技
14、术 动态范围控制(dynamic range control,DRC) 目前,尽管发展起来了多种成像技术,但对肺脏和心脏疾病的最初评估仍然是胸部X线摄影。多年来,胸部摄影中始终存在着不能很好解决的一个问题是,胸部肺野和纵隔区域的密度差异太大,尽管采取了许多的措施,但胸片的信息诊断范围总不能达到一个理想的程度。但CR系统的动态范围控制技术能较好的解决这一问题。数字数字X X线摄影(线摄影(DRDR) 数字X线摄影(digital radiography,DR),系指直接进行数字X线摄影的一种技术。它是在具有图像处理功能的计算机控制下,采用X线探测器把X线影像信息转化为数字信号的技术。数字数字X
15、X线摄影(线摄影(DRDR)的优点)的优点病人受照射剂量小;时间分辨率明显提高,在曝光后几秒内即可显示图像;具有更高的动态范围、量子检出效能(DQE)和MTF性能;能覆盖更大的对比度范围,使图像层次更加丰富;操作快捷方便,省时省力,提高工作效率。DRDR成像的转换方式成像的转换方式直接转换方式包括:(1)直接转换平板探测器(非晶硒);(2)多丝正比电离室狭缝扫描方式或半导体狭缝扫描方式。间接转换方式间接转换平板探测器(碘化铯+非晶硅,或使用硫氧化钆/铽);闪烁体+CCD摄像机阵列。当前,应用最多的是间接转换平板探测器和直接转换平板探测器非晶硒探测器结构及其成像原理 直接数字化X线成像的平板探测
16、器利用了非晶硒的光电导性,将X线直接转换成电信号,形成全数字化影像。基本结构探测器主要由导电层,电介层,硒层、顶层电极和集电矩阵层,玻璃衬底层、保护层,以及高压电源和输入/输出电路所组成,其中硒层和集电矩阵层是主要结构。硒层为非晶硒(a-Se)光电导体材料,它能将X线直接转换成电子信号。集电矩阵层包含薄膜晶体管(thin film transistor,TFT),储能电容。用TFT技术在一玻璃基层上组装几百万个探测元的阵列,每个探测元包括一个电容和一个TFT,且对应图像的一个像素。诸多像素被安排成二维矩阵,按行设门控线,按列设图像电荷输出线,每个像素具有电荷接收电极、信号储存电容及信号传输器,
17、通过数据网线与扫描电路连接,最后由读出电路读取数字信号。成像原理集电矩阵由按阵元方式排列的薄膜晶体管组成,非晶体态硒涂复在集电矩阵上。当X线照射非晶硒层时,产生一定比例的电子-空穴对,在顶层电极和集电矩阵间加偏直压电,使产生的电子和空穴以电流形式沿电场移动,导致TFT的极间电容将电荷无丢失地聚集起来,电荷量与入射光子成正比。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到开关作用。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,送到模/数(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,
18、为下一次的曝光和转换做准备非晶硒平板探测器的特性 直接光电转换非晶硒平板探测器,直接将X线光子转换成电信号,没有中间环节,不存在光的散射,避免了电信号的丢失和噪声的增加。直接读出X线曝光过程中的电荷分布图由检测器暂时保存,曝光后检测器上的TFT转换电子元件将这些电荷输入放大器和模数转换器中,产生原始的数字图像,这叫做“直接读出”,是电子检测器的一个重要特性。量子检测率(DQE)高量子检测率(detcctive quantum efficiency,DQE)表示了探测器的性能,是所给X线剂量量子与图像所得到剂量量子的百分比,它是剂量和空间频率的函数。由于光导材料硒具有好的分辨率特性和高的灵敏度,
19、加之光电直接转换,且都在一个电子板上进行,图像形成中间环节少,直接转换平板探测器的DQE较高。曝光宽容度大探测器的动态范围是能够显示信号强度不同的最小到最大辐射强度的范围。探测器的转换特性在1:10000范围内是线性的,非晶硒的吸收效率很高。电子信号在很宽的线曝光范围内显示出良好的线性,即使是过量曝光或曝光不足,通过全自动的影像处理就能产生高质量的影像。加之应用高效的自动曝光控制,可基本杜绝由于曝光方法不当而造成废片。后处理功能强大处理功能包括对比度、亮度、边缘处理、增强、黑白反转、放大、缩小、测量等,通过这些功能的调节可以使图像的质量得到改善。目前,DR系统只能专机专用,FPD对环境要求高,
20、需要较高的偏直电压,刷新速度慢,仍不能满足动态摄影。非晶硅探测器结构及其成像原理 非晶硅平板探测器,是一种以非晶硅光电二极管阵列为核心的X线影像探测器。它利用碘化铯(CsI)的特性,将入射后的X线光子转换成可见光,再由具有光电二极管作用的非晶硅阵列变为电信号,通过外围电路检出及A/D变换,从而获得数字化图像。由于经历了X线、可见光、电荷图像、数字图像的成像过程,通常被称作间接转换型平板探测器。基本结构非晶硅平板探测器其基本结构为碘化铯闪烁体层、非晶硅光电二极管阵列、行驱动电路以及图像信号读取电路四部分。与非晶硒平板探测器的主要区别在于荧光材料层和探测元阵列层的不同,其信号读出、放大、A/D转换
21、和输出等部分基本相同。碘化铯闪烁体层探测器所采用的闪烁体材料由厚度为500至600微米连续排列的针状碘化铯晶体构成,针柱直径约6微米,外表面由重元素铊包裹,以形成可见光波导,防止光的漫射。出于防潮的需要,闪烁体层生长在薄铝板上,应用时铝板位于X线的入射方向,同时还起光波导反射端面的作用。形成针状晶体的碘化铯可以象光纤一样把散射光汇集到光电二极管,以提高空间分辨率。碘化铯X线吸收系数是X线能量的函数。随着X线能量的增高,材料的吸收系数逐渐降低,材料厚度增加,吸收系数升高。在诊断X线能量范围内,碘化铯材料具有优于其它X线荧光体材料的吸收性能。此外,碘化铯晶体具有良好的X线/电荷转换特性。非晶硅光电
22、二极管阵列非晶硅光电二极管阵列完成可见光图像向电荷图像转换的过程,同时实现连续图像的点阵化采样。探测器的阵列结构由间距为139 200 m的非晶硅光电二极管按行列矩阵式排列,若间距为143m的1717寸的探测器阵列则由3000行乘以3000列,共900万个像素构成。每个像素元由具有光敏性的非晶硅光电二极管及不能感光的开关二极管、行驱动线和列读出线构成。位于同一行所有像素元的行驱动线相连,位于同一列所有像素元的列与读出线相连,以此构成探测器矩阵的总线系统。每个像素元由负极相连的一个光电二极管和一个开关二极管对构成,通常将这种结构称作双二极管结构。也有采用光电二极管-晶体管对构成探测器像素元的结构
23、行式。为了区别,通常将前一种结构的探测器阵列称作TFD阵列,后一种则称为TFT阵列X X线摄影条件与体位的选择线摄影条件与体位的选择摄影条件选择的基本因素1.1.1管电压的选择管电压表示X线的穿透力,管电压可控制照片影像对比度,当管电压升高时,摄影条件的宽容度增大。因此,采用高电压摄影,在有效地消除散射线的情况下,信息量和影像细节可见度增大。1.1.2管电压与管电流量的换算关系当管电压与管电流量(mAs)以外的因素固定不变时,由感光效应公式可知管电压与管电流量的关系为:QN(V0n/VNn)Q0KvQ0(4)其中QN为新管电流量, Q0为原管电流量,V0n为原电压,VNn为新管电压,KV为管电
24、压系数。1.1.3管电流与摄影时间的换算关系一般情况下,当管电压与管电流量(mAs)以外的因素固定不变时,由感光效应公式可知管电压与管电流量的关系为:Q0 T0 = QN T1(5)其中QN为新管电流量,Q0为原管电流量, T0为原时间, T1为新时间。1.1.4摄影距离与管电流量的换算关系摄影距离的变换与管电流量的关系,遵循反平方定律QN(r2N/r20)Q0(6)ro为原摄影距离,Qo为原管电流量,rN为新距离距离,QN新的管电流量1.1.5增感屏胶片体系的变换 增感率S=R0/RM,式中R0表示不用增感屏时的X线量,RM表示应用增感屏时的X线量。屏片系统更换增感屏时,与管电流量的换算关系
25、是Q2=(S1/S2)Q1(7)其中S1为某种增感屏增感率,S2为另一种增感屏增感率,Q1为原管电流量,Q2为新的管电流量摄影条件选择的可变因素被照体构成组织的比例因素X线影像形成的实质,在于被照体不同组织对X线吸收的差异,反映在照片上就产生了不同的密度与对比度,这就决定了X线照片影像因被照体构成的比例不同而异。构成被照体的组织对X线的吸收系数差异越大,形成的影像对比度越大,但此时显示在正确曝光条件下的组织结构的层次就越少。因此,常提高摄影管电压值来显示更多的组织结构。移动因素要获得一张满意的照片,要考虑到尽量减少因移动半影所造成的影像模糊。人体的移动有二种,生理性移动及意外性移动。生理性移动
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