第三章 计算机 X 线摄影成像设备与原理

计算机 X线摄影概述

计算机 X 线摄影（ computed radiography ， CR ）技术，

也被称为光可激励存储荧光体成像（ photostimulable storage phosphor imaging ，PSPI ）、

存储荧光体成像（ storage phosphor imaging ）、 数字存储荧光体成像（ digital storage phosphor

imaging ）、数字发光 X 线摄影（ digital luminescence radiography ）等，

CR 是目前一种比较成熟的数字化 X 线摄影技术，它的摄影方式与传统暗盒的屏 / 胶系统相似，

它以成像板（ imaging plate ， IP ）代替 X线胶片作为记录信息载体，

IP 经 X 线曝光后送入读装置读出 X 线影像信息，再由计算机处理后显示图像。

一、 CR的原理与流程 CR 的原理 CR 采用 IP 作为载体进行数字化 X 线摄影，经 X 线曝光

后， IP 的光激励荧光体中记录 X 线的摄影部位影像，形成了潜影。

再将 IP 放入图像读取器或图像阅读器中，通过激光扫描使存储在 IP 荧光体中的信号转换成光信号，

用光点倍增管或 CCD 将光信号转换成电信号，再经过A/D 转换后，输入计算机处理，

最后获取高质量的 X 线图像。信息读取后 IP 被送到强光擦除系统进行强光照射，擦除 IP 全部信息，为下一次循环使用做准备。

CR 的工作流程 CR 的工作流程 CR 的工作流程与传统屏 / 胶系统基本类似，

只不过是用 IP 代替了胶片与增感屏，暗盒与尺寸和传统屏 / 片系统一样，

图像处理前的摄影步骤也基本一样，只是用打号与识别记录患者信息代替铅号码而已，但记录的信息更多。

图像再现处理方式完全不同，具体如下：

图像再现处理方式 成像板是信息采集部分，代替胶片接收并记

忆 X 线摄影信息，形成潜影。 将有潜影的 IP 暗盒送入图像阅读器，自动打

开暗盒，提取 IP 并传送激光扫描通道，按顺序激光扫描 IP ，

激光激励 IP 使潜影以荧光的形式发射，用光电倍增管或 CCD 阵列接收 IP 发出的荧光，实现光电转换，再经 A/D 转换器变换成数字信号。

图像阅读器还具有登记患者姓名、性别、年龄等基本信息，选择检查部位、图像扫描方式、图像预览、图像预处理、打印等功能。

图像处理工作站由计算机来完成，对数字化的 X 线图像做各种相关的后处理，如大小测量、放大、灰阶处理、空间频率处理、减影处理等。

最后完成最佳图像的显示。图像存储系统主要用来保存图像信息，可采用硬盘、磁带、 CD 或 DVD 等。

二、 CR的优势与特点 （一） CR 的优势 1.X 线曝光量比常规 X 线摄影有一定程度的降低。 2.IP 替代胶片可重复使用，且 IP 潜影存储时间比较

长，适合野外与床旁 X 线摄影。 3. 可与原来的 X 线摄影设备匹配使用，实现普通 X

线摄影数字化，其成本低，便于普及和推广使用。 4. 可取消暗室，实现全明室化操作，彻底改善了工

作人员的工作环境。 5. 具有多种后处理技术，如谐调处理、空间频率处

理、时间减影、体层伪影抑制、动态范围控制等。

6. 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、影像边缘增强及减影等。

7. 显示的信息易被诊断医生阅读、理解，图像质量更加满足诊断要求。

8. 数字化存储，可进入网络系统，节省部分甚至全部胶片，也可以节约保存图像胶片库占有的空间和经费。

9. 实现数据库管理，有利于查询、统计和比较，实现图像资料共享。

（二） CR 的特点

1.灵敏度较高 2. 具有较高的线性度 3. 动态范围大 4. 识别性能优越 5.CR 系统曝光宽容度较大

三、 CR的分类

CR 系统按使用与结构的不同可分为普通型（暗盒式）和专用型（无暗盒式）两大类。普通型 CR 系统是目前应用最广的一种类型，专用型 CR 系统是集投照与阅读为一体的装置。

普通型 普通型又分为柜式与台式阅读器，柜式阅读

器又分为单槽（或单通道）与多槽（或多通道）。

专用型 专用型图像阅读器是与滤线器摄影床或立

式摄影架组合在一起所构成的，分为卧式摄影专用型和立式摄影专用型。

普通 CR的基本组成与原理 IP的结构 外形结构 IP 作为记录图像信息的载体 , 是

CR 成像系统的关键部件 ,IP 的外形、尺寸与传统的增感屏基本类似 , 在暗盒中的放置与胶片基本类似。

IP 的外型与其在暗盒中放置和取出如图 3-7所示。

IP 的结构 IP 的组成包括 : 保护层、荧光层( 光激发物质〉、支持层 ( 基板 ) 和背衬层(背面保护层 ) 如图 3-8所示。

保护层 由一层非常薄的聚醋类纤维制成 ,能弯曲、耐摩擦、透光率高 , 作用是保护荧光层不受外界温度、湿度的影响 , 使用过程中可防止荧光层受到损伤。

荧光层 其内的荧光物质可将第一次被 X 线激发的信息记录下来 , 再次受激光照射时。

释放出与初次激发所接收的信息相对应的荧光 ,这种现象称为光激发发光 (photo-stimulated luminescence ， PSL) ，

具有此现象的物质称作光激发物质(photo}stimulated substance,PSS)o IP 的荧光层采用含有微量二价铕离子的氟卤化钡晶体 (BaFX ： Eu2+ , X=Cl, Br ， I) 作为光激发物质。

支持层 用聚醋纤维胶制成，该材料具有较好的平面性、适度的柔韧性和良好的机械强度。

支持层的作用是保护荧光层免受外力损伤，延长 IP 的使用寿命。为防止激光在荧光物质层和支持层之间发生界面反射，将支持层制成黑色，提高图像清晰度。

背面保护层 该层的取材与表面保护层相同。主要作用是避免 IP 在使用过程中的摩擦损伤。

读取装置

结构

工作流程

读取器的工作流程就是带 IP 暗盒从送入读取器、取出 IP 、传送 IP 、扫描读取 IP上的潜影、擦除 IP上的残留潜影、 IP 送入暗盒、暗盒弹出等整个过程。

从图 3 一 11 中我们可以看出 ,整个读取流程大约可分 9 步。

其中①是将以曝光的 IP 的暗盒送入读取器入口 ;②将暗盒传送到识别单元并把暗盒打开 (KONICA

MINOLTA Xpress CR 将暗盒后盖完全与前盖脱离 ,IP继续保留在前盖上 ) 、识别与确认出 IP 尺寸z

③和④将 IP 送到 IP 接收传送单元 , 并把 IP稳定保持在 IP 接收传送器上 ;

⑤IP 接收传送器向上移动到起始扫描位 , 暗盒前盖回到暗盒传送到打开和尺寸识别单元 ;

⑥开始扫描 IP 读取潜影 , 擦除 IP残留潜影 ;⑦将 IP 送到接收传送单元 , 暗盒前盖板送人接收传

送单元与 IP藕合 ;⑧将 IP 与暗盒前盖板传送到暗盒传送到打开单元 ,

并将暗盒后盖板盖回 p⑨将暗盒弹出 ,从而完成整个读取过程。在扫描读

取完成之后 ,所读取的图像信息经过预处理 , 变成数字图像 , 可以直接预览 , 而后送到后处理工作站进行必要的后处理。

（三 ) 图像读取原理 主要是简述存储于 IP内荧光晶体的模拟潜像

的读出，并且经过数模转换，最后成为数字化图像显示的全过程。

首先是用一束微弱激光瞬间粗略地对 IP 进行采样扫描，获得了 IP内荧光晶体上潜像的相关基础信息，计算机依此信息为基础，确立扫描方案及相关参数，自动调整光电倍增管 /CCD 的灵敏度及放大器的增益等，

如图 3 一 12所示的激光扫描系统，高精度的伺服电机带动 IP匀速移动，高强度的激光束及光学系统的运动均在计算机统一控制同步运行。

对 IP 进行精确均匀匀速扫描，受激光激发产生的荧光被高效传导系统输人到光电转换器。

经光电倍增管或 CCD 进行光电转换和放大后，再经模数转换为数字图像信号，此图像为原始数字图像，到此为止，完成了整个读取过程。

再经计算机多项处理后，最后获得一幅最佳的适合于诊断的数字 X 线图像。

X 线图像信息转换扫描还有 3 种方式。 ①常规一直采用的飞点扫描方式，它是一次读出一个点的信

息，图像信息收集由光导与光电倍增放大器完成。 ②AGFA 开发的专利产品，第 2 次激发光与图像信息收集器为

一体，称为扫描头。图像信息收集器为 CCD ，第 2 次激发光与 CCD 器件分别做成 1XN个阵列，扫描时 IP移动，扫描头固定不动，每次读出一行图像信息，并直接成为数字信号，所以，整个读出声度比前面所述扫描方式快，如图“一‘“所示。

③也是 AGFA 开发的专利产品，也是第 2 次激发光与图像信息收集器为一体，称为扫描头。图像信息收集器为 CCD ，第2 次激发光与 CCD 器件分别做成 1X1个阵列，扫描时扫描头移动， IP固定不动，每次读出一个像素的图像信息，类似普通打印机打印头的工作方式，此种扫描头结构简单，成本低。

上述后两种 X 线图像信息转换扫描方式在不久的将来有可能取代飞点扫描方式，因其不仅能提高图像的质量，还能提高扫描速度、减小阅读器的体积、降低能耗，

有可能使 IP 与阅读器一体化，做成与 DR平板探测器尺寸一样大小的平板探测器，其价格比 DR平板探测器数字成像系统低许多，现在 AGFA 和 FUJI 已经向市场推出这种产品， FUJI把胸部和平床式的 CR称为 DR ，其在将来还会占一定的市场，由于它受成像方式与结构的限制，故不能实现动态成像。

IP 图像信息读出与残影擦除系统主要由 6 部分组成 : 激光、光学、光收集、放大模 / 数转换处理、传送和擦除。

计算机系统

计算机系统在 CR 设备中具有极其重要的中枢控制和运算作用，控制着 CR 成像全过程中的每一个细小环节， CR 的工作状态、稳定性、图像质量、各种技术指标的实现等全在计算机的监控之中。

第五节 CR的临床应用 普通摄影 CR 的密度分辨率高于屏 / 胶系统，用于骨

骼、腹部、胸部等效果很好。 CR 可以脱机使用，不固定于某一台设备，可以几台X 线机共用一台 CR 读取器。目前的 CR系统以其最佳的图像效果和强大的后处理技术完全可以取代各种普通摄影、体层摄影和特殊造影等所有 X 线检查项目。

乳房摄影 各厂家都在此项应用中加大了研发力度，

在 IP上荧光层加厚，双面 IP 、双面采集技术，实现了 20pl/mm 读取， 43.75um/pl精确读取技术，特殊的软件处理及乳房增强软件等的应用，提高了图像密度的分辨率，使乳房肿块的检出率得到了提高，检出最小直径达 2mm ，可与 DR 相媲美。

床旁摄影 床旁摄影的工作地点不固定，移动范围大，

电源质量不稳定，条件不好掌握， CR 以其宽容度范围大和强大的后处理能力，从而降低废片率，减少重照率。此项应用最能突出显示 CR 各项优势及全部功能。

第六节 CR系统的质量控制 一、影响 CR图像质量的因素 ( 一 ) 激光束的直径 读取装置的激光束直径越小 , 读取的信息量越多 , 图像质量越好。但在实际工作中 , 随CR 图像设备的购入与使用 , 其激光束直径己确定 , 只是要保证激光单元、光学系统、读取过程中要科学匹配同步进行。否则 ,严重影响图像质量。

( 二 )噪声

CR 系统噪声主要有 X 线量子噪声、光量子噪声及固有噪声。

1.X 线量子噪声 CR 中 X 线量子噪声是在 X 线被IP吸收过程中产生的 , 与人射 X 线量、 IP 的 X 线吸收效率成反比。

2. 光量子噪声 在光电倍增管把光激发发光强度转换为电信号的过程中产生光量子噪声。它与光电子数成反比 , 与 IP 的光激发发光量、导光器的聚光效率以及光电倍增管的光电转换效率成反比。

3.固有噪声 是计算机 X 线摄影系统运行中产生的非 X 线量依赖性噪声。包括成像板的结构噪声、激光噪声、模拟电路噪声、 A/D 转换过程中的量子化噪声等。

上述各种固有噪声中 , 成像板的结构是最重要的固有噪声来源 , 成像板的结构噪声是荧光体颗粒层内荧光体分布的随机性产生的 , 影响成像板荧光体内颗粒的发光效率 , 荧光颗粒越大 ,噪声越大。

成像板荧光颗粒的尺寸正在逐渐变小 , 目的就是提高 CR 图像质量 , 减少固有噪声的干扰。

( 三 ) 数字化的过程影晌

在计算机 X 线摄影系统中 , 信息采集、信息的读出和信息处理三大环节共同决定了 CR 图像设备的质量。人射到 IP上的 X 线量子被荧光体吸收 ,释放出的电子一部分散布在荧光体内 ,呈半稳定状态 , 形成潜影 ,

用激光照射时 ,半稳定状态的电子转变为光量手 , 光量子随即被光电倍增管检测到 , 并转换为电信号 ,

这些代表模拟信号信息的电信号再经 A/D 转换为数字信号 , 数字信号被传递到存储与显示元件中 , 由此而造成对图像质量的影响被称为数字化过程影响。

同时数字化过程中还有在计算机 X 线摄影系统的响应性参数 ,即图像锐度与图像频率的响应。

CR 的锐度基本上是由成像板自身的特征与读出系统的电子和光子特征决定。

尤其是与二次激发使用的激光束光点的直径和激光光线在成像板荧光体内的散布有关系。

CR 在设计上已根据成像要求使激光束光点足够小 ,并使激光光线在成像板的荧光体内散布但尽可能少二激光束二次激发产生的 PSL 光线 ,尽管也会在 IP激光体内散布 , 但不会影响图像的锐度。

因此 , 与计算机摄影图像锐度有关的因素对计算机 X 线摄影系统影响很小。

CR 在设计上已充分考虑了对于 IP 和激光读取需要足够的频率响应特征。

CR 可对每一个投照部位和每一个投照方法提供适当的补偿 ,在额定较宽的范围内图像质量不会因像素的大小、扫描成像板的激光能量、激光束的直径和读出速度等因素变化而改变 ,从而保证了 CR 的图像质量。

同样频率低会使图像的空间分辨率降低 , 过高会使数据量大量增加 ,从而使图像处理时间过长。数字化的取样间隔为0.1~0.2mm, 空间分辨率一般为 2~4lp/mm 。

( 四 ) 来自于 IP 采集的影晌 1.X 线管 X 线管球的有效焦点越小 , 图像越清晰。旋转阳极及阳极靶面光滑程度都直接影响 X 线的质量的稳定性 ,直接影响图像质量。

2.X 线的曝光量 X 线曝光量具有较好的均匀性和较高的稳定性 ,才能保证适量的 IP 摄影。适量的摄影会包含更多的有用的信息 , 在 CR 后处理时才能获得较大的信息取值范围 , 以保证图像质量。

3. 摄影距离即焦点 IP之间的距离 , 其距离越近 , 图像质量越好。

第七节 CR常见故障检修基本原则操作人员如果在使用过程中发现有任何不正常的现象，在不得已的情况下需要关断设备电源的，应立即关断电源，并记录故障现象，通知工程技术人员进行维修。除此之外，出现故障时不需要关断整机电源，计算机系统更是如此，否则有可能导致计算机不能恢复正常工作。

无论发生任何故障操作人员必须及时通知工程技术人员，绝不能自行轻易处理，否则非常有可能导致不可挽回的损失。

CR 系统的故障不外乎硬件与软件引起的两大类故障，另外就是操作与处理不当引起的