第二节　计算机X射线摄影

一、计算机X射线摄影的简史

（一）称谓

1981年日本富士胶片公司首先推出了成像板（imaging plate，IP）技术。成像板的研发为计算机X射线摄影（CR）的实现奠定了基础，从而真正完成了医学影像的数字链。

在国内人们习惯将计算机X射线摄影称为CR。这种称谓简洁、实用。但是，除此之外我们还需知道它的其他学名。因为，当阅读国外文献时，常常发现CR自身也还有许多不同的称谓，这增加了迷惑性。这些称谓包括，存储荧光体数字X射线摄影（digital radiography with storage phosphors）、数字发光X射线摄影（digital luminescence radiography）、光激励发光X射线摄影（photostimulable luminescence radiography）。不管使用何种名称，它们都是指一种采集和记录高能电磁辐射的投射影像的技术，该技术采用含有特殊存储荧光体材料的可重复使用的探测器。

从国外文献看，特别是从物理学角度分析CR时，较多采用光激励存储荧光体（photostimulable storage phosphor，PSP）成像的称谓。

关于CR成像板也有不同的称谓，如光激励存储荧光体屏、SP探测器等。从X射线信息影像的形成与传递过程分析，凡是能探测到透过被照体以后X射线强度的差异，并转换成可见影像的介质，均可称为探测器。如屏-片系统、影像增强器（II）、CR的成像板、DR的数字平板探测器、CCD探测器等。但是，为适应我国医学影像界的习惯，我们还是在书中以成像板称谓。

将CR称为CR X射线机是一个原则性错误，因为CR不具有产生X射线源的功能，它只是一种将X射线信息影像转换成可见的、数字影像的装置，或者说是一种数字影像采集与显示技术的装置。

尽管人们习惯把称为计算机X射线摄影（CR）的技术与称为数字X射线摄影（DR）的技术区分开。但是，国际上有的学者认为，CR是DR的一种形式，而且是最早的形式。

这从数字摄影的宏观角度来讲是可以理解的。但是，在国内还是不希望将CR与DR混为一谈。设想一下，如果把CR也称为DR，那就会在使用中造成理解上的混乱。

（二）简史

过去30年左右CR在快速发展，扫描装置的安装数量增加了20 000倍，而系统价格和体积却减小了10倍以上，扫描速度提高了2～3倍。

然而，CR的发展是建立于存储荧光体（storage phosphor，SP）技术之上。也就是说，存储荧光体技术比CR的历史要长得多。

光激励发光（photostimulable luminescence，PSL）效应，就是把存储的高能射线通过光激励后以可见光的形式释放。早在19世纪中期就开始使用，通过全野或局域激励的方法，把不可见（如紫外线）空间影像转换为可见状态。

1895年伦琴发现X射线后不久，就有了使用光激励发光效应的全野X射线成像的实验。

“二战”期间，红外激励存储荧光体被用在夜视照相机上，红外情景（光激励发光源）在相机里成像在预先存储能量的存储荧光体探测器上，使其以可见光的形式释放能量，再现了输入的不可见场景。

现代CR系统的先驱是在20世纪70年代发展起来的，当时研究者正在寻找一种新的途径来改善全野激励法的可见光收集效率低下和图像质量不佳的状况。他们尝试开发一种存储荧光体扫描系统，聚焦的可见光束逐点地激励成像板，尽可能靠近激励发光点放置一光电探测器来收集尽可能多的局部激发光。

这些努力随着1981年首台商品化CR系统（Fuji Photo Film公司）的推出达到了顶点。此后，许多制造商都研发出使用光激励发光效应的商品化CR系统，而且不仅局限在医学成像方面。

二、计算机X射线摄影系统的构成

CR系统使用成像板为探测器，利用现有的X射线设备进行X射线信息的采集来实现图像的获取。它主要由影像板、影像阅读器、影像处理工作站、影像存储系统组成。

（一）成像板的构造

成像板是CR成像系统的关键元器件，是采集或记录图像信息的载体，并代替了传统的屏-片系统。它适用于各种类型的X射线机，也适用于各种常规X射线检查，具有很大的灵活性和广泛的用途，成像板可以重复使用，但是，不具备图像显示功能。

成像板外观像一块单面增感屏，由表面保护层、光激励发光物质层、基板层和背面保护层组成（图1-4-6）。

1.表面保护层

表面保护层的制作材料常采用聚酯树脂类纤维，耐磨损、透光率高，不受外界温、湿度变化的影响。作用是防止光激励发光物质层在使用过程中受到损伤。

2.光激励发光物质层

由光激励发光物质与多聚体共同组成。光激励发光物质为发光材料，结晶体颗粒的平均直径在4～7μm。颗粒直径增加，发光强度增加，但随之图像的清晰度降低。多聚体的材料一般为硝化纤维素、聚酯树脂、丙烯及聚氯酸酯等。多聚体的作用是使光激励发光物质在涂布层中均匀分布，具有适度的柔软性和机械强度，并免受温度、湿度、辐射和激光等因素的影响而产生理化性质的变化。

3.基板

基板的材料是聚乙烯对苯二酸酯（polyethylene terephthalate），厚度在200～350μm。作用是保护光激励发光物质层，避免激光在光激励发光物质层产生界面反射，提高图像清晰度。有的成像板为了防止光透过基板，还在基板中增加了吸光层。

4.背面保护层

制作材料与表面保护层相同。作用是防止使用过程中成像板之间的摩擦损伤。

（二）阅读器的构成与功能

当前的CR阅读器都使用逐点读取技术，激光束按照一定的模式扫描整个成像板表面，测量成像板上每一点的发射光并将其转换为数字信号，然后采样和量化成数字图像。在最早的CR系统中，完成此任务的部件体积巨大要装满整个房间。现在，它们只需要安装在一张桌面上（图1-4-7）。

CR阅读器的构成与功能描述如下：

1.激光源与强度控制（laser source and intensity control）

现代的CR系统大多采用红外固态激光二极管（波长670～690nm）作为光源。红外的波长与常规使用的氟卤化钡成像板的激励光谱相匹配，同时又与发射光波长（蓝光）容易区分不会影响它的探测。固态激光源更紧凑、有效、可靠，而且持续时间也比气体激光源更长。现在扫描装置激光束的延迟时间在1～6ms/像素。

CR阅读器设有特殊的强度控制装置，它可以实时监控激光的功率并校正波动。但是，这种容许范围很小。在激励曲线的直线部分，波动即使小于10%也会产生问题。因此，必须把强度波动控制在这个水平以下。激励曲线越高，允许波动并不随之加大。因为，需要更大的曝光量变化以使得输出信号产生相同的变化。

2.线束成型光学装置

激光器发出的线束必须经过线束成型光学装置（beam-shaping optics）最优化处理后方可对成像板曝光。这一点对于固态激光器尤为重要，它产生椭圆形线束而不像气体激光器的圆形线束。此外，即使是产生圆形激光束，线束也会在穿过成像板时改变形状和速度。

在CR阅读器中，这种效果导致尺寸不同的成像板由于线束位置的不同，激励过程的线束延迟时间（扫描速度）也就不同，这是我们不愿看到的。因为，即使整个成像板的曝光量一致，在它的边缘与中央部的信号输出和空间分辨力也会不同。CR阅读器含有专用的束形控制装置（包括一种所谓的f-θ透镜），它保证线束的形状、尺寸和速度与光束所处的位置无关。

3.线束偏导（偏制）装置

线束偏导装置（beam deflector）是使得激光束快速向前、向后，均沿着一条扫描线顺序激励成像板上的每一点。其他方向的移动由传输装置控制。这个方向被称为快速扫描方向或者线扫描方向。根据所需要的扫描速度，可以使用不同规格的偏导（偏制）装置。对于较低的扫描速度，可使用的是旋转的转筒和固定激光束（也就是没有偏转器，所有的移动都由转筒来控制）。对于较高的速度来说，通常的解决办法是在电流计上安装一反光镜。电流计前后摆动，使得线束沿成像板运动。在折回时，激光束会被挡住。而在最高速的装置中，采用旋转的多边形棱镜。每一面反光镜扫过成像板的一条线，然后将下一条线移交给下一面反光镜，以此类推。这里，非常重要的一点是每一面反光镜要具有相同的反射率和相对于多边形转子的相同角度。

4.传输环节

传输环节（transport stage）能够在与快速扫描垂直的方向上传送成像板。这个方向通常被称为慢速扫描方向、页面扫描或者交叉线扫描方向。在整个线束偏导装置和传输环节的作用下，整个成像板表面都能够被激光束“接触”到（也就是采样）。由于使用线束偏导装置，在不同的扫描速度要求下，有不同传输环节的选择。在低速扫描装置中可以使用一个转筒，然而目前所有的CR阅读器都采用直线传输方式，成像板被夹住或放在可移动的平板上，沿着一定轨迹进行移动。

在这里，速度的稳定性是十分重要的，以避免条带状伪影的产生。由于读取过程是破坏性的，也就是说潜影会在读取之后消失，因此，在慢速扫描方向上，激光扫描线必须进行恒定的交叠。传输速率哪怕是百分之几的波动都会导致可见的带状伪影。

5.集光器

集光器（light collection optics）用以尽可能多收集成像板的发射光线，并且以最小的损失把它们传送到光电探测器，将光信号转化为电信号。图像的质量主要受这一环节的控制。尽管入射的激光束具有高度定向性，而成像板混杂特性使得发出的光线散射到各个方向。因此，集光器必须非常邻近成像板表面，从而尽量多地截取散射的光子。

6.光学滤波器

由于成像板的发射光与激励光的波长不同，才有可能从CR成像板中提取有用的信号。这种光谱的分离是极其严格的。然而，仅允许发射光进入光电探测器甚至是更严格的。因为，这个光学滤波器（optical filter）通常有相当宽的敏感光谱。滤光器在阻止激励光进入光电探测器方面起着关键作用，从而防止所需要的图像信号被淹没。

7.光电探测器

光电探测器（photodetector）的作用是将发射光光子转换为电信号，进一步处理成数字图像。由于CR系统的低发光率，开始时采用一个或多个光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）来实现转换。光电倍增管具有高的信号增益、合理的量子转换率（约为25%），内部噪声和暗电流低。但是，CCD同样具有将可见光信号转换成电信号的作用，而且价格低廉、体积小巧，更具灵活性，现逐步取代光电倍增管融入CR系统的渠道。

8.模拟电子器件

光电探测器上呈现的信号是模拟信号，它反映了成像板上潜影和X射线曝光量的变化。模拟电子器件（analog electronics）在光电探测器之后的另一项操作就是为采样过程作准备。光电探测器探测到的信号有很宽的频率范围（包括噪声）。但是，有一些是对诊断无用的或者与数字化设备不兼容的。因此，需将所谓的防混叠滤过器纳入模拟链中，目的是在模-数转换前除去这些高频信号。

9.模-数转换器

模-数转换器（analog-to-digital converter，ADC）是模拟和数字的分界线，它包括两个步骤：采样和量化。模-数转换器在控制电路的作用下产生与源模拟图像等价的数字化图像。激光束横跨成像板的移动将成像板表面的空间变化转换成光电探测器的时间变化信号。这种时间变化信号必须以足够高的频率采样，才能保留足够的空间分辨力满足临床应用。

同样，光电探测器信号的强度变化也必须进行足够精细地采样或量化，在覆盖整个可能曝光动态范围的前提下，保留所需要的信号变更幅度（对比度）满足临床应用。

10.影像缓冲器

扫描装置得到的数字影像在发送到最终目的地（工作站）之前，需要暂存在某处，即影像缓冲器（image buffer）。通常可将硬盘驱动器用作本地存储器。硬盘的容量应与扫描装置的流通量相匹配，并具有在网络连接发生中断时也能保持扫描装置正常运转的能力。

11.擦抹装置

擦抹装置（erase station）用于清除成像板上所有的残留信号，初始化成像板以备下一次曝光使用。这个组件的典型组成是一排高强度的灯管，其发光强度一般比激励光源高出几个数量级，可以驱除成像板上的残留信号，使之大大低于曝光所产生的信号，以免影响下一次曝光成像。

三、计算机X射线摄影的成像原理

（一）图像的采集与显示的过程

当X射线照射到成像板的光激励荧光体时，其晶体结构中“陷阱”部位吸收并存储了X射线能量。所以，有时也将光激励荧光体称为“存储”荧光体。

在光激励发光过程中，它在附加的适当波长的激光能量的激励下，将这种俘获的能量释放出来。

这一过程就是CR影像的采集和显示，其过程可以归纳为图1-4-8所示的5个步骤：X射线曝光、图像阅读、图像缩放、图像记录和CR图像显示。

（二）图像的生成

成像板上涂有一层“光激励存储荧光体”，选用的材料必须具有“光激励发光”的特性。许多化合物具有这种特性。但是，适宜X射线摄影所需要特性的却为数不多，最接近X射线摄影要求的化合物是氟卤化钡家族，BaFX：Eu2+，X代表卤族元素Cl、Br、I或它们的组合，如 BaFBr：Eu2+、BaF（BrI）：Eu2+、BaSrFBr：Eu2+。化学式中的 Eu 是赋活剂。微量的 Eu2+混杂物加在光激励荧光体中，以改变它的结构和物理特性。

曝光后的成像板，由于吸收X射线而发生电离，在光激励荧光体的晶体中产生电子/空穴对（陷阱）。一个电子/空穴对将一个Eu2+跃迁到激发态Eu3+，以俘获电子的形式存储的能量形成潜影。也就是说，光激励荧光体的晶体结构“陷阱”中存储的是吸收的X射线能量。所以，有时也称作“存储”荧光体。当Eu3+在适当波长的附加可见光能量的激励下，再返回到基态Eu2+时，会将俘获的能量以可见光的方式释放出来。

曝光后的成像板在阅读器内，经过用低能量高度聚焦和放大的红色激光扫描，一种较高能量低强度的蓝色光激励发光信号被释放出，它的强度与接受器中吸收的X射线光子的数量成正比。蓝色的光激励发光信号从红色激光中分离，导入一个或多个光电倍增管。

最常用的激光是HeNe（λ=633nm）激光和“二极管”（λ=680nm）激光，光激励发光的波长为390～490nm，恰好与光电倍增管光电阴极探测敏感度的波长（400nm）相匹配。

光电倍增管将接收到的光信号转换成电压，电压经过增幅，输入模-数转换器转换成数字，通过釆样和量化，以数字影像矩阵的方式存储。

对采集到的原始数据影像分析，确定有用影像的相关区域，按照用户选择的解剖部位程序将物体对比度转换成模仿模拟胶片的灰阶影像。最后，重建出影像在显示器上显示或通过打印机打印出照片影像。

影像读取过程完成后，成像板的影像数据可通过施加强光照射来消除，成像板可重复使用（图1-4-9）。

未曝光的成像板由基板上覆盖的光激励发光材料组成，外面涂布一层薄薄的透明保护层。X射线曝光后，在晶体结构中形成半稳态势阱的电子潜影中心。潜影的处理由低能量激光束（例如20mW 633nm的氦氖激光）的栅条状扫描来实现。俘获电子从发光中心释放出来形成可见光，然后由光导装置采集引至光电倍增管。残余俘获电子被高强度可见光源清除，成像板又可以再次使用。

双面阅读成像板从成像板正反两面探测发射光，从而提取更多信号（并提高信噪比）。这种技术将成像板的基板做成透明的，在屏的反面添加一套光学采集装置、光电探测器和电路（图1-4-10）。

这样的配置有如下好处。首先，可以在不改变各像素停留时间前提下采集更多的发光信号。其次，相同空间频率采集的两路信号相结合，可以得到比单侧采集更优的信号和噪声特性，来生成总体输出信号。但要注意，当激励线束到达有效层的后面或底部时，其宽度已经明显增加。因此，底部发出的光信号要比顶部采集的光信号模糊。结果是，两路信号组合所得到的图像质量受益于较低空间频率的程度（两路信号均起作用）高于较高空间频率（底部信号的作用相对减弱）。一个意外收获是，人们可以稍增加成像板厚度，在没有明显降低锐利度的同时来提高X射线吸收率，这可以通过信号组合参量来加以控制。

四、计算机X射线摄影的图像处理

（一）读出参数

1.需要和不需要的影像信号

在传统屏-片X射线摄影中，通过调整曝光条件得到影像信号范围位于H-D曲线的直线部。位于被照体范围以外，而在照射野范围内的X射线，形成的影像信号落在曲线的肩部（高曝光区），超出准直边缘的影像信号落入趾部（低曝光区）。

CR系统必须对有用的影像信号进行编码，通过数字值的检查表调整以提供最大对比敏感度。正如特定解剖部位选择特殊摄影技术和影像探测器一样，CR读出算法也根据特定的解剖部位对数字影像进行调整。

2.分割模式和曝光野识别

有些CR系统的首要任务是，确认已曝光的接受器（成像板）上原始数字数据中图像的数量和方位。然后再分别对每一幅图像进行分析。传统X射线摄影在一个暗盒上产生多幅图像比较容易。但是，在CR摄影中可能是很复杂的。在一个曝光野内，CR阅读器识别影像有用区域的重要依据是准直器的边缘定位。一些CR系统通过定义解剖区域的边缘来分割影像。有用影像一旦正确定位，CR系统在执行进一步的影像分析时，就可以忽略超出准直器边缘的影像信息。

3.直方图分析

对于大多数CR系统来说，确定有用信号范围的方法需要影像灰阶直方图的构建，一种X轴为像素值、Y轴为发生频率的图形（也就是像素值频谱）。图1-4-11是计算机X射线摄影（CR）胸部自由直方图的实例。

直方图的大体形状取决于解剖部位和用于影像采集的摄影技术。所有CR阅读器都利用一种分析算法来识别和分类直方图的各个组成部分，它们对应于骨、软组织、皮肤、对比剂、准直、未衰减X射线和其他信号。这有助于影像的有用和不重要区域的辨别，从而可以正确重建影像的灰阶范围。

它显示出影像中对应于不同解剖结构，有效区域内像素频率分布的各种成分。此实例与屏-片影像一样，像素数值的大小直接对应着衰减程度的高低。它使用反变换表，将数值的大小反比于光激励发光的大小。

直方图分析的结果使原始影像数据的标准化成为可能，而感度、对比度和宽容度的标准化条件是由数字化数值分析决定的。对于特定患者的检查，适宜影像灰阶特性的重建是通过尺度改变和对比增强来实现的。

每一个生产商都使用一种特殊的方法完成这个影像的重新变换过程。一些系统中，潜影信息在一个较小的数值范围内被识别和预采样，目的是最小化量化误差。这种情况下，曝光范围识别中的任何错误都是不可逆转的，都需要影像的重新采集。而在其他系统中，全动态范围的光激励发光信号都被数字化，然后对数字化数据运用重新变换算法。另一种情况是，由于直方图的形状和信息内容影响影像的处理，成像板的相关影像信息必须为后来的灰阶和/或频率处理而确定下来。

（二）影像灰阶处理

CR影像是数字化像素值的矩阵，它可以很容易被处理，而产生可以选择影像外观。主要的处理类型包括影像对比度调整、空间频率调整或特殊影像算法的实施等，下文简要介绍前两种。

1.影像对比度调整

由于人体衰减的微小差异，CR数据具有很小的固有对比度。对比处理的目的是改变影像数据的设置，使其对比度等同于传统屏-片影像，或者是增强所希望特征的显著性。处理的类型有层次处理、色调协调、对比增强等。

对比度处理有两种不同的方法，最常用的技术是按照用户控制的查找表重新变换各个像素值。第二种对比度处理的类型，是通过对滤过后原始影像的操作和更改后原始影像的重建来实现对比度的改变。

2.空间频率调整

数字影像处理的一个目的是增强数据中特性的显著性。影像中这些被增强的特性，可以通过它们特定的空间频率来表征。

有几种技术可以达到此目标，包括傅里叶滤过（Fourier filtering）、模糊蒙片减影（blurred-mask subtraction）和小波滤过（wavelet filtering）。图1-4-12为CR胸部影像的总体影像灰阶增强和频率处理的实例。