第二章　計算機X線攝影成像設備結構與原理

第一節　CR基本結構

計算機 X 線攝影（computed radiography，CR）是將透過人體的X線影像信息記錄在存儲熒光板上，形成“潛影”。用激光束對存儲熒光板上的“潛影”進行掃描讀取，經計算機處理，通過改善影像的細節、圖像降噪、灰階對比度調整、影像放大、數字減影等，將未經處理的影像中所看不到的特征信息在熒屏上顯示為圖像，可用圖像輸出設備記錄其圖像。圖像處理系統可行灰階與窗位處理，便于按診斷要求做適于視覺的調整。CR適用于多種方法的影像檢查，包括平片、斷層攝影、造影等。在此基礎上，借助人工智能和神經網絡等技術對影像做定量分析或特征提取，使計算機輔助診斷（CAD）工作得以實施。數字化圖像可存儲于光盤中，為醫學影像存檔與通訊系統（PACS）的應用創造了條件，為遠程醫學的發展奠定了堅實的基礎。CR最為難能可貴之處在于使大量傳統X線機免遭淘汰，這也是有別于其他各類數字X線攝影的卓越之處。CR的核心部件PSL能使照射的X線能和發光量有1︰104以上的直線相關，可提供的數據量大、分辨力高、數據獲取速度快、曝光寬容度大，從而潛在地減低射線輻射，可免除曝光不足或過度時造成的影像不清晰，同時IP板可反復使用上萬次。該系統自動操作，成像參數可預調，影像處理過程約需5分鐘。總之，在實現平片信息數字化的過程中，CR系統為主流方式之一。

CR技術的發展是源于成像板（imaging plate，IP）技術的突破，20世紀70年代菲利浦公司就開發出了IP板，但沒有應用到X線機上。直到1981年日本富士膠片公司率先研制開發出用于X線成像的IP板，解決了數字熒光成像中的不足，并推出首臺用于臨床應的CR，才使X線機數字化得到進一步的發展。

富士公司推出的CR，它是采用磷光體結晶構成的成像板即IP板吸收X線信息，IP板感光形成潛影，再經過掃描轉化成數字化信號進入計算機系統進行圖像處理。由CR的圖像處理技術過程來看，它不是直接的數字化X線攝影，但其技術仍在不斷完善。2003年富士公司又推出了能一次進行多線掃描的CR系統，采用對IP（影像板）的雙面讀取技術，進一步提高了檢測效率和分辨率，成像速度又有提高。

緊隨富士公司其后的還有KODAK和AGFA等公司也相繼研制開發出CR系統，2002年以色列的OREXCR公司推出了新型CR系統，該系統進行圖像采集裝置、質量控制操作和拍片前透視確認等都可在一個房間完成。總之，CR問世20多年來，其成像技術每年都有新的發展，圖像質量越來越好，而成本不斷下降。

CR系統實現了平片影像的數字化，其工作過程為透過被照體的X線由IP板（影像板）吸收，再經讀取裝置讀出IP板中儲存的影像信息，通過計算機處理，再經過激光照相機成像或由存儲裝置存儲而直接在熒光屏顯示影像。CR系統構成：影像板（IP板）、影像閱讀器、影像處理工作站、監視器、存儲裝置。按其作用可分為：信息采集部分、信息轉換部分、信息處理部分和信息儲存及記錄部分。CR系統基本構成如圖2-1所示。

一、IP的結構與特性

IP板由表面保護層、輝盡性熒光物質層、基板層和背面保護層組成（圖2-2）。

（一）IP的類型與規格

IP板的類型有暗盒型和無暗盒型

1.暗盒型IP板

它是將IP置入與常規X線攝影暗盒類似的暗盒內，此類暗盒可在任何X線機上使用，也就是憑借IP的暗盒，使常規X線攝影設備與CR的讀出裝置匹配，基本上不改變常規X線攝影操作模式的情況下，實施CR成像的方式。目前CR設備的IP尺寸有35cm×43cm（14英寸 ×17英 寸）、35cm×35cm（14英 寸 ×14英 寸）、25cm×30cm（10英寸×12英寸）、20cm×25cm（8英寸×10英寸）。

2.無暗盒型IP板

無暗盒型讀出裝置是投照、讀出一體化的設計，有立式與臥式。伴隨著一些附加裝置，很方便進行全身的立式或臥式投照。該設備需要專用機器，不能與常規X線攝影設備匹配。無暗盒型IP在X線曝光后無需經歷打開暗盒和取出IP的過程，IP直接被送到激光掃描和潛影消除部分處理，供重復使用。原理與暗盒型相同。

（二）IP的基本結構

1.表面保護層

表面保護層是為了在使用過程中防止熒光層受到損傷而設計的。因此要求它不隨外界溫度和濕度的變化而發生變化，使用過程中耐彎曲和耐磨損；另外要求透光率高，且在非常薄的基礎上具有上述功能。聚酯樹脂類纖維具有此種特性而用于制造這種保護層。

2.輝盡性熒光物質層

該層是將輝盡性熒光物質混于多聚體溶液中，然后涂在基板上，再干燥而成。多聚體溶液起到使熒光物質的晶體互相結合的作用，對于這一多聚體的要求是：使熒光物質分布均勻；能在基板上形成均勻的膜；不因濕度、溫度、放射線、激光等的影響而發生物理性質的變化；具有適度的柔軟性和機械性強度。一般使用硝化纖維素、聚酯樹脂、丙烯及聚氯甲酸酯等。輝盡性熒光物質結晶的大小平均直徑4～7μm，一般隨晶體直徑的增大發光量也增強，但影像清晰度下降。靈敏度和影像質量不僅由晶體大小決定，還有其他諸多因素，如晶體內照射后變色等。

3.基板層

基板的作用是保護熒光物質層免受外力的損傷。要求具有良好的平面性和適度的柔軟性及機械強度，材料也是聚酯樹脂纖維膠膜，厚度200～350μm。為防止激光在熒光物質層和基板層之間發生界面反射以提高清晰度，故將基板制成黑色。同時，為防止光透過基板影響下一張影像板，也可以在基板中加一吸光層。

4.背面保護層

此層是為了防止影像板之間在使用過程中的摩擦傷而設計的，其材料與表面保護相同。

以上四部分是影像板的基本組成。還有為了防止在輸送過程中產生靜電的干擾，影響影像質量而設計的導電層等。

（三）IP的特性

IP影像板是CR系統中的影像接收和讀出的關鍵部件。熒光物質層PSL（光激勵發光層）是IP影像板的核心，是一種光激勵存儲熒光體（photostimulable storsage phosphor，PSP），它是 BaFBr化合物，并摻雜Eu2+活化，并可以重復使用。

CR系統成像需要對IP影像板兩次激發：X線照射IP時（第一次激發），入射的X線被IP熒光層內的PSL熒光體吸收，釋放出電子，其中部分電子散布在熒光體內呈半穩定態，形成潛影，完成X線信息的采集和儲存。當用讀出裝置的激光來掃描已有潛影的IP時，即產生光激勵發光現象（二次激發，即光致發光現象），產生的熒光強度與第一次激發時X線的能量精確呈正比，通過讀取裝置對熒光進行光電轉換和模數轉換，完成X線信息的光學影像數字化記錄（圖2-3）。

二、讀 取 裝 置

（一）結構

CR系統的IP影像板中潛影的讀出裝置是系統的另一個關鍵部件，如圖2-4所示為潛影閱讀器結構。它采用激光點掃描的方式，將IP影像板上的潛影信息逐點讀出，形成數字影像。

影像讀取裝置，其作用是讀取IP的帶潛影信息，形成圖像數據，向工作站輸出圖像數據，對IP進行擦除處理。

其構成主要由IP拾取器、激光掃描器、光電倍增管、A/D轉換器等組成。

（二）圖像讀取原理

1.激光掃描

由HeNe或二極管發出的激光束，經由幾個光學組件后對熒光板進行掃描。激光束橫越熒光體板的速度的調整，要根據激勵后發光信號的衰減時間常數來確定（BaFBr：Eu2+約為0.8ms），這是一個限制讀出時間的主要因素。激光束能量決定著存儲能量的釋放，影響著掃描時間、熒光滯后效果和殘余信號。較高的激光能量可以釋放更多的俘獲電子，但后果是由于在熒光體層中激光束深度的增加和被激發可見光的擴散而引起空間分辨率降低。

到達掃描線的終點時，激光束折回起點。熒光體屏同步移動，傳輸速度經過調整使得激光束的下次掃描從另一行掃描線開始。熒光屏的掃描和傳送繼續以光柵的樣子覆蓋屏的整個區域。屏的傳送速度根據給定屏的尺寸來選擇，使掃描和副掃描方向上的有效采樣尺寸相同。

讀出過程結束后，殘存的潛影信號保留在熒光屏中。在投入下一次重復使用之前，需要用高強度的光源對屏進行擦除。

2.PSL信號的探測和轉換

PSL從熒光屏的各個方向發射出來，光學采集系統捕獲部分發射的可見光，并將其引入一個或多個光電倍增管（PMT）的光電陰極。光電陰極材料的探測敏感度與PSL的波長（例如400nm）相匹配。從光電陰極發射出的光電子經過加速和放大，使之適宜影像質量的曝光量。輸出信號的數字化需要最小和最大信號范圍的確認，因為大多數臨床使用曝光量在100～400動態范圍內改變。

3.數字化

數字化是將模擬信號轉換成離散數字值的過程，信號必須被采樣和量化。采樣確定了PSP接收器上特定區域中PSL信號的位置和尺寸，量化則確定了在采樣區域內信號幅度的平均值。PMT的輸出在特定的時間頻率和激光掃描速率下測量，然后根據信號的幅度和可能數值的總量，將其量化為離散整數。

模數轉換器（A/D）轉換PMT信號的速率遠大于激光的快速掃描速率（大約快出2000倍，與掃描方向的像素數相對應）。特定信號在掃描線上某一物理位置的編碼時間與像素時鐘相匹配，因此，在掃描方向上，A/D采樣速率與快速掃描（線）速率間的比率決定著像素大小。副掃描方向上，熒光板的傳輸速度與快速掃描像素尺寸相匹配，以使得掃描線的寬度等同于像素的長度（也就是說，像素是“正方形”的）。像素尺寸一般在100～200μ m，據IP的尺寸而定。

由于來自PMT的模擬輸出在最小和最大電壓之間具有無限范圍的可能值，所以A/D要將此信號分解成一系列離散的整數值（模擬到數字單位）以完成信號幅度的編碼。用于近似模擬信號的“位”數，或者“像素濃度”決定了整數值的數量。PSP系統一般有 10、12 或 16 位 A/D，故而有 210=1024、212=4096、216=65536個可能數值來表達模擬信號幅度。