第三章CR、DR成像技术
第一节CR成像技术
一、CR系统的结构
CR系统主要由X线机、影像板（imaging plate，IP）、打号台、激光扫描器、影像工作站、影像存储系统和胶片打印机等组成（图3-1）。 图3-1
图3-1CR系统结构示意图
（一）影像板
影像板是记录人体内影像信息、实现模拟信息到数字信息转换和代替传统屏-片系统的载体。当X线照射人体后，部分X线被人体吸收，剩余X线被影像板接收并以潜影的形式储存于影像板中，经激光扫描器阅读，使影像板内所储存的能量以荧光的形式被读出，再转变为数字信号，便可在影像工作站上显示所摄部位的X线图像。当影像板中的潜影被激光扫描器阅读后，影像板上的潜影信息可被消除掉，因此，影像板可重复使用。从理论上讲，影像板的使用次数可达一万次，但是由于光化学作用、机械性损伤及时间等因素，多数都不能够达到预期的使用次数。 影像板由保护层、光激励荧光物质层、基板层（支持层）、背面保护层（背衬层）等构成（图3-2）。
图3-2
图3-2影像板结构示意图
影像板的核心是用来记录影像的荧光物质层。荧光物质层的氟卤化钡（BaFBr）晶体中含有微量的二价铕离子（Eu2+），作为活化剂形成发光中心。
影像板可与普通X线机、乳腺X线机、口腔全景X线机及移动式床边X线机等配合使用，具有一定的灵活性。
影像板按能否弯曲分为直板型和柔性板型；按摄影技术分标准型、高分辨率型、减影型及体层射影型等。影像板的厚度一般为1mm，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)及15cm×30cm(6英寸×12英寸)等几种规格。
影像板一般放于专用暗盒内，暗盒的外形类似于传统X线摄影用暗盒，暗盒尺寸同影像板尺寸相匹配，暗盒上设有一无线电频率记忆体，可存入受检者的资料信息（图3-3）。
图3-3
图3-3影像板专用暗盒示意图
（二）打号台
曝光后，将装有影像板的暗盒（已携带潜影信息）送入打号台中，将受检者的个人信息输入计算机中，信息被传送到网络服务器主机及暗盒上的无线电频率记忆体中（图3-4）。
图3-4
图3-4打号台示意图
（三）激光扫描器
带有潜影的影像板暗盒送入激光扫描器，激光扫描器阅读有关信息，确认无误后，激光扫描器内的机器手将暗盒打开，由真空吸盘把影像板吸出，用低能量高度聚焦和放大的红激光扫描，对潜影进行处理，以高能量低强度的蓝光激励发光信号释放出来，它的强度与接收器中吸收的X线光子的能量成正比。然后，光激励发光信号从红激光中分离，导入光电倍增管，将其转换成电信号，经A/D转换形成数字图像传送到影像工作站。当影像板被读取后，影像板上的潜影信息随即被阅读器中的强光消除，由真空吸盘将影像板送回暗盒中，机器手将暗盒关闭，经传送带将暗盒送出激光扫描器，以备重新使用（图3-5）。
图3-5
图3-5激光扫描器示意图
（四）影像工作站
CR影像工作站可对图像进行多种后处理，如放大、边缘增强、减影、窗宽及窗位调节、黑白翻转、旋转、添加注释及测量等，还具有查询及统计功能。通过影像工作站，能获取更加清晰的影像及更多的图像信息（图3-6）。
图3-6
图3-6影像工作站示意图
二、CR成像原理
（一）CR成像基本原理
1.CR图像的形成过程透过人体的剩余X线被影像板接收并以潜影的形式储存于影像板中，潜影经激光扫描读取，IP被激光激励后，以紫外线形式释放出储存的能量，发出的荧光被集光器收集后送到光电
倍增管，由光电倍增管将其转换成电信号，经A/D转换成数字信号，完成图像信息的读取与数字化，数字信号被送入计算机处理，最终形成屏幕上的可见图像并被储存。
2．CR系统的工作流程
（1）信息采集：CR采用IP接收X线并形成模拟信息，通过A/D转换实现数字化，从而使X线图像能够进行后处理、存储和传输。
万能角钢（2）信息转换：即存储在IP上的X线模拟信息转化为数字信息的过程。CR的信息转换主要由激光阅读器、光电倍增管和A/D转换器完成。IP在X线照射时受到第一次激发产生连续的、模拟的信息，在激光阅读器中第二次激发时产生荧光（荧光的强弱与第一次激发的能量成正比）。该荧光经高效光导采集器采集，进入光电倍增管变为相应强弱的电信号，由光电倍增管放大后，由A/D转换器转换为数字信号。
（3）信息处理：根据诊断的需要对图像进行相关的后处理。CR常用的后处理技术有谐调处理、空间频率处理和减影处理等。
（4）信息的存储与输出：所得的图像信息可以打印出X线照片或刻于光盘中，也可以传输到PACS中储存。
蜂盘
3.CR成像的基本原理
（1）CR信息采集：某些物质在第一次受到照射时，能将一次激发光所携带的信息储存下来，当再次受到照射时，能发出与一次激发光所携带信息相关的荧光，这种现象被称之为光激励发光（photostimulable luminescence,PSL）。掺杂二价铕离子的氟卤化钡结晶，在已知的PSL物质中光激励发光作用最强，因此被选作IP的发光材料。
CR系统中，光激励发光的原理是当掺杂二价铕离子的氟卤化钡晶体被X线照射或紫外线长时间照射后，会形成F中心。F中心是晶体的一种点缺陷（晶体中周期性被破坏的格点），是一个X-晶格空位上加上一个被束缚在其库仑场的电子（捕获电子），能吸收特定波长的可见光。二价铕离子能置换氟卤化钡晶体的钡离子而形成发光中心。同时，当掺杂二价铕离子的氟卤化钡晶体受到X线照射，产生电离形成电子空穴对，空穴被PSL络合体俘获，电子则被已形成的X-空位捕获，形成亚稳态的F中心，该过程同时也储存了X线能量。此后，当采用特定波长的光（二次激发光）照射氟卤化钡晶体时，F中心吸收二次激发光，将捕获的电子释放，并把能量转移给二价铕离子，二价铕离子向低能态跃迁发出荧光。
（2）CR图像的读取：包括激励、发射和读出过程。
1）激励和发射：积存在BaFBr荧光体中的潜影与激活的PLS（F中心）相对应，局部的电子数量与整
个曝光范围的入射X线剂量呈正比，一般超过10000:1。Eu3+-F中心复合物的激励和存储电子的释放需要2eV以上的能量，常采用氦氖（λ=633nm）和“二极管”（λ≈680nm）高度聚焦激光源。在荧光体矩阵中可能出现两种能量轨迹，一是无逸脱返回F中心位置，二是“开隧道”到临近的Eu3+复合物。后者发生的几率更高，这时电子进入中间能态并释放出
非可见光的辐射“声子”。一个3eV能量的可见光光子立即跟随此电子经过Eu3+复合物的电子轨道落入更稳定的Eu2+能级。
2）读出过程：①激光扫描：由氦氖或二极管发出的激光束，经由几个光学组件后对影像板进行扫描。激光束分割器将激光的一部分输出到监视器，通过使用参照探测器来补偿强度的涨落。激光束的大部分能量被扫描镜反射，通过光学滤过器、遮光器和透镜装置，提供了一个同步的扫描激光束。到达扫描线的终点时，激光束折回起点。影像板同步移动，传输速度经过调整使激光束的下次扫描从另一行扫描线开始。读出过程结束后，残存的潜影信号保留在影像板中，在下一次使用之前，需要用高强度的光源擦除信息；②PSL信号的探测和转换：PSL可从影像板的各个方向发射，光学采集系统捕获部分发射的可见光，并将其引入一个或数个光电倍增管的光电阴极，光电阴极材料的探测敏感度与PSL的波长相匹配。从光电阴极发射出的光电子经过一系列光电倍增管倍增电极的加速和放大，可以获得有用的输出电流以满足合适图像质量的曝光量。PMT输出信号的动态范围比影像板高得多，在整个宽曝光范围上获得高信号增益。PSL信号被检测后，大多数PSP阅读系统采用模拟对数放大器或“平
方根”放大器对PMT输出信号进行放大；③数字化：即A/D转换，信号须采样和量化，采样确定了CR接受器上特定区域中PSL信号的位置和尺寸，量化确定了在采样区域内信号幅度的平均值。PMT的输出在特定的时间频率和激光扫描速率下测量，根据信号的幅度和数值的总量，将其量化为离散数据。
（二）四象限理论
CR系统应用数字成像技术，得到用于诊断的数字X线图像，这些数据信息能够在显示器上显示，也可以通过胶片记录。当曝光条件不理想时，可能曝光过度或曝光不足，CR系统可以通过分割曝光模式识别、曝光野识别或直方图分析，最后确定影像的最佳阅读条件，这种机制被称为曝光数据识别（exposure data recognizer,EDR）。采用EDR技术，能较好地保证图像的质量。
EDR的基本原理是利用每种成像采集菜单（成像部位和摄影技术）中X线影像的密度和对比度具有自己独特的性质来实现的，EDR数据来自影像板和成像菜单，在成像分割模式和曝光野的范围被识别后，就得出了每一幅图的密度直方图。对于不同的成像区域和采集菜单，直方图都有不同的类型相对应。由于这种特性运用有效成像数据的最小值S1和最大值S2的探测来决定阅读条件，因此，能够获得与原图像一致的密度和对比度。阅读条件由阅读器的灵敏度与宽容度决定，具体地讲，是由光电倍增管的灵敏度和放大器的增益决定。调整以后，将得到有利于处理和存储的理想成像数据。EDR的功能和CR系统运作原理可以用四个象限来进行描述（图3-7）。
图3-7
图3-7四象限示意图
1.第一象限显示入射的X线剂量与影像板的光激励发光强度之间的关系。光激励发光强度与入射的X线剂量的动态范围成线性关系，二者之间超过1:10000。因此，CR系统具有很高的敏感性和较宽的动态范围。
2.第二象限显示EDR的功能。它描述了输入到影像阅读器的光激励发光强度与通过EDR 决定的阅读条件所获得的数字输出信号之间的关系。影像阅读器可以自动设定每幅影像敏感性的范围，根据记录在影像板上的成像信息（X线剂量和动态范围）来决定影像的阅读条件。CR系统的特征曲线根据X线剂量的大小和影像的宽容度可以改变，保证了稳定的密度和对比度。由于在第一象限中影像板性质的固有性和在第二象限中的自动设定机制，最优化的数字影像信息被输送到第三象限的影像处理装置中。
3.第三象限涉及影像的处理。它显示了影像的增强处理功能（调谐处理、空间频率处理和减影处理），使得影像能够达到最佳的显示状态，以最大程度地满足诊断要求。
4.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）代表影像的密度，该曲线类似于屏-片体系中的X线胶片特征曲线。该特征曲线自动实施补偿，使得相对曝光曲线的影像密度是线性的。
三、CR图像后处理
（一）常用的图像后处理技术
1.图像密度调整通过调整图像密度可改善曝光过度或曝光不足图像的质量。
2.图像放大可对图像进行局部放大或整体放大，有利于观察微小病灶（如细微骨折）。
刷式密封3.图像移动可将摆位时被摄部位未能居于探测器正中的图像调至正中位置，使图像更加美观。育苗营养块
4.正负像转换可以进行正、负影像的转换，即在透视影像和摄片影像之间转换（图3-8）。
图3-8
图3-8正、负影像的显示效果
5.图像旋转可对图像进行900、1800的旋转及图像反转、倒转等。
手提式割草机6.图像测量可测量病灶的大小，还可测量夹角。
7.添加注释可在图像中加入注释，如文字、箭头等，以方便临床医生读片。
8.多幅成像可将不同体位的X线图像（如正位、侧位或斜位等）打印在一张X线照片上，以利于对比观察。
9.减少二次辐射可对因分割摄影曝光剂量不一的图像密度逐一地进行调整，以保证诊断效果，减少受检者的二次辐射。
（二）能量减影
CR减影有时间减影（temporal subtraction）和能量减影（energy subtraction）两种方式，因CR采集影像信息的速度较慢，故时间分辨率不高。所以，一般采用能量减影的方式。能量减影是有选择地去掉影像中的骨骼或软组织信息，在同一部位、同一次曝光中获得一幅高能量影像和一幅低能量影像，由于这两幅影像中的骨骼与软组织信号强度不同，通过计算机加权减影（weighted subtraction）来实现这两幅图像的减影。结果分别是与骨骼相一致的信号被消除，得到软组织影像；与软组织相一致的信号被消除，得到的是骨骼影像（图3-9）。
图3-9
图3-9CR能量减影示意图
四、CR系统的评价
（一）CR系统的优点
1.取代了传统的屏-片组合成像方式，实现了X线图像的数字化，为医院全面实现数字化奠定了基础。
2.数字化图像便于存储与传输，方便了远程会诊，解决了传统X线片的保管问题。
3.曝光宽容度大，具有较大的动态范围，能使曝光不足或曝光过度的图像质量得到改善，减少了重复摄片。
4.影像板可重复使用，还可以利用原有的X线装置，节省了资源。
5.较好的识别性能可显示出理想的影像。
6.提高了影像的密度分辨率，使影像得以清晰地显示，扩大了诊断范围。
7.影像后处理功能强大，灵敏度高，能够分辨出影像中较小的细节。
内衣生产目前，我国基层医院拥有大量的传统X线机，因而CR系统在我国仍有一定的应用空间。
（二）CR系统的缺点
图像的空间分辨率相对较低（与屏-片组合相比），曝光条件相对较高，IP成本高且易老化。CR仍未能摆脱一个部位一个暗盒的模式，时间分辨率不高，不能实时得到所摄影像。
第二节DR成像技术
DR系统由DR控制台、X线机、探测器、图像处理工作站、计算机网络服务器、胶片打印机和存储设备等组成（图3-10）。
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