第二章　计算机X线摄影成像设备结构与原理

第一节　CR基本结构

计算机 X 线摄影（computed radiography，CR）是将透过人体的X线影像信息记录在存储荧光板上，形成“潜影”。用激光束对存储荧光板上的“潜影”进行扫描读取，经计算机处理，通过改善影像的细节、图像降噪、灰阶对比度调整、影像放大、数字减影等，将未经处理的影像中所看不到的特征信息在荧屏上显示为图像，可用图像输出设备记录其图像。图像处理系统可行灰阶与窗位处理，便于按诊断要求做适于视觉的调整。CR适用于多种方法的影像检查，包括平片、断层摄影、造影等。在此基础上，借助人工智能和神经网络等技术对影像做定量分析或特征提取，使计算机辅助诊断（CAD）工作得以实施。数字化图像可存储于光盘中，为医学影像存档与通讯系统（PACS）的应用创造了条件，为远程医学的发展奠定了坚实的基础。CR最为难能可贵之处在于使大量传统X线机免遭淘汰，这也是有别于其他各类数字X线摄影的卓越之处。CR的核心部件PSL能使照射的X线能和发光量有1︰104以上的直线相关，可提供的数据量大、分辨力高、数据获取速度快、曝光宽容度大，从而潜在地减低射线辐射，可免除曝光不足或过度时造成的影像不清晰，同时IP板可反复使用上万次。该系统自动操作，成像参数可预调，影像处理过程约需5分钟。总之，在实现平片信息数字化的过程中，CR系统为主流方式之一。

CR技术的发展是源于成像板（imaging plate，IP）技术的突破，20世纪70年代菲利浦公司就开发出了IP板，但没有应用到X线机上。直到1981年日本富士胶片公司率先研制开发出用于X线成像的IP板，解决了数字荧光成像中的不足，并推出首台用于临床应的CR，才使X线机数字化得到进一步的发展。

富士公司推出的CR，它是采用磷光体结晶构成的成像板即IP板吸收X线信息，IP板感光形成潜影，再经过扫描转化成数字化信号进入计算机系统进行图像处理。由CR的图像处理技术过程来看，它不是直接的数字化X线摄影，但其技术仍在不断完善。2003年富士公司又推出了能一次进行多线扫描的CR系统，采用对IP（影像板）的双面读取技术，进一步提高了检测效率和分辨率，成像速度又有提高。

紧随富士公司其后的还有KODAK和AGFA等公司也相继研制开发出CR系统，2002年以色列的OREXCR公司推出了新型CR系统，该系统进行图像采集装置、质量控制操作和拍片前透视确认等都可在一个房间完成。总之，CR问世20多年来，其成像技术每年都有新的发展，图像质量越来越好，而成本不断下降。

CR系统实现了平片影像的数字化，其工作过程为透过被照体的X线由IP板（影像板）吸收，再经读取装置读出IP板中储存的影像信息，通过计算机处理，再经过激光照相机成像或由存储装置存储而直接在荧光屏显示影像。CR系统构成：影像板（IP板）、影像阅读器、影像处理工作站、监视器、存储装置。按其作用可分为：信息采集部分、信息转换部分、信息处理部分和信息储存及记录部分。CR系统基本构成如图2-1所示。

一、IP的结构与特性

IP板由表面保护层、辉尽性荧光物质层、基板层和背面保护层组成（图2-2）。

（一）IP的类型与规格

IP板的类型有暗盒型和无暗盒型

1.暗盒型IP板

它是将IP置入与常规X线摄影暗盒类似的暗盒内，此类暗盒可在任何X线机上使用，也就是凭借IP的暗盒，使常规X线摄影设备与CR的读出装置匹配，基本上不改变常规X线摄影操作模式的情况下，实施CR成像的方式。目前CR设备的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.无暗盒型IP板

无暗盒型读出装置是投照、读出一体化的设计，有立式与卧式。伴随着一些附加装置，很方便进行全身的立式或卧式投照。该设备需要专用机器，不能与常规X线摄影设备匹配。无暗盒型IP在X线曝光后无需经历打开暗盒和取出IP的过程，IP直接被送到激光扫描和潜影消除部分处理，供重复使用。原理与暗盒型相同。

（二）IP的基本结构

1.表面保护层

表面保护层是为了在使用过程中防止荧光层受到损伤而设计的。因此要求它不随外界温度和湿度的变化而发生变化，使用过程中耐弯曲和耐磨损；另外要求透光率高，且在非常薄的基础上具有上述功能。聚酯树脂类纤维具有此种特性而用于制造这种保护层。

2.辉尽性荧光物质层

该层是将辉尽性荧光物质混于多聚体溶液中，然后涂在基板上，再干燥而成。多聚体溶液起到使荧光物质的晶体互相结合的作用，对于这一多聚体的要求是：使荧光物质分布均匀；能在基板上形成均匀的膜；不因湿度、温度、放射线、激光等的影响而发生物理性质的变化；具有适度的柔软性和机械性强度。一般使用硝化纤维素、聚酯树脂、丙烯及聚氯甲酸酯等。辉尽性荧光物质结晶的大小平均直径4～7μm，一般随晶体直径的增大发光量也增强，但影像清晰度下降。灵敏度和影像质量不仅由晶体大小决定，还有其他诸多因素，如晶体内照射后变色等。

3.基板层

基板的作用是保护荧光物质层免受外力的损伤。要求具有良好的平面性和适度的柔软性及机械强度，材料也是聚酯树脂纤维胶膜，厚度200～350μm。为防止激光在荧光物质层和基板层之间发生界面反射以提高清晰度，故将基板制成黑色。同时，为防止光透过基板影响下一张影像板，也可以在基板中加一吸光层。

4.背面保护层

此层是为了防止影像板之间在使用过程中的摩擦伤而设计的，其材料与表面保护相同。

以上四部分是影像板的基本组成。还有为了防止在输送过程中产生静电的干扰，影响影像质量而设计的导电层等。

（三）IP的特性

IP影像板是CR系统中的影像接收和读出的关键部件。荧光物质层PSL（光激励发光层）是IP影像板的核心，是一种光激励存储荧光体（photostimulable storsage phosphor，PSP），它是 BaFBr化合物，并掺杂Eu2+活化，并可以重复使用。

CR系统成像需要对IP影像板两次激发：X线照射IP时（第一次激发），入射的X线被IP荧光层内的PSL荧光体吸收，释放出电子，其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态，形成潜影，完成X线信息的采集和储存。当用读出装置的激光来扫描已有潜影的IP时，即产生光激励发光现象（二次激发，即光致发光现象），产生的荧光强度与第一次激发时X线的能量精确呈正比，通过读取装置对荧光进行光电转换和模数转换，完成X线信息的光学影像数字化记录（图2-3）。

二、读 取 装 置

（一）结构

CR系统的IP影像板中潜影的读出装置是系统的另一个关键部件，如图2-4所示为潜影阅读器结构。它采用激光点扫描的方式，将IP影像板上的潜影信息逐点读出，形成数字影像。

影像读取装置，其作用是读取IP的带潜影信息，形成图像数据，向工作站输出图像数据，对IP进行擦除处理。

其构成主要由IP拾取器、激光扫描器、光电倍增管、A/D转换器等组成。

（二）图像读取原理

1.激光扫描

由HeNe或二极管发出的激光束，经由几个光学组件后对荧光板进行扫描。激光束横越荧光体板的速度的调整，要根据激励后发光信号的衰减时间常数来确定（BaFBr：Eu2+约为0.8ms），这是一个限制读出时间的主要因素。激光束能量决定着存储能量的释放，影响着扫描时间、荧光滞后效果和残余信号。较高的激光能量可以释放更多的俘获电子，但后果是由于在荧光体层中激光束深度的增加和被激发可见光的扩散而引起空间分辨率降低。

到达扫描线的终点时，激光束折回起点。荧光体屏同步移动，传输速度经过调整使得激光束的下次扫描从另一行扫描线开始。荧光屏的扫描和传送继续以光栅的样子覆盖屏的整个区域。屏的传送速度根据给定屏的尺寸来选择，使扫描和副扫描方向上的有效采样尺寸相同。

读出过程结束后，残存的潜影信号保留在荧光屏中。在投入下一次重复使用之前，需要用高强度的光源对屏进行擦除。

2.PSL信号的探测和转换

PSL从荧光屏的各个方向发射出来，光学采集系统捕获部分发射的可见光，并将其引入一个或多个光电倍增管（PMT）的光电阴极。光电阴极材料的探测敏感度与PSL的波长（例如400nm）相匹配。从光电阴极发射出的光电子经过加速和放大，使之适宜影像质量的曝光量。输出信号的数字化需要最小和最大信号范围的确认，因为大多数临床使用曝光量在100～400动态范围内改变。

3.数字化

数字化是将模拟信号转换成离散数字值的过程，信号必须被采样和量化。采样确定了PSP接收器上特定区域中PSL信号的位置和尺寸，量化则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，然后根据信号的幅度和可能数值的总量，将其量化为离散整数。

模数转换器（A/D）转换PMT信号的速率远大于激光的快速扫描速率（大约快出2000倍，与扫描方向的像素数相对应）。特定信号在扫描线上某一物理位置的编码时间与像素时钟相匹配，因此，在扫描方向上，A/D采样速率与快速扫描（线）速率间的比率决定着像素大小。副扫描方向上，荧光板的传输速度与快速扫描像素尺寸相匹配，以使得扫描线的宽度等同于像素的长度（也就是说，像素是“正方形”的）。像素尺寸一般在100～200μ m，据IP的尺寸而定。

由于来自PMT的模拟输出在最小和最大电压之间具有无限范围的可能值，所以A/D要将此信号分解成一系列离散的整数值（模拟到数字单位）以完成信号幅度的编码。用于近似模拟信号的“位”数，或者“像素浓度”决定了整数值的数量。PSP系统一般有 10、12 或 16 位 A/D，故而有 210=1024、212=4096、216=65536个可能数值来表达模拟信号幅度。