CR(computed radiography)系统使用成像板(imaging plate,IP)为探测器,利用现有的X线设备进行X线信息的采集来实现图像的获取。它主要由X线机、成像板、图像阅读仪、图像处理工作站、图像存储系统和打印机组成。
一、CR系统构造
1、X线机
CR系统所用的X线机与CR系统的种类有关。CR系统的激光阅读器分为暗盒型(cassette type)和无暗盒型(non-cassette type)两种。暗盒型阅读器的CR需要暗盒作为载体装载IP经历曝光、激光扫描的过程,系统所用的X线机与传统的X线机兼容,不需要单独配置。无暗盒型CR系统的IP曝光和阅读装置组合为一体,连同成像板向工作站传输的整个过程都是自动完成,需要配置单独的X线发生装置。
目前,临床使用的绝大多数都是暗盒型阅读器的CR系统,不需要单独购置新的X线机,摄影技师的工作流程也与传统屏-片系统基本相同。
2、成像板
2.1 成像板的结构
IP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线机,也适用于各种X线检查,具有很大的灵活性和广泛的用途。IP可以重复使用,但不具备图像显示功能。
IP外观像一块单面增感屏,由表面保护层、光激励荧光(photo-stimulated luminescence, PSL)物质层、基板层和背面保护层组成。
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PSL物质层在使用过程中受到损伤。
PSL物质层:由PSL物质与多聚体共同组成。PSL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、丙稀及聚氯酸酯等。多聚体的作用是使PSL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。
基板:基板的材料是聚酯纤维胶膜,厚度在200-350μm。作用是保护PSL物质层,避免激光在PSL物质层产生界面反射,提高图像清晰度。有的IP为了防止光透过基板,还在基板中增加了吸光层。
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。
成像板根据可否弯曲又分为刚性板和柔性板两种类型。柔性板使用弹性荧光涂层,轻巧柔软,可随意弯曲。柔性成像板也简化了成像板扫描仪的传输系统,结构较为简单,使得扫描速度较快,设备体积较小。刚性板不能弯曲,阅读仪的传输结构和工作原理不同于前者,但其损坏几率小,寿命长,由成像板引起的伪影少。
IP的规格尺寸与常规胶片一致,一般有35×43cm(14×17英寸)、35×35cm(14×14英寸)、25×30cm(10×12英寸)和20×25cm(8×10英寸)四种规格。根据不同的摄影技术,IP又可分为标准型(ST)、高分辨型(HR)、减影型及多层体层摄影型。
新型的成像板改善了敏感度、清晰度和坚韧性,同时与旧的成像板兼容。外涂层用于保护成像板免于机械磨损和化学清洁剂的损伤。在正常条件下,成像板的使用寿命为10000次。
IP使用注意事项:IP在每次使用前,应用光照射,消除潜影。使用中应避免擦伤。
2.2 成像板的特性
成像板的主要成分是荧光物质,它对放射线、紫外线的敏感程度远高于普通X线胶片。
2.2.1 发射与激发光谱
当X线初次照射掺杂2价铕离子的氟卤化钡晶体时,其吸收光谱在37keV处有一锐利、锯齿形的不连续吸收,这是晶体中钡原子的K缘所致。被X线激活的掺杂2价铕离子的氟卤化钡晶体在受到二次激发光照射时,作为发光中心的Eu2+可发出波长峰值约为390-400nm的紫色荧光,荧光的强度主要取决于一次激发X线的照射量。
IP第二次读出光线以600nm左右的红光最佳,它可最有效地激发PSL,被称为激发光谱。发射光谱与激发光谱波长的峰值间需有一定的差别,以保证两者在光学上的不一致,从而达到成像的最佳信噪比。
2.2.2 IP的时间响应特征
PSL的强度还与二次激发光的功率大小有关。在一定范围内,PSL的强度与二次激发光的功率成正比。
最理想的发光时间是被激活的PSL物质受到二次激发光照射时,立即产生PSL,而一旦停止照射PSL应立即消失。但实际上成像板上产生的PSL不会立即消失,而是有一个较短的衰减时间。通常,2价铕离子的氟卤化钡晶体的PSL寿命为0.8ms,由于这个时间极短,所以在读取信息时不会产生信息的重叠干扰,从而满足医学成像的要求。
2.2.3 IP的动态范围
一般,某一范围内IP发射荧光的量与第一次激发时采用的X射线量有关,即激发X射线能量越大,荧光发射量越多。目前我们已知IP的动态范围为1:10000,即在该范围内,IP对激发的响应具有良好的线性。
2.2.4 IP存储信息的消退
IPPSL物质中存储的信息会随时间逐渐消退,使第二次激发时荧光体发射的PSL减弱,其主要原因是一部分被F心俘获的电子在读取信号前逃逸。IP中PSL的消退与时间和温度有关,正常情况下IP中存储的信息在8小时后,其荧光体的PSL量减少约25%。若曝光不足或存储过久(>8小时),由于X线的量子不足和天然辐射影响会产生颗粒衰减,致使图像噪声增加。
2.2.5 天然辐射的影响
IP除对X射线、紫外线敏感外,对自然界存在的其它辐射如电磁波、α射线、β射线和γ射线等也敏感。IP会积聚自然放射性物质的照射,从而在读取图像时会出现一些小黑点,干扰正常图像的形成。为避免这种现象,IP长期存放后再次使用前,应采用激发光照射后再使用。
3、图像阅读仪
图像阅读仪是阅读IP、产生数字图像、进行图像简单处理,并向图像处理工作站或激光打印机等终端设备输出图像数据的装置。它具有将曝光后的IP从暗盒中取出的结构。通过图像阅读仪中的激光扫描仪扫描,数字化图像被送到灰度和空间频率处理的内部图像处理器中,然后送至激光打印机或图像处理工作站。图像读取完成后,IP的潜影被消除,并可重新装入暗盒。
3.1 图像阅读仪的参数和性能
一般衡量图像阅读仪的参数有四个:描述图像清晰度的指标空间分辨率、描述图像层次的指标灰度等级、描述处理能力的激光扫描速度和缓冲平台容量。
无论成像板的大小,当前CR系统的空间分辨率普遍能够达到10像素/毫米的水平。早期的CR系统,由于当时计算机的处理能力不够,往往仅对小尺寸的成像板以9~10像素/毫米采集数据,而对大尺寸的成像板(14”×14”以上),只能达到5~6像素/毫米。新型的CR系统,对大片采取6、10像素/毫米两档可调的设置,由用户自己设置。以适应不同场合对扫描速度和扫描图像质量的不同需要。
CR系统的灰度等级指标一般都要求达到4096级灰阶,即灰阶的位深达12位(bit)。某些高档的成像板扫描仪,灰阶的位深可达14位。
另外两个指标扫描速度和缓冲平台容量描述的是成像板阅读仪的处理能力。新型的大型成像板阅读仪的扫描能力可以达到每小时100块IP,同时装备有大容量的成像板缓冲平台。等待扫描的IP先放在缓冲平台上,由设备自动顺序导入扫描,扫描完毕后IP会自动输送到另一个缓冲平台上,等待下一次使用。目前最大的缓冲平台的容量可达20块成像板。显然,缓冲器容量大、扫描速度快的阅读仪效率更高,更节省人力资源和投资。
4、图像处理工作站
图像处理工作站包含有图像处理软件,通常提供不同解剖成像部位的多种预设图像处理模式,实现图像的最优化处理和显示,并可进行图像数据的存储和传输。在图像处理工作站上还可进行图像的查询、显示与处理(整体放大、局部放大、窗宽窗位调节、图像旋转、边缘增强、添加注解、距离测量和统计等),并把处理结果输出或返回图像服务器。
5、监视器
用于显示经图像阅读处理器处理后的图像。
6、存储装置
用于存储经图像阅读处理器处理后的图像数据,通常有磁盘阵列、磁带库等。