数字X线设备是指把X线透射图像数字化并进行系列处理，再转换成模拟图像显示的一种X线设备。目前，数字X线设备不断发展，不仅影像质量得到了很大的提高、提供了功能强大的后处理功能，还降低了被检者与操作人员的辐射剂量，对实现医学图像信息处理的现代化和实用化具有重要意义。
CR、DR、DSA、X-CT等都可归属于数字X线设备，因X-CT的成像原理和系统组成与前三者相比区别很大，故在第七章单独介绍。
DSA是数字透视(digital fluoroscopy，DF)的典型代表。CR是用IP存储X线信息，通过激光扫描，可将IP上的存储信息转换成电信号，经A/D转换后，送入计算机处理，形成高质量的数字图像。DR是以探测器作为核心器件，透过人体的X线通过探测器以直接或间接方式转换为数字图像。
根据X线束的形状，数字X线成像可分为锥形成像法、扇形和笔形束成像法。CR和DF属于锥形成像，DR由于探测器的种类有一维探测器和二维探测器，对一维探测器采用扇形平面X线束或笔形X线束进行扫描投影成像，对二维探测器则采用锥形成像。如图6-1所示。
图6-1 X线束形状与成像方式
1972年X-CT问世后，带来了医学图像数字化的浪潮。1979年出现了飞点扫描的DR系统，1980年在北美放射学会(radiological society of north america，RSNA)的产品展览会上，DR和DF展品引起了全世界的关注。此后，以DSA为代表的DF得到了高速发展。20世纪80年代初，CR研发成功，并于20世纪90年代推入市场，使传统X线摄影影像数字化成为可能，解决了影像科室实现全数字化的最后一个难题。在1998年RSNA年会上推出了以非晶硅(amorphous silicon，a-Si)平板探测器为核心部件的数字X线摄影装置，2001年，非晶硒(amorphous selenium，a-Se)平板探测器面世。
数字X线成像与传统的增感屏-胶片成像相比有许多优点：①对比度分辨力高，对低对比度的组织具有良好的检测能力；②辐射剂量小，对X线的利用率高；③图像后处理功能强，能更精细地观察感兴趣的细节；④可利用大容量存储器存储数字图像，消除了用胶片记录图像带来的种种不便，并能进入PACS，可更高效地实现图像贮存、传输和诊断。
数字X线设备的发展对PACS和远程放射学系统的发展起着决定性的影响，它已成为大、中型医院放射科的主导设备，具有广阔的发展前景。
计算机X线摄影装置
CR的摄影方式与传统的屏/胶系统相似，以IP代替X线胶片作为探测器，记录透过人体后的X线信息。与常规X线摄影相比，它除了图像数字化带来的优点外，还具有曝光宽容度大、对比度分辨力高，辐射剂量小等优点。同时，CR可与原有的传统X线摄影设备匹配使用，实现普通X线摄影数字化，成本降低，便于推广使用。
一、基本组成与工作原理
CR的基本结构如图6-2所示，它主要由信息采集、信息转换、信息处理、信息存储和记录等部分组成。
图6-2 CR装置的基本结构
CR采用IP作为载体进行数字化X线摄影，IP接受X线照射形成潜影，将IP放入读取装置中，通过激光扫描使存储在IP荧光层中的信号转换成光信号，再通过光电转换器件将光信号转换成电信号，经过A/D转换后，输入计算机进行处理，最后获得高质量的数字影像。其中，IP可通过强光照射，擦除记忆信息，以便重复使用。
信息采集：是以IP代替胶片，接受并记忆X线摄影信息，形成潜影。
信息转换：由图像读取部分完成，实现X线像到数字化图像的转换。
信息处理：由计算机来完成，对数字化图像作各种处理，如大小测量、放大、灰阶处理、空间频率处理、减影处理等。
信息存储和记录：是指用存储媒体如硬盘、光盘等存储数字图像；用激光相机将图像打印记录在胶片上。CR也能直接在计算机显示器上显示图像，能通过各种接口实现与外部设备的信息交换。
二、影像板
CR图像不是直接记录在胶片上，而是先记录在IP上；IP可以重复使用，但不能直接显示图像。
(一)基本结构
IP的外观如同一块增感屏，它是由保护层、荧光层、支持层和背衬层复合而成的一块薄板。如图6-3所示。
图6-3 IP结构示意图
1．保护层 也称表面保护层，其作用是防止荧光层在使用过程中免受意外损伤。它具有不随外界温度和湿度而变化、能弯曲和耐磨损、透光率高、非常薄等特点；多采用聚脂树脂类纤维制成高密度聚合物硬涂层，保障IP能耐受机械磨损和免受化学清洗液的腐蚀。在使用读取装置处理IP时，应注意不要强力弯曲。
2．荧光层 它由PSL荧光物(氟卤化钡晶体)混于多聚体溶液中，涂在支持层上制成，通常厚约300μm，用于记录X线信息。PSL中含有微量二价铕离子的氟卤化钡晶体，它是一种感光聚合物，是记录X线信息的核心物质。PSL内的化合物经过X线照射后，可产生辉尽性荧光，将X线以潜影形式存储在晶体内，当再次受激光照射时，可释放出与初次激发所接收的信息相对应的荧光，这种现象即为光激励发光(photon stimulation light，PSL)。PSL中的感光聚合物具有非常宽的动态范围，在选择曝光条件时，将有更大的自由度，一般情况下只需要一次曝光就可得到全部可视的判断信息，而且相对于传统胶片来说，它的X线转换率更高，需要的X线剂量可大幅减少。
3．支持层 也称基板，相当于X线胶片的片基，它既是荧光层的载体，又是保护层。多采用聚脂树脂作成纤维板，厚度在200～350μm，用于保护荧光层免受外力的损伤。基板通常为黑色，防止激光在荧光层和支持层之间发生界面反射。背面常加一层吸光层，防止光透过支持层影响下一张IP。
4．背衬层 也称背面保护层，其材料和作用与表面保护层相同。
(二)成像原理
射入IP的X线量子，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线信息的采集和存储。当用激光束扫描(二次激发)已有潜影的IP时，半稳态的电子转换成光量子而发出荧光，即发生光激励发光现象(简称光致发光现象)。此荧光的强度与第一次激发时X线的能量精确地成正比。IP发出的荧光由读取装置完成光电转换输出电信号，再经A/D转换后送到计算机进行图像处理，形成数字图像。
(三)特性
1．发射光谱与激发光谱 在激光照射下，IP的PSL荧光体可发出蓝-紫光，它由荧光体内少量的二价铕离子产生，发光强度不仅与潜影信息量有关，还可依据激光的波长而变，用波长为600nm左右的红色氦-氖激光读取时效果最佳。我们把荧光体的发光强度与激光波长的关系曲线称为激发光谱曲线。在激光的激发下，PSL荧光体发出强度与潜影信息量成正比的蓝-紫光，在390~400nm波长处取得峰值。荧光体的发光强度与其波长的关系曲线称为发射光谱曲线。发射光谱与激发光谱的峰值应保持一定的间距，并且还应保证光电倍增管在 390~400nm波长处有最高的检测效率，否则，信噪比将难以保证。
2．时间响应 当停止用激光照射荧光体时，荧光体会按其衰减规律逐渐终止发光，衰减速度很快，不会发生相邻信息的重迭现象，即IP具有很好的时间响应特征。
3．动态范围 在激光的二次激发下，荧光体的发光强度依赖于第一次激发的X线强度，它在 1:104的范围内具有良好的动态范围。IP的动态范围比屏/片组合宽得多，可以精确地检测每次摄影中各组织间X线的吸收差别。
4．存储信息的消退 X线照射IP后的潜影信息被存储于荧光体内，在读出前的存储期间，一部分被俘获的光电子将逃逸，致使第二次激发时荧光体发光减小，这种现象称为消退。IP的消退现象很轻微，在读出前的存储8小时内，其发光强度仅减小25%，因CR读取装置中的光电倍增管具有放大作用，可以进行一定的补偿，故按标准条件曝光的IP，在额定存储时间内几乎不受消退的影响。但若IP曝光不足或存储过久，则会由于X线量子不足和天然辐射的影响，致使噪声加大。因此，最好在X线照射后的8小时内读出IP的信息。
5．天然辐射的影响 IP不仅对X线敏感，对其它形式的电磁波也很敏感，如紫外线、γ射线等。随着这些射线能量的积蓄，在IP上会以图像信息的形式被检测出来，从而降低图像质量。长期存放的IP上会出现小黑斑，故使用前应先用激发光线消除这些影响。
(四)IP的类型
IP的分类依据有多种，按照分辨率不同，可分为高分辨率(high resolution，HR)型和普通(standard，ST)型。高分辨型多用于乳腺摄影，普通型多用于常规摄影。按照基板类型不同，可分为硬基板型、软基板型和透明板型三种。按照信息存储面多少，可分为单面存储型和双面存储型两种。双面IP采用透明支持层，受激光激发时，双面同时采集，输出信噪比和量子检出效率(detective quantum efficiency，DQE)都得到提高，相应降低了曝光量。
(五)使用注意事项
1．避免损伤 IP因在相同装置中反复使用，即使极微小的损伤也会积累而形成明显伪影。在装卸IP操作中应戴医用手套，轻拿轻放，避免磕碰、划伤和污染。定期对IP进行养护,及时清除板上的污渍,可采用脱脂棉蘸肥皂液从IP中心环形方向一次向边缘擦拭，注意切勿划伤IP。总之，必须避免IP损伤的任何原因。
2．注意屏蔽 IP上的荧光物质对放射线的敏感度高于X线胶片，所以，在进行摄影前后以及未读取前都要求有很好的屏蔽。避光不良或漏光时，形成的图像会变得发白，呈现曝光不足的现象。
3．消除潜影 IP对X线和其它形式的电磁波很敏感，都会形成潜影。因此，IP再次使用时，须重作一次激光照射，以消除可能存在的任何潜影。
4．及时读取 摄影后的IP在读取前的存储期间，潜影信息会产生消退，虽然消退速度很慢，但若曝光不足和存储过久，受消退和天然辐射等因素的影响，致使噪声加大。因此，在摄影后的8小时内要读出IP的潜影信息。
三、读 取 装 置
读取装置(image reading device，IRD)也称阅读仪或读出器，用于读出IP上的潜影信息，形成数字图像。
(一)结构
CR的读取装置分为暗盒型和无暗盒型。
1．暗盒型读取装置 如图6-4所示，其特征是将IP置入与常规X线摄影暗盒类似的盒内，它可以代替常规摄影暗盒在任何X线机上使用。目前常用带暗盒的IP尺寸有四种：900px×1075px(14"×17")，900px×900px(14"×14")，625px×775px(10"×12")和500px×625px(8"×10")。
图6-4 暗盒型读取装置的结构
经X线曝光后的暗盒，从CR读取装置的暗盒插入孔插入读取装置内，这一操作可以在明室完成。暗盒插入读取装置后，IP被自动取出，由激光(直径约2.5px、波长约600nm)扫描读出潜影信息；然后IP被传送到潜影消除部分，经强光照射后，消除IP上的潜影。此后IP被传送回暗盒内，暗盒自动封闭后被传送出读取装置，供反复使用，整个过程自动、连续。不同尺寸的IP读取时间是相同的。由于读取按一定的时间间隔进行，IP插入时间间隔短时，会发生与读取不匹配的问题，因此，在暗盒插入部分和读取部分之间设置IP缓冲堆栈，根据需要使IP在堆栈中等待。IP消除潜影后传送到IP分类器，待时传送到暗盒。等待时间由机器自动调节。
2．无暗盒读取装置 该装置配备在专用机器上，科室中现用X线机不能配备此装置。配备此装置的机器集摄影、读取于一体，有立式和卧式两种形式。IP在X线曝光后直接被传送到激光扫描和潜影消除部分处理，供重复使用。
读出的数字图像信息连同被检者信息(如病历号、姓名、日期等)、摄影条件、摄影部位等一并输入计算机，进行图像处理。病人信息可以通过磁卡或专门的录入装置输入或修改，最终合成打印在CR照片上。输入的信息也是记录和检索的依据。
(二)读出原理
存储在PSL荧光体中的潜影信息是连续模拟信号，要将其读出并转换为数字图像数据，需采用如图6-5所示的激光扫描。随着高精度电机带动IP匀速移动，激光束由摆动式反光镜或旋转多面体反光镜进行反射，对IP整体进行精确而均匀地逐点、逐行扫描。荧光体受激光激发产生的荧光被高效导光器采集和导向，传输到光电倍增管的光电阴极，经光电倍增管进行光电转换和增幅放大后，再经A/D转换为数字信号。这一过程反复进行，扫描完一张IP后，得到一组完整的数字图像数据。
图6-5 IP读取方式示意图
更具体地说，存储在IP上的潜影分两步读出。①用一束微弱的激光瞬间粗略地扫描IP，并立即计算出荧光体发光强度的直方图；②在获取上述信息的基础上，自动调整光电倍增管的灵敏度及放大器的增益，再用高强度的激光精细地读出潜影，并实现图像信息的数字化。将读取装置输出的数字图像数据、从控制台输入的摄影信息、直方图信息以及系统内部程序等一起送到计算机的图像处理器，经过图像处理，获得最佳的适合于诊断的数字图像。
(三)影响图像质量的因素
影响CR图像质量的因素大体上分为两大部分，即PSL荧光体的特性和读取系统的电、光学特性。
1．激光束的直径 读取装置的激光束直径越小，则读取的信息量就越多，得到的图像质量就越好。
2．光电及传动系统的噪声 CR中X线量子噪声是在X线被IP吸收过程中产生的，与照射到IP的X线强度成反比。在光电倍增管把荧光体发出的荧光转换为电信号的过程中产生光量子噪声，此噪声与光量子数成反比，即与照射IP的X线强度、IP的X线吸收效率、IP的光激发发光量、导光器的聚光效率以及光电倍增管的光电转换效率成反比。在读出过程中，外来光与反射光的干扰、光学系统的噪声，电流的稳定程度、机械传导系统的稳定程度，都会直接影响图像质量。
3．数字化的影响 在A/D转换过程中，对模拟信号进行取样与量化会产生量化噪声和伪影。例如，取样频率低会产生“马赛克”状伪影，量化级数不够会产生等高线状伪影。模拟信号的数字化过程会使图像的空间分辨力降低，所以，应将数字量化深度控制在人眼和显示器分辨力的范围内。量化深度提高，将使数据量增加，从而使图像处理时间过长。CR图像的空间分辨力与IP的特性、激光束直径和取样频率有关，激光束直径小、IP中荧光物对激光的散射少、取样频率高，空间分辨力就高。IP的空间分辨力一般为2~3.3LP/mm。当数字化的取样间隔为0.1~0.2mm、像素的灰度级为8bit时，就能获得满意的数字图像。
四、计算机图像处理
常规X线照片的图像特性是由摄影条件、增感屏及胶片决定的，一旦确定后就难以改变。CR则不同，由于使用高精度扫描，读出的数字图像数据可通过计算机处理，所以能够在较大范围内改变其图像特性，最终得到稳定的、高质量的图像。
(一)图像处理的环节
CR的图像处理主要有三个环节：①与系统检测功能有关的处理，这涉及读取装置输入信号和输出信号之间的关系，利用适当的读取技术，可以保证整个系统在很宽的动态范围内自动地获得具有最佳密度和对比度的图像。②与显示功能有关的处理，这涉及到图像处理过程，通过各种特殊处理，如灰阶处理、频率处理、减影处理等，可以为医生提供满足不同诊断目的、具有较高诊断价值的图像，我们常称此为后处理。③与图像信息的存储和记录有关的处理，这涉及到图像记录装置，要求能得到高质量的可视图像，并且在不降低图像质量的前提下压缩图像数据，以节省存储空间和高效率地传输图像。
(二)图像读出灵敏度自动设定
为了自动控制图像读取特性，实现图像密度的稳定，即克服X线成像期间由于曝光过度或曝光不足产生的图像密度不稳定性，CR设计了图像读取灵敏度自动设定功能，如图6-6所示。
图6-6 读取灵敏度自动设定方框图
在读取装置中，配置有自动预读(也称为曝光数据识别)程序，当被检者的摄影信息(摄影部位、方法等)进入读取装置的计算机后，先用一束微弱的激光粗略地对含有潜影信息的IP快速扫描一次，得到一组采样数据(约200×200像素、8bit)。预读程序进行数据处理的流程如图6-7所示。
图6-7 预读程序流程图
首先，根据摄影条件检测有无分割摄影、照射野的范围大小、在IP上的位置等，形成一个预读图像的直方图，根据摄影部位和摄影技术(平片、体层、造影等)不同，分别具有特定的形状。图6-8是几种部位的X线数字图像直方图。
图6-8 X线数字图像直方图
照射野范围的确定对制成直方图至关重要，X线照射野识别处理的基本原理是：从被照体内某一点起，向外侧顺序地进行积分处理，把积分值的最大点作为照射野的边缘。识别处理大致可分三个步骤：
1．测定探测的起始点 X线照射野与非照射野比较，其密度差别通常较大，CR利用这一特点作图像密度的积分运算，求出积分图像的重心，以此作为照射野探测的起始点。
2．测定照射野边缘的候补点 从探测器的起始点开始向各个方向探测，一旦超越照射野，局部像素的密度将急剧减少，该处就是边缘，位于边缘上的点，即为照射野的边缘候补点。
3．照射野形状的修正 上述选定的边缘候补点大部分可以正确代表照射野的边缘，但小部分可能是由密度差别大的组织间交界(如骨与软组织)形成的候补点。为此，需依次用直线连接探测起始点和候补点，测定其距离，要摒除与大多数距离有显著差别的点，使最终获得的照射野形状呈对称的凸多角形。
通过对直方图的分析和计算，自动确定X线剂量范围，再算出有诊断价值的PSL荧光强度的范围，即读取装置的输入信号范围，从而决定本次读出IP潜影的最佳条件(读出灵敏度和采集范围)，具体地说，是决定光电倍增管的灵敏度和放大器的增益。因此，不论以何种条件摄影，读出灵敏度自动设定机构会自动校正X线曝光量的误差，使读取装置的输出信号总处于一定范围内，形成稳定的数字图像密度，以最佳的可视密度在显示器上重现。
下面结合系统的工作特性来了解读出灵敏度自动设定功能的作用，如图6-9所示，第一象限表示IP的动态特性，第二象限表示读取特性。例1是用较大剂量曝光，而且X线的吸收差别较大；例2用较小剂量曝光，且X线的吸收差别较小。例1输入IP的X线剂量范围大(横轴)，PSL荧光强度(纵轴)的变化范围也大，而例2的情况与例1相反。按常规，例1在胶片成像的黑化度比例2的黑化度高。胶片有限的动态范围不能适应IP输出信号在104:1的范围内变化，读取灵敏度自动设定功能可根据读出装置输入信号的有效范围，自动设定光电转换的灵敏度和电信号的放大增益，对例1和例2采用不同的工作特性。在图中可看到，在例1情况下，读出装置工作特性的斜率大。导致在两种情况下读出装置的输出信号在相同范围内变化，使胶片的动态范围得到充分利用。也就是说，当摄取某一幅图像时用了过大的曝光量，读出装置的灵敏度会自动降低，反之，读出灵敏度会自动升高，这样读出装置总能输出黑化度良好的图像。
图6-9 读取装置的工作特性
(三)图像的后处理
与显示有关的后处理主要包括灰阶处理、空间频率处理、动态范围压缩等。
1．灰阶处理 在CR中，由于读取装置是把某个需要范围内的图像信号变成了数字信号，所以能控制数字信号以何种密度再现。如果图像处理器的输出信号Io是输入信号Ii的函数，则f(Ii)就是灰阶变换函数，此函数一般是非线性函数；而Io又是图像记录装置的输入信号，输出图像密度D与数字图像信号Io应是线性关系，用D＝h{f(Ii)}表示，改变灰阶函数就能自由控制X线剂量和输出图像密度的关系。因此，在CR中X线剂量的允许范围较大，在适当设置的范围内曝光，都能在显示器上显示密度良好的图像。
在灰阶处理中，灰阶变换函数的选择是关键，CR为用户预备了多种变换函数供选用。
2．空间频率处理 它是通过频率响应的调节来影响图像的锐度。边缘增强是较常用的技术，通过增加高频响应使感兴趣区域的边缘得到增强，突出了轮廓。
灰阶处理(影响对比度)和空间频率处理(影响锐度)结合使用，低对比度处理和强的空间频率处理结合应用，能提供较大的层次范围和实现边缘增强。
3．动态范围压缩 动态范围处理在灰阶处理与空间频率处理之前进行，可分为以低密度区域为中心的压缩和以高密度区域为中心的压缩，前者使原始图像低密度区域的密度值增高，后者使高密度区的密度值降低，两者都使图像的动态范围变窄。
五、暗盒型CR实例
暗盒型CR的工作流程与传统屏/胶系统基本类似，只不过是用IP、显示器代替了胶片与增感屏，图像处理前的摄影步骤基本一样，但图像再现处理方式则完全不同。其工作流程如图6-10所示。
图6-10 暗盒型CR工作流程图
IP是CR信息采集的重要部分，用它代替胶片接收并记忆X线摄影信息，形成潜影。将含有潜影信息的IP暗盒送入读取装置，暗盒自动打开，提取IP并传送至激光扫描通道，激光束按顺序扫描IP，使IP潜影信息以荧光形式显现，再用光电倍增管接收IP发出的荧光，实现光电转换，经A/D转换器变换成数字信号。图像处理工作站对数字化的X线图像做相关后处理，完成图像的最佳显示。图像存储系统主要用来保存图像信息，可采用硬盘、磁带、CD或DVD等。暗盒型读取装置的内部结构如图6-11所示，主要由操作控制面板、IP识别与传送单元、IP接收单元、IP吸附单元、IP吸附单元、慢扫描单元、擦除单元、激光扫描与成像单元等组成。
图6-11 暗盒型CR读取器内部结构
操作控制面板主要负责操纵本机的运行、信息交流、图像处理参数调整与控制及人机对话等。等待读取的IP暗盒经过识别，确定其位置正确、与主机配套、未扫描后到达接收单元，打开暗盒并传送至IP吸附单元，吸附单元吸附IP并送至慢扫描单元。慢扫描单元与激光扫描成像单元同步协调运动，对IP进行激光扫描、图像读取，待读取完毕将IP送至擦除单元。擦除单元对已扫描IP进行强光照射，消除所有残留信息，然后经过接收单元、传送识别单元、插入弹出单元，最后弹出暗盒，待下一次循环使用。
第二节 数字X线摄影装置
DR的研究始于20世纪70年代末，它是在X-TV系统的基础上，利用A/D转换器将模拟视频信号数字化，进行计算机图像处理。随着微电子、光电子和计算机技术的发展，X线探测器和设备也加速发展，1995年11月在RSNA上展出了第一台性能优于CR的DR样机。
DR是在传统X线机基础上发展起来的高度集成化、数字化的X线摄影设备。数字化摄影模式改变了图像信息形成的基础，X线信号的接收载体不再是传统的屏/片系统，而是由不同种类的X线探测器取代。探测器是DR的核心组件，其作用是通过不同的信号采集原理采集X线信息，将透过人体的X线转换为相应的数字信号。DR的基本工作原理图如图6-12所示。
图6-12 DR的基本工作原理图
一、DR的组成
DR是高度集成化的成像设备，主要包括以下五部分：X线发生单元、X线采集单元、检查台/床、信息处理单元、图像显示单元。
1．X线发生单元 DR的X线发生单元是传统X线机的延续，与传统X线机的基本构造大致相同。目前大多采用逆变式中频或高频发生器，使输出X线品质得到提高。在电子线路方面大量采用集成化电路，使得设备更加小型化，系统功能更加稳定。
2. X线采集单元 其主要结构是X线探测器，探测器也是DR的核心部件之一，探测器将X线模拟信号转换为数字信号，送计算机处理。
3. 检查床/台 DR摄影床(检查台)逐步向专业化和多功能化方向发展，机械结构设计更具有针对性，以便更好地服务于临床摄影检查。目前主要的功能有：X线管组件支架和探测器同步跟踪，自动校正摄影距离；大范围升降和四向浮动；较高的电气和机械运动安全性；具备自动化故障诊断程序等。
4. 信息处理单元 DR具备强大的计算机信息处理能力，通过窗宽/窗位调节、图像缩放、移动、镜像、旋转、角度及面积测量等处理，使图像更加符合诊断及临床对于图像的要求。
5. 图像显示单元 DR图像有两种显示模式，一是可以直接由医用显示器显示，二是可以通过医用相机印出X线胶片，再通过观片灯再现X线图像。
二、工作原理
在目前临床使用的DR中，使用的探测器类型不同，其工作原理也不一样。根据探测器类型不同，DR可分为FPD型、多丝正比室扫描型和CCD型三种。目前，常用的FPD有非晶硒和非晶硅两种。
(一)非晶硒FPD
非晶硒平板探测器属于一种实时成像的固体探测器。它采用光导半导体材料与大面积薄膜晶体管(thin-film transistor，TFT)阵列相结合，接受X线照射而直接输出数字图像信息，构成了直接成像的新一代数字化X线探测器。其单元结构如图6-13所示，主要由集电矩阵、硒层、电介层、顶层电极和保护层等构成。集电矩阵由按阵元方式排列的TFT组成，非晶态硒层涂覆在集电矩阵上，其上是电介层、顶层电极。因放大器和A/D转换器都封装在探测器扁平外壳内，故称之为平板探测器(FPD)。
图6-13 非晶硒FPD原理图
1.工作原理 入射X线光子在硒层中产生电子-空穴对，在顶层电极和集电矩阵间外加高压电场的作用下，电子和空穴向相反方向移动，形成电流，导致TFT的极间电容存储电荷，电荷量与入射X线强度成正比，所以每个TFT就成为一个采集图像的最小单元，即像素。每个像素区域内还形成一个场效应管，它起开关作用。在读出控制信号的作用下，开关导通，把像素存储的电荷按顺序逐一传送到外电路，经读出放大器放大后被同步地转换成数字信号。像素矩阵的读取方式如图6-14所示。由于放大器和A/D转换器都置于探测器暗盒内，从外部看，探测器暗盒是接受X线照射而直接输出数字化图像信息。信号读出后，扫描电路自动清除硒层中的潜影信息和电容存储的电荷，以保证探测器能反复使用。TFT 像素的尺寸直接决定输出图像的空间分辨力，如每个像素为139µm×139µm，在900px×1075px(14"×17")的范围内像素有2560×3072个。
图6-14 像素矩阵读出方式
2.特点 非晶硒平板探测器采用X线信息直接转换的原理，没有能量信息的中间转换环节，因而减少了原始信号的损失，保证原始信息量最大化。非晶硒平板探测器以像素为基本成像单元，TFT尺寸直接决定输出图像的空间分辨力。半导体材料非晶硒对温度很敏感，在温度工作点不正确时，极易被晶化而失去对X线的敏感性，故在使用过程要保持温度恒定。目前，非晶硒平板探测器开始应用于DF、DSA等动态成像领域。
(二)非晶硅FPD
非晶硅平板探测器的外形类似X线胶片的暗盒，是一种半导体探测器。如图6-15所示，它由基板层、非晶硅阵列、闪烁晶体层等构成。
图6-15 非晶硅FPD结构示意图
1.工作原理 把掺铊的碘化铯闪烁发光晶体层覆盖在光电二极管矩阵上，每个光电管就是一个像素，由薄膜非晶态氢化硅制成。当X线入射到闪烁晶体层时被转换为可见光，由光电二极管矩阵转换成电信号，在光电二极管自身的电容上形成存储电荷，每个像素的存储电荷量与入射X线强度成正比。非晶硅平板探测器的像素尺寸可达到143µm×143µm，在1075px×1075px 的范围内像素可达3120×3120个。像素信息的读出方式与非晶硒FPD相同，探测器内像素矩阵在行和列方向都与外电路相连并编址，在控制电路作用下，扫描读出各个像素的存储电荷，经A/D转换后输出数字信号，传送给计算机进行图像处理，输出图像。尽管X线在此探测器中先转换成可见光，又转换成电信号后再数字化输出，但从外部看，与非晶硒FPD一样，它也是接受X线照射后直接输出数字化的图像信号。
2.特点 非晶硅平板探测器是目前最具有代表性的X线探测器，与非晶硒FPD不同之处是成像过程中有光电转换环节。首先，入射X线光子通过闪烁发光晶体层转换为可见光，再通过光电二极管阵列，将可见光转换电信号，最后由读出电路放大、A/D转换，形成数字图像信号。非晶硅平板探测器工作性能稳定，适合大批量检查。
(三) FPD型DR
如图6-16所示，它采用平板探测器，把X线能量直接转换为数字图像数据，经计算机处理后在显示器上显示；图像数据同时通过网络送到医用相机成像于胶片，在工作站显示或用海量存储器存档，或送到储片中心。
图6-16 平板探测器型DR结构示意图
1.组成 主要由X线机、FPD、图像处理器、系统控制台和网络组成。
FPD可安装在立式胸片架上，采用跟踪式X线管头支架时，X线管头支架随胸片架上下移动，自动跟踪图像中心。FPD接受X线照射后，计算机控制扫描电路自动读取矩阵像素的信息，经A/D转换后，把14bit的像素数据送到图像处理器。
像素数据由图像处理器进行存储和常规处理，例如丢失像素校正、放大增益校正，以及通过查找表将量化深度为14bit的像素重现，使之能在8bit 的显示器上显示等。曝光后5秒钟内就能快速浏览图像。
系统控制台可输入病人资料，提供打印、网络管理等功能，使输出的数字图像符合DICOM(digital imaging and communications in medicine)标准，能直接进入PACS。
2.图像质量 ①在FPD中X线的散射减少，失锐大为降低，空间分辨力最高可达3.6LP/mm。由于失锐小，在空间分辨力3.6LP/mm以下的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)大大高于胶片图像的MTF，所以，FPD型DR在图像细节的可见度方面完全能满足绝大多数诊断需要；②对比度分辨力的高低主要取决于动态范围的大小，FPD 的动态范围可达到104~105，这意味着900px×1075px(14"×17")平面矩阵上的X线照射量大约在7.74×10-6C/kg(30mR)范围内变化时，输出信号都能保持线性。
(四)多丝正比室扫描型DR
主要由高压电源、水平狭缝、多丝正比室、机械扫描系统、数据采集、计算机控制及图像处理系统组成，如图6-17所示。
图6-17 多丝正比室扫描型DR的结构
1.多丝正比室 是一种气体探测器，可看成由许多独立的正比计数管组合而成。其基本结构是在两块平行的大面积金属板之间平行并列许多条金属丝。这些金属丝彼此绝缘，各施加一定的正电压(1kV左右)，形成许多阳极，金属板接地形成公共的阴极。室内充满隋性气体，如氩(Ar)气，或有机气体，如CH4，室壁装有薄金属(如铝)窗。当外部放射线经金属窗射入正比室后，使气体电离。电离电荷在金属丝与金属板之间电场的作用下向金属丝移动，并与气体分子碰撞，当两次碰撞间隔时间内，电子从电场获得的能量大于气体电离能量时，会引起气体进一步电离。在每根金属丝附近，电子越接近金属丝，电场越强，因而导致电荷雪崩式增加，结果在金属丝上收集到的电荷比原始电离电荷增加A倍，所产生的电压ΔV为
ΔV= − A · N · e /C
式中：N为初始电离对数；A为正比室放大系数，A=102~104；C为金属丝对地所形成的电容；e为电子电荷量。
由于正比室对电离电荷有放大作用，故具有较高的探测灵敏度。另外，每根金属丝上收集的电荷正比于其附近的初始电离电荷，亦即正比于该处的入射辐射线强度。
2.工作原理 X线管照射出的锥形X线束经水平狭缝准直后形成平面扇形X线束。X线通过病人射入水平放置的多丝正比室窗口，在被探测器接收后，机械扫描装置使X线管头、水平狭缝及探测器沿垂直方向作均匀同步平移扫描，到达新位置后再作水平照射投影；如此重复进行，就完成一幅图像的采集。多丝正比室的每根金属丝都与一路放大器相连，经A/D 转换器将电压信号数字化后，输入计算机进行图像处理。显示器既可显示存储器内未经处理的图像，又可显示计算机处理后的图像。
3.技术指标 系统的分辨力与狭缝的高度及金属丝的间隔有关，前者影响垂直分辨力，后者影响水平分辨力。目前，水平狭缝的高度和金属丝的间隔都减少到0.5mm，每个像素的面积为0.5mm×0.5mm 左右。
系统的主要技术参数如下：①图像面积320mm×256mm(水平×垂直)；②像素矩阵640×512，包含像素327680个；③动态范围宽，数字化量化深度14～16bit；④曝光剂量是屏/胶系统的1/30～1/100 ，拍摄一张胸片约需7.7×10-7～12.9×10-7C/kg(3～5mR)；⑤采集一行信息约需10ms，拍摄一幅图像在6s以内，虽不适合拍摄活动部位，但减少了因病人轻微晃动引起的伪影。
(五)CCD型DR
它采用CCD作为探测器的主要组件，主要由荧光板、反射镜面/透镜、CCD摄像机、计算机控制及处理系统等组成，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点。
1.工作原理 X线透过人体被检部位后，到达由碘化铯或硫氧化钆等发光晶体物质做成的荧光板，荧光板将X线图像转换成荧光，经过反射镜/透镜进行缩小和光传导，到达CCD光敏区产生光电子，光电子的数目与每个CCD接收的光子数成正比。光电子被检出形成电信号，迅速进入存储装置，存储的电荷按像素矩阵的排列方式被移位于寄存器转移、放大、A/D转换，将模拟电信号转化为数字信号。它与FPD型DR的主要区别是在探测器中有光学系统，探测器体积较大。
2.特点 CCD器件需要降温系统，以保证成像系统的信噪比。CCD芯片在设计上被置于荧光板的侧边，这样就不会受到X线的直接照射，从而减少辐射损伤的可能性，延长使用寿命。CCD器件的物理结构不同于TFT，像素矩阵的均匀性高于大面积TFT阵列，可保证每个像素所获取光信号的完整性，从而提高信噪比。
3.CCD型DR实例 目前CCD型DR探测器大多采用多块CCD或单块CCD。
多块CCD型DR的主要特点在于由多个(一般为4个)CCD芯片作为探测器元件，主要成像过程为：透过人体X线投射到大面积荧光板上转换为可见荧光，N个位于不同位置的反射镜将荧光影像分割为N 等分区域，按反射镜所确定的光路分别形成N 幅独立的局部影像，CCD镜头分别将采集的光信号送到CCD芯片进行光电转换，并通过电子学处理转化为数字信号，计算机重建图像时要将这几幅图像拼接整合还原为一幅完整的图像。
单块CCD探测器的主要结构特点是采用大面积CsI:Tl平板作为荧光板，采用单个125px2的大尺寸CCD芯片和大口径组合镜头，因此，单块CCD型DR在成像原理上没有图像的拼接过程。其技术指标如下：①有效面积：43 cm×43 cm (17"×17")； ②像素矩阵：3072×3072；③空间分辨力：3.4LP/mm；④密度分辨力：14bit的量化深度；⑤成像时间为5秒预览，10秒成像。单块CCD型DR工作原理如图6-18所示。
图6-18 单块CCD型DR原理示意图
单块CCD型DR的成像过程是：①透过人体的X线投射到大面积CsI:Tl荧光板上被转换为可见荧光。②整块反射镜面以45°反射角将可见荧光导入CCD摄像机镜头。③大口径光学组合镜头将荧光传送到镜头后方的CCD芯片上。④CCD产生光电子，通过电子学处理后转化为数字信号。⑤计算机重建图像，并送至显示器显示。
三、DR与CR的比较
1.成像环节 DR与CR都是将X线直接或间接地转换为数字图像的X线设备，两者的区别主要在于X线采集和图像转换方式的不同。CR在成像过程中，信息转换环节多，造成干扰的因素也很多。而DR采用集成式的探测器，减少了噪声来源，具有很高的信噪比。
2.图像质量
(1)分辨力：CR由于自身的结构，在受到X线照射时，IP的中心存在散射，引起模糊，而在潜影读取过程中，读取装置的激光束光点与激发荧光在IP内的散布，均使图像的锐度下降，致使分辨力下降。目前，CR的像素尺寸可达140µm，密度分辨力达10~12bit。DR在X线光子转换为电信号的过程中，因设备因素而产生的伪影少，空间分辨力直接由探测器的像素大小来决定，像素尺寸可达127µm，密度分辨力可达12~16bit。
(2)动态范围：探测器能线性地将X线转换为电信号，此电信号的最高值与最低值之比即为该探测器的动态范围。DR的动态范围可达1:104，相对于传统的屏/胶成像系统，CR、DR均具有很高的曝光宽容度。
(3)噪声源：CR的噪声源很多，如IP的结构噪声、X线光量子噪声、激光束位置的漂移、激光束激发IP发光概率的波动，以及电路的固有噪声等。DR的噪声源主要来自于探测器的结构噪声、电路的固有噪声等，与CR相比，成像环节减少，信噪比高。
3.曝光剂量 DR的X线量子检测效率(DQE)高，曝光剂量仅为CR的2/3左右。
4.兼容性 暗盒型CR很好地解决了与原有X线机的兼容问题，其暗盒规格与传统屏/胶系统的暗盒相同，临床应用比较灵活。而DR相对传统摄影系统来说，它属于一种全新的成像技术，很难与原有X线机兼容。
第三节 数字减影血管造影装置
DSA是20世纪80年代兴起的一种医学影像新技术，是计算机与心血管造影X线机相结合的一种新的成像系统。DSA的革新意义是使得血管造影临床诊断能够快速、方便地进行，促进了血管造影和介入治疗技术的普及和推广。
一、数字减影流程
减影技术的基本内容是把人体同一部位的两帧图像相减，从而得出它们的差值部分。不含对比剂的图像称为掩模像(mask image)或蒙片，注入对比剂后得到的图像称为造影像或充盈像。掩模像和造影像相减后得到减影像。由DSA的物理基础可知：减影后的图像信号与对比剂的厚度成正比，与对比剂和血管的吸收系数有关，与背景无关。在减影像中，骨骼和软组织等背景图像被消除，只留下含有对比剂的血管图像。数字减影处理流程如图6-19所示。
图6-19 DSA处理流程图
实施减影处理前，常需对X线图像作对数变换处理。对数变换可利用对数放大器或置于A/D转换器后的数字查找表来实现，使数字图像的灰度与人体组织对X线的衰减系数成比例。由于血管像的对比度较低，必须对减影像进行对比度增强处理，但图像信号和噪声同时增大，所以要求原始图像具有较高的信噪比，才能使减影像清晰。
二、数字图像的硬件结构和影响图像质量的因素
(一) 数字图像硬件结构
图6-20是DSA中数字图像部分的硬件结构框图。图中查找表是一种实时的数字变换功能模块，输入查找表可用于作输入图像的对数变换等，输出查找表作实时的图像增强变换、图像的显示变换等。帧存储器用于存放掩模像、系列造影像和减影像，它和计算机之间的数据交换决定图像后处理的速度。ALU(arithmetic logic unit)是实时算术逻辑运算器，它是实时减影的关键部件，运算速度快，减少与计算机的互访，使处理速度与视频信号刷新速度同步。
图6-20 数字图像硬件方框图
(二)影响图像质量的因素
1．成像方式 DSA常用的成像方式有脉冲影像方式、超脉冲影像方式、连续影像方式等。
(1)脉冲影像方式：它采用间歇X线脉冲来形成掩模像和造影像，每秒摄取数帧图像，脉冲持续时间一般大于视频信号一帧的时间。在对比剂未流入感兴趣血管时摄取掩模像，在对比剂逐渐扩散的过程中对X线图像进行采集和减影，得到一系列连续而有间隔的减影像系列，每帧减影像之间的间隔较大(例如0.15s)。由于曝光X线脉冲的脉宽较大(例如100ms左右)，剂量较高，所得图像的信噪比较高。它主要用于脑血管，颈动脉，肝动脉，四肢动脉等活动较缓慢的部位。
(2)超脉冲影像方式：这种方式以每秒6~30帧的速率进行X线脉冲摄像，然后逐帧高速反复减影，具有频率高、脉宽窄的特点，能以实时视频的速度连续观察X线数字图像或减影像，具有较高的动态清晰度。这种方式能适应肺动脉、冠动脉、心脏等快速活动的脏器，图像的运动模糊小。
(3)连续影像方式：这种方式所用X线可以是连续的，也可以是脉冲的，得到与摄像机同步的、频率为每秒25帧(或30帧)的连续图像。因采像频率高，能显示快速运动的部位，如心脏、大血管，时间分辨力高。
2．X线的稳定性 由于普遍采用脉冲影像方式，在技术上必须保证前后各帧图像所接受的X线剂量恒定，这就要求X线机的高压稳定、脉冲时序稳定以及采样时间的合理和准确。
3．曝光与图像采集的匹配同步 X线曝光脉冲应与摄像机场同步保持一致，曝光信号的有效时间要在场消隐期内。但隔行扫描制式造成奇偶场有时间差，需保证两场图像采集时光强度的一致性。由于摄像器件的迟滞特性，需要等待信号幅值稳定时才能采样，不能在曝光脉冲一开始就采样，因此造成剂量的浪费。
4．噪声 噪声会使图像不清晰，对比度增加时噪声更明显。噪声包括X线噪声、视频系统噪声(主要来自摄像机)、量子化噪声(主要来自A/D转换过程)、散射线引起的噪声、存储器或磁盘存取时出现的存储噪声、医用相机和荧光屏的固有噪声等。增大曝光剂量可以减少噪声；积分技术可在剂量不明显增大的情况下减少噪声。
5．设备性伪影 主要由条纹伪影、旋涡伪影和软件伪影原因造成。
(1)条纹伪影和旋涡伪影：它们由投影系统不稳定引起。
(2)软件伪影：①丢失的高频信息以低频形式重现，形成条纹伪影；②当空间频率过高时容易产生过冲伪影；③X线束的密度不均匀、探测器几何尺寸的偏差等产生X线束的几何伪影；④X线束硬化产生的伪影。
三、DSA的系统组成
DSA是在DF的基础上发展而来的，它主要由X线发生和显像系统、机械系统、图像数据采集和存储系统、计算机系统等组成。
(一)X线发生和显像系统
X线发生和显像系统由X线发生装置、探测器装置、显示器、自动亮度控制、X线剂量管理等组成。
心血管造影时，将导管经穿刺针或皮肤切开处插入到检查部位血管内血流方向源端，快速注入对比剂并进行快速摄影，摄取心腔或血管的对比剂充盈像。对比剂注入血管后随血液流动并很快被冲淡稀释，所以对比剂必须在短时间内集中注入，并在稀释之前快速采集尽可能多的图像。每幅图像的采集时间很短，为使图像达到足够的质量，X线发生装置必须在有限的时间内输出足够的X线剂量。这需要X线发生和显像系统满足下列基本要求：
1．X线发生装置 它等同于X线机的X线发生装置，但对X线管、高压发生器和曝光控制时序要求很高。X线管要能承受连续脉冲曝光的负荷量，对于中、大型DSA设备，一般X线管热容量应在200kHU以上，管电压范围40~150kV，管电流通常为800~1250mA。要求高压发生器能产生稳定的直流高压，采用中频或者高频技术，由微处理器控制，产生几乎是纯直流的高压。由于曝光应与图像采集的匹配同步，对曝光控制时序的要求高，用继电器控制曝光的X线机一般不满足要求，无法达到小于ms级的脉宽稳定度，需采用可控硅或数字化控制方式。
2．探测器装置 传统DSA的探测器装置由影像增强器、光学系统、电视摄像机组成，现代DSA开始使用平板探测器。
(1)影像增强器：通常采用可变视野的I.I，如775px的I.I可有250px、400px、550px、750px，4种视野，根据造影时的需要灵活选用。空间分辨力与视野成反比，一般为1.1~2.5LP/mm。为了提高灵敏度和分辨力，输入屏采用碘化铯等材料。新研制的平板型增强器，在输入屏发光体和光电层之间有几十万条光纤，把每个像素的光耦合到光电层，从而使图像有较高的亮度，提高了I.I的转换效率，因此很有发展前途。
(2)光学系统：为了适应所用X线剂量范围(即输入光量变化范围)大的特点，要求使用大孔径、光圈可自动调节的镜头，有的镜头还内含电动的中性滤光片，以防止摄入强光。
(3)电视摄像机：要求摄像管具有高灵敏度、高分辨力和低残像的特点，视频通道要有各种补偿电路，保证输出高信噪比、高保真的视频信号。由于真空摄像管的迟滞特性，在脉冲影像方式和隔行扫描制式下，每一场的图像信号幅值不等，采样需等到信号幅值稳定后才能进行，因此使得曝光脉冲宽度增加，浪费了X线剂量。采用CCD摄像机和逐行扫描制式，可以改善这种情况。
3．显示器 要求配备高清晰度、大屏幕的显示器，如逐行扫描1024线以上、1275px以上的类型。现在造影室内的显示器常采用多屏、多分割或画中画的形式，便于随时对比。
4．自动亮度控制 在DSA中由于被摄对像的组织密度变化大，应保证在各种不同的摄影对像和摄影条件下都能得到有足够诊断信息的图像，消除模糊及晕光。传统DSA是由X-TV形成模拟图像信号的，I.I的动态范围大，约为104:1，在不同曝光剂量下都能输出对比度良好的图像。但电视摄像管的靶面照度范围为10-1~102LX时输出电流在暗电流值与饱和电流值之间变化，动态范围在几百之内。有的检查部位(如胸、腹部)X线曝光剂量变化范围达到103~104，超过了摄像机能精确复制信号的范围，因此需要有一系列自动控制措施，来确保摄像管的输入光量在其动态范围内变化。主要措施有：
(1)控制I.I的输出光量：控制X线的曝光剂量就是控制I.I的输入光量，以利用摄像机输出的视频信号自动控制曝光时间，或自动调整X线管的kV、mA值，就能自动控制X线图像的亮度。
(2)控制光学系统的输出光量：用视频信号自动控制镜头光圈的大小，F1.4孔径的镜头在受控于计算机的滤光片辅助下，自动调整光量的范围可达到6.6×104，从而保证摄影管的输入照度总处于正常范围内。
另外，采用补偿滤过器也能减小X线信息的动态范围，使它和设备部件的动态范围相吻合。补偿性滤过器是在X线管与患者之间放入附加的衰减材料，在视野内选择特定的衰减区域，提供更均匀的剂量分布。
5．X线剂量管理 在保持图像质量的条件下尽量减少人接受的X线照射剂量，是剂量管理系统的任务，它由一系列现代技术组成。
(1)栅控技术：使用栅控X线管，在每次脉冲曝光的间隔给X线管栅极加一个负电压，抵消曝光脉冲的启辉和余辉，从而消除软射线，提高有效射线质量，缩短脉冲宽度。
(2)光谱滤过技术：在I.I或X线管头的窗口放置铝滤板或隔板，以消除软射线，减少二次辐射，优化X线的频谱。准直器的隔板有方形、圆形、平行四边形等；位于X线管头窗口的滤板及DSA补偿性滤板也有各种形状，如头部用多边形滤板，颈部四肢用矩形，心脏、肺部用双弧形等。理想的滤板可使显示器显示的图像密度基本一致，以免产生饱和性伪影。若肺部DSA检查没有滤板时，因肺与心脏的密度相差太大，X线剂量适合心脏时，肺部的小血管被穿透，剂量适合肺部时心内结构又无法辨认。各种滤板和隔板可以自动或手动控制，调整很方便。但要注意不宜采用太厚的滤板，否则将明显增加X线负荷，还会使X线束硬化过度和降低信噪比等。
I.I前面放置的滤线栅也用来消除X线穿过人体时的散射线，有平行、会聚、锥形和交叉等排列方式。采用该技术后可降低X线辐射剂量约20%。
(3)脉冲透视技术：是在透视图像数字化的基础上实现的，因此能对脉冲透视图像进行增强、平滑、除噪等滤波处理，改善图像的清晰度。设备的脉冲透视频率有25帧/秒、12.5帧/秒、6帧/秒等种类可供选择，频率越低、脉宽越窄辐射剂量就越小。但脉冲频率太低时，活动图像透视将出现动画状跳动和拖曳；脉宽太窄时透视图像质量下降。采用该技术，估计较常规透视辐射剂量减少约40%。
(4)图像冻结技术：每次透视的最后一帧图像被暂存，并且保留在显示器上显示，称为图像冻结(last image hold，LIH)。充分利用LIH技术，可以减少一些不必要的透视操作，使总透视时间明显缩短，达到减少辐射剂量的目的。在LIH状态下还能调整DSA滤板和隔板。
此外，还有放射剂量的自动显示技术，检查床旁的透视剂量调节功能，铅防护屏吊架等。
(二)机械系统
机械系统主要包括X线管专用支架、导管床和高压注射器。
1．X线管专用支架
(1)支架结构：为达到倾斜透视和摄影要求，并使X线管和影像增强器能同步移动，心血管造影专用X线管头支架多为C形臂、U形臂等。如图6-21所示。
图6-21 C形臂、U形臂结构示意图
在C形臂或U形臂的两端分别相对安装X线管头和影像增强器，并使两者的中心线始终重合在一起，即无论在任何方向上进行透视，X线中心线都始终对准增强器的输入屏中心。C形臂可在臂架的支持下沿C形弧做－45o～＋90o转动，能很快从正位透视转换为侧位透视。沿病人长轴方向的倾斜是由支架的转动实现的，可在±45o范围内调整。有的设备机架可携带C形臂一起做升降运动。C形臂可由底座、附着式立柱和悬吊架等支持。C形臂还可移动或摆动，以便在需要时使其远离导管床。
上述支架的共同特点是：能在病人不动的情况下，完成对病人身体各部位、多方向的透视和摄影检查。当肢体位于C形臂转动中心时，在C形臂活动过程中，被检部位一直处于照射野中心。C形臂X线管焦点至增强器的距离是可调的，一般是移动增强器。增强器输入屏前设有安全罩，在支架活动或增强器单独活动过程中，一旦安全罩触及病人，便立即停止动作，保护病人和设备的安全。
现代DSA多用双C臂、单C臂三轴(三个马达驱动旋转轴，保证C臂围绕患者作同中心运动、操作灵活、定位准确)、或L+C臂三轴系统。双C臂产品可减少了注药及X线曝光次数，增大了运动角度。三轴系统则是旋转造影、计算机辅助血管最佳角度定位的基础。导管床的纵向、横向运动范围要大，并可以左右旋转，使活动空间增大，便于病人的摆位及抢救。
(2) 支架功能：
1）体位记忆技术：专为手术医生设计了投照体位记忆装置，能存储多达100个体位，各种体位可事先预设，也可在造影中随时存储，使造影程序化，加快造影速度。
2）自动跟踪回放技术：当C形臂转到需要的角度进行透视观察时，系统能自动搜索并重放该角度已有的造影像，供医生诊断或介入治疗时参考；也可根据图像自动将C臂转到该位置重新进行透视造影。这种技术特别有利于心、脑血管造影，尤其是冠状动脉介入治疗手术。
3）安全保护：C形臂支架还配有自动安全防撞装置，计算机能根据机架、床的位置自动预警和控制C形臂的运动速度，利用传感器感受周围物体的距离，自动实现减速或停止(例如离物体250px时减速，离物体25px时停止)。
2．导管床 导管床具有手术床和诊视床双重功能。手术时要求高度适宜，工作方便，能从各个方位接触病人，纵向、横向运动范围要大，并可以左右旋转，使活动空间增大，便于病人的摆位及抢救。透视时要求导管床能方便地变换方位和部位，并且动作迅速、定位准确。
早期的导管床，X线管安装在床下，与悬吊增强器配合使用，具有床面浮动和升降功能，以适应手术和透视两种需要，后来研制的配合C形臂使用的导管床，床内则无需安装X线管，如图6-22所示。
图6-22 导管床示意图
(1)高度：为适应不同身高的手术者和C形臂的要求，床面设有电动升降驱动装置，由床下的脚踏开关控制。
(2)床面移动：床面在水平方向可做二维移动，且沿其长轴方向要求有较大的活动范围。配合C形臂使用时，床面能把病人送入X线照射野，且床座不会影响C形臂在头颅反汤氏位的倾斜活动。床面在纵横两个方向上都设有电磁刹车。床的所有移动控制按钮均集中在床边，并可移动到床的左侧或右侧。为适应下肢分段摄影的需要，导管床常设有床面纵向移动步进驱动装置。此装置可使床面向前或向后步进4步(每步625px左右，用时2s)，可进行对比剂跟踪摄影。注入一次对比剂，就可获得腹部和整个下肢的血管影像。
床面除配有驱动装置外，做下肢分段摄影时，还需要配用kV降落装置，随着肢体变薄，摄影条件自动调低，以保证适当的曝光量。
(3)床面宽度：床面宽度一般为40～1500px。为了适应上肢插管的需要，床边一般都设有可活动的臂托。
(4)床面边框：为增加床面机械强度而设，同时也是床面纵向移动的轨道。在配合C形臂使用时，X线透视的方向是不固定的，在一定方向上，床面的边框可能进人照射野，影响观察，为此也有无边框床面。
(5)床面材料：过去多采用多层胶合木板或酚醛板，其机械强度较好，但对X线的吸收较强。目前多采用碳素纤维增强塑料板，它不但有较小的X线吸收系数，而且有较高的机械强度。
(6)吊床：由伸缩吊架将其悬吊在空中。它具有落地式导管床的全部功能，且活动范围加大，地面更整洁。
3．高压注射器 DSA在血管造影时要求在短时间内将对比剂集中注入血管内。对比剂的注射总量、注射流率以及与曝光的时序控制，是关系到检查成败及病人安全的大问题。高压注射器能够确保在确定的时间按要求将对比剂注入血管，形成高对比度图像。亦常用于X-CT的增强扫描检查。它可使对比剂注射、换片机换片、X线主机曝光三者协调配合，从而提高了摄影的准确性和造影的成功率。它可遥控操作，全部工作人员均可离开X线辐射现场。它由注射头、控制台和移动支架组成。目前使用的高压注射器一般为电动式，如图6-23所示。
图6-23 电动式高压注射器传动示意图
电机经离合器、减速器带动传动效率极高的滚珠丝杆装置推动注射活塞进行注射，调节电机的转速就可控制注射流率，控制电机的转动周数，就可控制注射量。
在做选择性心血管造影时，为确认导管头端的位置是否正确，有时需做试射。试射就是以较低的流率(4ml/s)注射少量的对比剂(2m1)。电动式高压注射器可一次性吸药，多次试射、注射或重复注射。
注射启动可手动随机控制，亦可用心电图(electrocardiogram，ECG)信号控制。利用ECG信号中的R波触发注射器，可使它在心脏的舒张期开始注射，或仅在心脏的舒张期进行注射(脉动注射)。从而避免了收缩期注射可能出现的心肌颤动，既减少了注射量，也便于观察血流图像。
注射头是一个独立部分，可以自由转动以改变方位和角度，便于抽液、排气、试射和注射，并可最大限度地接近病人。注射头可从支架上取下，安装在导管床的边框上，在床面移动时，病人和注射头同步移动，即病人和注射头处于相对静止状态，以防止床面带动病人移动时将已插好的导管拽出或移位。
(三)图像数据采集和存储系统
该系统的一般结构在图6-20已经示出，由于DSA要求25帧/秒以上的实时减影速度，这样高的处理速度必须通过专用硬件来实现。有的国内厂家在通用微机上增加一块图像板来实现视频信号的A/D转换和实时减影等处理功能，该板由A/D转换器、输入查找表、高速运算器，帧存储器、输出查找表，D/A转换器等组成。
根据采集矩阵的大小决定采样时钟的速率，对512×512矩阵，采样频率需大于10MHz；对768×572矩阵和1024×1024矩阵，需要的采样速率分别为15MHz和20MHz。可按照对图像灰度级的要求选择A/D转换器的量化等级，即位(bit)数，一般为8bit或10bit。帧存储器(帧存)的容量一般要能保存16帧图像，当每像素为8bit(即1字节，byte)数据时，帧存容量是4MB(512矩阵)或16MB(1024矩阵)。对心脏和冠状动脉等动态器官部位的造影，需以25帧/秒的速率实时连续采集5s或10s图像，要求采用更大容量的帧存储器(海量存储)，有的设备已采用64MB的高速海量帧存，可以保存512×512×8bit的图像250帧。一次采像一般不超过10s，而在两次采像的间隔时间内可把帧存中的图像转存到光盘或硬盘上，所以帧存容量超过64MB，就可以代替电影胶片，从而免除冲洗。如果实时帧存的容量小，对心脏和冠脉就只能采用电影方式造影。
大容量帧存储器一般采用动态存储器(dynamic random access memory，DRAM)，由于最高实时存取速度要达到每秒50帧512×512×8bit的图像，所以必须通过视频总线传输，同时也要有计算机总线接口，以便进行读写控制和实现帧存与硬盘之间图像转存。
近年来，DSA开始用FPD来代替“影像增强器＋电视摄像机”结构形式的探测器，它具有空间分辨力高、动态范围大、余辉小、信息采集快、射线剂量低等优点，由于FPD体积小、重量轻，可使C形臂结构更加紧凑、控制更加灵活。
(四)计算机系统
在DSA系统中，计算机主要用于系统控制和图像后处理。
1．系统控制 图6-24是系统控制流程图。整机的工作流程由计算机控制，根据控制流程，需要连接的信号如下：
图6-24 系统控制流程图
(1)启动开关信号：启动开关1闭合使X线机接受计算机控制，由计算机对X线机发出曝光准备信号；同时，计算机发出光阑控制信号，使光圈孔径缩小。启动开关2闭合使造影过程开始，计算机启动高压注射器，并对X线机发出脉冲曝光启动信号。
(2)联络信号：X线机准备完毕后，向计算机发出准备就绪信号，表示可以进行脉冲曝光。曝光开始后，向A/D转换电路发出采样开始信号；转换结束后，通知计算机读取数字信号，再次进行脉冲曝光，采集下一帧图像。
2．图像后处理 主要有对数变换处理，移动性伪影的校正处理，改善图像S/N的时间滤过处理和自动参数分析功能。
随着DSA的不断发展，其设备性能、减影方法也在不断改进。例如图像的后处理使S/N提高；视野小，大的部位需要多次曝光，通过改进I.I的输入野，采用遥控对比剂跟踪技术、步进式曝光来解决；运动部位成像及运动性伪影，可通过改进高压发生器，使用超短脉冲快速曝光加以改善；采用数字脉冲式透视可使X线辐射剂量减少将近一半；利用双平面采集和三维采集可以鲜明地突出低密度、细管径的血管像。
第四节 激光相机
激光相机(laser imager)又称为激光照相机(laser camera)或激光打印机(laser printer)，属目前最常用的医用相机。
医用相机(imager)的应用起始于1980年，以CRT多幅相机、激光相机为代表。激光相机可以接收并处理多种影像设备输出的数字图像或模拟图像，将需要再现的图像打印(实为曝光)记录在专用胶片上。由于它无需通过显示器屏幕投影拍摄，故可避免由显示器引起的光栅失真、边缘聚焦不良等弊端，图像解析力、保真度均比较高。它成像速度快，工作性能稳定，可联机使用，工作效率较高。经过近三十年的发展，激光相机已淘汰多幅照相机，成为各种数字化医学影像设备硬拷贝的必需装备。
一、种类
激光相机按照激光源不同分为红外激光相机和氦氖激光相机；按胶片处理方式不同分为湿式激光相机和干式激光相机。
激光源不同，产生的激光束波长也不一样，所以必须选用相对应的激光胶片。红外激光的波长是820nm，应选择感光波长为820nm的红外激光胶片；氦氖激光的波长是630nm，需选择感光波长为630nm的氦氖激光胶片。
湿式激光相机由于成像胶片需经显影、定影、烘干等系列洗片处理，洗片装置结构复杂，故障率高，且需经常清洗，在一定程度上造成使用不便，废弃的显、定影药水易造成环境污染。与湿式激光相机相比，干式激光相机具有下列特点：①不需要洗片机，无需显、定影药液和供水与排水工程，有利于环保；②机身小巧，安装简捷；③胶片的装取全部在明室进行，可省去暗室设备；④需选用相应的干式激光胶片。
目前，干式激光相机已广泛应用于X-CT、MRI、DSA、ECT及其它数字化影像设备中，已成为激光相机未来的发展方向，下面着重介绍干式激光相机。
二、结构
干式激光相机主要由控制板、片盒、供片滚动轴、激光成像组件、热鼓显像组件、机壳等组成。其中激光成像组件以及显像热鼓是干式激光相机的关键部件。干式激光相机需用专用的干式激光胶片。感光过程中打印头不接触胶片，可避免打印头和胶片摩擦以防影响图像和损坏打印头。干式激光相机内部结构和图像打印流程如图6-25所示。
图6-25 干式激光相机内部结构和图像打印流程图
(一)供片和传送系统
主要由片盒和传送机构组成。有打印需要时，由供片系统从暗盒中抓取胶片，经传送系统传送至激光扫描和热鼓显像系统。
(二)激光扫描系统
它所使用的激光二极管光点直径非常小，发射的激光属于红外区，激光发射源非常稳定，并可精确调节发射功率。极宽的动态范围，对灰度级别的数量没有限制，动态范围可持续扩展。激光光头寿命长。扫描成像速度快，每秒扫描超过200万点。将系统生成的图像信息经过高压、调制、放大生成激光图像信息扫描到胶片上。
(三)热鼓显像系统
其外形直径为160mm，鼓长(工作面)为410mm、重量7.5kg，热鼓工作面表层有一层柔软、细腻、厚度为1.5mm的导热合成橡胶。热鼓工作层是主动轮。热鼓上面约小于180弧面有20根具有镜面光洁度，刚性极好的金属细小辊轴包绕半圆，称为从动轮，其弹性压力设计为确保胶片和热鼓表面滑动配合，传送胶片恰到好处，从而保证图像质量。从动辊轴组件的外周是保温层。整个从动轮组件为维护的需要设计成可以方便快速分离。鼓芯为固定不动体，其结构为同心圆栅状印刷体式电热器，内脏装有温度传感器，电源和控制信号线一端输入。热鼓圆的工作面内径和同心圆电热鼓芯保持良好的无间隙感的滑动匹配。开机后，热鼓工作而始终均衡旋转，无温度梯度差，从而确保显像质量。将经过激光扫描过形成潜影的胶片通过一套高温装置，经过高温直接使得特制的银盐在高温下完成还原反应，析出银颗粒，完成潜影的显像过程。除银盐之外的其他物质被气化蒸发掉，被气化蒸发的物质应进行过滤、吸附、回收，以免造成空气污染。
显像热鼓是决定最终成像质量的极重要部件，又是整机中最易损伤和昂贵的组件之一。硬件损坏影响图像质量的主要因素来自该热鼓组件，其中包括：热鼓表面温度的一致性，表面平整度、柔软性等。
(四)控制系统
接收外部设备传入的图像格式信息并转化为内部系统信息打印在胶片上；内置有密度自动监测组件。
(五)显示系统
可显示设备状态及各种提示并可进行调节处理操作。
三、工作原理
如图6-26、6-27所示，激光相机巧妙地采用了多面转镜和广角发散透镜(透镜)构成激光束偏转扫描器。高速旋转的多面转镜能将方向固定的入射激光束转变成快速地、反复从左至右移动的扫描激光束，广角发散透镜可在较短的空间距离内获得较大的偏转角度。
图6-26 激光相机的核心组件分解图
图6-27 激光相机扫描原理示意图
激光相机图像形成的基本过程是：①影像设备输出的图像数据(数字的或模拟的)馈入激光相机接口后，在中央微处理器的控制下送至信号处理单元；②信号处理单元将图像数据进行存储、排序、校正及格式管理，然后进入高速缓存器；③在打印时先将图像数据进行D/A变换，再经放大后驱动视听调制器(acoustic optical modulater，AOM)；④从激光器发出的连续激光束，经过整形装置调整，再经AOM调制，随着图像数据变强或变弱；⑤通过AOM的激光束经扩束器调整成适合扫描的激光束；⑥用广角发散透镜使不同角度的扫描变成水平强度均匀的扫描；⑦经过广角发散透镜的激光束，再经平面镜和扫描柱镜投射到扫描滚筒上的胶片，滚筒在高精度电机驱动下匀速转动，带动胶片精确移动，使胶片逐点逐行曝光。被曝光的胶片经系列处理后便可重现图像。
四、主要功能
激光相机具有独特的灰阶密度自动反馈以及人工/自动校正和调节控制系统，可获得与主控计算机图像显示器上完全相同的图像。
激光相机输出图像的密度由三个步骤确定：①选择合适的窗口输入信息；②选定机内提供的标准灰阶测试图像；③利用机内提供的胶片特性曲线(一般提供5~6种)，结合冲洗效果，自动校准每一级灰阶的标准密度。在打印出灰阶胶片(测试片)后，用密度计测量各级密度，依次输入校正系统，由机内的计算机自动修正各级密度，校正激光相机的感光特性，保证输出高质量的图像。
五、集成网络影像打印系统
激光相机在实际应用中，大多采用一台相机连接一台或两台数字影像设备。随着影像设备的不断增加，一对一或一对二的连接方式显然既不经济也不安全。如果每台影像设备配一台激光相机，费用很大，且一旦相机发生故障，则可能直接影响主机的使用。如果能够用计算机网络技术把2~3台，甚至更多的相机连接成一个相机集成网络影像打印系统，如图6-28所示，则可彻底解决相机出一故障维修时的停机问题，既降低运营成本，也保证图像安全持续的输出。
图6-28 相机集成网络影像打印系统示意图
原理：应用相机上的DICOM3.0协议和以太网络接口，将若干台相机以及数字影像设备通过网络线(双绞线或光纤)、多端口网络交换机连接在一起，同时设置所有入网的数字影像设备和相机的网络IP地址在同一个网段中，即构成了一个跨越不同成像设备和不同检查区域的集成网络影像打印系统。
六、维护保养
激光相机无论是光学系统、机械结构，还是电路组成都十分精密而复杂，价格也相对昂贵。在使用时应严格按照说明书的要求仔细操作，并注意做好日常维护保养工作。
(一)日常维护保养
①工作环境温度25℃ 以下，湿度以30%~50%为宜，防止胶片粘连；②不同类型的干式激光片，其结构、性能以及成像参数有一定差异，乳剂层内又有含银盐和不含银盐之分。因此不同类型的干式激光胶片不能混用或互相替代；③激光器是相机最敏感的器件，应避免频繁开关相机以保护激光器；④胶片输出区的加热鼓表面温度高达120℃以上，片基药膜容易粘附到上面，造成胶片污染或卡片。所以，应定期清洗加热鼓，一般打印一万张胶片左右就需清洗一次；⑤传输滚轴长时间运行也会造成污染或位置移动，一般应半年清洗和校正一次；⑥干式激光胶片的保存时间与环境温度关系很大，环境温度在5~25℃内可保存30年以上。
(二)维护保养中应注意
①电气或机器故障只能由有经验的人员进行维修；②切勿替换或拆卸集成的安全装置；③切勿遮盖通风口；④不要随便给活动部件或滚轴加润滑油；⑤进行任何维护工作前，务必关闭相机电源并从插座中拔下电源插头。
(三)表面清洁的操作流程
①关闭设备；②从插座上拔下电源插头；③用干净、柔软的湿布擦拭表面。如果需要，可使用适量的肥皂水或洗洁剂清洗，但切勿使用氨基清洁剂。清洁时要小心谨慎，切勿使任何液体进入电源线端或流人相机内部；④接通并开启电源，待机器自检、加热和显示正常后使用。
(四)激光器组件清洁的操作流程
①关闭电源；②按相机说明书打开相机；③用浸有少量乙醇不起毛的布，沿同一个方向轻轻地擦拭，并不要将布抬起，切勿对激光器施加任何压力，以免造成损坏；④安装好设备，开启电源。
(五)卡片处理
卡片是激光相机的易发故障，发生卡片时，液晶屏幕上一般有相应的故障提示。造成卡片的原因很多，主要有：①吸盘不良或吸力不均造成卡片；②传输滚轴间压力不均或位置移动，使进片后偏斜造成卡片，滚轴长时间使用发生胶片药膜或异物污染，使轴间摩擦力增大也会造成卡片；③加热鼓温度过高或胶片保存空间气温过高，导致片基药膜粘附到传输滚轴上造成卡片；④传感器失效或突然断电，导致传片中断造成卡片。
处理卡片时应关闭供片盒，切断电源，打开顶盖或门板，沿胶片传输路径找到卡片位，清除已卡胶片。注意在清除加热鼓周围卡片的时候，不要触碰到温度很高的加热鼓表面以免烫伤。
CR主要由IP、读取装置、控制台、后处理工作站、存储装置组成，它成像的主要过程是：透射X线→IP形成潜影→激光扫描→电信号→ A/D转换→数字图像。IP主要结构包括表面保护层、PSL荧光层、支持层和背衬层。
根据探测器类型不同，DR可分为FPD型、多丝正比室扫描型和CCD型三种。目前，常用的FPD有非晶硒和非晶硅两种。
DSA由DF发展而来的，它主要由X线发生和显像系统、机械系统、图像数据采集和存储系统、计算机系统等组成。
激光相机的图像解析力、保真度均比较高，成像速度快，工作性能稳定，可联机使用，工作效率较高，是目前较理想的图像硬拷贝装置，其中干式激光相机已广泛应用于各数字化影像设备中，已成为激光相机未来的发展方向，在使用过程中要注意做好日常维护和保养工作。
