X射線CCD圖像傳感器

李萬瑞 謝植民 曹清肖

摘要：現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，尤其是醫(yī)療影像高科技事業(yè)的發(fā)展，對圖像傳感器的某此突出性能提出更高的要求。為滿足現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的需要，僅靠圖像傳感器自身性能的提高已經(jīng)顯得力不從心。為此，人們將一些能夠提高圖像傳感器某些特殊性能的工藝與其他器件等和圖像傳感器組合起來，構(gòu)成具有特殊功能的圖像傳感器件。醫(yī)學圖像對發(fā)現(xiàn)早期病情、確診病情、了解治療效果、確定后續(xù)治療計劃，都有著至關(guān)重要的作用。X射線成像是獲取醫(yī)學圖像的重要方式，它經(jīng)歷了膠片成像、CR成像和DR成像的發(fā)展歷程。

關(guān)鍵詞：CCD;X 射線性質(zhì)及成像;醫(yī)學圖像處理

1.引言

基于高分辨率CCD的X射線數(shù)字成像系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的-種越來越受醫(yī)療機構(gòu)歡迎的X射線數(shù)字診斷系統(tǒng)，本章在介紹X射線成像技術(shù)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，分析了研制基于CCD醫(yī)用X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的意義。

1.1 X射線醫(yī)學成像展簡介

1895年11月8日，德國物理學家倫琴在調(diào)試一組陰極射線管時，發(fā)現(xiàn)了能使遠處的乳膠片感光的X射線，并用X射線給他夫人的手拍下了人類史上第一張醫(yī)學圖像，很快X射線就被應用于醫(yī)療診斷，在醫(yī)學診斷中發(fā)揮了巨大的作用。X射線是波長介于紫外線和y射線之間的電磁輻射，波長在0.01-100A之間，X射線具有很強的穿透能力，根據(jù)量子理論，x射線服從c=hv=hc/h，其中h為普朗克常量，v為振動頻率，C表示為光速，A為波長。波長越短的X射線能量越大，通常，波長小于0.1A的稱超硬X射線，在0.1-1A范圍內(nèi)的稱硬X射線，1-10A范圍內(nèi)的稱軟X射線。X射線與γ射線本質(zhì)上都是高能光子，但是通常原子核核內(nèi)能級躍遷產(chǎn)生的高能光子稱為y射線，核外電子躍遷產(chǎn)生的高能光子稱為X射線。主要有光電效應、康普頓散射和電子對效應三種形式。

1.2 X射線成像原理

X射線成像的基本原理是根據(jù)X射線對物體的穿透能力以及穿透過程中由于物體結(jié)構(gòu)和密度不均勻，對X射線的衰減作用不同而造成的出射線強度不同。當X射線射入物體時，與物體的原子和電子相互作用，因物體的吸收和散射使其強度衰減，衰減程度因物體各部分的密度、厚度、結(jié)構(gòu)的不同而不同。經(jīng)過不同衰減程度的射線，其強度不再均勻，將其轉(zhuǎn)化為可見光并通過成像設(shè)備收集后即可形成反應物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像

2.X射線成像技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域應用

2.1 膠片成像技術(shù)

膠片成像技術(shù)是最初的X射線成像檢測技術(shù)，也是應用最廣泛和最基本的成像技術(shù)，目前仍然有廣泛的應用。膠片成像技術(shù)隨著增感屏的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，很快從最初的膠片直接成像發(fā)展為膠片-增感屏成像。將增感屏緊貼膠片前側(cè)，或者使用兩個增感屏前后緊貼膠片置于暗盒中，x射線照射病人后在膠片上形成影像，將膠片顯影、定影后可成可見光圖像。增感屏能夠增加膠片的感光度，在此系統(tǒng)中，膠片感光量的95%來自前后增感屏，5%來自x射線的直接照射，因此，膠片-增感屏系統(tǒng)與膠片直接成像系統(tǒng)相比，可以大大減少照射劑量。

2.2 計算機X射線成像（CR） 技術(shù)

1981年日本富士公司推出數(shù)字化X射線成像（Computed Radiography即CR）技術(shù)]。CR工作原理是：采用影像板記錄X射線成像的潛影，再用激光激勵影像板，將潛影轉(zhuǎn)化為光信號，光導收集光信號送入光電倍增管放大，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像后送計算機進行存儲和圖像處理。影像板通過強光照射可以清除潛影反復使用。

2.3 直接數(shù)字化X射線成像（DR）技術(shù)

90年代末，出現(xiàn)了數(shù)字化X射線成像技術(shù)。DR又可分為直接數(shù)字化X射線成像和間接數(shù)字化X射線成像。DR的工作原理是：通過轉(zhuǎn)換屏將X射線轉(zhuǎn)換為可見光，再通過光敏元件等將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。從可見光到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換可通過攝像器材拍攝可見光圖像，如采用CCD或CMOS相機、攝像器材實時成像，并將影像數(shù)字化輸出，該方式稱為間接耦合。間接耦合方式中由于轉(zhuǎn)換屏面積較大，而攝像器材面積小，需要通過中間裝置來進行耦合，通常有透鏡耦合、光錐耦合和電子光學耦合三種方式。

3.圖像采集

3.1系統(tǒng)模塊及功能

醫(yī)學圖像采集與處理軟件在遵從DICOM標準的基礎(chǔ)上，除了需要實現(xiàn)圖像的采集、存儲、管理、處理等功能外，還應該實現(xiàn)基本的病人信息管理、病歷管理、系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。根據(jù)實際應用的需要，醫(yī)學圖像采集與處理系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、病人管理、病歷管理、圖像處理、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信、及幫助系統(tǒng)七個模塊組成。其中，每個功能模塊都由若干相應的子功能模塊組成。

3.2系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理由系統(tǒng)設(shè)置、用戶信息、用戶權(quán)限和系統(tǒng)日志四個部分組成。其中，系統(tǒng)設(shè)置包括醫(yī)院信息的設(shè)置、數(shù)據(jù)庫服務器的設(shè)置、以及用戶界面的設(shè)置等;用戶信息和用戶權(quán)限的操作可以歸結(jié)為用戶管理，所謂用戶是指系統(tǒng)的用戶，而用戶通常可以分為管理員和一般用戶，兩者有著不同的權(quán)限;系統(tǒng)日志用來記錄系統(tǒng)用戶的操作情況。

3.3圖像處理

圖像處理按功能分為觀看圖像、圖像標注和圖像處理三個子功能。其中，觀看圖像主要實現(xiàn)多窗口顯示、拼圖、旋轉(zhuǎn)、移動、縮放等功能;圖像標注則包含文字標注合同幾何形狀標注等;圖像處理有反相、調(diào)窗、局部處理、分割、裁剪、平滑、銳化、降噪、提取邊緣、灰度均衡、圖像相加減、圖像平均、融合等。具體方法將在后續(xù)章節(jié)介紹。

3.4網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通信主要實現(xiàn)的是網(wǎng)絡(luò)通信與控制等功能，例如用計算機遠程控制照相機、或者控制遠程計算機、圖像傳輸、接收外部數(shù)據(jù)等。一個實用的醫(yī)學圖像處理系統(tǒng)，需要和外部系統(tǒng)進行通信，如前所述的遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，因此需要有網(wǎng)絡(luò)通信功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4.總結(jié)

本文詳細介紹了CCD醫(yī)用 X 射線成像、醫(yī)學圖像處理。介紹了醫(yī)用傳感器在生活中的應用和發(fā)展。X射線用于醫(yī)療影像分析已經(jīng)多年，多年來人們不斷的研究和探索。X射線與CCD傳感器的應用使得我們在醫(yī)學方面上得到進一步的發(fā)展。同時，也推動著我國科技事業(yè)的發(fā)展，為社會做出了巨大貢獻。

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