劉冰川，孫雅軍，林玉峰

福州總醫(yī)院a.醫(yī)學(xué)影像科；b.碎石室；c.醫(yī)學(xué)工程科，福建 福州 350025

1 研究背景

體外沖擊波碎石機(jī)的定位系統(tǒng)是尋找和跟蹤治療目標(biāo)以及監(jiān)測(cè)治療過(guò)程和評(píng)價(jià)治療效果的裝置[1]。X線定位系統(tǒng)是最早成功用于體外沖擊波碎石機(jī)的定位系統(tǒng)[2]，與B超定位相比，它對(duì)操作技術(shù)要求不高，定位直觀、準(zhǔn)確、快捷[3]，因而是使用最廣的定位系統(tǒng)。典型的X線定位系統(tǒng)是X線影像增強(qiáng)-電視系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。

可見(jiàn)，定位系統(tǒng)由X線影像增強(qiáng)器（13）、攝像機(jī)（14）、視頻控制器（15，一般為自動(dòng)亮度系統(tǒng)）和顯示器（16）等構(gòu)成。其中，由攝像機(jī)、視頻控制器和顯示器組成的圖像系統(tǒng)的制式（模式）是影響圖像質(zhì)量的最重要因素。目前碎石機(jī)上使用的基本都是普通分辨率的模擬電視系統(tǒng)，其清晰度、對(duì)比度都不理想。雖然直接用高分辨率X線影像增強(qiáng)電視系統(tǒng)或用動(dòng)態(tài)平板X(qián)線成像系統(tǒng)可以得到高清晰度、高對(duì)比度圖像，但代價(jià)十分昂貴，僅高分辨率電視系統(tǒng)價(jià)格就高于目前市場(chǎng)上大多數(shù)碎石機(jī)的整機(jī)價(jià)格，所以沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。因此，在當(dāng)前X線電視圖像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探討用很小的成本、以數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)碎石機(jī)X線定位圖像清晰度、對(duì)比度的提高是有實(shí)際意義的。

圖1 碎石機(jī)X線定位系統(tǒng)示意圖

2 碎石機(jī)X線影像的特點(diǎn)和本研究的技術(shù)路線

大多數(shù)碎石機(jī)X線電視圖像系統(tǒng)是普通X線電視透視系統(tǒng)，工作模式為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像，以CCIR（Consultative Committee of International Radio，國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)）625/25制式電視系統(tǒng)為例，它的幀頻為25 Hz、場(chǎng)頻50 Hz，電子快門(mén)最長(zhǎng)曝光時(shí)間為20 ms，對(duì)圖像的亮度要求較高。而在對(duì)目標(biāo)（結(jié)石）的尋找、跟蹤過(guò)程中目標(biāo)（人體）的移動(dòng)通常比較緩慢,對(duì)圖像的實(shí)時(shí)性要求不高，治療過(guò)程的監(jiān)測(cè)和治療效果評(píng)價(jià)用靜態(tài)成像方式就能滿足要求。因此，降低圖像傳感器的成像幀頻，即延長(zhǎng)傳感器的幀積累時(shí)間，就能做到對(duì)更低亮度圖像的成像，提高圖像系統(tǒng)靈敏度，或在亮度相同的條件下提高圖像的信噪比以提高圖像清晰度。具有可變幀積累時(shí)間的視頻攝像頭正好能滿足上述要求，如數(shù)碼照相機(jī)普遍具有實(shí)時(shí)視頻取景功能，而它們的攝影靜態(tài)成像功能又具有很高的空間分辨率，也與碎石機(jī)X線影像的特點(diǎn)和要求吻合。

3 實(shí)驗(yàn)器材和方案

實(shí)驗(yàn)在ZL502型碎石機(jī)（上海中聯(lián)生產(chǎn)）上進(jìn)行。該機(jī)的X線定位系統(tǒng)包括雙球管雙影像增強(qiáng)器，在側(cè)位影像增強(qiáng)器中央固定分辨率測(cè)試卡，用天敏UV-200視頻采集棒采集攝像頭或數(shù)碼相機(jī)的視頻信號(hào)并在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示。

方案一：采用具有幀積累（最多256幀）功能、CCIR制式的WATEC WAT-120N+視頻攝像頭[4]。該攝像頭圖像傳感器的有效像素為752像素×582像素，像素大小為8.6μm×8.3μm，可以通過(guò)配置的控制盒靈活選擇不同積累幀數(shù)、不同γ值等參數(shù)可以調(diào)節(jié)增益，具有圖像采集控制開(kāi)關(guān)功能。用定焦鏡頭和WATEC WAT-120N+視頻攝像頭取代原側(cè)裝位置的攝像頭，將攝像頭的視頻輸出和UV-200視頻采集棒的視頻輸入連接，采集動(dòng)態(tài)和不同數(shù)量幀積累或其他不同參數(shù)的圖像并比較。

方案二：采用CANON EOS1000D數(shù)碼單反照相機(jī)，3888像素×2592像素[5]、像素大小為5.7μm×5.7μm，具有動(dòng)態(tài)取景功能。用相機(jī)和鏡頭（EF-S 18-55F/3.5-5.6）取代原側(cè)裝位置的攝像頭，相機(jī)的視頻輸出和UV-200視頻采集棒的視頻輸入連接，在電腦顯示器上輸出動(dòng)態(tài)視頻信號(hào)。電腦通過(guò)USB2.0接口與數(shù)碼相機(jī)連接，用軟件控制數(shù)碼相機(jī)的焦距、光圈、曝光等時(shí)間拍攝參數(shù)，并采集和處理數(shù)碼相機(jī)所拍攝的圖像。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）用愛(ài)克發(fā)公司CR（Computed Radiography，CR）系統(tǒng)拍攝的一種分辨率測(cè)試卡的X線圖像截圖，見(jiàn)圖2。

圖2 分辨率測(cè)試卡的X線圖像截圖

中聯(lián)ZL502型碎石機(jī)正位是原配的以攝像管為核心的X線電視圖像系統(tǒng)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像可以清晰顯示到1.4LP/mm分辨率。

（2）實(shí)驗(yàn)中采用WAT-120N+拍攝頭成像效果，見(jiàn)圖3。能看到0.8 LP/mm分辨率。

圖3 WAT-120N+攝像頭所拍攝圖像

圖3中的圖像只進(jìn)行了合適的圖像大小剪輯，沒(méi)進(jìn)行對(duì)比度、亮度調(diào)節(jié)等任何圖像處理。從第1行圖像看出，隨著透視電流（mA）增加圖像整體變亮，但分辨率在0.6 mA和0.7 mA條件下差別不明顯，再繼續(xù)增加透視電流圖像清晰反而下降；從第2行圖像可以看出，隨著積累幀數(shù)增加圖像也整體變亮，4幀積累時(shí)分辨率較好，但與2幀積累的圖像相比，質(zhì)量并沒(méi)有顯著提升。

（3）實(shí)驗(yàn)中采用CANON EOS1000D拍攝頭成像效果，見(jiàn)圖4。

圖4 EOS1000D所拍攝圖像

圖4為CANON EOS1000D 和EF-S 18-55F/3.5-5.6鏡頭在50 kV、0.4 mA和F/4、0.25 s、ISO100條件下拍攝的圖像，可以分辨1.6 LP/mm。圖像進(jìn)行了大小剪輯和對(duì)比度、亮度調(diào)節(jié)等圖像處理。

5 討論

決定X線定位電視系統(tǒng)分辨率的最主要器件是影像增強(qiáng)器和攝像頭。上海中聯(lián)ZL502型碎石機(jī)配置的是東芝E5759HD-P1[6]影像增強(qiáng)器，其輸出窗口為15 mm，分辨率為48 LP/mm，所以它的輸出窗口在X、Y方向上都相當(dāng)于有1440個(gè)像素點(diǎn)。根據(jù)奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，不失真采樣的條件是：采樣頻率≥被采樣模擬信號(hào)最高頻率的2倍。要不失真表達(dá)影像增強(qiáng)器輸出窗口圖像的信息，攝像或照相系統(tǒng)的圖像傳感器在X、Y方向上都必需＞2880個(gè)像素點(diǎn)。目前，醫(yī)用X線電視系統(tǒng)分普通分辨率和高分辨率兩類，普通分辨率的約400K像素（768×576），高分辨率的約1M像素（1024×1024），都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于影像增強(qiáng)器的分辨率。因此，理論上，目前X線定位電視系統(tǒng)的分辨率主要受限于攝像頭的分辨率。

WAT-120N+視頻攝像頭雖然有很強(qiáng)的幀積累功能，特別適合弱光成像，但在本實(shí)驗(yàn)中結(jié)果并不理想。對(duì)于主要矛盾為分辨率低的碎石機(jī)X線電視系統(tǒng)，由于WAT-120N+攝像頭的有效成像像素僅為582×582，因此理論上此攝像頭也不是理想的碎石機(jī)X線電視系統(tǒng)數(shù)字化升級(jí)選擇。

CANON EOS1000D數(shù)碼單反所拍攝的圖像雖然不是很理想，但基本還是可以接受的。它在動(dòng)態(tài)取景時(shí)表現(xiàn)的噪聲過(guò)高，可能是因?yàn)樗苗R頭光圈太小所致（F/4），如果選用具有更大光圈、成像質(zhì)量更好的鏡頭，優(yōu)化光路和機(jī)械設(shè)計(jì)，EOS1000D數(shù)碼單反的動(dòng)態(tài)取景和靜態(tài)拍攝性能可望明顯提高。因此，類似EOS1000D數(shù)碼單反那樣，既具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)取景功能，又能以高像素拍攝靜態(tài)圖像的數(shù)碼成像器件是碎石機(jī)X線電視系統(tǒng)數(shù)字化升級(jí)的理想選擇。

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[5]Canon公司.EOS 1000D產(chǎn)品手冊(cè)[EB/OL].(2012-06-18)[2012-09-23].http://gdlp01.c-wss.com/gds/7/0300004287/01/eos1000d-im2-zh.pdf.

[6]東芝公司.東芝電子元器件材料貿(mào)易（上海）有限公司網(wǎng)站[EB/OL].(2012-06-18)[2012-09-23].http://www.toshibatems.com.cn/electron/elex07.htm.

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