劉冰川，孫雅軍，林玉峰

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

1 研究背景

體外沖擊波碎石機的定位系統(tǒng)是尋找和跟蹤治療目標以及監(jiān)測治療過程和評價治療效果的裝置[1]。X線定位系統(tǒng)是最早成功用于體外沖擊波碎石機的定位系統(tǒng)[2]，與B超定位相比，它對操作技術要求不高，定位直觀、準確、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-電視系統(tǒng)，見圖1。

可見，定位系統(tǒng)由X線影像增強器（13）、攝像機（14）、視頻控制器（15，一般為自動亮度系統(tǒng)）和顯示器（16）等構成。其中，由攝像機、視頻控制器和顯示器組成的圖像系統(tǒng)的制式（模式）是影響圖像質量的最重要因素。目前碎石機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、對比度都不理想。雖然直接用高分辨率X線影像增強電視系統(tǒng)或用動態(tài)平板X線成像系統(tǒng)可以得到高清晰度、高對比度圖像，但代價十分昂貴，僅高分辨率電視系統(tǒng)價格就高于目前市場上大多數(shù)碎石機的整機價格，所以沒有實用價值。因此，在當前X線電視圖像系統(tǒng)的基礎上，探討用很小的成本、以數(shù)字化方式實現(xiàn)碎石機X線定位圖像清晰度、對比度的提高是有實際意義的。

圖1 碎石機X線定位系統(tǒng)示意圖

2 碎石機X線影像的特點和本研究的技術路線

大多數(shù)碎石機X線電視圖像系統(tǒng)是普通X線電視透視系統(tǒng)，工作模式為實時動態(tài)成像，以CCIR（Consultative Committee of International Radio，國際無線電咨詢委員會）625/25制式電視系統(tǒng)為例，它的幀頻為25 Hz、場頻50 Hz，電子快門最長曝光時間為20 ms，對圖像的亮度要求較高。而在對目標（結石）的尋找、跟蹤過程中目標（人體）的移動通常比較緩慢,對圖像的實時性要求不高，治療過程的監(jiān)測和治療效果評價用靜態(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，即延長傳感器的幀積累時間，就能做到對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。具有可變幀積累時間的視頻攝像頭正好能滿足上述要求，如數(shù)碼照相機普遍具有實時視頻取景功能，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X線影像的特點和要求吻合。

3 實驗器材和方案

實驗在ZL502型碎石機（上海中聯(lián)生產）上進行。該機的X線定位系統(tǒng)包括雙球管雙影像增強器，在側位影像增強器中央固定分辨率測試卡，用天敏UV-200視頻采集棒采集攝像頭或數(shù)碼相機的視頻信號并在計算機顯示器上顯示。

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)可以調節(jié)增益，具有圖像采集控制開關功能。用定焦鏡頭和WATEC WAT-120N+視頻攝像頭取代原側裝位置的攝像頭，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，3888像素×2592像素[5]、像素大小為5.7μm×5.7μm，具有動態(tài)取景功能。用相機和鏡頭（EF-S 18-55F/3.5-5.6）取代原側裝位置的攝像頭，相機的視頻輸出和UV-200視頻采集棒的視頻輸入連接，在電腦顯示器上輸出動態(tài)視頻信號。電腦通過USB2.0接口與數(shù)碼相機連接，用軟件控制數(shù)碼相機的焦距、光圈、曝光等時間拍攝參數(shù)，并采集和處理數(shù)碼相機所拍攝的圖像。

4 實驗結果

（1）用愛克發(fā)公司CR（Computed Radiography，CR）系統(tǒng)拍攝的一種分辨率測試卡的X線圖像截圖，見圖2。

圖2 分辨率測試卡的X線圖像截圖

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

（2）實驗中采用WAT-120N+拍攝頭成像效果，見圖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中的圖像只進行了合適的圖像大小剪輯，沒進行對比度、亮度調節(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幀積累時分辨率較好，但與2幀積累的圖像相比，質量并沒有顯著提升。

（3）實驗中采用CANON EOS1000D拍攝頭成像效果，見圖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。圖像進行了大小剪輯和對比度、亮度調節(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器和攝像頭。上海中聯(lián)ZL502型碎石機配置的是東芝E5759HD-P1[6]影像增強器，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方向上都相當于有1440個像素點。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≥被采樣模擬信號最高頻率的2倍。要不失真表達影像增強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個像素點。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），都遠遠低于影像增強器的分辨率。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的幀積累功能，特別適合弱光成像，但在本實驗中結果并不理想。對于主要矛盾為分辨率低的碎石機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X線電視系統(tǒng)數(shù)字化升級選擇。

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。它在動態(tài)取景時表現(xiàn)的噪聲過高，可能是因為所用鏡頭光圈太小所致（F/4），如果選用具有更大光圈、成像質量更好的鏡頭，優(yōu)化光路和機械設計，EOS1000D數(shù)碼單反的動態(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，既具有實時動態(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X線電視系統(tǒng)數(shù)字化升級的理想選擇。

[1]孫西釗.醫(yī)用沖擊波[M].北京:中國科學技術出版社,2006.

[2]孫西釗.沖擊波碎石術的發(fā)展歷程(上)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2006,27(11):24-26.

[3]尹軍,鐘昭林.體外沖擊波碎石機的原理及定位系統(tǒng)[J].中國醫(yī)療器械雜志,2002,26(2):124-126.

[4]Watec公司.WAT-120N+手冊[EB/OL](2012-06-18)[2012-09-23].http://www.watec.co.jp/japan/bw/download/WAT-120N+.pdf.

[5]Canon公司.EOS 1000D產品手冊[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易（上海）有限公司網站[EB/OL].(2012-06-18)[2012-09-23].http://www.toshibatems.com.cn/electron/elex07.htm.

[7]楊海洪,李殿強,孟慶濤.HB-ESWL-VG型體外碎石機維修二例[J].中國醫(yī)療設備,2008,23(1):124.

[8]劉亞軍,黃華.近十年來放射治療技術與設備的進展[J].中國醫(yī)療設備,2012,27(6):9-10.

[9]李延斌.體外沖擊波碎石機的發(fā)展、臨床應用和選購[J].中國醫(yī)療器械信息,2007,(9):16-20.

[10]黃翠萍.體外沖擊波碎石機的結構組成及其作用機理[J].醫(yī)療設備信息,2007,22(8):37-39.