超聲波碎石機X線定位電視系統的數字化研究

劉冰川，孫雅軍，林玉峰

福州總醫院a.醫學影像科；b.碎石室；c.醫學工程科，福建 福州 350025

1 研究背景

體外沖擊波碎石機的定位系統是尋找和跟蹤治療目標以及監測治療過程和評價治療效果的裝置[1]。X線定位系統是最早成功用于體外沖擊波碎石機的定位系統[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。典型的X線定位系統是X線影像增強-電視系統，見圖1。

可見，定位系統由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）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，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或用動態平板X線成像系統可以得到高清晰度、高對比度圖像，但代價十分昂貴，僅高分辨率電視系統價格就高于目前市場上大多數碎石機的整機價格，所以沒有實用價值。因此，在當前X線電視圖像系統的基礎上，探討用很小的成本、以數字化方式實現碎石機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

大多數碎石機X線電視圖像系統是普通X線電視透視系統，工作模式為實時動態成像，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，治療過程的監測和治療效果評價用靜態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，如數碼照相機普遍具有實時視頻取景功能，而它們的攝影靜態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（上海中聯生產）上進行。該機的X線定位系統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、不同γ值等參數可以調節增益，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，采集動態和不同數量幀積累或其他不同參數的圖像并比較。

方案二：采用CANON EOS1000D數碼單反照相機，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視頻信號。電腦通過USB2.0接口與數碼相機連接，用軟件控制數碼相機的焦距、光圈、曝光等時間拍攝參數，并采集和處理數碼相機所拍攝的圖像。

4 實驗結果

（1）用愛克發公司CR（Computed Radiography，CR）系統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，實時動態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、亮度調節等圖像處理。

5 討論

決定X線定位電視系統分辨率的最主要器件是影像增強器和攝像頭。上海中聯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，攝像或照相系統的圖像傳感器在X、Y方向上都必需＞2880個像素點。目前，醫用X線電視系統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，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線電視系統數字化升級選擇。

CANON EOS1000D數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。它在動態取景時表現的噪聲過高，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，優化光路和機械設計，EOS1000D數碼單反的動態取景和靜態拍攝性能可望明顯提高。因此，類似EOS1000D數碼單反那樣，既具有實時動態取景功能，又能以高像素拍攝靜態圖像的數碼成像器件是碎石機X線電視系統數字化升級的理想選擇。

[1]孫西釗.醫用沖擊波[M].北京:中國科學技術出版社,2006.

[2]孫西釗.沖擊波碎石術的發展歷程(上)[J].醫療衛生裝備, 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[J].中國醫療器械雜志,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].中國醫療設備,2012,27(6):9-10.

[9]李延斌.體外沖擊波碎石機的發展、臨床應用和選購[J].中國醫療器械信息,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].醫療設備信息,2007,22(8):37-39.