超声波碎石机X线定位电视系统的数字化研究

刘冰川，孙雅军，林玉峰

福州总医院a.医学影像科；b.碎石室；c.医学工程科，福建 福州 350025

1 研究背景

体外冲击波碎石机的定位系统是寻找和跟踪治疗目标以及监测治疗过程和评价治疗效果的装置[1]。X线定位系统是最早成功用于体外冲击波碎石机的定位系统[2]，与B超定位相比，它对操作技术要求不高，定位直观、准确、快捷[3]，因而是使用最广的定位系统。典型的X线定位系统是X线影像增强-电视系统，见图1。

可见，定位系统由X线影像增强器（13）、摄像机（14）、视频控制器（15，一般为自动亮度系统）和显示器（16）等构成。其中，由摄像机、视频控制器和显示器组成的图像系统的制式（模式）是影响图像质量的最重要因素。目前碎石机上使用的基本都是普通分辨率的模拟电视系统，其清晰度、对比度都不理想。虽然直接用高分辨率X线影像增强电视系统或用动态平板X线成像系统可以得到高清晰度、高对比度图像，但代价十分昂贵，仅高分辨率电视系统价格就高于目前市场上大多数碎石机的整机价格，所以没有实用价值。因此，在当前X线电视图像系统的基础上，探讨用很小的成本、以数字化方式实现碎石机X线定位图像清晰度、对比度的提高是有实际意义的。

图1 碎石机X线定位系统示意图

2 碎石机X线影像的特点和本研究的技术路线

大多数碎石机X线电视图像系统是普通X线电视透视系统，工作模式为实时动态成像，以CCIR（Consultative Committee of International Radio，国际无线电咨询委员会）625/25制式电视系统为例，它的帧频为25 Hz、场频50 Hz，电子快门最长曝光时间为20 ms，对图像的亮度要求较高。而在对目标（结石）的寻找、跟踪过程中目标（人体）的移动通常比较缓慢,对图像的实时性要求不高，治疗过程的监测和治疗效果评价用静态成像方式就能满足要求。因此，降低图像传感器的成像帧频，即延长传感器的帧积累时间，就能做到对更低亮度图像的成像，提高图像系统灵敏度，或在亮度相同的条件下提高图像的信噪比以提高图像清晰度。具有可变帧积累时间的视频摄像头正好能满足上述要求，如数码照相机普遍具有实时视频取景功能，而它们的摄影静态成像功能又具有很高的空间分辨率，也与碎石机X线影像的特点和要求吻合。

3 实验器材和方案

实验在ZL502型碎石机（上海中联生产）上进行。该机的X线定位系统包括双球管双影像增强器，在侧位影像增强器中央固定分辨率测试卡，用天敏UV-200视频采集棒采集摄像头或数码相机的视频信号并在计算机显示器上显示。

方案一：采用具有帧积累（最多256帧）功能、CCIR制式的WATEC WAT-120N+视频摄像头[4]。该摄像头图像传感器的有效像素为752像素×582像素，像素大小为8.6μm×8.3μm，可以通过配置的控制盒灵活选择不同积累帧数、不同γ值等参数可以调节增益，具有图像采集控制开关功能。用定焦镜头和WATEC WAT-120N+视频摄像头取代原侧装位置的摄像头，将摄像头的视频输出和UV-200视频采集棒的视频输入连接，采集动态和不同数量帧积累或其他不同参数的图像并比较。

方案二：采用CANON EOS1000D数码单反照相机，3888像素×2592像素[5]、像素大小为5.7μm×5.7μm，具有动态取景功能。用相机和镜头（EF-S 18-55F/3.5-5.6）取代原侧装位置的摄像头，相机的视频输出和UV-200视频采集棒的视频输入连接，在电脑显示器上输出动态视频信号。电脑通过USB2.0接口与数码相机连接，用软件控制数码相机的焦距、光圈、曝光等时间拍摄参数，并采集和处理数码相机所拍摄的图像。

4 实验结果

（1）用爱克发公司CR（Computed Radiography，CR）系统拍摄的一种分辨率测试卡的X线图像截图，见图2。

图2 分辨率测试卡的X线图像截图

中联ZL502型碎石机正位是原配的以摄像管为核心的X线电视图像系统，实时动态成像可以清晰显示到1.4LP/mm分辨率。

（2）实验中采用WAT-120N+拍摄头成像效果，见图3。能看到0.8 LP/mm分辨率。

图3 WAT-120N+摄像头所拍摄图像

图3中的图像只进行了合适的图像大小剪辑，没进行对比度、亮度调节等任何图像处理。从第1行图像看出，随着透视电流（mA）增加图像整体变亮，但分辨率在0.6 mA和0.7 mA条件下差别不明显，再继续增加透视电流图像清晰反而下降；从第2行图像可以看出，随着积累帧数增加图像也整体变亮，4帧积累时分辨率较好，但与2帧积累的图像相比，质量并没有显著提升。

（3）实验中采用CANON EOS1000D拍摄头成像效果，见图4。

图4 EOS1000D所拍摄图像

图4为CANON EOS1000D 和EF-S 18-55F/3.5-5.6镜头在50 kV、0.4 mA和F/4、0.25 s、ISO100条件下拍摄的图像，可以分辨1.6 LP/mm。图像进行了大小剪辑和对比度、亮度调节等图像处理。

5 讨论

决定X线定位电视系统分辨率的最主要器件是影像增强器和摄像头。上海中联ZL502型碎石机配置的是东芝E5759HD-P1[6]影像增强器，其输出窗口为15 mm，分辨率为48 LP/mm，所以它的输出窗口在X、Y方向上都相当于有1440个像素点。根据奈奎斯特（Nyquist）采样定理，不失真采样的条件是：采样频率≥被采样模拟信号最高频率的2倍。要不失真表达影像增强器输出窗口图像的信息，摄像或照相系统的图像传感器在X、Y方向上都必需＞2880个像素点。目前，医用X线电视系统分普通分辨率和高分辨率两类，普通分辨率的约400K像素（768×576），高分辨率的约1M像素（1024×1024），都远远低于影像增强器的分辨率。因此，理论上，目前X线定位电视系统的分辨率主要受限于摄像头的分辨率。

WAT-120N+视频摄像头虽然有很强的帧积累功能，特别适合弱光成像，但在本实验中结果并不理想。对于主要矛盾为分辨率低的碎石机X线电视系统，由于WAT-120N+摄像头的有效成像像素仅为582×582，因此理论上此摄像头也不是理想的碎石机X线电视系统数字化升级选择。

CANON EOS1000D数码单反所拍摄的图像虽然不是很理想，但基本还是可以接受的。它在动态取景时表现的噪声过高，可能是因为所用镜头光圈太小所致（F/4），如果选用具有更大光圈、成像质量更好的镜头，优化光路和机械设计，EOS1000D数码单反的动态取景和静态拍摄性能可望明显提高。因此，类似EOS1000D数码单反那样，既具有实时动态取景功能，又能以高像素拍摄静态图像的数码成像器件是碎石机X线电视系统数字化升级的理想选择。

[1]孙西钊.医用冲击波[M].北京:中国科学技术出版社,2006.

[2]孙西钊.冲击波碎石术的发展历程(上)[J].医疗卫生装备, 2006,27(11):24-26.

[3]尹军,钟昭林.体外冲击波碎石机的原理及定位系统[J].中国医疗器械杂志,2002,26(2):124-126.

[4]Watec公司.WAT-120N+手册[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产品手册[EB/OL].(2012-06-18)[2012-09-23].http://gdlp01.c-wss.com/gds/7/0300004287/01/eos1000d-im2-zh.pdf.

[6]东芝公司.东芝电子元器件材料贸易（上海）有限公司网站[EB/OL].(2012-06-18)[2012-09-23].http://www.toshibatems.com.cn/electron/elex07.htm.

[7]杨海洪,李殿强,孟庆涛.HB-ESWL-VG型体外碎石机维修二例[J].中国医疗设备,2008,23(1):124.

[8]刘亚军,黄华.近十年来放射治疗技术与设备的进展[J].中国医疗设备,2012,27(6):9-10.

[9]李延斌.体外冲击波碎石机的发展、临床应用和选购[J].中国医疗器械信息,2007,(9):16-20.

[10]黄翠萍.体外冲击波碎石机的结构组成及其作用机理[J].医疗设备信息,2007,22(8):37-39.