数字X线机的自动曝光控制
作者：沈克涵
单位：天津医科大学医学影像系，天津 300203
关键词：亮度；胶片影像密度；光电计时器；曝光控制
中国医学影像技术000839[摘 要] 目的 本文深入探讨了数字X线机自动曝光控制的原理和设计方法。方法 自动调整透视管电压以控制图像的亮度；利用光电计时器自动控制曝光时间。结果 自动曝光控制机构迅速调整对比度和胶片影像密度，使成像结果最佳。结论 自动曝光控制有助于保证数字X线成像的质量。
[中图分类号] R814.3 [文献标识码] A
[文章编号] 1003-3289(2000)08-0695-02
The Development of Atomatic Exposure Control for Digital X-ray Device
, http://www.100md.com
SHEN Ke-han
(Department of Image technology,Tianjin Medical Univeristy,Tianjin 300203,China)
[Abstract] Objective To study principle and design of automatic exposure control for digital x-ray device. Methods To automatically adjust x-ray tube voltage of fluoroscopy for image brightness control,to use phototimer for autocontrol of exposure time. Results Image contrast and film image density is quickly adjusted by mechanism of automatic exposure control to optimize imaging. Conclusion Automtic exposure control help ensure image quality in digital x-ray imaging.
, 百拇医药
[Key words] Brightness;Film image density;Phototimer;Exposure control
数字X线机分直接数字化和间接数字化两种方式。X线接收器(如影像增强器、X线电荷耦合器件、平板探测器暗盒等)如能直接输出数字化信号，就称为直接方式；若接收器输出模拟信号，在形成模拟影像后实现数字化，就称为间接方式。本文阐述的数字X线机是以间接方式工作，它利用影像增强器-电视摄像机成像链把X线影像转换为视频信号，在实现图像数字化和进行计算机图像处理后，用监视器显示图像或在胶片上成像[1]。由于摄像管和增感屏/胶片的动态范围较窄(约为102)，用同一KV和剂量的X线透射人体后，如果各部位吸收系数的差别大，一幅图像内不同部位的亮度差异就很大，有时为了看清较暗的细节，需增加剂量，却又使亮的区域出现晕光。因此，需根据摄影对象自动调整曝光剂量，才能使每幅影像质量最佳。
1 自动剂量控制原理
, http://www.100md.com
当透射部位的密度增大时，X线的吸收量也增大，视频图像信号的减小，使剂量控制起作用，自动调整球管的KV和mAS值，使影像增强器(Ⅰ-Ⅰ)输出的亮度保持在一定范围内，从而稳定地显示图像，因此也称为自动亮度控制(automatic brightness control,ABC)功能。
2 计算机化曝光控制系统
数字X线机通过一个称为光电拾光器(photo-pick up)的薄板形探测器把荧光导入光电倍增管(photomultiplier,PM)[2]，在点片方式是把影像增强器输出光的一部分由分光镜导入PM。经Ⅰ-Ⅴ变换后成为图像信号的采样电压，在透视时作为ABC信号，保证监视器上图像的亮度处于一定范围内；在摄影时作为曝光控制电压，通过控制曝光时间来控制曝光剂量，保证胶片感光密度良好。
2.1 自动亮度控制 利用透视管电压(F-KV)和透视管电流(F-MA)自动设定机构得到最佳透视图像[3]，具体方法是由软件设定适当的F-MA，使F-KV处于53～122 kV的允许范围内，软件的流程如图1所示。F-MA的初始值为1 mA，如果F-KV超过上限，就增加F-MA到2 mA；如果F-KV低于下限，就降低F-MA到0.5 mA，F-MA的变化范围是0.5～4 mA。在决定F-MA后，F-KV主要受透视亮度控制电压(F-ABC)影响，根据PM输出光的强弱自动调整F-KV的控制电压，使高压变压器的输出改变，从而使图像的亮度保持在适当的范围。
, 百拇医药
图1 透视自动亮度控制流程图
2.2 摄影管电压自动设定 首先，由体厚或F-KV形成的控制电压经A/D转换后，输入计算机进行处理，输出的数据又经D/A转换成摄影管电压(R-KV)的控制信号，通过伺服电机带动自耦变压器的滑动端，调节高压变压器的输入电压，使R-KV在40～150 kV范围内变化。R-KV的模拟控制电压还用于控制光电管计时器的曝光时间。
2.3 曝光剂量自动设定 在R-KV选定后，根据体厚预选曝光剂量(mAS)，例如mAS=2×体厚(cm)-10；或者根据R-KV值预选，例如，在100 kV以下时选30 mAS,在100 kV以上时选50 mAS。按上述方法选定条件后进行预曝光，计算机根据获得的图像数据进行曝光数据识别处理，实现曝光剂量自动控制，图2是自动曝光控制(automatic exposure control,AEC)的原理图。
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图2 自动曝光控制原理框图
(1)信息流向；(2)曝光识别处理流程
图3 光电计时器框图
计算机对摄影条件(有无分割摄影和照射野的范围)进行识别后，制成照射野范围内的直方图。根据摄影部位(如胸、腹、骨骼等)或摄影技术(如平片、体层摄影、选影检查等)的不同，直方图具有特定的形状，通过对直方图的计算和分析，确定实际曝光所需的剂量，使病灶部位的影像清晰，以满足诊断要求。在光电计时器工作方式时，计算机指令灵敏度校正器自动修正光电计时器的灵敏度，通过控制曝光时间来控制曝光剂量。
此外，图像处理器还能选择适当的灰阶特性与输入数据匹配，使输出的图像数据总是稳定在一定范围，自动校正因曝光剂量的偏差而引起的失真，在胶片上得到密度良好的影像。
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3 光电计时器
3.1 自动曝光控时原理 图3是光电计时器的原理框图。输入PM的光强与X线剂量成正比，PM的输出电流大时，可变增益电压放大器(乘法器)的输出也大。积分器输出电压与一个正比于胶片感光密度的设定电压比较，在较短的时间内达到比较器阈值，比较器输出信号切断高压，使曝光终止。所以，光电计时器能根据曝光剂量自动控制曝光时间， 时间范围是25～500 ms。
3.2 灵敏度校正 根据计算机对曝光图像灰度的预测，灵敏度校正器输出电压控制放大器增益，从而控制计时器的灵敏度。若在80 kV条件下对18 cm厚的体模进行预曝光时，使校正器输出电压Vk为5V，则乘法器的输出Vo是：
Vo=(Vk/10)×V=1/2×K×V，K=Vk/5=1
把这种状态下光电计时器的灵敏度规定为标准值。当摄影部位和摄影条件在一定范围内变化，摄像机输出视频信号正常时，标准灵敏度维持不变。
, 百拇医药
当光电倍增管的采光野内有充钡的器官时，需要补偿胶片密度上升的倾向，灵敏度校正器输出电压Vk大于5V,Vo=1/2×K×V，K>1
此时，光电计时器的灵敏度提高。若Vk等于10V，曝光时间将缩短一半。当光电倍增管的采光野内有食道时，需要补偿胶片密度下降的倾向，灵敏度校正器输出电压Vk小于5V， Vo=1/2×K×V，K<1
此时，光电计时器的灵敏度降低。若Vk等2.5 V，曝光时间增加一倍。如果把K看成放大器的增益，灵敏度校正器起改变电压放大器增益的作用。
在胶片感光密度变化较大时，也可改变光电倍增管的阳极电压来调整密度。另外，在被检查人体厚较薄时，若曝光时间小于20 ms，容易有胶片密度上升的倾向；在体厚较大时，若曝光时间大于50 ms，容易有密度下降的倾向。因此，要进行特性补偿。
作者简介：沈克涵(1944—)，男，无锡市人，大学学历，副教授。
[参考文献]
[1] 高野正雄.诊疗画像学[M].东京：日本放射线技师会，1990.
[2] 王溶泉,等.医用大型X线机系统[M].北京：人民军医出版社，1995.
[3] 沈克涵.计算机化X线机的自动调整功能[M].中国医药卫生学术文库.北京：中国科技文献出版社，1997.
收稿日期：2000-04-16, 百拇医药
单位：天津医科大学医学影像系，天津 300203
关键词：亮度；胶片影像密度；光电计时器；曝光控制
中国医学影像技术000839[摘 要] 目的 本文深入探讨了数字X线机自动曝光控制的原理和设计方法。方法 自动调整透视管电压以控制图像的亮度；利用光电计时器自动控制曝光时间。结果 自动曝光控制机构迅速调整对比度和胶片影像密度，使成像结果最佳。结论 自动曝光控制有助于保证数字X线成像的质量。
[中图分类号] R814.3 [文献标识码] A
[文章编号] 1003-3289(2000)08-0695-02
The Development of Atomatic Exposure Control for Digital X-ray Device
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SHEN Ke-han
(Department of Image technology,Tianjin Medical Univeristy,Tianjin 300203,China)
[Abstract] Objective To study principle and design of automatic exposure control for digital x-ray device. Methods To automatically adjust x-ray tube voltage of fluoroscopy for image brightness control,to use phototimer for autocontrol of exposure time. Results Image contrast and film image density is quickly adjusted by mechanism of automatic exposure control to optimize imaging. Conclusion Automtic exposure control help ensure image quality in digital x-ray imaging.
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[Key words] Brightness;Film image density;Phototimer;Exposure control
数字X线机分直接数字化和间接数字化两种方式。X线接收器(如影像增强器、X线电荷耦合器件、平板探测器暗盒等)如能直接输出数字化信号，就称为直接方式；若接收器输出模拟信号，在形成模拟影像后实现数字化，就称为间接方式。本文阐述的数字X线机是以间接方式工作，它利用影像增强器-电视摄像机成像链把X线影像转换为视频信号，在实现图像数字化和进行计算机图像处理后，用监视器显示图像或在胶片上成像[1]。由于摄像管和增感屏/胶片的动态范围较窄(约为102)，用同一KV和剂量的X线透射人体后，如果各部位吸收系数的差别大，一幅图像内不同部位的亮度差异就很大，有时为了看清较暗的细节，需增加剂量，却又使亮的区域出现晕光。因此，需根据摄影对象自动调整曝光剂量，才能使每幅影像质量最佳。
1 自动剂量控制原理
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当透射部位的密度增大时，X线的吸收量也增大，视频图像信号的减小，使剂量控制起作用，自动调整球管的KV和mAS值，使影像增强器(Ⅰ-Ⅰ)输出的亮度保持在一定范围内，从而稳定地显示图像，因此也称为自动亮度控制(automatic brightness control,ABC)功能。
2 计算机化曝光控制系统
数字X线机通过一个称为光电拾光器(photo-pick up)的薄板形探测器把荧光导入光电倍增管(photomultiplier,PM)[2]，在点片方式是把影像增强器输出光的一部分由分光镜导入PM。经Ⅰ-Ⅴ变换后成为图像信号的采样电压，在透视时作为ABC信号，保证监视器上图像的亮度处于一定范围内；在摄影时作为曝光控制电压，通过控制曝光时间来控制曝光剂量，保证胶片感光密度良好。
2.1 自动亮度控制 利用透视管电压(F-KV)和透视管电流(F-MA)自动设定机构得到最佳透视图像[3]，具体方法是由软件设定适当的F-MA，使F-KV处于53～122 kV的允许范围内，软件的流程如图1所示。F-MA的初始值为1 mA，如果F-KV超过上限，就增加F-MA到2 mA；如果F-KV低于下限，就降低F-MA到0.5 mA，F-MA的变化范围是0.5～4 mA。在决定F-MA后，F-KV主要受透视亮度控制电压(F-ABC)影响，根据PM输出光的强弱自动调整F-KV的控制电压，使高压变压器的输出改变，从而使图像的亮度保持在适当的范围。
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图1 透视自动亮度控制流程图
2.2 摄影管电压自动设定 首先，由体厚或F-KV形成的控制电压经A/D转换后，输入计算机进行处理，输出的数据又经D/A转换成摄影管电压(R-KV)的控制信号，通过伺服电机带动自耦变压器的滑动端，调节高压变压器的输入电压，使R-KV在40～150 kV范围内变化。R-KV的模拟控制电压还用于控制光电管计时器的曝光时间。
2.3 曝光剂量自动设定 在R-KV选定后，根据体厚预选曝光剂量(mAS)，例如mAS=2×体厚(cm)-10；或者根据R-KV值预选，例如，在100 kV以下时选30 mAS,在100 kV以上时选50 mAS。按上述方法选定条件后进行预曝光，计算机根据获得的图像数据进行曝光数据识别处理，实现曝光剂量自动控制，图2是自动曝光控制(automatic exposure control,AEC)的原理图。
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图2 自动曝光控制原理框图
(1)信息流向；(2)曝光识别处理流程
图3 光电计时器框图
计算机对摄影条件(有无分割摄影和照射野的范围)进行识别后，制成照射野范围内的直方图。根据摄影部位(如胸、腹、骨骼等)或摄影技术(如平片、体层摄影、选影检查等)的不同，直方图具有特定的形状，通过对直方图的计算和分析，确定实际曝光所需的剂量，使病灶部位的影像清晰，以满足诊断要求。在光电计时器工作方式时，计算机指令灵敏度校正器自动修正光电计时器的灵敏度，通过控制曝光时间来控制曝光剂量。
此外，图像处理器还能选择适当的灰阶特性与输入数据匹配，使输出的图像数据总是稳定在一定范围，自动校正因曝光剂量的偏差而引起的失真，在胶片上得到密度良好的影像。
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3 光电计时器
3.1 自动曝光控时原理 图3是光电计时器的原理框图。输入PM的光强与X线剂量成正比，PM的输出电流大时，可变增益电压放大器(乘法器)的输出也大。积分器输出电压与一个正比于胶片感光密度的设定电压比较，在较短的时间内达到比较器阈值，比较器输出信号切断高压，使曝光终止。所以，光电计时器能根据曝光剂量自动控制曝光时间， 时间范围是25～500 ms。
3.2 灵敏度校正 根据计算机对曝光图像灰度的预测，灵敏度校正器输出电压控制放大器增益，从而控制计时器的灵敏度。若在80 kV条件下对18 cm厚的体模进行预曝光时，使校正器输出电压Vk为5V，则乘法器的输出Vo是：
Vo=(Vk/10)×V=1/2×K×V，K=Vk/5=1
把这种状态下光电计时器的灵敏度规定为标准值。当摄影部位和摄影条件在一定范围内变化，摄像机输出视频信号正常时，标准灵敏度维持不变。
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当光电倍增管的采光野内有充钡的器官时，需要补偿胶片密度上升的倾向，灵敏度校正器输出电压Vk大于5V,Vo=1/2×K×V，K>1
此时，光电计时器的灵敏度提高。若Vk等于10V，曝光时间将缩短一半。当光电倍增管的采光野内有食道时，需要补偿胶片密度下降的倾向，灵敏度校正器输出电压Vk小于5V， Vo=1/2×K×V，K<1
此时，光电计时器的灵敏度降低。若Vk等2.5 V，曝光时间增加一倍。如果把K看成放大器的增益，灵敏度校正器起改变电压放大器增益的作用。
在胶片感光密度变化较大时，也可改变光电倍增管的阳极电压来调整密度。另外，在被检查人体厚较薄时，若曝光时间小于20 ms，容易有胶片密度上升的倾向；在体厚较大时，若曝光时间大于50 ms，容易有密度下降的倾向。因此，要进行特性补偿。
作者简介：沈克涵(1944—)，男，无锡市人，大学学历，副教授。
[参考文献]
[1] 高野正雄.诊疗画像学[M].东京：日本放射线技师会，1990.
[2] 王溶泉,等.医用大型X线机系统[M].北京：人民军医出版社，1995.
[3] 沈克涵.计算机化X线机的自动调整功能[M].中国医药卫生学术文库.北京：中国科技文献出版社，1997.
收稿日期：2000-04-16, 百拇医药