醫(yī)學影像系統(tǒng)原理2 X射線

醫(yī)學影像系統(tǒng)原理:

X射線成像技術丁明躍華中科技大學生物醫(yī)學工程系“圖像信息處理與智能控制”教育部重點實驗室2023/10/92

一、X射線成像的基本原理二、X射線機基本構(gòu)成三、常用X射線影像設備四、CR與DR五、X射線影像技術的臨床應用目錄

3什么是X射線？X射線是由于在真空條件下，高速運動的電子撞擊到金屬原子內(nèi)部，使原子核外層軌道電子發(fā)生躍遷而放射的一種能。X射線的產(chǎn)生，必須具備以下條件：①電子源；②在真空條件下，高電壓產(chǎn)生的強電場和高速運動的電子流；③適當?shù)恼系K物（靶面）來接受高速運動電子所帶的能量，使高速電子所帶的動能部分轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線能。硬X射線(8-80pm,15-150Kev)、軟X射線(80pm-8nm,150ev-15Kev)4電子束的產(chǎn)生與陰極射線管陰極射線管（Cathode

Ray

Tube，簡稱CRT）氣體放電5X射線的連續(xù)放射大量能量不等的電子同時撞擊靶面，在與靶原子相互作用中損失的能量各不相同，而產(chǎn)生的一束波長不等、連續(xù)的混合射線稱之為連續(xù)放射（韌致輻射）。管電壓越高，波長越短。6X射線的標識放射

標識放射又稱標識X線或特征輻射(characteristicradiation)，是由高速運動的電子與靶原子的內(nèi)層軌道電子相互作用所產(chǎn)生的。X線管陰極發(fā)出的電子，以很大的動能撞擊靶面時，原子內(nèi)層軌道電子被擊出而留下一個空位。按能量分布最低的原則，處于高能態(tài)的外殼層電子必然要向內(nèi)殼層填補，產(chǎn)生電子躍遷現(xiàn)象。在躍遷過程中將其多余的能量以光子的形式放射出來，便產(chǎn)生X線，躍遷的電子能量差決定了這種X線的波長。不同的靶物質(zhì)，其原子結(jié)構(gòu)不同，發(fā)出X線的波長也不盡相同。這種由靶物質(zhì)所決定的X線稱為標識放射，它與X線管的管電流無關。7X射線產(chǎn)生效率

X線產(chǎn)生的效率是指發(fā)生的X線能量占全部電子撞擊陽極靶面總能量的百分率。電子撞擊陽極靶面的全部能量中，碰撞損失的能量最后將全部轉(zhuǎn)化為熱能，僅有輻射損失能量的極小部分（約0.2％）轉(zhuǎn)變?yōu)閄線能。產(chǎn)生X線的效率（η）通?？捎霉接嬎悖?/p>

η＝K?Z?kV

式中K為常數(shù)10-9，Z為陽極靶面物質(zhì)的原子序數(shù)，kV為管電壓。產(chǎn)生X線的效率與靶面物質(zhì)的原子序數(shù)及管電壓成正比。8影響X射線產(chǎn)生效率的因素管電壓:

當管電流不變的情況下,管電壓越大,X射線的強度增強,效率也提高.陽極靶面材料的影響:

在其它條件相同的情況下,原子序數(shù)越高,產(chǎn)生的X射線的效率也就越高.管電流的影響:當管電壓不變的情況下,管電流越大,X射線的強度越大,效率也越高.X射線的質(zhì)X線強度（X-rayintensity）是指單位時間內(nèi)垂直于X射線傳播方向的單位面積上所通過的光子數(shù)目和能量的總和。在實際應用中，常用質(zhì)和量來表示X射線強度。X線的質(zhì)（線質(zhì)），一般用于表示X線的硬度，即穿透物質(zhì)的能力，它代表光子的能量。X線的質(zhì)僅與光子能量有關，能量越大，X線的波長越短，穿透力越強，

X線的質(zhì)越硬；反之，X線的硬度就小。X線管發(fā)出的是波長不等的連續(xù)X線譜，其質(zhì)很難用一個數(shù)值來表示，由于X線的光子能量是由管電壓決定的，所以在實際工作中，一般用管電壓(kV)數(shù)值間接表示X線的質(zhì)。9X射線的量也可用半價層來表示X線質(zhì)。半價層（halfvaluelayer，HVL）是指入射的X線強度減弱為原來的一半時某均勻吸收體的厚度。半價層越厚，表示X線質(zhì)越硬。X線的量是X線束中的光子數(shù)目，在實際工作中，常用X線管的管電流與照射時間的乘積毫安秒(mAs)來表示X線的量。管電流越大，代表X線管中被加速的電子數(shù)目越多，電子撞擊陽極靶面產(chǎn)生的X線量越多，則X線強度越大。X線照射時間，是指球管產(chǎn)生X線的時間。顯然，X線的量與管電流及照射時間成正比。1011X射線物理效應1．穿透作用（penetrationaction）穿透作用是指X線穿過物質(zhì)時不被吸收的本領，其穿透性不僅與X線的能量有關，還與被穿透物質(zhì)的本身結(jié)構(gòu)和原子性質(zhì)有關。2．熒光作用（fluorescenceaction）

某些熒光物質(zhì)，如鎢酸鈣、鉑氰化鋇、硫化鋅鎘及某些稀土元素等，受到X線照射時，物質(zhì)原子發(fā)生電離或被激發(fā)處于受激狀態(tài)。3．電離作用（ionizationaction）

物質(zhì)受到X線照射，原子核外電子脫離原子軌道，這種作用稱電離作用。12X射線化學效應

1．感光作用（sensitizationaction）

X線照射到膠片，由于電離作用，使膠片上的鹵化銀發(fā)生光化學反應，出現(xiàn)銀顆粒的沉淀，稱為X線的感光作用。由于X線穿透人體后的強度分布不同，使鹵化銀的感光度發(fā)生差異，經(jīng)顯影后產(chǎn)生一定的黑化度，顯示出人體不同密度的影像。如X線攝影和工業(yè)探傷。2．著色作用（pigmentationaction）

某些物質(zhì)，如鉑氰化鋇、增感屏、鉛玻璃、水晶等，經(jīng)X線長時間照射后，其結(jié)晶體脫水漸漸改變顏色，發(fā)生脫水、著色，稱為著色作用（脫水作用）。13X射線生物效應

生物細胞特別是增殖性細胞經(jīng)一定量的X線照射后，可以產(chǎn)生抑制、損傷甚至壞死，即為X線的生物效應（biologicaleffect）。不同的組織細胞對X線的敏感性不同，會出現(xiàn)不同的反應，放射治療就是利用X線的生物效應。它也是放射線工作者及受檢者注意防護的原因。14X射線衰減X射線與物質(zhì)的相互作用過程是輻射能量在物質(zhì)中的傳遞與轉(zhuǎn)移過程。當X射線與物質(zhì)相互作用時，通過電離和激發(fā)的過程，把能量傳遞給其它物質(zhì)，其能量被不同程度的吸收。X射線在物質(zhì)內(nèi)傳播過程中的強度減弱，包括吸收衰減（absorptionattenuation）（與物質(zhì)相互作用）和擴散衰減（diffusionattenuation）（能量分散）。15X射線的衰減公式光電吸收光電吸收引起的衰減系數(shù)與物質(zhì)的原子序數(shù)的四次方成比例.對高原子序數(shù)的物質(zhì)影響較大.+++X-Ray康普頓散射(ComptonScattering)IncoherentScattering

對x射線衰減的影響最大+++(1)降低圖像的對比度(2)對醫(yī)護人員損傷相干散射(CoherentScattering)

+++也稱為瑞利散射RaleighScattering特點:只改變方向,無能量消耗.在診斷放射學中,對x射線的衰減的影響不大.

19X射線成像原理

X射線穿過被照體后，由于人體組織結(jié)構(gòu)差異，對X射線的吸收系數(shù)不同，透過肢體的X射線強度分布不均，即產(chǎn)生了X射線對比度，形成了X射線信息影像。X射線對比度只有通過膠片或屏-片系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換才能識別，膠片對X射線對比度的放大能力，稱為膠片對比度。X射線照片對比度是照片影像上相鄰兩點的密度差，也稱光學對比度或物理對比度，它依存于被照體吸收X射線的差異所產(chǎn)生的X射線對比度，以及膠片對X射線對比度的放大結(jié)果。20X射線成像X射線的發(fā)明是醫(yī)學影像發(fā)展史上的重要里程碑。于是，基于人體不同器官和組織對X-射線的不同吸收的基本原理，我們可以采用不同量化等級（即灰度）對于人體組織密度進行表征，從而區(qū)分不同器官和組織，達到對人體內(nèi)部進行成像的目的。WilhemConradRoentgen因發(fā)明了X-射線成像技術于1901年12月10日榮獲首次諾貝爾物理學獎。X射線影像的形成X線影像的形成是把三維空間分布的被照體信息，以二維光學影像的形式表現(xiàn)出來。被照體作為信息源，X線作為傳遞被照體信息載體，這是一個X線信息影像形成、轉(zhuǎn)換、存儲和傳遞的復雜過程。21X射線照片影像被照體影像信息的透射線作用于增感屏-膠片系統(tǒng)，使膠片中的乳劑感光，經(jīng)顯影后，以光學影像的形式表現(xiàn)出來，即將影像信息記錄顯示在膠片上，成為可見的光密度影像，即X射線照片影像。光學密度通常以D表示，其值就是入射光線強度I與透射光強度I0之比的對數(shù)：

22X射線照片對比度計算光學對比度（

K）用數(shù)值計算時，等于相鄰兩點的密度（

D1、D2

）之差：

式中I0代表入射光強度，I1

、I2

代表透過光強度。顯然，照片相鄰兩處的光學對比度就是透過光之比的對數(shù)值。X線照片影像要有足夠的對比度和豐富的層次，對比度過高或過低，會導致影像信息的丟失，影響診斷的準確性。影像X攝線照片對比度的因素:被照體，膠片，射線。23圖像對比度的定義設A為圖像中感興趣的目標區(qū)域，其均值為aver（A），背景的均值為aver（B），圖像噪聲方差為，則圖像對比度定義為：24X射線幾何投影X射線是以焦點為頂點的圓錐形線束。自靶面射出并垂直于窗口中心的射線稱為中心線，它代表投照方向，中心線不準確就不能獲得正確的幾何投影。在X線束中，中心線以外的射線均稱為斜射線，斜射線與中心線成角，離中心越遠，角度越大。某些特殊攝影位置可利用斜射線進行投照。X線束照射到被照體，其照射面積的大小稱照射野。照射野的大小對X線照片的密度、對比度有一定的影響，照射野過大，產(chǎn)生的散射線多，膠片的灰霧度增加，導致照片對比度下降。25焦點、被照體和膠片三者之間

的投影關系當X射線呈平行線束且垂直照射于被照體和膠片時，影像才不會產(chǎn)生放大和變形。X射線束是以焦點為頂點的錐形放射線束，被照體在膠片上的X線影像是放大的，放大率M(放大倍數(shù))為影像與物體的比值，即等于焦-片距與焦-肢距的比值。26放大倍數(shù)計算公式在上圖中A代表平行射線，B代表點光源，S代表平行光線產(chǎn)生的影像，S1代表點光源擴散產(chǎn)生的影像，P代表S1較S放大部分，D代表被照物體，a代表焦-肢距，b代表肢-片距，a＋b代表焦-片距，則放大倍數(shù)M定義為：為減少肢體影像放大，攝影時應盡量使肢體或病灶靠近膠片，并在機器負荷允許的條件下盡量延長焦-片距。27X線照片模糊28一張優(yōu)質(zhì)的X照片，其影像質(zhì)量除了有較好的對比度，還要有良好的清晰度。清晰度是指影像邊緣的銳利程度，若出現(xiàn)影像邊緣不銳利，則稱為模糊?？捎媚：葋碚f明清晰度，影像模糊度大，則清晰度差；反之亦然。影像產(chǎn)生模糊的主要因素有：幾何學模糊、運動性模糊、增感屏-膠片系統(tǒng)產(chǎn)生的模糊和散射線性模糊。幾何學模糊X線球管靶面不是點光源，其有效焦點具有一定的幾何面積。根據(jù)光學原理可知，有效焦點面積越小，產(chǎn)生的半影（penumbra）越小，影像越清晰；反之，有效焦點面積越大，產(chǎn)生的半影越大，影像就越模糊，這種模糊稱幾何學模糊。半影（暈影）的大小稱為模糊度（P），其公式為：F代表有效焦點的大小，d代表肢-片距，H代表焦-片距，H-d代表焦-肢距。2930X射線機基本構(gòu)成X線機(x-rayunit)因其使用目的不同，結(jié)構(gòu)有很大的差異，但基本結(jié)構(gòu)都是由主機和外圍設備組成。主機包括X線管(x-raytube)、X線發(fā)生器(x-raygenerator)和控制裝置，主要作用是產(chǎn)生X線，控制X線的質(zhì)(quality,x-ray)、X線的量(quantity,x-ray)和曝光時間(exposuretime)。X線機的外圍設備是根據(jù)診斷需要而裝備的各種機械裝置和輔助裝置。31X射線管(1)1%的能量轉(zhuǎn)化為x射線,99%的能量變?yōu)闊崃?散熱----旋轉(zhuǎn)陽極轉(zhuǎn)換效率(2)焦斑尺寸一般為0.2mm到2mm,越小成像越清晰,散熱差.(3)波長為0.01-100埃,波長小的稱為硬射線,穿透能力強,波長大的叫軟射線,容易被吸收.X線管固定陽極X線球管旋轉(zhuǎn)陽極X線管特殊X線管柵控X線管軟X線管金屬陶瓷X線管33X射線產(chǎn)生器X線發(fā)生器由高壓變壓器、燈絲變壓器、高壓整流器和高壓交換閘等構(gòu)成，組裝于鋼板制成的箱體內(nèi)，箱內(nèi)充以起絕緣作用的變壓器油。高壓變壓器是產(chǎn)生高電壓并為X線球管提供高壓電能的器件。燈絲變壓器是供X線球管燈絲加熱用的降壓變壓器，一般功率100W左右。高壓整流器是將高壓變壓器次級輸出的交流電壓變?yōu)槊}動直流電壓的電子元件?，F(xiàn)代X線機的高壓整流器都采用半導體器件，利用它將高壓變壓器次級輸出的交流電變成脈沖直流電壓；高壓整流器供電給X線球管兩極，使X線球管始終保持陽極為正、陰極為負。34X線自動曝光控制系統(tǒng)35常用X射線影像設備普通攝影X線機

普通攝影包括一般攝影和濾線柵攝影。

一般攝影是X線通過被檢體后直接到達膠片而獲得影像的方法，多用于較薄的部位；

濾線柵攝影是X線通過被檢體后再通過濾線柵才到達膠片而獲得影像的方法，被檢體厚度超過12cm，均用此方法。36常用X射線影像設備胃腸道造影X線機

胃腸道造影X線機是用于胃腸道X線檢查過程中，根據(jù)透視情況進行適時進行點片攝影（spotfilmradiography）,記錄有診斷價值的影像的攝影裝置。點片攝影裝置要求送片系統(tǒng)與透視互不影響，攝影時迅速地把膠片送入曝光區(qū)，然后曝光，把透視觀察到的病灶征象拍攝下來。因此，點片攝影裝置是攝影和透視兩種功能的結(jié)合體。37常用X射線影像設備

（bedside）

床旁攝影X線機是對病人進行床邊X線攝影X線機。特點是：流動性，對電源要求不高。主要結(jié)構(gòu)包括：控制裝置、高壓發(fā)生器、機架等。38CR成像技術X線攝影誕生一個多世紀以來，多種醫(yī)學成像技術不斷誕生。1974年，富士膠片公司（Fuji）開始構(gòu)架計算機X線攝影（ComputedRadiography，CR）的原理，并進行基礎研究工作。1981年，成像板（或影像板ImagingPlate，IP）研制成功，并推向市場，使數(shù)字X線成為現(xiàn)實。計算機X線攝影是光激勵存儲熒光體（PhotostimulableStoragePhosphor，PSP）成像，或者叫做存儲熒光體成像（storagephosphorimaging）、數(shù)字存儲熒光體成像（digitalstoragephosphorimaging）和數(shù)字化發(fā)光X線攝影（digitalluminescenceradiography).3940CR成像技術CR是一種X線攝影的數(shù)字采集技術，此技術使用常規(guī)X線攝影的采集結(jié)構(gòu)，利用光激勵熒光體的延遲發(fā)光特性在其中積存能量。經(jīng)X線照射后，熒光體再經(jīng)激光束掃描，以可見光的形式釋放出積存的能量,釋放的光激勵可見光被探測器捕獲，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時記錄下熒光屏上可見光釋放的具體定位。數(shù)字數(shù)據(jù)經(jīng)過后處理形成符合要求的圖像，被傳送到硬拷貝打印機或軟拷貝顯示器,用于影像診斷。CR是與計算機、數(shù)學、電子學完整結(jié)合的X線成像系統(tǒng)。CR利用成像板取代傳統(tǒng)的屏-片體系，它在光激勵熒光體中記錄X線影像，并使其影像信息以電信號方式提取出來。41CR系統(tǒng)構(gòu)造CR系統(tǒng)以IP為探測器，利用現(xiàn)有的X線設備進行X線信息的采集來實現(xiàn)圖像的獲取。它主要由X線機、影像板、影像閱讀器、影像處理工作站、影像存儲系統(tǒng)和打印機組成。IP是CR成像系統(tǒng)的關鍵元件，作為記錄人體影像信息、實現(xiàn)模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息的載體，代替了傳統(tǒng)的屏-片系統(tǒng)。它既適用于固定式X線機，也可用于移動式床邊X線機，既可用于普通的X線攝影，也可用于特殊攝影和造影檢查。具有很大的靈活性和多用性。IP可以重復使用，但不具備影像顯示功能。42CR成像原理CR影像的形成過程1、成像板置于暗盒內(nèi)，利用傳統(tǒng)X線設備曝光，X線穿透被照體后與IP發(fā)生作用，形成潛影。2、潛影經(jīng)過激光掃描進行讀取，IP被激勵后，以紫外線形式釋放出存儲的能量。這種現(xiàn)象叫光激勵發(fā)光（PhotostimulableLuminescence，PSL）。3、利用光電倍增管，將發(fā)射光轉(zhuǎn)換成電信號。4、電信號在計算機屏幕上重建成可見影像，并根據(jù)診斷的特性要求進行影像的后處理。5、影像讀取過程完成后，IP的影像數(shù)據(jù)可通過施與強光來消除，這就使得IP可重復使用。43CR影像采集光激勵熒光體晶體結(jié)構(gòu)“