醫(yī)學(xué)影像學(xué)/X線成像的基本原理與設(shè)備
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一、X線的產(chǎn)生特性
（一）X線的產(chǎn)生 1895年，德國(guó)科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了具有很高能量，肉眼看不見，但能穿透不同物質(zhì)，能使熒光物質(zhì)發(fā)光的射線。因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)這個(gè)射線的性質(zhì)還不了解，因此稱之為X射線。為紀(jì)念發(fā)現(xiàn)者，后來也稱為倫琴射線，現(xiàn)簡(jiǎn)稱X線（X-ray）。
一般說，高速行進(jìn)的電子流被物質(zhì)阻擋即可產(chǎn)生X線。具體說，X線是在真空管內(nèi)高速行進(jìn)成束的電子流撞擊鎢（或鉬）靶時(shí)而產(chǎn)生的。因此，X線發(fā)生裝置，主要包括X線管、變壓器和操作臺(tái)。
X線管為一高真空的二極管，杯狀的陰極內(nèi)裝著燈絲；陽(yáng)極由呈斜面的鎢靶和附屬散熱裝置組成。
變壓器為提供X線管燈絲電源和高電壓而設(shè)置。一般前者僅需12V以下，為一降壓變壓器；后者需40～150kV（常用為45～90kV）為一升壓變壓器。
操作臺(tái)主要為調(diào)節(jié)電壓、電流和曝光時(shí)間而設(shè)置，包括電壓表、電流表、時(shí)計(jì)、調(diào)節(jié)旋鈕和開關(guān)等。
在X線管、變壓器和操作臺(tái)之間以電纜相連。X線機(jī)主要部件及線路見圖1-1-1。
圖1-1-1 X線機(jī)主要部件示意圖
X線的發(fā)生程序是接通電源，經(jīng)過降壓變壓器，供X線管燈絲加熱，產(chǎn)生自由電子并云集在陰極附近。當(dāng)升壓變壓器向X線管兩極提供高壓電時(shí)，陰極與陽(yáng)極間的電勢(shì)差陡增，處于活躍狀態(tài)的自由電子，受強(qiáng)有力的吸引，使成束的電子，以高速由陰極向陽(yáng)極行進(jìn)，撞擊陽(yáng)極鎢靶原子結(jié)構(gòu)。此時(shí)發(fā)生了能量轉(zhuǎn)換，其中約1%以下的能量形成了X線，其余99%以上則轉(zhuǎn)換為熱能。前者主要由X線管窗口發(fā)射，后者由散熱設(shè)施散發(fā)。
（二）X線的特性 X線是一種波長(zhǎng)很短的電磁波。波長(zhǎng)范圍為0.0006～50nm。目前X線診斷常用的X線波長(zhǎng)范圍為0.008～0.031nm（相當(dāng)于40～150kV時(shí)）。在電磁輻射譜中，居γ射線與紫外線之間，比可見光的波長(zhǎng)要短得多，肉眼看不見。
除上述一般物理性質(zhì)外，X線還具有以下幾方面與X線成像相關(guān)的特性：
穿透性：X線波長(zhǎng)很短，具有很強(qiáng)的穿透力，能穿透一般可見光不能穿透的各種不同密度的物質(zhì)，并在穿透過程中受到一定程度的吸收即衰減。X線的穿透力與X線管電壓密切相關(guān)，電壓愈高，所產(chǎn)生的X線的波長(zhǎng)愈短，穿透力也愈強(qiáng)；反之，電壓低，所產(chǎn)生的X線波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，其穿透力也弱。另一方面，X線的穿透力還與被照體的密度和厚度相關(guān)。X線穿透性是X線成像的基礎(chǔ)。
熒光效應(yīng)：X線能激發(fā)熒光物質(zhì)（如硫化鋅鎘及鎢酸鈣等），使產(chǎn)生肉眼可見的熒光。即X線作用于熒光物質(zhì)，使波長(zhǎng)短的X線轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)長(zhǎng)的熒光，這種轉(zhuǎn)換叫做熒光效應(yīng)。這個(gè)特性是進(jìn)行透視檢查的基礎(chǔ)。
攝影效應(yīng)：涂有溴化銀的膠片，經(jīng)X線照射后，可以感光，產(chǎn)生潛影，經(jīng)顯、定影處理，感光的溴化銀中的銀離子（Ag+）被還原成金屬銀（Ag），并沉淀于膠片的膠膜內(nèi)。此金屬銀的微粒，在膠片上呈黑色。而未感光的溴化銀，在定影及沖洗過程中，從X線膠片上被洗掉，因而顯出膠片片基的透明本色。依金屬銀沉淀的多少，便產(chǎn)生了黑和白的影像。所以，攝影效應(yīng)是X線成像的基礎(chǔ)。
電離效應(yīng)：X線通過任何物質(zhì)都可產(chǎn)生電離效應(yīng)?？諝獾碾婋x程度與空氣所吸收X線的量成正比，因而通過測(cè)量空氣電離的程度可計(jì)算出X線的量。X線進(jìn)入人體，也產(chǎn)生電離作用，使人體產(chǎn)生生物學(xué)方面的改變，即生物效應(yīng)。它是放射防護(hù)學(xué)和放射治療學(xué)的基礎(chǔ)。
二、X線成像的基本原理
X線之所以能使人體在熒屏上或膠片上形成影像，一方面是基于X線的特性，即其穿透性、熒光效應(yīng)和攝影效應(yīng)；另一方面是基于人體組織有密度和厚度的差別。由于存在這種差別，當(dāng)X線透過人體各種不同組織結(jié)構(gòu)時(shí)，它被吸收的程度不同，所以到達(dá)熒屏或膠片上的X線量即有差異。這樣，在熒屏或X線上就形成黑白對(duì)比不同的影像。
因此，X線影像的形成，應(yīng)具備以下三個(gè)基本條件：首先，X線應(yīng)具有一定的穿透力，這樣才能穿透照射的組織結(jié)構(gòu)；第二，被穿透的組織結(jié)構(gòu)，必須存在著密度和厚度的差異，這樣，在穿透過程中被吸收后剩余下來的X線量，才會(huì)是有差別的；第三，這個(gè)有差別的剩余X線，仍是不可見的，還必須經(jīng)過顯像這一過程，例如經(jīng)X線片、熒屏或電視屏顯示才能獲得具有黑白對(duì)比、層次差異的X線影像。
人體組織結(jié)構(gòu)，是由不同元素所組成，依各種組織單位體積內(nèi)各元素量總和的大小而有不同的密度。人體組織結(jié)構(gòu)的密度可歸納為三類：屬于高密度的有骨組織和鈣化灶等；中等密度的有軟骨、肌肉、神經(jīng)、實(shí)質(zhì)器官、結(jié)締組織以及體內(nèi)液體等；低密度的有脂肪組織以及存在于呼吸道、胃腸道、鼻竇和乳突內(nèi)的氣體等。
當(dāng)強(qiáng)度均勻的X線穿透厚度相等的不同密度組織結(jié)構(gòu)時(shí)，由于吸收程度不同，因此將出現(xiàn)如圖1-1-2所示的情況。在X線片上或熒屏上顯出具有黑白（或明暗）對(duì)比、層次差異的X線影像。
在人體結(jié)構(gòu)中，胸部的肋骨密度高，對(duì)X線吸收多，照片上呈白影；肺部含氣體密度低，X線吸收少，照片上呈黑影。
圖1-1-2 不同密度組織（厚度相同）與X線成像的關(guān)系
X線穿透低密度組織時(shí)，被吸收少，剩余X線多，使X線膠片感光多，經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)還原的金屬銀也多，故X線膠片呈黑影；使熒光屏所生熒光多，故熒光屏上也就明亮。高密度組織則恰相反
病理變化也可使人體組織密度發(fā)生改變。例如，肺結(jié)核病變可在原屬低密度的肺組織內(nèi)產(chǎn)生中等密度的纖維性改變和高密度的鈣化灶。在胸片上，于肺影的背景上出現(xiàn)代表病變的白影。因此，不同組織密度的病理變化可產(chǎn)生相應(yīng)的病理X線影像。
人體組織結(jié)構(gòu)和器官形態(tài)不同，厚度也不一致。其厚與薄的部分，或分界明確，或逐漸移行。厚的部分，吸收X線多，透過的X線少，薄的部分則相反，因此，X線投影可有圖1-1-3所示不同表現(xiàn)。在X線片和熒屏上顯示出的黑白對(duì)比和明暗差別以及由黑到白和由明到暗，其界線呈比較分明或漸次移行，都是與它們厚度間的差異相關(guān)的。圖1-1-3中的幾種情況，在正常結(jié)構(gòu)和病理改變中都有這種例子。
圖1-1-3 不同厚度組織（密度相同）與X線成像的關(guān)系
A.X線透過梯形體時(shí)，厚的部分，X線吸收多，透過的少，照片上呈白影，薄的部分相反，呈黑影。白影與黑影間界限分明。熒光屏上，則恰好相反 B.X線透過三角形體時(shí)，其吸收及成影與梯形體情況相似，但黑白影是逐步過渡的，無清楚界限。熒光屏所見相反 C.X線透過管狀體時(shí)，其外周部分，X線吸收多，透過的少，呈白影，其中間部分呈黑影，白影與黑影間分界較為清楚。熒光屏所見相反
由此可見，密度和厚度的差別是產(chǎn)生影像對(duì)比的基礎(chǔ)，是X線成像的基本條件。應(yīng)當(dāng)指出，密度與厚度在成像中所起的作用要看哪一個(gè)占優(yōu)勢(shì)。例如，在胸部，肋骨密度高但厚度小，而心臟大血管密度雖低，但厚度大，因而心臟大血管的影像反而比肋骨影像白。同樣，胸腔大量積液的密度為中等，但因厚度大，所以其影像也比肋骨影像為白。需要指出，人體組織結(jié)構(gòu)的密度與X線片上的影像密度是兩個(gè)不同的概念。前者是指人體組織中單位體積內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量，而后者則指X線片上所示影像的黑白。但是物質(zhì)密度與其本身的比重成正比，物質(zhì)的密度高，比重大，吸收的X線量多，影像在照片上呈白影。反之，物質(zhì)的密度低，比重小，吸收的X線量少，影像在照片上呈黑影。因此，照片上的白影與黑影，雖然也與物體的厚度有關(guān)，但卻可反映物質(zhì)密度的高低。在術(shù)語(yǔ)中，通常用密度的高與低表達(dá)影像的白與黑。例如用高密度、中等密度和低密度分別表達(dá)白影、灰影和黑影，并表示物質(zhì)密度。人體組織密度發(fā)生改變時(shí)，則用密度增高或密度減低來表達(dá)影像的白影與黑影。
三、X線成像設(shè)備
X線機(jī)包括X線管及支架、變壓器、操作臺(tái)以及檢查床等基本部件。60年代以來，影像增強(qiáng)和電視系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，使它們逐漸成為新型X線機(jī)的主要部件之一。為了保證X線攝影質(zhì)量，新型X線機(jī)在攝影技術(shù)參數(shù)的選擇、攝影位置的校正方面，都更加計(jì)算機(jī)化、數(shù)字化、自動(dòng)化。為適應(yīng)影像診斷學(xué)專業(yè)的發(fā)展，近30多年來，除通用型X線機(jī)以外，又開發(fā)了適用于心血管、胃腸道、泌尿系統(tǒng)、乳腺及介入放射、兒科、手術(shù)室等專用的X線機(jī)。
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