X線成像原理及設(shè)備
一,、X線的產(chǎn)生特性
(一)X線的產(chǎn)生 1895年,，德國科學(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)時對這個射線的性質(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,。
X線管為一高真空的二極管,，杯狀的陰極內(nèi)裝著燈絲；陽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,。
操作臺主要為調(diào)節(jié)電壓、電流和曝光時間而設(shè)置,，包括電壓表,、電流表、時計(jì),、調(diào)節(jié)旋鈕和開關(guān)等,。
在X線管、變壓器和操作臺之間以電纜相連,。X線機(jī)主要部件及線路見圖1-1-1,。
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,，陰極與陽極間的電勢差陡增,，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,，以高速由陰極向陽極行進(jìn),，撞擊陽極鎢靶原子結(jié)構(gòu)。此時發(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線是一種波長很短的電磁波。波長范圍為0.0006～50nm,。目前X線診斷常用的X線波長范圍為0.008～0.031nm(相當(dāng)于40～150kV時),。在電磁輻射譜中，居γ射線與紫外線之間,，比可見光的波長要短得多,，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線的波長愈短,，穿透力也愈強(qiáng)；反之,，電壓低,，所產(chǎn)生的X線波長愈長，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),，使波長短的X線轉(zhuǎn)換成波長長的熒光,，這種轉(zhuǎn)換叫做熒光效應(yīng)。這個特性是進(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加)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，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線上就形成黑白對比不同的影像。
因此,，X線影像的形成,，應(yīng)具備以下三個基本條件：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,，才會是有差別的,；第三，這個有差別的剩余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,，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,。
X線穿透低密度組織時，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,。
A.X線透過梯形體時,，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,，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,，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占優(yōu)勢,。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,，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),。
技術(shù)設(shè)備改進(jìn)與檢查方法的新進(jìn)展簡介
X線診斷學(xué)近30年來,，由于物理學(xué)、藥理學(xué),、醫(yī)學(xué)生物工程及電子工業(yè)的發(fā)展,，促進(jìn)X線診斷機(jī)硬件的改善，從而獲得新的影像,，促進(jìn)診斷學(xué)的發(fā)展,。
1．大功率X線機(jī)、配備影像增強(qiáng)器及影像轉(zhuǎn)化裝置 X線機(jī)的基本結(jié)構(gòu)為高壓發(fā)生器,、X線球管及控制臺上三大部件,。由于高壓發(fā)生器及X線球管結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使得球管能量（即功率）加大,，可達(dá)100KV（Kilowatt）,，同時球管焦點(diǎn)微小（0.1—0.3mm,甚至0.05 mm）,，故攝取照片采用高mA短時間曝光,，X線攝像對比好，清晰度強(qiáng)?，F(xiàn)在常用1000,、1250或2000mA大型X線機(jī)作特殊檢查及造影檢查。
近代X線機(jī)常配備影像增強(qiáng)器（Image intensifier,，簡稱Ⅱ）及電視設(shè)備（Television,簡稱TV）,。電視屏幕上影象亮度很大，能顯示較小的病灶,，比普通透視優(yōu)越,。操作可在比較明亮的機(jī)房或傳送到其它房間內(nèi)察看，后者稱為隔室遙控檢查,，工作人員可避免射線的照射,。有時還配備熒光縮影、磁帶錄象（Video-tape）及電影（Cine-radiography）裝置,，將影像記錄留存,，及時拍照臟器病變及功能變化，便于分析研究及會診示教之用,。上述熒光縮影,、電視技術(shù)（包括錄相）和電影照相等稱為影像轉(zhuǎn)換裝置，多用于胃腸檢查,，觀察心臟搏動,，特別是在大功率X線機(jī)上配備影像轉(zhuǎn)換裝置，對于心臟造影及各種血管造影的診斷準(zhǔn)確性有明顯的提高,。
影像增強(qiáng)器能減少X線用量,。未配備Ⅱ的普通透視,，X線球管需發(fā)射3～5mA才能達(dá)到診斷要求；而配備Ⅱ后,，X線球管只須發(fā)射0.3 ～0.5mA,不僅合乎診斷要求,，而且亮度比普通透視高。因此,，Ⅱ既能減少球管損耗,，又能降低患者及工作人員所接受的X線輻射劑量。
