第二講-X線成像原理

1、第二講 X線成像原理其它影像設備：紅外(熱)成像醫(yī)用內窺鏡醫(yī)用顯微鏡超聲設備MRI設備核醫(yī)學設備X線CT設備X線機設備影像治療設備介入治療設備立體定向治療計劃幻燈片3本講內容l 2.1 X線的特征l 2.2 X射線在醫(yī)學中的應用l 2.3 X射線成像原理l 2.4 x光機構造及應用范圍l 2.5 計算機X線攝影（CR）l 2.6 直接數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)（DR）l 2.7 數(shù)字減影血管造影系統(tǒng)（DSA）幻燈片8l 1895年11月8日，德國物理學家倫琴在做真空管、高壓、放電實驗時，發(fā)現(xiàn)了X射線或稱X線，并用于臨床的骨折和體內異物的診斷。 1896年，德國西門子公司研制出世界上第一支X線球管。 2

2、0世紀10-20年代，出現(xiàn)了常規(guī)X線機。 20世紀60年代中、末期形成了較完整的放射診斷或放射學（radiology）學科體系。l X線的本質：電磁輻射l 常用X線診斷設備： X線機、數(shù)字X線攝影設備（DSA、CR、DR）幻燈片92.1 X線的特征 電磁波譜圖幻燈片102.1 X線的特征l X射線在電磁輻射中的特點屬于高頻率、波長短的射線l X射線的頻率約在3×10163×1020 Hz之間，波長約在1010-3nm之間l X線診斷常用的X線波長范圍為0.0080.031nm幻燈片112.1 X線的特征l 1. X射線的波粒二象性l X射線同時具有波動性和微粒性，統(tǒng)稱為波粒

3、二象性 。l X射線在傳播時，它的波動性占主導地位，具有頻率和波長，且有干涉、衍射、偏振、反射、折射等現(xiàn)象發(fā)生。l X射線在與物質相互作用時，它的粒子特性占主導地位，具有質量、能量和動量?；脽羝?22.1 X線的特征.2. X射線與物質間的相互作用(6點)（1）X射線的穿透作用。 其貫穿本領的強弱與物質的性質有關 幻燈片132.1 X線的特征3.1.1 X線的特征2. X射線與物質間的相互作用（2）X射線的熒光作用。 X射線是肉眼看不見的，但當它照射某些物質時，如磷、鉑氰化鋇、硫化鋅、鎢酸鈣等，能夠使這些物質的原子處于激發(fā)態(tài)，當它們回到基態(tài)時就能夠發(fā)出熒光，這類物質稱熒光物質。 醫(yī)學中透視用的

4、熒光屏、X射線攝影用的增感屏、影像增強器中的輸入屏和輸出屏都是利用熒光特性做成的。 （3）X射線的電離作用。 X射線雖然不帶電，但具有足夠能量的X光子能夠撞擊原子中軌道電子，使之脫離原子產(chǎn)生一次電離。 電離作用也是X射線損傷和治療的基礎。 幻燈片142.1 X線的特征2. X射線與物質間的相互作用（4）X射線的熱作用。 X射線被物質吸收，絕大部分最終都將變?yōu)闊崮?，使物體溫升。 （5）X射線的化學效應(感光作用和著色作用)。 X射線能使多種物質發(fā)生光化學反應。例如，X射線能使照相底片感光。（6）X射線的生物效應。 生物組織經(jīng)一定量的X射線照射，會產(chǎn)生電離和激發(fā)，使細胞受到損傷、抑制、死亡或通過遺

5、傳變異影響下一代，這種現(xiàn)象稱為X射線的生物效應。這個特性可充分應用在腫瘤放射治療中。幻燈片15l 3.常用的輻射單位l （1）照射量及單位l 它是衡量X射線或射線對空氣的電離本領的一個量，定義為： X射線或射線在空氣中產(chǎn)生統(tǒng)一符號的離子的總電荷絕對值Q對空氣質量m的微商，即l l 其單位是倫琴（R)。l 照射量只能用于X射線或射線對空氣的效應，而我們更關心X射線或射線對人體組織的效應，因此，引入吸收劑量來描述被照介質吸收輻射能量的大小?；脽羝?62.1 X線的特征l （2）吸收劑量l 它是描述每單位質量的被照介質所吸收的平均輻射能量，l 其定義為：l 單位是戈(Gy):l 另一單位是拉德（ra

6、d）:幻燈片172.1 X線的特征l （3）劑量當量l 由于輻射類型不同，即使同一物質吸收相同的劑量，引起的變化卻不等同。為了比較不同輻射引起的生物效應，引入一個能反應特定類型輻射所造成的生物效應的嚴重程度的物理量-劑量當量l 劑量當量是吸收劑量與輻射的品質因子的乘積：l 單位是希沃特：l 人的正常輻射劑量：年均劑量<50mSv幻燈片182.2 X線在醫(yī)學中的應用l (一)X射線診斷 l X射線應用于醫(yī)學診斷，主要依據(jù)X射線的穿透作用、差別吸收、感光作用和熒光作用。l 由于X射線穿過人體時，受到不同程度的吸收，如骨骼吸收的X射線量比肌肉吸收的量要多，那么通過人體后的X射線量就不一樣，這樣

7、便攜帶了人體各部密度分布的信息，在熒光屏上或攝影膠片上引起的熒光作用或感光作用的強弱就有較大差別，因而在熒光屏上或攝影膠片上(經(jīng)過顯影、定影)將顯示出不同密度的陰影。l 根據(jù)陰影濃淡的對比，結合臨床表現(xiàn)、化驗結果和病理診斷，即可判斷人體某一部分是否正常。于是，X射線診斷技術便成了世界上最早應用的非刨傷性的內臟檢查技術?；脽羝?92.2 X線在醫(yī)學中的應用l (二)X射線治療 l X射線應用于治療，主要依據(jù)其生物效應，應用不同能量的X射線對人體病灶部分的細胞組織進行照射時，即可使被照射的細胞組織受到破壞或抑制，從而達到對某些疾病，特別是腫瘤的治療目的。 l (三)X射線防護 l 在利用X射線的同

8、時，人們發(fā)現(xiàn)了導致病人脫發(fā)、皮膚燒傷、工作人員視力障礙，白血病等射線傷害的問題，為防止X射線對人體的傷害，必須采取相應的防護措施。l 以上構成了X射線應用于醫(yī)學方面的三大環(huán)節(jié)診斷、治療和防護。 幻燈片202.3 X射線成像原理 當高速帶電粒子撞擊物質受阻而突然減速時，能夠產(chǎn)生X 射線。醫(yī)學影像診斷所用的X線產(chǎn)生設備是X線管（X-ray tube，球管）。1X射線的產(chǎn)生X射線的產(chǎn)生需要的基本條件是： （1）有高速運動的電子流； （2）有阻礙帶電粒子流運動的障礙物（靶），用來阻止電子的運動，可以將電子的動能轉變?yōu)閄射線光子的能量?；脽羝?12.3 X射線成像原理 X射線的產(chǎn)生裝置主要包括三部分：X

9、射線管、高壓電源及低壓電源，如圖所示。 幻燈片222.3 X射線成像原理2. X射線人體成像 使用X射線對人體進行照射，并對透過人體的X射線信息進行采集、轉換，并使之成為可見的影像，即為X射線人體成像。（1）X射線影像的形成 當一束強度大致均勻的X射線投照到人體上時，X 射線一部分被吸收和散射，另一部分透過人體沿原方向傳播。由于人體各種組織、器官在密度、厚度等方面存在差異，對投照在其上的X射線的吸收量各不相同，從而使透過人體的X射線強度分布發(fā)生變化并攜帶人體信息，最終形成X射線信息影像。 X射線信息影像不能為人眼識別，須通過一定的采集、轉換、顯示系統(tǒng)將X射線強度分布轉換成可見光的強度分布，形成

10、人眼可見的X 射線影像?；脽羝?32.3 X射線成像原理 人體不同密度組織與X線成像的關系 幻燈片242.3 X射線成像原理 人體不同厚度組織與X線成像的關系 密度和厚度的差別是產(chǎn)生影像對比的基礎，是X線成像的基本條件幻燈片252.3 X射線成像原理2. X射線人體成像（2）X射線的采集與顯示 醫(yī)用X 射線膠片 醫(yī)用X射線膠片的主要特性是感光，即接受光照并產(chǎn)生化學反應，形成潛影（latent image）。 經(jīng)過對有潛影的膠片處理（暗室處理：顯影、定影等）。使膠片上的潛影轉變?yōu)榭梢姷牟煌叶龋╣ray）分布像。 膠片感光層中的鹵化銀還原成金屬銀殘留在膠片上，形成由金屬銀顆粒組成的黑色影像。人體

11、組織的物質密度高，則吸收X射線多，在X射線照片上呈白影；反之，如果組織的物質密度低，則吸收X射線少，在X射線照片上呈黑影。幻燈片262.3 X射線成像原理2. X射線人體成像（2）X射線的采集與顯示 增感屏 醫(yī)用X射線增感屏為熒光增感屏，其增感原理為增感屏上的熒光物質受到X射線激發(fā)后，發(fā)出易被膠片所接收的熒光，從而增強對X 射線膠片的感光作用。 主要目的是：在實際X 射線攝影中，僅有不到10%的X射線光子能直接被膠片吸收形成潛影，絕大部分X射線光子穿透膠片，得不到有效的利用。因此需要利用一種增感方法來增加X射線對膠片的曝光，以縮短攝影時間，降低X射線的輻射劑量。常采用的增感措施是在暗盒中將膠片

12、夾在兩片增感屏（intensifying screen）之間，然后進行曝光?；脽羝?72.3 X射線成像原理2. X射線人體成像（2）X射線的采集與顯示 X射線電視系統(tǒng) X射線電視系統(tǒng)主要包括X射線影像增強器、光學圖像分配系統(tǒng)、含有攝像機與監(jiān)視器的閉路視頻系統(tǒng)與輔助電子設備。 X射線影像增強管是影像增強器的核心部件。 幻燈片282.4 X光機構造及應用范圍幻燈片292.4 X光機構造及應用范圍l 衡量圖像效果之四要素： l Density （黑化度）- mAs l Contrast（對比度）- kVp l Sharpness（清晰度）- motion, 幾何參數(shù) l Distortion（失真

13、度）- 位置,角度 l X射線波長與影片上對比度之關系 l 在X-ray穿透過病人，其穿透率主要和病人組織結構及X射線波長有關。 l 短波長X-ray (high kV) l 能量較高，穿透性好，造成在影片上較低之對比度（low contrast）。 l 長波長X-ray (low kV) l 能量較低，較易被人體所吸收，穿透性較差，而在影片上對比度較高（High contrast）。 幻燈片302.4 X光機構造及應用范圍l 1、便攜式X光機l 2、醫(yī)用便攜式X光機l 3、工業(yè)檢測X光機幻燈片312.4 X光機構造及應用范圍l 醫(yī)療X光機適用范圍 l X線胸部透視、介入診斷、拍片、胃腸道鋇餐

14、透視、氣鋇雙重造影、檢查胃腸道疾病、檢查大腸疾病、檢查泌尿系疾病、膽道“T”型管造影、檢查肝膽系情況、關節(jié)和骨骼檢查等。 幻燈片322.3 計算機X線攝影（CR） 計算機X線攝影（Computed Radiography，CR）是將X線透過人體后的信息記錄在成像板（Image Plate，IP）上，經(jīng)讀取裝置讀取后，由計算機以數(shù)字化圖像信息的形式儲存，再經(jīng)過數(shù)字/模擬（D/A）轉換器將數(shù)字化信息轉換成圖像的組織密度（灰度）信息，最后在熒光屏上顯示。其中，成像板是CR 成像技術的關鍵?；脽羝?32.5 計算機X線攝影（CR）1. 成像板（IP） 成像板（IP）是使用一種含有微量素銪（Eu2+）的

15、鋇氟溴化合物結晶制作而成能夠采集（記錄）影像信息的載體，可以代替X線膠片并重復使用2-3萬次。 當透過人體的X線照射到IP板上時可以使IP板感光并形成潛影以記錄X線影像信息。 成像板的構造： （1）表面保護層。（2）輝盡性熒光體層。（3）基板（支持體）。（4）背面保護層?；脽羝?42.5 計算機X線攝影（CR）2. CR 系統(tǒng)成像的基本過程 （1）影像信息的采集（2）影像信息的讀取與普通X攝影相比較，CR的優(yōu)點是： 寬容度大，攝影條件易選擇。 可降低投照輻射量：CR可在IP獲取信息的基礎上自動調節(jié)放大增益，最大幅度地減少X線曝光量，降低病人的輻射損傷。 影像清晰度較普通片高。 對影像可進行后處

16、理，對曝光不足或過度的膠片可進行后期補救。 可進行圖像傳輸、存儲。由于激光掃描儀可以對IP上的殘留信號進行消影處理，IP板可重復使用2-3萬次。幻燈片352.5 計算機X線攝影（CR）2.6 直接數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)（DR） 直接數(shù)字化X射線攝影（Digital Radiography，DR）是在具有圖像處理功能的計算機控制下，采用一維或二維的X射線探測器直接把X射線信息影像轉化為數(shù)字圖像信息的技術。 當前DR設備主要采用二維平板X射線探測器（flat panel detector，F(xiàn)PD)，包括：（1）非晶態(tài)硅平板探測器 先經(jīng)閃爍發(fā)光晶體轉換成可見光，再轉換為數(shù)字信號（2）非晶態(tài)硒平板探測器

17、將X線直接轉換成數(shù)字信號幻燈片38幻燈片392.6 直接數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)（DR）（3）DR與CR成像技術的比較 幻燈片402.7數(shù)字減影血管造影系統(tǒng)（DSA） DSA即數(shù)字減影血管造影系統(tǒng)，為放射科各類血管造影及介入治療的專用設備，是與計算機相結合的血管造影技術，該技術可得到除去骨骼、軟組織影像的純血管影像，從而更精確診斷血管疾病和介入治療。DSA數(shù)字減影血管造影系統(tǒng)具有以下特點： 實時成像：即每個曝光序列終止，立即得到減影圖像，可實時指導診斷與治療。 提高了密度分辨率：DSA可使1mm直徑小血管和3mm直徑腫瘤染色。 減少造影劑用量。新型造影劑的靶向性更好，動態(tài)示綜性清晰，且安全無毒副作用。 各種管處理功能。為介入手術導航提供了可靠的保證。 突出微小密度差。可高清晰顯示微小血管循環(huán)狀態(tài)圖像。 減少膠片用量。