攝影學(xué)成像原理-醫(yī)學(xué)影像的形成

醫(yī)學(xué)影像的形成攝影學(xué)成像原理

（一）

X線照片影像的形成

（二）X線影像信息的傳遞

X線照片

X線透視（三）X線照片影像形成的重要知識點(diǎn)

X線發(fā)生原理和X線設(shè)備基本組件

X線束與X線能人體的知識

X線與人體的相互作用（四）影像增強(qiáng)器與增感屏2（一）X線影像的形成X線的基本性質(zhì)4相關(guān)知識點(diǎn)

（1）攝影應(yīng)用光或其他能量來表現(xiàn)被照體信息狀態(tài)，并以可見光學(xué)影像加以記錄的一種技術(shù)。人像攝影獲得的是人（物）體表面可見光的反射強(qiáng)度。X線攝影獲得的是人（物）體的組織結(jié)構(gòu)對X線能的吸收差5

人像攝影X線攝影6

（2）影像用能量或物性量把被照體信息表現(xiàn)出來的圖像，這里把能量或物性量稱作信息載體。7醫(yī)學(xué)影像的三大類別結(jié)構(gòu)性影像X-ray,CT,MRI,Ultrasound功能性影像

Functional-MRI,NuclearMedicine融合影像CT-SPECT,MRI-SPECTCT-PET,MRI-PETCT-MRI8醫(yī)學(xué)影像的三大類別結(jié)構(gòu)性影像X-ray,CT,MRI,Ultrasound9醫(yī)學(xué)影像的三大類別功能性影像

Functional-MRI,NuclearMedicine甲狀腺左中葉冷結(jié)節(jié)PWI10醫(yī)學(xué)影像的三大類別融合影像CT-SPECT,MRI-SPECTCT-PET,MRI-PETCT-MRI11

（3）成像系統(tǒng)將透過人體后的X線強(qiáng)度（人體信息）采用某種方式進(jìn)行采集、記錄，就形成了表現(xiàn)人體信息的影像，此過程稱為X線成像系統(tǒng)。12

（4）攝影程序光或能量→信號→檢測→圖像形成。

X線經(jīng)過物體后,在膠片上形成永久影像稱為拍片(Radiography)X線經(jīng)過物體以后,再照射特殊的熒光物質(zhì),從而產(chǎn)生肉眼能辨認(rèn)的組織結(jié)構(gòu)稱為透視(Fluoroscopy)13（5）X射線影像信息的形成

由X線管焦點(diǎn)輻射出的X線，穿過被照體（三維空間分布）時，受到被檢體各組織的吸收和散射而衰減，使透過后的X線強(qiáng)度分布呈現(xiàn)差異；隨之到達(dá)屏片系統(tǒng)或熒光屏，影像增強(qiáng)管的受光面，轉(zhuǎn)換成可見光強(qiáng)度的分布，并傳遞給膠片，形成銀顆粒的空間分布，再經(jīng)顯影處理成為二維光學(xué)密度分布，形成光密度X線照片影像。14（二）X線影像信息的傳遞

如果把被照體作為信息源，X線作為信息載體，那么X線診斷的過程就是一個信息傳遞與轉(zhuǎn)換的過程。此過程可分為四個階段。15第一階段

X線對三維空間的被照體進(jìn)行照射，由于被照體對X線的吸收、散射而減弱，透過射線仍按原方向直進(jìn)，形成載有被照體信息成分的強(qiáng)度不均勻分布。此階段形成原始人體信息，取決于被照體因素（原子序數(shù)、密度、厚度）和射線因素（線質(zhì)、線量、散射線）等。16第一階段注意：球管發(fā)射的X線束是近似于均勻的射線，只有透過人體，經(jīng)過人體的不等量的吸收后，所形成的不均勻的X線強(qiáng)度分布才載有被照體信息成分。17第二階段

將不均勻的X線強(qiáng)度分布，通過接受介質(zhì)（增感屏/膠片系統(tǒng)、熒光屏影像增強(qiáng)系統(tǒng)、電影等）轉(zhuǎn)換為二維的光強(qiáng)度分布。若以增感屏/膠片體系作為接受介質(zhì)，那么這個熒光強(qiáng)度分布傳遞給膠片形成（潛影），經(jīng)暗室化學(xué)（顯、定影）加工處理后成為二維光學(xué)密度的分布（銀顆粒的分布）。18第二階段

此階段的信息傳遞轉(zhuǎn)換功能取決于增感屏熒光體特性、膠片特性及顯影加工條件。注意：此階段是把不可見的X線信息轉(zhuǎn)換成可見密度影像的中心環(huán)節(jié)。19第三階段

借助某種閱片設(shè)備（例如箱式閱片燈，投影機(jī)等），通過可見光透過的方法，將已經(jīng)形成的X線照片密度分布轉(zhuǎn)換成可見光的空間分布，然后投影到人的視網(wǎng)膜，通過視網(wǎng)膜上明暗相間的圖案，形成視覺的影像。此階段信息的獲得取決于看片燈亮度、色溫、觀察環(huán)境以及人眼視力。

20第四階段

最后通過識別、判斷做出評價(jià)或診斷。此階段信息傳遞取決于醫(yī)師的學(xué)歷、知識、經(jīng)驗(yàn)、記憶和鑒別能力。21（三）X線照片影像形成的重要知識點(diǎn)X線發(fā)生原理和X線設(shè)備基本組件22X線機(jī)的組成X線發(fā)生器X線球管X線管支架裝置X線攝影床23按高壓發(fā)生器的高壓變壓器的工作頻率來劃分，發(fā)生器可分為：工頻高壓發(fā)生器中頻高壓發(fā)生器高頻高壓發(fā)生器X線發(fā)生器24X線高頻高壓發(fā)生器特點(diǎn)X線性能穩(wěn)定，成像質(zhì)量及效率高曝光定時精確，曝光時間的重復(fù)率高，并可實(shí)現(xiàn)超短時曝光能顯著縮小體積和重量KV和mA的控制精確度提高高壓部分整流電路簡單25-陰極(Cathode)

-固定陽極(Anode)

-真空玻璃管(Evacuatedglassenvelope)

-管套X線管(球管)的基本結(jié)構(gòu)26Ｘ線的產(chǎn)生X光的產(chǎn)生是大量帶負(fù)電的電子，經(jīng)高壓電場的加速作用，以高速撞擊重金屬制成的靶極（即陽極，通常是鎢金屬制成），由于陽極金屬原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部作用，高速電子的能量會消失而被轉(zhuǎn)換成別種形式，其中99%會轉(zhuǎn)換成熱的形態(tài)，僅約1%的能量轉(zhuǎn)換成X光（電磁波的一種），這些能量轉(zhuǎn)換就在X光管球內(nèi)部發(fā)生。27產(chǎn)生X線必須具備三個條件

（1）有電子源鎢絲通過電流加熱后，即放射出電子，這些電子在燈絲周圍形成空間電荷，也稱電子云。

陰極構(gòu)造聚焦杯燈絲-長燈絲,大焦點(diǎn)-短燈絲,小焦點(diǎn)燈絲加熱后會釋放電子28（2）有高電壓所產(chǎn)生的電場和真空條件下

產(chǎn)生高速電子流

這是因?yàn)樵雍送怆娮优c原子核之間有一定的結(jié)合能，擊出原子內(nèi)部的電子，必須有一定能量傳遞給軌道電子，才能使內(nèi)層軌道電子發(fā)生躍遷產(chǎn)生X線。燈絲放射出的電子，以高速沖擊陽極，還必須有兩個條件：第一必須在X射線管的陰極和陽極間加以高電壓，兩極間的電位差使電子向陽極加速；第二為防止電子與空氣分子沖擊而減速，X射線管必須保持高度真空。29（3）有適當(dāng)?shù)恼系K物（靶面）接受高速電

子所帶的能量

陽極需要承受高速電子的沖擊，所以用于X線診斷和治療的X射線管的靶面物質(zhì)（焦點(diǎn)面）一般都是用高原子序數(shù)、高熔點(diǎn)的鎢制成；只有特殊途徑（乳腺）的X射線管的靶面是用鉬制成的，鉬（42Mo）原子序數(shù)比鎢低，能產(chǎn)生波長較長的X射線，謂之軟X射線，用于“軟組織”攝影。陽極有兩個作用：阻擊高速電子，完成高壓電路的回路。30（3）有適當(dāng)?shù)恼系K物（靶面）接受高速電

子所帶的能量

適當(dāng)?shù)恼系K物（金屬靶面）接受高速電子所帶的能量，使高速電子所帶的一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閄線能。因?yàn)榈驮有驍?shù)的元素內(nèi)層電子的結(jié)合能小，高速電子撞擊原子內(nèi)層電子所產(chǎn)生的X線的波長長，即能量小。原子序數(shù)較高的元素如鎢，其原子內(nèi)層電子的結(jié)合能大，當(dāng)高速電子撞擊了鎢的內(nèi)層電子，便產(chǎn)生波長短能量大的X線。31X線束的產(chǎn)生32焦點(diǎn)的兩種形式實(shí)際焦點(diǎn)有效焦點(diǎn)ActualEffective33X線的主要特性電磁波不可見光能穿透物體直線行進(jìn)能使熒光物質(zhì)發(fā)光能使膠片感光電離作用會造成散射34人體的知識人體各種組織、器官和密度不同；厚度也異，經(jīng)X線照射，其吸收及透過X線量也不一樣。因此，在透視熒光屏上有亮暗之分，在照片上有黑白之別。這是人體自然，亦是固有的密度差別，稱為自然對比。

35人體的知識按照人體組織密度的高低，依次分為骨骼、軟組織（包括皮膚、肌肉、內(nèi)臟、軟骨）、液體（血液及體液，密度和軟組織相似，X線不能區(qū)別），脂肪和存在人體內(nèi)的氣體。各個不同密度的組織相鄰排列，吸收及透過X線量不同，才產(chǎn)生透視或照片上影像。凡是密度最大的部份（例如骨骼）吸收X線最多，通過X線量很少，故在照片上顯出白色影像；反之，密度較小的部份（例如空氣或軟組織）在照片上出現(xiàn)黑色影像，此外，還應(yīng)注意厚度，如心臟的投影，形成明顯的白色。36X線進(jìn)入物體后產(chǎn)生三種基本情況1.透過人體2.被人體吸收3.產(chǎn)生散射線37（四）影像增強(qiáng)器與增感屏38

復(fù)習(xí)

X線經(jīng)過物體后,在膠片上形成永久影像稱為拍片(Radiography)X線經(jīng)過物體以后,再照射特殊的熒光物質(zhì),從而產(chǎn)生肉眼能辨認(rèn)的組織結(jié)構(gòu)稱為透視(Fluoroscopy)39一、影像增強(qiáng)器將X線轉(zhuǎn)換成可見光信號放大具有多種尺寸:6寸,9寸,12寸和15寸影像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)40影像轉(zhuǎn)換及增強(qiáng)過程：1）輸入屏把接受的X線影像轉(zhuǎn)換成可見光影像，并由輸入屏的光電陰極轉(zhuǎn)換成電子影像。增強(qiáng)管輸入屏的結(jié)構(gòu)41影像轉(zhuǎn)換及增強(qiáng)過程：2）光電子在陰極電位、聚焦電極電位及陽極電位共同形成的電子透鏡作用下聚焦、加速、沖擊，在輸出屏上形成縮小、倒立并增強(qiáng)了（電子密度增大）的電子影像。42影像轉(zhuǎn)換及增強(qiáng)過程：3）電子像再由輸出屏轉(zhuǎn)換成可見光像。陽極電位越高，光電子的運(yùn)動速度越快，撞擊輸出屏?xí)r動能越大，激發(fā)的電子越多，輸出屏亮度越高。43影像增強(qiáng)管的主要作用是提高影像亮度，便于攝像機(jī)攝像。輸出屏影像亮度增益與以下因素有關(guān)：

縮小增益流量增益441）縮小增益：增強(qiáng)管的輸入屏面積大，輸出屏面積小，輸入屏光電陰極發(fā)出的電子經(jīng)過電子透鏡后集中投射到面積較小的輸出屏上，使輸出屏單位面積接受的電子數(shù)量增多，導(dǎo)致輸出屏亮度提高452）流量增益：指的是在增強(qiáng)管內(nèi)，由于陽極電位的加速作用，光電子獲得的能量較高，撞擊到輸出屏熒光層時，能激發(fā)出多個光子，光電子能量越大，激發(fā)出的光子越多，熒光亮度越強(qiáng)。增強(qiáng)管的流量增益一般在50~100倍左右。46增強(qiáng)管的亮度增益等于縮小增益與流量增益的乘積?？偟脑鲆嬉话阍?03~104之間。47（一）增感屏的作用

在模擬X線照片影像系統(tǒng)中，X線的采集、記錄的介質(zhì)一直使用增感屏配合X線膠片，即采用增感屏和X線膠片組成的系統(tǒng)（屏/片系統(tǒng)）的方式，完成從X線能量到X線影像的轉(zhuǎn)換。這種方法產(chǎn)生的圖像質(zhì)量、劑量效率以及功能效用高，它己經(jīng)成為醫(yī)學(xué)X線成像的基本標(biāo)準(zhǔn)。

增感屏的主要作用是進(jìn)行X線能量轉(zhuǎn)換，大幅度的減少作用于人體的X線量。在臨床X線攝影時，利用增感屏來提高X線的有效利用率及減少病人的照射劑量是行之有效的方法。二、增感屏48

當(dāng)X線光子與膠片的感光物質(zhì)相作用時，由于X線的能量較高，絕大部分都穿過了膠片，僅有百分之一左右的X線能直接被膠片的感光物質(zhì)吸收形成潛影。X線不能得到有效的利用。某些熒光物質(zhì)能有效地吸收X線能并將吸收能量的一部分轉(zhuǎn)換為熒光。利用熒光物質(zhì)的這一物理特性，將某種熒光物質(zhì)按一定的比例和方法，涂布在有一定厚度的紙板上，既制成增感屏。由于X線膠片對熒光的敏感性比X線要強(qiáng)得多，利用增感屏進(jìn)行一種能量置換，并將吸收能量的一部分轉(zhuǎn)換為容易被膠片所接受的熒光。換句話說，使用增感屏的主要理由是，X線膠片所接受的曝光絕大多數(shù)均來自增感屏的發(fā)光。使用增感屏的理由49（二）熒光物質(zhì)的特性

1896年美國發(fā)明家托馬斯·愛迪生（1847～1931）發(fā)現(xiàn)了一種吸收X線后能發(fā)射出熒光的物質(zhì)，1897年，一種以熒光物質(zhì)為主要材料的鎢酸鈣（CaWo4）增感屏開始在臨床使用。今天，隨著感光化學(xué)和制造工藝的發(fā)展，增感屏已能按照用途，感光度和成像質(zhì)量進(jìn)行不同的分類。并成為模擬X線攝影中不可缺少的組成部分。50

物理學(xué)上定義，某種熒光物質(zhì)吸收了以射線形式（紫外線、X線、電子線）的激發(fā)能量，并將吸收的能量以可見光的形式（熒光）釋放出來，這種現(xiàn)象叫熒光現(xiàn)象。這種能發(fā)光的物質(zhì)叫熒光物質(zhì)。熒光物質(zhì)及發(fā)光機(jī)理51

熒光現(xiàn)象是在物質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換過程，熒光物質(zhì)吸收了一定激發(fā)能量以后，處于正常穩(wěn)定態(tài)（基態(tài)）的電子獲得激發(fā)能量變成不穩(wěn)定態(tài)（激發(fā)態(tài)），當(dāng)這一過程發(fā)生時，隨活性減退，電子企圖回到穩(wěn)定狀態(tài)，就必須釋放出它們所吸收的能量，這些釋放的能量就是另一種波長較長的可見光。熒光物質(zhì)的發(fā)光機(jī)理就是熒光體在X線激發(fā)下，通過能量轉(zhuǎn)換的方式，將高能量X線光子轉(zhuǎn)換成低能量可見熒光。注意，這種在物質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換過程并不伴有物質(zhì)本身的變化。結(jié)果是該熒光物質(zhì)可以多次反復(fù)使用。熒光現(xiàn)象和發(fā)光機(jī)理52余輝現(xiàn)象和意義

各種熒光物質(zhì)受外施加能量激發(fā)而產(chǎn)生可見光，但不同種熒光物質(zhì)發(fā)射熒光的衰減時間（周期）不一致。這些衰減時間就叫做發(fā)光時間。按余輝時間長短，物理學(xué)上按發(fā)光時間的長短將分為熒光（10-1～10-8S）、半穩(wěn)定熒光（1～數(shù)秒）和磷光（數(shù)秒～數(shù)天）。對熒光物質(zhì)的利用包括日常生活中常見的熒光燈管、電視等，對X線檢查領(lǐng)域中主要有影像增強(qiáng)器（IMAGEINTENFINERCsI:Na

）、增感屏（SCREENCaWo4

）和IP（IMAGEPLANEBaFCl:Eu

）板等。53

熒光物質(zhì)的使用要考慮特定的使用環(huán)境，如高溫，潮濕可能使熒光物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)變化而改變其性能。而像CsI:Na這樣在監(jiān)視器和影像增強(qiáng)管內(nèi)使用的熒光物質(zhì)必須處于密封的狀態(tài)?；瘜W(xué)污染（顯，定影液、汗液），物理作用（X線的脫水作用），熒光物質(zhì)的長期反復(fù)使用等都會影響到熒光物質(zhì)本身發(fā)生變化。從而影響到熒光物質(zhì)發(fā)射熒光的能力。熒光物質(zhì)的工作穩(wěn)定性54（三）增感屏的基本結(jié)構(gòu)

增感屏由基層、反射層、熒光層及保護(hù)層組成。55片基片基通常為厚為1mm的聚酯塑料或硬紙板要求：1、有一定的剛性2、有彈性3、不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)4、均勻透射線56反射層或吸收層

熒光體在X線激發(fā)下產(chǎn)生的熒光是向各方面發(fā)射的，其中有部分熒光射向增感屏背面而損失掉。因此，某些高增感率的增感屏在基層上涂有一層光澤明亮的無機(jī)物（如二氧化鈦、硫酸鋇、氯化鎂等），使熒光反射回膠片，此層即為反射層。加上反射層后，射向膠片的熒光量可增加近一倍。

而對于高清晰型增感屏，則在基層上涂有一層吸收物質(zhì)（如碳黑、有機(jī)或無機(jī)染料等），此層即為吸收層。它的作用是選擇性吸收射向基層的熒光，防止熒光反射回膠片，提高影像清晰度。57熒光體層

熒光體層的主要組成物是熒光體和一種能保證塑膠彎曲時不致斷裂的物質(zhì)（如硝化纖維樹酯），熒光體懸浮于塑膠體中。熒光體分為兩大類，單純型（如CaW04）和賦活型（如稀土類的熒光體）。其中賦活型由母體、賦活劑和融劑三種成分組成。58

母體是構(gòu)成熒光體的基本成分（如CaS、BaS等），它是熒光體具有某種特性的基礎(chǔ)。

賦活劑是包含在熒光體中形成發(fā)光中心并增強(qiáng)其活性的物質(zhì)（如Tb、Eu等）

融劑（如KCl、NaCl、BaCl等）促進(jìn)母體的結(jié)晶化，同時有增加發(fā)光效率的作用。熒光體層厚度可從150～300μm不等。59保護(hù)層

保護(hù)層主要由纖維化合物組成，厚度約25μm。保護(hù)層覆蓋在熒光體層表面。作用是對熒光體層進(jìn)行物理保護(hù)，并有助于防止靜電現(xiàn)象的產(chǎn)生。60（四）熒光物質(zhì)的發(fā)光效率(η)熒光物質(zhì)的發(fā)光效率與下面三者直接相關(guān)增感屏的X線吸收效率(ηa)、熒光轉(zhuǎn)換效率(ηc)、熒光傳遞效率(ηt)61(1)增感屏的X線吸收效率1.X線吸收效率是指被熒光物質(zhì)吸收的入射X線占原X線的百分?jǐn)?shù)。吸收效率越高，對X線的有效利用率就越高。

2.X線吸收效率與熒光物質(zhì)種類和X線能量有關(guān)。熒光物質(zhì)不同，增感屏的X線吸收效率就不同。熒光物質(zhì)的原子序數(shù)高則入射X線光子與熒光物質(zhì)相互作用的機(jī)率就增高，對X線吸收效率也越高。稀土元素中含有鑭、釓或釔等，原子序數(shù)為57～71，原子序數(shù)較高。這是近代常用增感屏中多用稀土元素作為吸收元素的主要原因。例如，CaWo4型增感屏僅能吸收20％～40％的X線，稀土型增感屏則可吸收到50％～60％。62不同熒光體的X線吸收效率曲線63K層吸收的意義

X線吸收效率與X線能量相關(guān)。吸收率隨X線光子能量不同而有一定變化。當(dāng)入射光子與熒光體材料的K層結(jié)合能匹配時，這就產(chǎn)生K層吸收峰,使吸收量突然大量增加。熒光體不同，吸收峰值的激發(fā)能量不相同。由于X線吸收率在光子能量稍微比熒光體材料的K層結(jié)合能高時比較高。而K層結(jié)合能又是由材料的原子序數(shù)確定的。所以，當(dāng)X線的光子能量恰處于熒光體材料的K層吸收峰之上時，吸收效率最大。在攝影時，此點(diǎn)可在選擇KV時進(jìn)行利用。64(2)增感屏的熒光轉(zhuǎn)換效率

X線光子與熒光體相互作用時部分被吸收后，會以另一種光子能量的形式將能量釋放出來，這種以能量轉(zhuǎn)換的方式產(chǎn)生熒光的能力就是增感屏的轉(zhuǎn)換效率。每一種熒光物質(zhì)具有特定的轉(zhuǎn)換效率，鎢