X线成像技术

X线成像技术1895年，德国物理学家伦琴(RoentgenWC)在研究阴极射线时，偶然发现了X射线，并为他妻子的手摄下了有史以来第一张X线透视照片，开创了放射诊断学德新纪元。至今，X线检查技术已成为常规临床检查工具，非常普及，并在其基础上发展出X线数字减影成像技术和计算机辅助X线断层成像技术（X-CT）。背景知识下面是伦琴当时发现X线和实验室用的设备：X射线X线是一种波长很短的电磁波，是一种光子诊断上使用的X线波长为0.08－0.31埃（1埃=0.1纳米=10-10米）。波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围内的称软X射线。光的产生光是由原子外层电子受到激发产生的!当原子外层电子受到激发的时候,从能量低的激态跃迁到能量高的激发态!这个过程吸收能量,当从激态跃迁回到能量较低的轨道的时候,发出光子!包括红外线,可见光,紫外线!△E=hν=Em-Enh：普朗克常量，ν：光子频率，Em,En,分别是两个轨道的电子能量X射线是高速带电粒子在与物质相互作用中产生。高速电子与内层电子发生作用，就会产生标识X射线连续X射线韧致辐射是辐射损失的一种，它是产生连续X射线的机制•经典的电磁学认为：当一个带电体在外电场中速度变化时，带电体将向外辐射电磁波。当高速电子穿过靶原子时，若它能完全避开电子轨道就有可能非常的接近原子核。由于电子与原子核之间的静电吸引，高速电子越接近原子核越受其影响，原子核有很多质子，又与电子之间的距离很近，所以它们之间的电场非常强，当电子经过原子核时就会慢下来并改变其原有的轨迹。此时电子将向外辐射能量，这种电磁波称为X射线光子（X线）。这就是韧致辐射。韧致辐射•每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同对应的辐射损失也不同，因而发出的X射线光子的能量也互不相同。X线的产生产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。•高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时都能产生X射线。产生X射线的三个基本条件：1.高压产生的强电场2.高真空的空间3.有一个能经受高速电子撞击而产生X射线的靶。使电子获得很大动能1.使电子在高速运动中不受气体分子的阻挡而降低能量2.保护灯丝不致因氧化被烧毁X射线的产生X线管主要是由阴极、阳极和壳体组成。二，阴极（cathode）：是X射线管的负极。作用是发射电子并使电子流聚集。主要由灯丝、聚焦杯、阴极套和玻璃芯柱等组成。灯丝：采用高熔点的钨丝绕制而成。钨丝中含有微量的钍是为了增加电子的发射率，延长灯丝使用寿命。Filament钨丝聚焦罩电子聚焦三，阳极（anode）X射线管的正极。有旋转和固定两种阳极。固定阳极包括阳极头、阳极帽、玻璃圈、阳极柄等•固定阳极常用于牙科X线成像系统、某些移动式的成像系统以及其它不需要大的管电流和大功率的特殊用途系统。•旋转阳极主要由阳极头、阳极罩、转子和轴承等组成。靶面阳极体阳极头Anode靶：是阳极中受电子轰击区域。在固定阳极X射线管中，靶是一镶嵌在铜阳极上的钨合金。在旋转阳极中，整个圆盘都是靶选用钨的原因：1.原子序数高（74），使其产生X射线的效率高，并产生高能X射线2.热传导性几乎与铜完全相同，散热有效3.具有很高的熔点3410，铜1100。阳极作用1.阻挡高速运动电子流而产生X线2.同时将曝光时产生的热量辐射或传导出去3.其次是吸收二次电子和散乱射线。四，壳体有玻璃壳和金属陶瓷壳。玻璃壳体是绝缘壳体，易受二次电子攻击，容易沉积从灯丝和靶面龟裂蒸发的钨，形成第二阳极，受轰击后使其侵蚀，或导致击穿损坏。金属陶瓷壳体是在陶瓷中间镶入金属铌（Nb）并接地，以吸收二次电子，对准焦点处开有铍窗以使X线通过。适用大功率X线管。五，X线的焦点在X线成像系统中，X线管的焦点是影响X线成像质量最大的因素之一。（2）有效焦点是实际焦点在X线投照方向上的投影。实际焦点有效焦点实际焦点在垂直于X线管长轴方向的投影，称为标称焦点，一般作为X线管的标注焦点。（图）X线管的技术变革，提高了X线的质量。固定阳极X线管旋转阳极X线管金属陶瓷大功率X线管软X线管的结构特点：•铍窗•钼靶•极间距离短X线吸收性能低于玻璃，固有滤过小，软X线极易通过铍窗，可获得大剂量的软X线0.03mm的钼片对波长小于0.063nm的稍硬X线进行选择性吸收而使其滤除，同时波长大于0.07nm的较软X线正好适合于软组织摄影普通X线管的极间距离为17mm左右，而软X线管的极间距离一般只有10~13mm。由于极间距离缩短，阴阳两极间的电场强度增大，在相同灯丝加热电流情况下，软X线管的管电流比一般X线管的管电流大。旋转阳极X线管的优点：•焦点尺寸小•瞬间负载功率大•结构复杂•价格高在大型X线发生装置和CT中用。高压部件及控制台高压发生器控制台一.高压发生器将输入的交流电压升高，整流后输出直流高压将输入的交流电压降低，提供灯丝加热电压如配两只以上X线管，进行管电压和灯丝加热电压的切换高压发生器的作用：高压发生器的组成：高压变压器、X线管灯丝变压器、高压整流器、高压交换闸、高压插座、高压电缆等。1、控制台是控制X线的发生时间（S），调节X线的质（KV）和量（mA）并对其进行指示的装置。•台面上：布满各种调节、控制按钮或开关、指示仪表等•台面下：低压元件及电路2．基本控制电路基本控制电路的组成：灯丝加热电路控制电路X线管高压发生电路电源电路X线成像X线显像装置可以用荧光屏观察图像。荧光屏显像原理是当X线光子打在荧光屏上，荧光屏上的活性成分（硫化锌镉）发出黄绿光（可见光），其光强与入射的X线光子成正比，能在荧光屏上看到与各种组织结构对应的明暗阴影。2.1荧光透视成像系统医生除了可以观察组织的形态、位置外，还可以观察脏器的运动。优点X线显像装置用用荧光屏观察图象。荧光屏显像原理是当X线光子打在荧光屏上，荧光屏上的活性成分（硫化锌镉）发出黄绿光，其光强与入射的X线光子成正比。这种荧光屏的转换率很低，仅有7%的光子能量转换成为可见光。1、普通透视直接利用人体不同部位组织间的密度差异，或正常组织与病变组织间的密度差异，形成具有天然对比的影像。2、胃肠钡餐透视借助硫酸钡造影剂，通过人工对比形成影像进行的一种检查手段。(二)X线摄影借助X线机各种摄影装置，将被检部位或病变的影像，记录在X线胶片上而进行诊断的一种方法。基本原理：透过被检体包含影像信息的X线照射到X线胶片上，经暗室处理后形成影像X线摄影分为四种•普通摄影•滤线器摄影•胃肠摄影（点片摄影）•体层摄影入射的X线在胶片上形成潜影，然后经过显影、定影处理，使胶片上的潜影转变为可见的不同灰度分布像。灰度指明暗或黑白的程度，主要由曝光量（即投照光强度对时间的积分）片基：无色或淡蓝色透明的多用醋酸纤维或聚酯材料压制而成，起支撑作用。感光乳胶感光层：由许多悬在凝胶体中的卤化银晶体。卤化银被还原成金属银残留在胶片上，形成由金属银颗粒组成的黑色影像。片基150μm粘结剂感光乳胶感光层10μm保护膜X线胶片构造示意图2.3X线电视系统组成及原理X线电视系统与荧光屏式透视相比具有下列优点：•影像亮度高。可实现明室操作•医生病人受照剂量小•影像清晰。利于病变的早期发现•影像可以远距离传送并可保存•可以转变为数字图像进行计算机处理X射线电视系统主要包括：•X射线影像增强器•光学系统•含有摄像机与监视器的闭路视频系统与辅助电子设备（录像机/摄像机、监视器等）数字减影血管造影（Digitalsubtractionangiography）简称DSA即血管造影的影像通过数字化处理，把不需要的组织影像删除掉，只保留血管影像，这种技术叫做数字减影技术，其特点是图像清晰，分辨率高，对观察血管病变，血管狭窄的定位测量，诊断及介入治疗提供了真实的立体图像，为各种介入治疗提供了必备条件。主要适用于全身血管性疾病及肿瘤的检查及治疗。主要应用于冠心病、心律失常、瓣膜病和先天性心脏病的诊断和治疗。DSA-时间减影法先实施血管造影使检查部位连续成像在系列图像中取血管内尚无造影剂和含造影剂最多的图像各一帧将这同一部位的两帧图像的数字矩阵，用计算机处理，使两个数矩中代表骨及软组织的数字抵销，而代表血管的数字保留再经数/模转换器变为只有血管造影图像这两帧图像叫做减影对，因是在不同时间摄取，故称时间减影法此法易受运动影响而产生配准不良，血管模糊-=AB(A-B)-=C形臂计算机X线摄影（computedradiography，CR）CR的成像要经过影像信息的记录、读取、处理和显示等步骤。影像信息的记录：用一种含有微量素铕（Eu2+）的钡氟溴化合物结晶（BaFX：Eu2+，X=CI.Br.I）制成的IP代替X线胶片,接受透过人体的X线,使IP感光,形成潜影。X线影像信息由IP记录。IP可重复使用达2-3万次。影像信息的读取：IP上的潜影用激光扫描系统（图1-6-2）读取，并转换成数字信号。激光束对匀速移动的IP整体进行精确而均匀的扫描。在IP上由激光激发出的辉尽性荧光，由自动跟踪的集光器收集，复经光电转换器转换成电信号，放大后，由模拟/数字转换器转换成数字化影像信息。由IP扫描完了后，则可得到一个数字化图像。数字X线摄影DigitalRadiography（DR）直接数字X线摄影，是指在具有图像处理功能的计算机控制下，采用一维或二维的X线探测器直接把X线影像信息转化为数字信号的技术。直接的数字化摄影是普通X线摄影数字化的又一大进步，与存贮荧光体方式的间接数字化摄影相比，具有四大特点：(1)病人受照射剂量更小；(2)具有更高的动态范围、量子检出效能；(3)能覆盖更大的对比度范围，图像层次更丰富；(4)图像分辨率力提高，速度更快，工作效率更高。DR系统，是由电子暗盒、扫描控制器、系统控制器、影像监示器等组成，是直接将X线光子通过电子暗盒转换为数字化图像，是一种广义上的直接数字化X线摄影。而狭义上的直接数字化摄影即DDR（DirectDigitRadiography），通常指采用平板探测器的影像直接转换技术的数字放射摄影，是真正意义上的直接数字化X射线摄影系统，非晶硅平板探测器基本结构：1.碘化铯闪烁体(X线——可见光的过程)。2.非晶硅光电二极管阵列(可见光——电荷图像的过程)3.行驱动电路。4.图像信号读取电路。DRX线-CT成像技术的发展•CT成像原理：1917年由奥地利数学家雷当（J.Radon）提出来的，他从数学研究证明了二维或三维的物体能够从它的投影的无限集合来唯一地重建图像的理论。•美国数学家科玛克（A.M.Cormack）等人从人体模型扫描试验中，研究出重建图像的数学方法。•英国工程师豪斯费尔德博士（G.N.Hounsfield，DR.）于1972年研制出第一台用于临床诊断头部的X线-CT成像扫描装置，实现X线-CT的扫描和图像重建。由此奠定了X线-CT成像技术在医学领域中应用的基础。•为表彰科玛克和豪斯费尔德在X线-CT成像技术卓有成就的贡献，荣获1979年度的诺贝尔医学和生理奖。Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。CentralResearchLaboratories,EMILondonG.N.HounsfieldA.M.CormackTuftsUniversityMedford,MA,USAElectricandMusicalIndustries百代唱片公司X线-CT成像装置主要由X线管、准直器、扫描机构、检测器、计算机、监视器等部分组成。(FromPicker)(FromSiemens)X线首先经过准直器形成很细的直线射束，用以穿透人体被检测的断层平面。X线束经人体薄层内器官或组织衰减后透射出到达检测器，检测器将含有一定图像信息的X线转换为相应的电信号。通过电子测量电路将电信号放大，再由A/D变换为数字信号，送给电子计算机系统处理。电子计算机系统按照设计好的图像重建方法，对数字信号加以一系列的计算和处理等，得出人体断层平面上器官和组织密度数值的分布。计算出的器官和组织密度数值先存入计算机的存储器上中，然后把它们按电视