医学影像系统原理2 X射线

医学影像系统原理:X射线成像技术丁明跃华中科技大学生物医学工程系“图像信息处理与智能控制”教育部重点实验室2020/2/152一、X射线成像的基本原理二、X射线机基本构成三、常用X射线影像设备四、CR与DR五、X射线影像技术的临床应用目录3什么是X射线？X射线是由于在真空条件下，高速运动的电子撞击到金属原子内部，使原子核外层轨道电子发生跃迁而放射的一种能。X射线的产生，必须具备以下条件：①电子源；②在真空条件下，高电压产生的强电场和高速运动的电子流；③适当的障碍物（靶面）来接受高速运动电子所带的能量，使高速电子所带的动能部分转变为X射线能。硬X射线(8-80pm,15-150Kev)、软X射线(80pm-8nm,150ev-15Kev)4电子束的产生与阴极射线管阴极射线管（CathodeRayTube，简称CRT）气体放电5X射线的连续放射大量能量不等的电子同时撞击靶面，在与靶原子相互作用中损失的能量各不相同，而产生的一束波长不等、连续的混合射线称之为连续放射（韧致辐射）。管电压越高，波长越短。2min121.24hchcmvVeorVenmV6X射线的标识放射标识放射又称标识X线或特征辐射(characteristicradiation)，是由高速运动的电子与靶原子的内层轨道电子相互作用所产生的。X线管阴极发出的电子，以很大的动能撞击靶面时，原子内层轨道电子被击出而留下一个空位。按能量分布最低的原则，处于高能态的外壳层电子必然要向内壳层填补，产生电子跃迁现象。在跃迁过程中将其多余的能量以光子的形式放射出来，便产生X线，跃迁的电子能量差决定了这种X线的波长。不同的靶物质，其原子结构不同，发出X线的波长也不尽相同。这种由靶物质所决定的X线称为标识放射，它与X线管的管电流无关。7X射线产生效率X线产生的效率是指发生的X线能量占全部电子撞击阳极靶面总能量的百分率。电子撞击阳极靶面的全部能量中，碰撞损失的能量最后将全部转化为热能，仅有辐射损失能量的极小部分（约0.2％）转变为X线能。产生X线的效率（η）通常可用公式计算：η＝K•Z•kV式中K为常数10-9，Z为阳极靶面物质的原子序数，kV为管电压。产生X线的效率与靶面物质的原子序数及管电压成正比。8影响X射线产生效率的因素管电压:当管电流不变的情况下,管电压越大,X射线的强度增强,效率也提高.阳极靶面材料的影响:在其它条件相同的情况下,原子序数越高,产生的X射线的效率也就越高.管电流的影响:当管电压不变的情况下,管电流越大,X射线的强度越大,效率也越高.X射线的质X线强度（X-rayintensity）是指单位时间内垂直于X射线传播方向的单位面积上所通过的光子数目和能量的总和。在实际应用中，常用质和量来表示X射线强度。X线的质（线质），一般用于表示X线的硬度，即穿透物质的能力，它代表光子的能量。X线的质仅与光子能量有关，能量越大，X线的波长越短，穿透力越强，X线的质越硬；反之，X线的硬度就小。X线管发出的是波长不等的连续X线谱，其质很难用一个数值来表示，由于X线的光子能量是由管电压决定的，所以在实际工作中，一般用管电压(kV)数值间接表示X线的质。9X射线的量也可用半价层来表示X线质。半价层（halfvaluelayer，HVL）是指入射的X线强度减弱为原来的一半时某均匀吸收体的厚度。半价层越厚，表示X线质越硬。X线的量是X线束中的光子数目，在实际工作中，常用X线管的管电流与照射时间的乘积毫安秒(mAs)来表示X线的量。管电流越大，代表X线管中被加速的电子数目越多，电子撞击阳极靶面产生的X线量越多，则X线强度越大。X线照射时间，是指球管产生X线的时间。显然，X线的量与管电流及照射时间成正比。1011X射线物理效应1．穿透作用（penetrationaction）穿透作用是指X线穿过物质时不被吸收的本领，其穿透性不仅与X线的能量有关，还与被穿透物质的本身结构和原子性质有关。2．荧光作用（fluorescenceaction）某些荧光物质，如钨酸钙、铂氰化钡、硫化锌镉及某些稀土元素等，受到X线照射时，物质原子发生电离或被激发处于受激状态。3．电离作用（ionizationaction）物质受到X线照射，原子核外电子脱离原子轨道，这种作用称电离作用。12X射线化学效应1．感光作用（sensitizationaction）X线照射到胶片，由于电离作用，使胶片上的卤化银发生光化学反应，出现银颗粒的沉淀，称为X线的感光作用。由于X线穿透人体后的强度分布不同，使卤化银的感光度发生差异，经显影后产生一定的黑化度，显示出人体不同密度的影像。如X线摄影和工业探伤。2．着色作用（pigmentationaction）某些物质，如铂氰化钡、增感屏、铅玻璃、水晶等，经X线长时间照射后，其结晶体脱水渐渐改变颜色，发生脱水、着色，称为着色作用（脱水作用）。13X射线生物效应生物细胞特别是增殖性细胞经一定量的X线照射后，可以产生抑制、损伤甚至坏死，即为X线的生物效应（biologicaleffect）。不同的组织细胞对X线的敏感性不同，会出现不同的反应，放射治疗就是利用X线的生物效应。它也是放射线工作者及受检者注意防护的原因。14X射线衰减X射线与物质的相互作用过程是辐射能量在物质中的传递与转移过程。当X射线与物质相互作用时，通过电离和激发的过程，把能量传递给其它物质，其能量被不同程度的吸收。X射线在物质内传播过程中的强度减弱，包括吸收衰减（absorptionattenuation）（与物质相互作用）和扩散衰减（diffusionattenuation）（能量分散）。15X射线的衰减公式光电吸收光电吸收引起的衰减系数与物质的原子序数的四次方成比例.对高原子序数的物质影响较大.+++X-Ray康普顿散射(ComptonScattering)IncoherentScattering对x射线衰减的影响最大+++0.02411cosEhc(1)降低图像的对比度(2)对医护人员损伤相干散射(CoherentScattering)+++也称为瑞利散射RaleighScattering特点:只改变方向,无能量消耗.在诊断放射学中,对x射线的衰减的影响不大.19X射线成像原理X射线穿过被照体后，由于人体组织结构差异，对X射线的吸收系数不同，透过肢体的X射线强度分布不均，即产生了X射线对比度，形成了X射线信息影像。X射线对比度只有通过胶片或屏-片系统的转换才能识别，胶片对X射线对比度的放大能力，称为胶片对比度。X射线照片对比度是照片影像上相邻两点的密度差，也称光学对比度或物理对比度，它依存于被照体吸收X射线的差异所产生的X射线对比度，以及胶片对X射线对比度的放大结果。20X射线成像X射线的发明是医学影像发展史上的重要里程碑。于是，基于人体不同器官和组织对X-射线的不同吸收的基本原理，我们可以采用不同量化等级（即灰度）对于人体组织密度进行表征，从而区分不同器官和组织，达到对人体内部进行成像的目的。WilhemConradRoentgen因发明了X-射线成像技术于1901年12月10日荣获首次诺贝尔物理学奖。X射线影像的形成X线影像的形成是把三维空间分布的被照体信息，以二维光学影像的形式表现出来。被照体作为信息源，X线作为传递被照体信息载体，这是一个X线信息影像形成、转换、存储和传递的复杂过程。21X射线照片影像被照体影像信息的透射线作用于增感屏-胶片系统，使胶片中的乳剂感光，经显影后，以光学影像的形式表现出来，即将影像信息记录显示在胶片上，成为可见的光密度影像，即X射线照片影像。光学密度通常以D表示，其值就是入射光线强度I与透射光强度I0之比的对数：220logIIDX射线照片对比度计算光学对比度（K）用数值计算时，等于相邻两点的密度（D1、D2）之差：式中I0代表入射光强度，I1、I2代表透过光强度。显然，照片相邻两处的光学对比度就是透过光之比的对数值。X线照片影像要有足够的对比度和丰富的层次，对比度过高或过低，会导致影像信息的丢失，影响诊断的准确性。影像X摄线照片对比度的因素:被照体，胶片，射线。2300212112logloglogIIIIIIKDD图像对比度的定义设A为图像中感兴趣的目标区域，其均值为aver（A），背景的均值为aver（B），图像噪声方差为，则图像对比度定义为：24()()averAaverBContrastX射线几何投影X射线是以焦点为顶点的圆锥形线束。自靶面射出并垂直于窗口中心的射线称为中心线，它代表投照方向，中心线不准确就不能获得正确的几何投影。在X线束中，中心线以外的射线均称为斜射线，斜射线与中心线成角，离中心越远，角度越大。某些特殊摄影位置可利用斜射线进行投照。X线束照射到被照体，其照射面积的大小称照射野。照射野的大小对X线照片的密度、对比度有一定的影响，照射野过大，产生的散射线多，胶片的灰雾度增加，导致照片对比度下降。25焦点、被照体和胶片三者之间的投影关系当X射线呈平行线束且垂直照射于被照体和胶片时，影像才不会产生放大和变形。X射线束是以焦点为顶点的锥形放射线束，被照体在胶片上的X线影像是放大的，放大率M(放大倍数)为影像与物体的比值，即等于焦-片距与焦-肢距的比值。26放大倍数计算公式在上图中A代表平行射线，B代表点光源，S代表平行光线产生的影像，S1代表点光源扩散产生的影像，P代表S1较S放大部分，D代表被照物体，a代表焦-肢距，b代表肢-片距，a＋b代表焦-片距，则放大倍数M定义为：为减少肢体影像放大，摄影时应尽量使肢体或病灶靠近胶片，并在机器负荷允许的条件下尽量延长焦-片距。271abbMaaX线照片模糊28一张优质的X照片，其影像质量除了有较好的对比度，还要有良好的清晰度。清晰度是指影像边缘的锐利程度，若出现影像边缘不锐利，则称为模糊。可用模糊度来说明清晰度，影像模糊度大，则清晰度差；反之亦然。影像产生模糊的主要因素有：几何学模糊、运动性模糊、增感屏-胶片系统产生的模糊和散射线性模糊。几何学模糊X线球管靶面不是点光源，其有效焦点具有一定的几何面积。根据光学原理可知，有效焦点面积越小，产生的半影（penumbra）越小，影像越清晰；反之，有效焦点面积越大，产生的半影越大，影像就越模糊，这种模糊称几何学模糊。半影（晕影）的大小称为模糊度（P），其公式为：F代表有效焦点的大小，d代表肢-片距，H代表焦-片距，H-d代表焦-肢距。29dPFHd30X射线机基本构成X线机(x-rayunit)因其使用目的不同，结构有很大的差异，但基本结构都是由主机和外围设备组成。主机包括X线管(x-raytube)、X线发生器(x-raygenerator)和控制装置，主要作用是产生X线，控制X线的质(quality,x-ray)、X线的量(quantity,x-ray)和曝光时间(exposuretime)。X线机的外围设备是根据诊断需要而装备的各种机械装置和辅助装置。31X射线管(1)1%的能量转化为x射线,99%的能量变为热量.散热----旋转阳极转换效率91.410ZV(2)焦斑尺寸一般为0.2mm到2mm,越小成像越清晰,散热差.(3)波长为0.01-100埃,波长小的称为硬射线,穿透能力强,波长大的叫软射线,容易被吸收.X线管固定阳极X线球管旋转阳极X线管特殊X线管栅控X线管软X线管金属陶瓷X线管33X射线产生器X线发生器由高压变压器、灯丝变压器、高压整流器和高压交换闸等构成，组装于钢板制成的箱体内，箱内充以起绝缘作用的变压器油。高压变压器是产生高电压并为X线球管提供高压电能的器件。灯丝变压器是供X线球管灯丝加热用的降压变压器，一般功率100W左右。高压整流器是将高压变压器次级输出的交流电压变为脉动直流电压的电子元件。现代X线机的高压整流器都采用半导体器件，利用它将高压变压器次级输出的交流电变成脉冲直流电