X线影像的发展与现状PPT课件

影像诊断学的历史 X线影像 超声成像 (Ultrasonography:US) CT (Computed Tomography) MRI (Magnetic Resonance Imaging) ECT (Emission Computed Tomography) SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) PET (Positron Emission Tomography)X线影像 1895年 11月 08日威廉 康纳德 伦琴 (Wilhenlm Conrad Rontgen) 1895年 12月 22日 经 15分钟照射 第一张 X线照片 (1890年 02月 22日 A.W. Goodspeed 奇怪影像 ) 1896年 01月 01日 给 Exner教授新年贺卡 1896年 01月 05日 维也纳报纸 “Die Presse” 1896年 01月 06日 传遍全世界 1896年 01月 23日 “Nature”杂志发表 2周后”Science”伦琴一、一、 X线的发展线的发展1895年年 11月月 8日，德国科学家伦琴（日，德国科学家伦琴（ Rontgen） 在做真空管在做真空管高压放电实验研究时，无意中发现了一种肉眼看不见的但穿高压放电实验研究时，无意中发现了一种肉眼看不见的但穿透力很强的能使莹光物质发光和使胶片感光的新型射线。由透力很强的能使莹光物质发光和使胶片感光的新型射线。由于当时对这种射线的性质尚不清楚，伦琴就将其称为于当时对这种射线的性质尚不清楚，伦琴就将其称为 X射线或射线或X线，其后伦琴将线，其后伦琴将 X线的所有基本特性几乎全部研究完毕，并线的所有基本特性几乎全部研究完毕，并于于 1896年年 1月月 23日在一次自然科学协会会议上第一次做了日在一次自然科学协会会议上第一次做了 X线线的报告，并且当场摄了一幅手腕的照片。根据大会建议，用的报告，并且当场摄了一幅手腕的照片。根据大会建议，用伦琴的名字来称呼他所发现的射线，故伦琴的名字来称呼他所发现的射线，故 X射线又称为伦琴射线射线又称为伦琴射线或伦琴线。或伦琴线。 X射线的发现震憾了全世界，掀开了世界科技史上射线的发现震憾了全世界，掀开了世界科技史上的重要一页。为此，的重要一页。为此， 1901年年 12月月 10日伦琴荣获首次诺贝尔物日伦琴荣获首次诺贝尔物理学家。理学家。二、二、 X线的产生、特性及成像原理线的产生、特性及成像原理（一）（一） X线产生线产生 ：1、条件：、条件：（ 1） X线管线管 ：真空二极管，杯状的阴极内装着灯丝，：真空二极管，杯状的阴极内装着灯丝，阳极由呈斜面的钨靶和附属散热装置组成。阳极由呈斜面的钨靶和附属散热装置组成。固定阳极固定阳极 旋转阳极旋转阳极图图 1 X线管线管（ 2）变压器）变压器 ：降压变压器向：降压变压器向 X线管灯丝提供电源线管灯丝提供电源（ 12V ），）， 升压变压器向升压变压器向 X线管二极线管二极 提供高压电提供高压电（ 40-150KV）。）。（ 3） 操作台操作台 ：包括调节电压、电流及曝光时间而：包括调节电压、电流及曝光时间而设置的电压表、电流表、计时器和其他调节旋钮等设置的电压表、电流表、计时器和其他调节旋钮等。上述三者之间以电缆相连。上述三者之间以电缆相连图图 2：普通：普通摄影摄影 X光机光机2、产生过程、产生过程 ：降压变压器向降压变压器向 X线管灯丝供电，点燃灯丝，在线管灯丝供电，点燃灯丝，在阴极附近产生自由电子，再向阴极附近产生自由电子，再向 X线管两极提供高压线管两极提供高压电时，二极间的电势差骤增，自由电子高速由阴极电时，二极间的电势差骤增，自由电子高速由阴极向阳极行进，撞击钨靶而发生能量转换，其中向阳极行进，撞击钨靶而发生能量转换，其中 0.2%以下的能量转换为以下的能量转换为 X线，线， 99.8%以上转换为热能。前以上转换为热能。前者由管窗口发射，后者由散热设施散发。者由管窗口发射，后者由散热设施散发。（二）特性（二）特性 ：X线是一种波长很短的电磁波，波长范围为线是一种波长很短的电磁波，波长范围为0.0006-50nm,（ 用于用于 X线成像的波长为线成像的波长为 0.031-0.008nm），）， 比可见光的波长短，故肉眼看不见。比可见光的波长短，故肉眼看不见。X线具有以下特性线具有以下特性 ：1、穿透性：、穿透性： X线波长短，穿透力强，能穿透可见光不线波长短，穿透力强，能穿透可见光不能穿透的物质，在穿透过程中有一定程度的吸收衰减能穿透的物质，在穿透过程中有一定程度的吸收衰减。 X线的穿透力与管线的穿透力与管 电压相关，电压越高，波长越短电压相关，电压越高，波长越短，穿透力越强，反之则弱。另外穿透程度与物质的密，穿透力越强，反之则弱。另外穿透程度与物质的密度和厚度相关，密度高、厚度大的物质吸收的多，通度和厚度相关，密度高、厚度大的物质吸收的多，通过的少，反之则多。穿透性是过的少，反之则多。穿透性是 X线成像的基础。线成像的基础。2、莹光效应、莹光效应 ： X线能激发莹光物质（如硫酸锌镉、钨线能激发莹光物质（如硫酸锌镉、钨酸钙等），使波长较短的酸钙等），使波长较短的 X线转换为波长较长的莹光线转换为波长较长的莹光，这种转换称莹光效应。它是进行透视检查的基础。，这种转换称莹光效应。它是进行透视检查的基础。3、感光效应、感光效应 ： X线照射胶片后使其感光产生潜影，线照射胶片后使其感光产生潜影，经显影、定影处理后，胶片中被感光的溴化银中的经显影、定影处理后，胶片中被感光的溴化银中的银离子（银离子（ Ag+） 被还原成金属银（被还原成金属银（ Ag） 沉积在胶膜内沉积在胶膜内。金属银微粒化，胶片上呈黑色，而未感光的溴化。金属银微粒化，胶片上呈黑色，而未感光的溴化银，在定影及冲洗过程中被冲洗掉，而显出胶片片银，在定影及冲洗过程中被冲洗掉，而显出胶片片基的透明色。依金属银沉淀的多少，产生了程度不基的透明色。依金属银沉淀的多少，产生了程度不同的黑白影像。所以感光效应是同的黑白影像。所以感光效应是 X线摄影的基础。线摄影的基础。4、电离效应、电离效应 ： X线通过任何物质都可产生电离效应线通过任何物质都可产生电离效应， X线射入人体也产生电离效应，引起生物方面的改线射入人体也产生电离效应，引起生物方面的改变，即生物效应。是放射治疗的基础，也是变，即生物效应。是放射治疗的基础，也是 X线防护线防护的原因。的原因。（ 三）成像基本原理：三）成像基本原理：X线之所以能使人体组织在莹屏上或胶片上形成影像，基线之所以能使人体组织在莹屏上或胶片上形成影像，基于两方面的原因，其一是于两方面的原因，其一是 X线具有穿透性，莹光效应和感光效线具有穿透性，莹光效应和感光效应，其二是人体组织间具有密度和厚度的差异。当应，其二是人体组织间具有密度和厚度的差异。当 X线透过人线透过人体不同组织结构时，被吸收的程度不同，所以到达莹屏或胶片体不同组织结构时，被吸收的程度不同，所以到达莹屏或胶片上的上的 X线量亦有差异。所以在莹屏或胶片上就形成了明暗或黑线量亦有差异。所以在莹屏或胶片上就形成了明暗或黑白度不同的影像。白度不同的影像。就就 X线检查而言，人体的组织结构密度可归纳为三类：线检查而言，人体的组织结构密度可归纳为三类：高密度组织高密度组织 ：骨髂、钙化灶。：骨髂、钙化灶。中等密度组织中等密度组织 ：软骨、肌肉、神经、实质器：软骨、肌肉、神经、实质器官组织及体液等官组织及体液等低密度组织低密度组织 ：脂肪和气体。：脂肪和气体。组织器官的病变可使其发生密度的改变，如肺组织器官的病变可使其发生密度的改变，如肺结核可使含气的低密度组织产生中等密度的渗出、结核可使含气的低密度组织产生中等密度的渗出、增殖及纤维化改变和高密度的钙化灶。所以在肺的增殖及纤维化改变和高密度的钙化灶。所以在肺的黑影背景上出现了代表病变的灰影（中等密度）和黑影背景上出现了代表病变的灰影（中等密度）和白影（高密度）。因此，组织密度不同的病变可产白影（高密度）。因此，组织密度不同的病变可产生相应的病理影像。生相应的病理影像。三、三、 X线成像设备的发展历程线成像设备的发展历程 ：（一）诊断用（一）诊断用 X线机发展史线机发展史1、气体、气体 X线管、感应圈时期（线管、感应圈时期（ 1895-1916），第一支），第一支X线球管是由德国西门子公司在线球管是由德国西门子公司在 1896年研制成功的。年研制成功的。2、热电子、热电子 X线管、变压器式高压发生器时期（线管、变压器式高压发生器时期（ 1916-1925年）为现代年）为现代 X线机奠定了基础。同时改进了底片线机奠定了基础。同时改进了底片，制成并改进了莹光屏。，制成并改进了莹光屏。3、防电击、防散射、防电击、防散射 X线装置的实用化时期（线装置的实用化时期（ 1925-1945年）标志着诊断用年）标志着诊断用 X线机已进入成熟时期。线机已进入成熟时期。以上各个时期以上各个时期 X线管均为固定阳极。线管均为固定阳极。4、高条件、大容量、控制技术现代化时期（、高条件、大容量、控制技术现代化时期（ 1945年年以后），大功率旋转阳极以后），大功率旋转阳极 X线管的问世，是线管的问世，是 X线机实现线机实现大容量的前提。使大容量的前提。使 X线线 影像质量有了明显提高，也使影像质量有了明显提高，也使活动器官的诊断和细微结构的放大摄影成为可能。活动器官的诊断和细微结构的放大摄影成为可能。二十世纪五十年代，影像增强器的研制成功，二十世纪五十年代，影像增强器的研制成功，使使 X线机的性能和应用范围有了新的突破，最引人注线机的性能和应用范围有了新的突破，最引人注目的是目的是 X线电视、录像和动态摄影，在一定程度上解线电视、录像和动态摄影，在一定程度上解决了动态检查、影像再现等问题。决了动态检查、影像再现等问题。 1975年以来，逆年以来，逆变技术在变技术在 X线机中得到广泛应用，使高压变压器的体线机中得到广泛应用，使高压变压器的体积和重量明显减小，从而得到迅速普及。积和重量明显减小，从而得到迅速普及。（二）（二） X线线 CT机的诞生机的诞生1972年，英国工程师汉斯菲尔（年，英国工程师汉斯菲尔（ Hounsfield）首次研制成功世界上第一台首次研制成功世界上第一台 CT扫描机。这是电子技扫描机。这是电子技术、计算机技术和术、计算机技术和 X线技术相结合的产物，是线技术相结合的产物，是 1895年年X线发现以来医学影像设备的一个革命性进展，为现线发现以来医学影像设备的一个革命性进展，为现代医学影像设备学奠定了基础。代医学影像设备学奠定了基础。CT机的特点是横断面体层成像，无前后影像重叠机的特点是横断面体层成像，无前后影像重叠，不受层面上下组织的干扰，密度分辨率显著提高（，不受层面上下组织的干扰，密度分辨率显著提高（比传统比传统 X线高线高 10-20倍），还能以数字形式（倍），还能以数字形式（ CT值）作值）作定量分析。定量分析。（三）数字（三）数字 X线成像设备的发展线成像设备的发展 （见四）（见四）四、数字四、数字 X线成像设备线成像设备数字数字 X线成像设备是指把线成像设备是指把 X线透射影像数字化并进线透射影像数字化并进行处理后，再变换成模拟图像显示的一种行处理后，再变换成模拟图像显示的一种 X线设备，线设备，与传统的增感屏与传统的增感屏 胶片成像相比，数字胶片成像相比，数字 X线成像具线成像具有以下优点：有以下优点： 、对比度分辨率高；、对比度分辨率高； 、辐射剂量小，比常规方式降低、辐射剂量小，比常规方式降低 30%-70%； 、成像质量高，能用计算机进行图像后处理，、成像质量高，能用计算机进行图像后处理，更细致的观察感兴趣的细节；更细致的观察感兴趣的细节； 、可利用大容量的光盘存储数字图像，消除用、可利用大容量的光盘存储数字图像，消除用胶片记录胶片记录 X线影像带来的种种不便，并能进线影像带来的种种不便，并能进入入 PACS， 实施联网，更高效、低耗、省时间、实施联网，更高效、低耗、省时间、省空间地实现图像的储存、传输和诊断。省空间地实现图像的储存、传输和诊断。数字数字 X线成像空间分辨率不如胶片，约为线成像空间分辨率不如胶片，约为 2-4Lp/mm（ 胶片空间分辨率一般在胶片空间分辨率一般在 6Lp/mm以上以上，高档微焦点，高档微焦点 X线机可在几十线机可在几十 Lp/mm），）， 但散射但散射线使胶片的感光范围发散，导致锐利度（与空线使胶片的感光范围发散，导致锐利度（与空间分辨率有关）下降，而数字成像能大幅度克间分辨率有关）下降，而数字成像能大幅度克服锐利度的下降，加之其对比度分辨率高，所服锐利度的下降，加之其对比度分辨率高，所以可满足诊断的需要。以可满足诊断的需要。综上所述，综上所述， 数字数字 X线成像设备的发展对远线成像设备的发展对远程放射学系统的发展具有决定性的影响，这些程放射学系统的发展具有决定性的影响，这些设备在设备在 21世纪将成为大中型医院放射科的主导世纪将成为大中型医院放射科的主导设备，因此具有广阔的发展前景。设备，因此具有广阔的发展前景。（一）数字成像技术的基础（一）数字成像技术的基础1、电子计算机系统、电子计算机系统 ：从：从 1946年计算机诞生以来，大年计算机诞生以来，大约每隔约每隔 5年其运算速度提高年其运算速度提高 10倍，可靠性提高倍，可靠性提高 10倍，倍，体积缩小体积缩小 10倍，在倍，在 20世纪世纪 50年代以来，计算机的生年代以来，计算机的生产数量以每年产数量以每年 25%的速度递增。计算机之所以发展迅的速度递增。计算机之所以发展迅速，其原因在于它的广泛应用，包括速，其原因在于它的广泛应用，包括 5个方面：个方面： 科学计算；科学计算； 自动控制；自动控制； 测量和测试；测量和测试； 信息处理及；信息处理及； 教育和卫生教育和卫生计算机的问世，为人类的健康长寿带来了福音。计算机的问世，为人类的健康长寿带来了福音。一方面，使用计算机的各种医疗设备应用而生，如一方面，使用计算机的各种医疗设备应用而生，如 CT、 MR、 CR、 DR等。无疑这些先进的仪器和设备为疾病等。无疑这些先进的仪器和设备为疾病的早期诊断提供了可靠依据，对疾病的治疗起到了非的早期诊断提供了可靠依据，对疾病的治疗起到了非常重要的作用。另一方面，集专家经验之大成，利用常重要的作用。另一方面，集专家经验之大成，利用计算机建成各种各样的专家系统及各医院间的远程会计算机建成各种各样的专家系统及各医院间的远程会诊系统，对疾病的诊断和病人的康复发挥了很大的作诊系统，对疾病的诊断和病人的康复发挥了很大的作用。用。2、数据采集：、数据采集：（ 1）采集数据系统的组成）采集数据系统的组成A/D（ 模数转换器）即模数转换器）即 analogue-to-digital convertr,将模拟图像（将模拟图像（ analogue image） 转化成转化成数字图像（数字图像（ digital image），）， RDCP（ 数据收集处理数据收集处理器）即器）即 reconstruction and date collection processor）。）。图三图三（ 2）数据采集原理：）数据采集原理：图图 4A B C上图上图 A为一幅手的为一幅手的 X线照片，其中有一条横线。现线照片，其中有一条横线。现分析沿这条线的一维像，图分析沿这条线的一维像，图 B给出给出 横线上一维像的密度横线上一维像的密度随距离变化的连续函数，图随距离变化的连续函数，图 C是用数字表示的一维数字是用数字表示的一维数字图像。在进行数字化时，采取每图像。在进行数字化时，采取每 2mm采一个点，即每个采一个点，即每个象素的宽度为象素的宽度为 2mm。 像密度数值用像密度数值用 0-255共共 256个整数表个整数表示。示。 256=28，像密度用，像密度用 8位二进制数表示。位二进制数表示。在上述例子中，取横线宽度为在上述例子中，取横线宽度为 1mm， 把整幅图像化分为把整幅图像化分为若干条横线，这样每个象素即为若干条横线，这样每个象素即为 1mm2mm 。 在扫描中，这个在扫描中，这个宽度叫层厚（宽度叫层厚（ slice thickness）。）。 每条横线可获得一幅一维每条横线可获得一幅一维图像。按上述方法再变为一维数字像，这些一维数字图象就图像。按上述方法再变为一维数字像，这些一维数字图象就可以组合成一幅二维数字图像可以组合成一幅二维数字图像 。（ 3）、）、 A/D转换器和转换器和 D/A转换器转换器要完成数据的采集少不了要用要完成数据的采集少不了要用 A/D转换器，数字图象要转换器，数字图象要有屏幕上显示，也离不开有屏幕上显示，也离不开 D/A转换器（转换器（ digital-to-analogue converter）。）。 在医学影像设备中，由摄像管和各种传感器、在医学影像设备中，由摄像管和各种传感器、探测器、接收器得到的都是时域的模拟信号。在数字影像设探测器、接收器得到的都是时域的模拟信号。在数字影像设备中时域的模拟信号经备中时域的模拟信号经 A/D转换器变为数字信号，再经转换器变为数字信号，再经 D/A转转换器变为模拟信号。换器变为模拟信号。 （ 4）数字图像的表达要素）数字图像的表达要素数字图像是由不同亮度和颜色的点组成的二维点阵，一数字图像是由不同亮度和颜色的点组成的二维点阵，一幅图像由多少个这样的点组成，在进行信号采集之前必须做幅图像由多少个这样的点组成，在进行信号采集之前必须做出选择。点的多少，即矩阵的大小，直接决定了图像的空间出选择。点的多少，即矩阵的大小，直接决定了图像的空间分辨率（分辨率（ spatial resolution）。）。 数字在这里不仅意味着数数字在这里不仅意味着数码，而且表示了某点的亮度或颜色。当一个点阵还有足够多码，而且表示了某点的亮度或颜色。当一个点阵还有足够多的点时，并且点与点之间足够近时，看起来就是一幅完整的的点时，并且点与点之间足够近时，看起来就是一幅完整的图象。图象。数字图像显示为二维点阵，能表达数字图像的两个要素数字图像显示为二维点阵，能表达数字图像的两个要素，即点阵的大小和每个点的灰度值。存储一幅数字图像只要，即点阵的大小和每个点的灰度值。存储一幅数字图像只要记录下点阵的大小和每个点的灰度值即可。数字图像的灰度记录下点阵的大小和每个点的灰度值即可。数字图像的灰度值是某一点的亮度或色彩在给定亮度或色彩序列中次序的数值是某一点的亮度或色彩在给定亮度或色彩序列中次序的数值。值。3、图像显示、图像显示（ 1）观察数字图像的要点：）观察数字图像的要点：图像显示的目的是供医师阅读并结合相关知识做出诊断，图像显示的目的是供医师阅读并结合相关知识做出诊断，指导疾病的治疗。数字图像的阅读方法有其自身的要领，不同指导疾病的治疗。数字图像的阅读方法有其自身的要领，不同的数字图像其阅读要点不同，掌握正确的阅读方法是必要的。的数字图像其阅读要点不同，掌握正确的阅读方法是必要的。如如 CR、 DR、 DDR在阅片前首先要弄清是哪一种成像技术的哪在阅片前首先要弄清是哪一种成像技术的哪一种成像方法，然后按照普通一种成像方法，然后按照普通 X线片的读片方法去观察，并要注线片的读片方法去观察，并要注意窗宽、窗位。意窗宽、窗位。 CT图像属于断面成像，最大的优点是密度分辨图像属于断面成像，最大的优点是密度分辨率高，对组织器官的密度反映，既可用灰度来表示，更重要的率高，对组织器官的密度反映，既可用灰度来表示，更重要的可用可用 CT值来测量，还要注意扫描序列，是平扫、还是增强、窗值来测量，还要注意扫描序列，是平扫、还是增强、窗宽窗位是否合适等。核素现象则是以脏器与病变之间的放射性宽窗位是否合适等。核素现象则是以脏器与病变之间的放射性浓度差异为基础的脏器或病灶的显像方法。反映了脏器或病变浓度差异为基础的脏器或病灶的显像方法。反映了脏器或病变的功能、生化及代谢的变化，对其图像的观察，要注意显像时的功能、生化及代谢的变化，对其图像的观察，要注意显像时间、浓聚程度以及动态与静态的区别，还要注意两侧的对比观间、浓聚程度以及动态与静态的区别，还要注意两侧的对比观察。察。为了获得图像的最佳观察效果，要注意观察图像为了获得图像的最佳观察效果，要注意观察图像