《医学影像设备》word版.docx

第1节 医学影像设备概述伴随着其他自然学科的全面发展，人类医学在近一百年来也获得了巨大的发展与进步。现代医学最重要的两个环节是诊断与治疗。诊断是治疗的前提，治疗以诊断的结果为根本依据,诊断结果的准确程度左右着治疗的成功与否。没有一个确切的诊断，治疗便仿若“无的之矢”而无从下手，所以诊断水平和治疗一样，是一个医疗机构水准的重要标志。于是人们在提高医疗技术的同时，更加注重于诊断技术条件和水平的发展与提高，从最原始的“望、闻、问、切”,听诊器加体温表，演化出当今形形色色的诊断检查设备。这是人类医学在发展中对诊断技术不断增高的要求所带来的结果，也是其他自然科学领域（光学、机械、声学、核物理、电磁学、微电子、计算机与网络技术、能源与材料科学等）的技术迅猛发展，推动医学诊断学前进所结出的累累硕果。 医学诊断检查设备的种类尽管比较繁多，大致上也可将之划分为三大类别：生物物理信号 检测仪器（心电、脑电、肌电、血压、血流、呼吸、脉搏和听力等信号的检测与监视）； 生物化学成分分析检验仪器（血、尿等体液及细胞中包含的各种成分，微生物的分析与检验）；影像观察用诊断仪器（采用X线、超声、核素、红外线、电子束、微波、可见光等所成影像）。后一类诸多仪器被我们统称为医学影像设备。 医学影像设备是指利用各种不同媒介作为信息载体，将人体内部的结构重现为影像的各种仪器，其影像信息与人体实际结构有着空间和时间分布上的对应关系。需要指出的是，现代医学影像设备的发展已使“影像信息”不再是初期阶段时单纯意义上的“影像”涵义，它可以携带有人体机能、生化成分等生物学信息，形态学分析只是其基本内容，新概念的“影像”已成了综合信息的代名词。第2节 医学影像设备与诊断学的发展1895年11月8日，在医学影像学的历史上是一个不平凡的日子，德国物理学家伦琴(WKR oentgrn)偶然在实验中发现了一种从阴极射线管中发出的射线,它能够穿过不透明的物体，却又不能被透镜折射，它自身不能被看到，却能导致荧光物质发光并让感光胶片曝光，为此伦琴给这种未被知晓的“光线”命名为X线，尔后人们也常将X线称为“伦琴射线”。随后，伦琴利用X线拍摄了人体内部的骨骼照片(第1张照片是其夫人的手掌影像)，这一成功堪称医学影像史上的最早记录，以至于我们现在都把1895年纪念为医学影像史的开篇元年。伦琴因此在1901年荣获了首次颁发的诺贝尔物理学奖。最为欢欣鼓舞并且因此受益匪浅的当属医学界，利用X线对人体内部结构进行成像诊断的技术由此在全世界迅速普及开来，西方各国纷纷研制出了X线机的初级产品。受限于当时社会经济和科学技术的水平，X线机只局限于透视检查和摄影，机器的功能和性能并没有新的提高，而X线对于人体的辐射损伤也是在以后逐渐被认识到的。 1932年也是在德国，由柏林工科大学的鲁斯卡（E.Roska）和克诺尔（M.Knoll）根据对电磁波已有的物理认识,采用电子束成像，首先研制成功世界上第1台电子显微镜(electr onnic microscope,EM)。这是一次先有理论，后有实践的研究，从而有力地证实了信息载体的多样性。对于医学诊断，人类便有了从宏观到微观对人体结构全面分析的工具，鲁斯卡对于电子束和电镜成像的发明被誉为20世纪最重要的发现之一，荣获1986年诺贝尔物理学奖。在战争年代，军事与国防是尖端科技的主要应用目标；进入和平时期，维护人类健康便成了科学技术中最重要的主题方向。第次世界大战以后，1946年，声学和电子技术将海战时运用的声纳技术转化为医学中的A型超声（ultra-sonic，US）成像；美国哈佛大学的伯塞尔（Purceel）和斯坦福大学的布洛赫（Bloch）领导的两个研究小组，几乎在同一时期内，采用不同方法各自发现了物质的核磁共振现象（他们两人于1952 年被授予诺贝尔物理学奖）。20世纪50年代初期起，在已有的成像技术不断得到改良与提高的同时，新的成像方式又开始活跃涌现。原子能技术转化为核素医学成像，出现了各种同位素闪烁扫描仪和1958年问世的一次成像照相机；进入20世纪60年代，B型超声成像仪研制成功，其连续的动态实时影像为医学诊断提供了更新的手段。 20世纪70年代以后，自从美国的阿波罗登月计划完成以来，大批优秀的电子和计算机等技术方面的科学家、工程师纷纷转向了生物医学工程研究和医疗仪器设备制造领域，从此医学影像设备得到了空前的发展。在物理、化学、机械、真空、电子、电磁和计算机等相关学科技术的支持下，医学影像技术进入了成熟期，开始普遍地实用于人体解剖、组织学分析和临床诊断学等形态学科领域。1972年，第1台X线计算机断层成像仪（X-ray computed tomograph y，X-CT）的问世给医学影像诊断技术带来了新的革命，这使影像的信息量得到了非常显著的提高，成为X线被发现以来医学影像技术史上新的里程碑。因此，两位研制医用CT机的学者：美国的物理学家考马克(A.M.Cormack)和英国工程师豪恩斯菲尔德（G.N.Hounsfi eld）获得了1979年度的诺贝尔医学和生理学奖。 20世纪80年代前后，出现了第1台用于头部的单光子发射型计算机断层成像仪（single phot on emission computed tomography，SPECT）成为核素成像的应用典型，多普勒（Doppler）技术开始应用于超声成像领域，而磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）原理更显示出它在医学影像中的重要价值。在MRI成像仪问世以后，着实让放射科医生们醒悟到：几十年来沿用的放射学、放射科和放射诊断中的“放射”一词似乎过于狭义，而只会观察X 线胶片已不能适应医学影像学的快速发展。MRI 和US 既无创伤又无损伤的成像方式，明显地映照出其他成像方式给受检者带来创伤或损伤的弊端，激励其向着无损或微损方向改进。另一方面，MRI和核素成像除了对人体结构的影像揭示外，还能提供功能上的信息，由此引发医生们产生了“成像方式已经多元化，影像诊断也应综合化”的新认识。迄今，X-CT、US 、MRI和ECT已被公认为医学影像诊断的四大成像技术方式。 20世纪80年代中期，在电子技术、计算机、网络通讯和全球数字化浪潮的推动下，医学影像设备在不断提高性能、拓宽功能的基础上，也普遍实现了自动化、智能化。并且由于尖端技术的应用，使得各类影像设备的更新换代速度加快，提高影像质量、缩短成像时间、降低有害辐射成了影像设备发展的总趋势。US成像队伍中出现了彩色多普勒血流成像仪(color do ppler flow image，CDFI);核素成像家族新添了正电子发射断层成像仪(positron emiss ion tomography，PET)；MRI采用了超导高场强技术；传统的X线摄影开始向数字化进程迈 入，出现了以计算机放射成像(computed radiography，CR)来代替感光胶片的新装置；小型的网络通讯系统开始在局部区域内传输医学影像。20世纪90年代以来，相继涌现了螺旋C和超高速电子束CT（EBCT，或称UFCT），在发达国家的医疗机构中，医学影像的网络通讯已进入了实用阶段，能高速传递影像和其他医学信息的网络可使医生们方便地检索、调阅影像，实现多方会诊、信息同时共享和远程通讯。 医学影像设备的发展过程，推进了医学诊断从“放射诊断学”到“影像诊断学”以至现代的“影像信息综合分析诊断学”，同时，由于医学影像设备均是多学科技术间的汇集和渗透， 从而造就了新的交叉学科医学影像工程学。第3节 典型医学影像设备的性能特点一、常规X线成像设备 X线（X-ray）机利用X线穿透人体时，人体组织对X线的衰减程度不同，因而投射在荧光屏或胶片上可形成不同亮度（或密度），呈现出对比度差异的影像信息。X线机现在仍然是临床医师最常规的诊断工具之一,虽然它存在着信息效率低、影像重叠、对软组织鉴别能力差、射线对人体有一定损伤等缺点,但由于它的适用范围广,信息量大,影像丰富细腻,尤其是实时;形态观察方面,在骨科、胸科、断肢再植、介入放射治疗等临床应用上,有着不可比拟的优势;。同时,一些由X线机衍生的辅助设备和技术，如体层摄影、放大摄影、立体摄影、数字减影和各种腔内造影等，使得这个传统诊断技术在骨骼系统、胃肠道、心血管造影和动态观察方面仍具有举足轻重的地位。现代X线诊断技术的重要突破与发展有两个方面：X线数字减影血管成像系统（digital subtracted angiography，DSA），它将常规的X线技术与现代计算机技术相结合，减除不必要的影像背景，清晰地显示临床诊断需要的血管影像；计算机数字摄影技术（CR），采用涂有荧光体微结晶平板（影像板）取代普通胶片，X线照射后能产生潜影，然后可通过激光扫描后激发，使之重新产生与原激励强度成正比的青紫色荧光，经采样得到数字影像。二、X-CT成像设备 X线计算机断层成像（X-ray computed tomography，X-CT）通过X线射束从各个方向对被探测的断面进行扫描，利用现代计算机技术对检测器获得的各个方向投影数据进行分析和处理，然后重建断层影像。它的影像对比度较高，最突出的优点是可实现断层成像，有选择地对人体某一切面进行观察分析，综合观察相邻断面的影像，可获得不完全连续的准三维结构信息。在另一方面，常规X线摄影是各种结构重叠的影像，在有骨骼的情况下,它将掩盖掉重叠的细节，这特别对脑部是一个难题，因为脑部所有的组织均为颅骨所覆盖。而X-CT却能成功地应用于头部诊断的成像，并且对胸部、肋部、腹部和脊髓的成像均有特殊的诊断价值。X-CT机从20世纪70年代产生以来发展很快，现在已发展到第5代。第14代主要是显示二维静止断层影像，第5代CT机又称之为动态空间重建装置（DSR）。这是一种全电子空间扫描系统，扫描速度小于1s ，可同时获得多个断面的投影数据，能很快获得立体影像，既能对静止或慢动的肌体组织做高密度分辨率检查，又能利用快速扫描的特点对心和肺的动态功能进行观察研究。近年来又有更先进的螺旋CT在临床上获得应用，它能在短时间内得到完整容积的扫描影像，通过X线射束围绕人体受检部位做螺旋性扫描，迅速而连续地采集大量数据，重建彩色三维影像，既能得到任意位置的断面影像，也能显示内部病灶结构。三、EM成像设备 电子显微镜（electron microscope，EM）是以电子束作为影像信息载体来成像的，有透射式（transmission electron microscope，TEM）和扫描式（scanning electron microscope，SEM）电镜之分。前者采用电磁线圈作为折射透镜来实现影像放大，影像的亮度（或密度）对应于被成像样品内部结构的疏密和对电子束吸收的衰减而形成差异；后者采用电磁偏转线圈控制电子束扫描被成像样品，样品的质地和表面形貌决定了反射电子能量的大小，转而在显示器上可再现放大了的样品形貌。EM是当今对超细微结构进行形态观察最有力的分析工具，分辨率( 能清晰分辨出两点间的最小距离)高是电镜独具的特别优势，其最高分辨率已超过0.2 nm(1nm=10-9m)，最新研制出的扫描隧道电子显微镜可以分辨出原子和原子间的隙距。另外，EM的信息容量大，辅之以X线波谱、能谱仪，可对样品进行定性、定量地分析。这对于生物医学分析,特别是病理诊断和基础医学科学研究有着十分重要的意义，并已获得非常普遍地应用。然而，它也存在着一些几乎无法弥补的缺点：必须在采样获得离体细胞后经过特殊制作才能进行观察，而观察过程又必须在高度真空的镜体内进行。这对临床诊断来说，采样将造成创伤，不能进行活体的实时观察分析。四、MRI成像设备 磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是一种崭新的医学成像技术，它采用静磁场和射频磁场对人体组织成像。在原子内部，电子、质子、中子都有自旋特性，当自旋的质子被置入一个外加磁场B时，就会绕着B方向进动。若人体内氢质子群被磁化后，再加上一个与B垂直的交变射频磁场，则质子群将吸收能量，从低能态跃迁到高能态，其进动相位趋于一致。当交变磁场一被切断，质子群就在弛豫时间内释放出能量，产生用于磁共振成像的信号，信号强度与质子密度、弛豫时间有关。由于MRI 是对质子成像，因此对软组织的成像比较清晰。作为人体形态学研究和临床诊断的一种工具，其空间分辨率高，在解剖学细节和影像低失真方面都不亚于X-CT，并且无电离辐射和放射损伤，所以在检查婴幼儿和子宫中的胎儿时，MRI是一种非常有价值的方法，对于需要做定期复查的疾病（乳腺癌）也是很有利的。另外要强调的是，MRI还可以根据其他参数来分辨密度相似的组织，特别是可以帮助鉴别有病的组织和邻近的正常组织，甚至还能进行分子结构的微观分析，反映出生理、生化等方面的功能，能从人体分子内部反映出器官失常和早期病变，有助于对肿瘤进行早期或超早期诊断。 对MRI内部存在的超强静磁场（某些机型可达到4 T 以上）和射频电磁场，目前还没有任何报导发现其可以对人体造成损伤。MRI在某些功能检查方面不如ECT；与X-CT相比，MRI的成像速度相对比较慢，通常前者仅需要几秒钟，而后者需要几分钟，这对于活体动态观察是不利的。但随着新型的MRI不断被研制出来，这一差距正被逐渐缩小，故医学影像学界都对磁共振成像设备的未来寄予厚望，多数学者认为MRI将是新世纪中最有前途的医学成像方式 。五、ECT成像设备 发射型计算机断层成像（emission computed tomography，ECT）是将某种放射性核素注入患者体内，核素在衰变过程中能向体外发射出建立影像的特定信息，所以ECT是以放射性核素作为显像剂来成像的。这种成像设备主要有两大类型：单光子发射型计算机断层成像仪，即SPECT（single photon ECT）和正电子发射型断层成像仪（positron emission tomo graphy，PET）。SPECT多采用Anger型探测器，探测器围绕患者旋转，从各个角度获取投影数据，然后由计算机重建出影像，信息的载体是核素衰变过程中释放出来的光子。而PET多采用环形探测器排列，采集各个方向上的投影数据，再以计算机建立影像，PET选用某种短寿命放射性核素注入人体内，这种核素在衰变过程中能释放出正电子，正电子在人体组 织中只能传播很短的几个毫米，然后就会与人体内存在的普通电子碰撞而湮没，从而产生一对能量相同、方向相反的光子射线，所以PET的探测器总是成对地排列在患者两侧的直线上构成环形。由于制造、运行成本过高和工作条件苛刻等原因，PET目前是各类医学影像中最为昂贵和最难普及应用的装置。目前，在双探头SPECT中采用电子符合线路探测技术能够实现部份PET功能，即所谓SPECT与PET二合一。 根据ECT的成像原理，其影像信息的形成取决于放射性核素药物在人体内的空间分布不同，而药物的浓度分布差异又与人体组织和器官的功能有关，因此ECT不仅仅能反映解剖结构关系，还可以研究有关代谢、生理或功能改变的问题，也可分析局部病理改变，诸如转移或原发性骨肿瘤、肺栓塞、肾功能、脑肿瘤或甲状腺疾病，对确定隐性疾病的有无和程度尤有临床价值。其缺点是对人体有一定损伤，影像分辨率低，信息量小。六、US成像设备 超声（ultra-sonic，US）成像是靠超声波在人体内传播，遇到不同组织和器官时，会因其声阻抗不同而产生声强度差异的回声来建立影像的。组织器官在空间位置上的不同，还将使回声产生出时间上先后的差异，以此做为影像重建的一个参数，即可以显示出人体结构形态上的对应关系。不同形式的US成像仪，采取的调制方式也不相同。目前，使用最为广泛的是B型超声诊断仪，其普及程度不亚于X线机，基层医院大都配置了不同档次的B超仪，大型医 院更配备了多台不同档次、不同功用的超声诊断仪，有的医院已将B超仪作为常规检查工具配备于相关科室。US的突出优点是对人体无损伤，这也是与X线诊断的重要区别之一，因此特别适用于产科和婴幼儿的检查。另外它能方便地进行动态连续实时观察，中档以上的超声诊断仪多留有影像信号输出接口，使所得影像易于采用多种方式（录像、打印、感光成像 、计算机存储等）记录存档。由于它是采用超声脉冲回声方法进行探查，所以特别适用于腹腔脏器、心、眼科、妇产科的诊断，而对有骨骼覆盖或含气体的器官组织如肺部，则不能较好地成像,这与常规X线的诊断特点恰好可以互相弥补。从信息量的对比上看，超声诊断仪采用的是计算机数字影像处理，目前较X线胶片记录的影像信息量和清晰度稍低。近年来彩色超声多普勒成像仪的广泛应用，使US成像在心血管和运动性器官的诊断上，呈现出重要的临床价值。而介入式US成像仪又将诊断和介入治疗紧密地结合在一起，无损无创、快速实时连续、操作方便等特点给医生和患者都带来了极其有利的条件。七、PACS �� 影像存档和通讯系统 医学影像存档和通讯系统（picture archiving and communication system，PACS）是以计算机服务器、通讯网络、影像及其他信息的输入、输出和存储装置，以及显示终端，将各种成像设备仪器连接在一起的一套系统。这种系统利用新型存储介质如磁盘、光盘等取代传统的胶片，采用电缆或光缆网络进行高速传输，把各类医学影像存储、管理起来，并可根据需要在医院任何科室和部门间传递、调用和拷贝。还可以通过网际传播，将信息送达网络所能伸延到的每一个地方。它不仅可以从根本上改变医学影像资源传统上的采集、存储、处理、传输方式，也为医学影像的综合利用、发展综合的医学影像诊断学和技术融合提供了物质基础。随着计算机与网络技术的快速发展，PACS必将走进每个医院，成为医学影像领域中不可缺少的存档和通讯系统。八、不同成像方式的技术与应用特点 几种典型成像方式的技术特点详见表1-1。表1-1 几种典型成像方式的技术特点对照设备类型成像方式成像依据信息量对人体影响特点X线直接透射成像密度和厚度大有损伤形态全貌影像精细X-CT数据测量重建吸收系数中有损伤密度分辨率高适应范围广EM透射或反射密度、厚度或表面形貌大有创伤分辨率极高适于早期诊断MRI数据测量重建氢核的物理状态中无损、无创最适用于软组织，可表达功能和生化信息ECT数据测量重建核素的浓度于分布小有损伤可检查器官的血流、生理功能和代谢功能US数据测量重建组织或器官的声反射中无损、无创动态影像，适用于动态影像各种医学影像设备的成像原理不同，其临床适用特点也不完全相同，彼此只能互补而不能取代。例如：超声脉冲适用于腹腔器官或心的成像，而利用X线对腹部进行检查，只能显示极少的腹部器官。如果采取一些特殊措施，如用X线造影法，则可有选择的对特定的器官显像。对于胸腔，因肺部含有空气而不宜用超声检查，但可用X线获得较为满意的影像。PET能很好地获取脑功能和代谢的诊断信息，对显示癜痫病灶、早期脑疾患较灵敏，但空间分辨率和组织对比分辨率均比MRI要低，可是MRI又显示不出癜痫病灶；X-CT对钙化的显示很敏感，但对软组织对比分辨率较低，而MRI对显示钙化不敏感，对软组织对比分辨率却很高，易于发现和显示肿瘤全貌；X线数字减影（DSA）技术较X-CT、MRI 能更清楚显示颅内细小的血管分支，但不能显示周围结构，若将DSA与MRI 或X-CT影像结合，则能显示出血管及周围结构。因此采用多种医学影像融合诊断技术，并建立相应的诊断标准，将有助于更全面地观察病变与周围组织结构的关系，早期发现病变并及时作出定性和定量的诊断。第2章 X线成像设备第1节 X线成像设备发展史自从1895年伦琴发现X线以来，在医学领域首先应用于拍摄、透视骨像，然后从外科领域逐步过渡到内科领域，使X线的应用范围扩展到那些自然对比度较差(吸收差较小)的组织、器官(胃、肠道、支气管、血管以及脑室等），使X线诊断技术日益成熟。 医用X线诊断技术是世界上最早应用的非创伤性体内器官的检查技术。 一、线机的研制历程 从出现X线机到现在100多年的历史中，常规X线技术发展十分迅速，大体上可分为以下4个时代： 气体线管和感应圈时代(18951916年）。 这个时代的X线机主要是由气体X线管和感应圈组成，或由静电起电机组成。伦琴使用的X线机的管电压只有40kV50kV，管电流强度电流仅有1mA，当时拍摄一张手的X线照片要用30min1h。 热电子线管、变压器式高压发生器的实用化时代（19101925年）。 这个时期由于考林杰发明了热电子线管，纳斯科开发了变压器式高压发生装置，从而奠定了现代X线设备的基础。 防电击、防散射线设备的实用化时代（19251945年）。 在这个时代的前半个时期，防电击、防散射型线机，三相高压发生器，电容充放电线装置，旋转阳极线球管相继出现，可以说是诊断线机的成熟时代。在年，西门子公司已能生产单相全波、k、,k、的线机；同年也制成了三相六峰k、1000的线机等产品。 高条件、大容量、控制技术现代化时代（年现在）。 大功率旋转阳极线球管的问世是线机大功率化的前提，并使线像质有了明显提高，使某些活动器官的诊断和细微结构的放大摄影成为可能。在这个时期各种辅助装置相继出现，也使线机本身及有关线诊断技术得到进一步的改进和提高，如断层、记波和光学缩影等。这时线成像设备已成为基础研究和临床各科诊疗工作中不可缺少的常规设备了。20世纪年代初，线影像增强器的出现，使诊断线机的性能和应用范围有了一个新的发展。最引人注目的是线电视、录像和间接动态摄影技术的出现，它们在一定程度上解决了动态检查、影像再现等问题，简化了操作，机械运动更灵活、安全，X线防护措施更完善，为现代医疗技术发展提供了日益完善的诊断手段。与此同期，尽管出现了一系列的新的影像技术，如型超声、红外热像、纤维光学内窥镜等，但线成像设备仍显示出越来越重要的地位。 20世纪年代初，电子技术飞速发展，特别是20世纪年代以来，电子计算机和信息技术渗透到各行各业，线技术和设备发生了更深刻的变化，X线计算机断层扫描（X-） 的出现是线技术的一个重要突破。从而使线诊断学向包括X-影像、核素成像、红外热像、超声影像等的影像综合诊断学拓延。与此同时，线机已不再是一个简单的机电产品，而发展成为一类包含多学科技术的医用工程设备。 二、现代医学对线成像设备发展的要求 由于现代医疗技术的进步，对线成像设备的要求也越来越高，越来越严格，概括起来主要包括提高成像质量、降低照射剂量和实现操作自动化3个方面，其针对性的改良措施于下面详述。 1.提高线成像质量 ()高压发生装置中频化 高压发生装置由工频（）变压器式结构改为中频或高频（k）逆变器式。这将在以下各方面显示其优点：线频谱单色化。即提高了线质的平均强度（半价层）或感光 有效成分。由于中频机电压脉动量小，它提供的线质量与三相十二峰相当，因此皮肤剂量低，曝光时间短，成像质量高。线输出稳定。中频机一般采用桥式串联逆变电路，可以通过调频而获得不同的电压值，同时达到自动稳定电压，且不存在电压和空间电荷补偿问题。实现了变压器结构小型化。按照/(fnA)常数的规律，要得到同样电压，如果频率增加若干倍，则变压器绕组匝数和铁芯截面积的乘积就可以减少至若干分之一。有利于向智能化发展。中频机已经全部电子化，很容易引进微机技术。微机的应用将使线成像设备的性能提高到一个崭新的水平，为线影像数字化创造了条件。 ()采用特殊造影方法 为适应不断提高成像质量的要求，出现了一系列特殊造影法（如心血管造影、小片摄影、乳腺摄影等新技术），开发出了各种型号和规格的旋转阳极线球管。 ()采用足够短的曝光时间来减少影像的动态模糊度 为此，需用大功率线管和供电主机，选用能供给接近直流或矩形脉冲的高压电路；选用动作迅速的无触点开关或高压控制元件；采用自动曝光控时装置和自动负载调整系统，充分利用线管的负载特性以达到进一步缩短曝光时间的目的。 2.降低对医务人员和受检者照射量的措施 ()选用间接摄影方式、稀土增感屏、高敏感胶片。 ()采用线电视系统或脉冲录像装置以及其他高效能荧光转换器件。 ()采用大功率短时间曝光、新型狭缝摄影法等。 3.实现操作和诊断自动化的手段 ()采用脉冲透视的摄影条件自动化、智能化。 ()采用器官部位选择摄影条件的单钮技术。 ()采用遥控诊视床，包括自动透视亮度调节、自动照射野调节、自动定位等装置来进行摄影。 因此，现代线成像设备的设计和制造，除从自身经济上和工艺上的考虑外，大都是按上述思路进行改进的。第2节 X线的产生与性质一、线的产生 年德国物理学家伦琴在研究阴极射线管中气体放电时，用一只嵌有2个金属电极（1个阳极，1个阴极）的密封玻璃管，将管内空气抽出，并在两电极端加上几万伏的高压。 为了防止高压放电时的光线外泄，在玻璃管外面套上一层黑色纸板，他在暗室中进行这项实验时，偶然发现距玻璃管 远的地方，一块用铂氰化钡溶液浸泡过的纸板发出了明亮的荧光。再进一步试验，用纸板、木板、书都遮挡不住这种荧光，更令人惊奇的是，当用手去拿这块发荧光的纸板时，竟在板上看到了手骨的影子。当时伦琴认定这是一种人眼看不见、但能穿透物体的射线。由于当时无法解释它的原理，不明它的性质，故借用数学中代表未知数的“”作代号，称为线，一直延用至今。由于伦琴的发现，逐渐形成了一门崭新的学科��医用放射诊断学。他的发现在人类历史上具有极其重要的意义，为自然科学中的医学开辟了一条崭新的道路。为此，年伦琴荣获首届诺贝尔物理学奖。 由此，我们知道，线是在稀薄气体放电和阴极射线的实验中被发现的。线被发现后，人 们努力研制产生线的仪器，找到了每当高速带电粒子撞击物质而突然受阻时都能产生线 的规律。在实际应用中用于获得线的带电粒子都是电子。现在所用的一切人工线辐射源 ，都是利用高速电子撞击靶物质而产生的。 概括起来，产生线必须具备3个条件： 要有一个电子源。能根据需要，随时提供足够数量的电子，这些电子在电场作用下奔向阳极，便形成管电流。这个电子源在阴极端。 要有一个能经受高速电子撞击而产生线的靶，即阳极。 要有高速电子流。为获得高速电子流需具备2个条件，其一是有一个由高电压产生的强电场，使电子从中获得高速运动的能量；其二是有一真空度较高的空间，以使电子在运动中不受气体分子的阻挡和电离放电而降低能量，同时，也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁。 二、线的各种作用 线是一种波长极短、能量很大的电磁波。因此线除具有可见光的某些性质外，还具有自 身的特性。当线通过物质时，由于线光子与构成物质的原子发生相互作用而产生光电效 应、康普顿效应和电子对效应等，在此过程中由于散射和吸收使线强度被减弱。X线通过 物质的减弱程度不但与吸收物质的性质、密度和厚度有关，还与X线自身的性质有关。 1.物理作用 ()穿透作用 因为线的能量很大，波长很短，故能穿透 物质的原子间隙，但其穿透程度与物质的性质、结构有关。线束进入人体后，一部分被吸 收和散射，另一部分透过人体沿原方向传播。透过X线光子的空间分布与人体结构相对应，这便形成了线影像。在这里，透过的光子与被衰减的光子都具有同等重要性，如果全部光子都透过，则胶片呈现均匀黑色，没有任何影像；如果所有光子都被衰减，则胶片呈现一片白色，也没有任何影像。可见，线影像是人体的不同组织的密度和厚度对射线引起不同衰减的结果。人体各组织对线的衰减按骨、肌肉、脂肪、空气的顺序由大变小。一些组织比其他组织能衰减更多的射线，这种差别的大小就形成了线影像的对比度。为了扩大线的诊断范围，还常用各种人工造影检查技术增加组织间的对比度。在线通过人体的衰 减中，组织的密度是最重要的因素。在一定厚度中，某一组织的密度影响着阻止射线的能力 ，与被阻挡的光子数量成正比，而与能透过的光子数量成反比。由于组织密度的差异， 形成了线影像。 ()荧光作用 某些物质受到线照射时会产生荧光，如磷、铂氰化钡、硫化锌镉等，因而可制成：荧光屏。在一块特制的平板上涂上一层 荧光物质的荧光屏板，当线透视时，被线照射会产生荧光。增感屏。在摄影时，把特制的涂有荧光物质的屏板置于暗盒前后壁，胶片在中间，线照射时，胶片对所见荧光的感光可达，而无增感屏时，胶片所受X线直接感光不到。增感 屏可使被检者受到的照射量大大减少。 ()电离作用 具有足够能量的X线光子照射物质时，使核外电子脱离原子轨道，这种作用叫电离作用。在光电效应和散射研究中，出现光电子和反冲电子脱离其原子轨道的过程叫一次电离，这些光电子或反冲电子在行进中又和其他原子碰撞，使被击原子逸出电子为二次电离。在气体中较固体和液体中电荷的电离容易，因此，可以利用电离电荷的多少来测定X线的辐射量，许多X线测量仪器都是根据这种原理制成的。 2.化学作用 (1)感光作用 当X线照射到胶片上的时候，由于电离作用，使溴化银药膜起化学变化，出现银粒沉淀，这就是X线的感光作用。银粒沉淀的多少，由胶片受X线的照射量而定，再经化学显影，变成黑色的金属银，组成X线影像，未感光的溴化银则可以被定影液溶去。X线摄影就是利用这种X线化学感光作用，使人体结构影像显现在胶片上。 (2)着色作用 某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经X线长期照射后，其结晶体脱水而改变颜色，这就叫着色作用。 3.生物作用 X线对生物组织细胞具有损伤的作用，称为X线的生物效应。可分为随机效应和非随机效应。随机效应是指发生伤害(并不达到严重程度)的几率与剂量的大小无关。对这种效应不存在剂量的阈值，任何微小的剂量均可能引起效应，只是发生的几率极其微小而已。随机效应主要表现形式是致癌效应和遗传效应。非随机效应的严重程度则随着剂量的变化而变化，对这种效应可能存在着剂量的阈值。过量或累积性的X线照射可以引起机体某些损伤，比如血液和造血器官的变化，眼晶体的改变，放射性皮肤损伤，性细胞的损伤引起生育能力的损害，胎内照射效应(胎内致死、畸形或发育障碍)等；所以X线工作者一定要重视防护，要学习和掌握必要的防护知识，充分利用各种防护器材，如铅板、铅玻璃、铅橡皮、衣裙和手套等，既要保护自己，也要保护受检者。另外，对人体不同组织，损伤的程度是不同的，凡生长力强和分裂活动快的组织细胞，对X线也就特别敏感，也越容易受到损害；X线停照后，恢复也慢。如神经系统、淋巴系统、生殖系统和肿瘤细胞等对X线都很敏感。而软组织如皮肤、肌肉、肺和胃等对X线敏感性较差，破坏性也相对小一些。在X线治疗上正是恰当地利用了这种特性。X线的生物效应归根结底是X线的电离作用造成的。 三、线的质和量 在应用和深入了解线之前，首先对线本身要建立一个量度标准，以便区别不同的线及其对物质的不同作用。 1.物理方面射线的量和质 在一定时间内，通过与射线方向垂直的单位面积上的辐射能量，叫做线的量。换句话说，从物理意义上讲，线的量就表示在单位时间内线线束内的光子数。线穿透物质的本 领或者说这些光子的能量就表示线的质（或硬度）。 2.诊断方面线的量和质 由于X线光子的能量大，穿透本领强，因此直接而准确地测定X线光子的量是困难的，但可根据X线的特性，用间接的方法来测量。在实际工作中利用X线的电离、感光、荧光、热等特性，制成了各种测量仪器来测定X线的量。目前应用最广泛的是利用量度X线在空气中产生电离电荷的多少来测定X线的照射量。 X线管的管电流决定于阴极灯丝电流，管电流愈大表明阴极发射的电子数愈多，则电子撞击阳极靶产生的X线量也愈多。X线的照射时间，是指X线机对X线管加上高电压而产生X线的时间，显然X线的照射量与照射时间成正比。所以在X线的诊断应用中，可以用X线管的管电流与照射时间的乘积来表示X线的量，通常以毫安秒(mAs)为单位。 X线的质又叫线质，它表示X线的硬度，即穿透物质的能力。X线的质只与光子能量有关 而与个数无关。常用X线束的成分是连续能谱，当它穿透物质后能量分布又有不同变化，因而完整地描述它的线质比较复杂。由于一般情况下，并不需要严格的能谱分析，因此通常用表示X线穿透能力的半价层来表示X线的质，半价层就是使一束X线的强度减弱到其初始值一半时所需要的标准物质的厚度。X线束对不同物质的穿透能力(也就是不同物质对X线的吸收能力)各不一样，这样对一束X线 ，描述其质的半价层可用不同标准物质的不同厚度来表示。诊断用X线通常用铝作为表示半价层的物质，半价层愈大表示X线的质愈硬。在X线的诊断应用中，以X线管电压的大小来描述X线的质，是一种间接但却很确切实用的方法。管电压形成的电场对阴极电子加速使其获得足够能量撞击阳极靶而产生X线，管电压愈高，电子从电场中得到的能量愈大，撞击阳极靶面的力量愈强，产生的X线穿透能力愈大。所以管电压能反映X线的质。第三节医用X线设备的构成和分类一、线机的构成 线是由高速运动的电子束撞击物质而突然受阻时产生的。如前所述，要产生线需具备以下条件：有高速运动的电子流；有能承受高速电子撞击的阻挡物；为获得高速电子流而应有的高真空和高电压。医用线机就是根据线产生的必备条件，结合医学临床诊断和治疗的需要，设计制造的一种把电能转换为线能的综合性医疗仪器。它的型号不一，结构差异很大，但其基本构成可以分为X线发生装置和辅助设施两大部分。 1.线发生装置 是指完成线产生并对其进行控制的装置。它由4个部件组成。 ()控制台是控制线的输出时间，调节线的质和量，并对其进行指示的装置。 ()高压发生器是为线管提供直流高压的装置。由于电路结构的需要，为线管灯丝提供加热电流的线管灯丝变压器也设置在高压发生器中。 ()线管是将电能转换为线能的关键部件，由线球管和管套组成 。 ()高压电缆是连接高压发生器与线管的多芯绝缘导线。 2.辅助设施 是指为满足临床诊疗的需要而设计的各种与线发生装置配套的设施。主要有：支持线 管的各种机械装置，如天轨、地轨、立柱、吊架等，安置人体进行线检查的各种检查床， 如摄影床、诊视床，将荧光影像转换成电视影像的影像增强器和线电视，以及用于心血管检查的各种配套设施等。 二、线设备的分类 医用线设备按其使用目的分为诊断和治疗两大类。 1.诊断机 是指利用线透过人体所形成的各种影像对患者进行诊断的线机。它又可分为多种类型。 ()按结构形式分类主要有： 便携式 这种线机结构简单，重量轻，装卸方便，整机机件可分别装于手提箱或背包内携带，适合院外做流动性临时检查； 移动式 这种线机结构紧凑，体积小，线发生装置和应用设施紧凑地组装在机座上，其机座置有滚轮或装有电瓶车，人力或电力驱动，移动方便。它能在病房内做流动性床边透视和摄影检查，如配有影像增强器和线电视，可进行监视和介入性治疗； 固定式 这种线机机件多而重，结构复杂，需固定在专用机房内使用。这类机器对供电电源、机房、安装、调试等都有严格要求。 ()按输出功率分类 是指按线管的标称功率如、 k等，在我国通常以线管允许通过的最大管电流的大小分类： 小型机 最大管电流在以下的线机； 中型机 最大管电流在的线机； 大型机 最大管电流在以上的线机。 ()按使用范围分类大致为2类： 综合性线机 具有透视和摄影等各种功能，适合做多种疾病和部位检查的线机； 专用线机 为适应某些专科疾患检查的线机，如牙科线机、乳腺摄影线机、心血管造影线机。 2.治疗机 根据线的生物效应，对疾患进行治疗的线机，按其用途可分为3类。 ()接触治疗机主要用于治疗皮肤表面或体腔浅层的疾患。 ()表层治疗机主要用于较大面积的皮肤或浅层疾患的治疗。 ()深部治疗机主要用于组织深部疾患的治疗。 三、诊断用线机的不同功能 诊断用线机，因其结构、输出功率不同，其功能各异。现以中型线机为例，简述其具有 的各项功能。 1.线透视所谓透视，就是利用线具有穿透作用和荧光作用这两大特性，借助荧光屏而实现的一类诊断方法。 ()普通透视利用人体不同组织间的密度差异，或正常组织与病变组织间的形态差异，形成密度(或亮度)对比的影像而进行诊断的方法。 ()胃肠钡剂透视由于消化道组织间缺乏密度差异，普通透视不易发现疾患，故需口服能吸收线的硫酸钡，方能形成具有明显对比的影像，以对疾患作出诊断。 2.线摄影 借助线机各种摄影装置将被检部位的影像记录在线胶片上而进行诊断的一类方法。 ()普通摄影是指线透过人体直接照射到装有线胶片的暗盒上，使胶片感光而形成影像的摄影方法。 ()滤线器摄影为了提高影像清晰度而采取的一种摄影措施。因为线穿过人体时，其中一部分因人体组织的作用而产生一些方向不一、波长较长的线，称散射线或二次射线。这些散射线也会使胶片感光，造成影像模糊不清，对比度下降。为了消除这种影响，在线机结构上设计了滤线装置，称滤线器。在普通X线摄影中，根据需要增设滤线器的方法，即滤线器摄影。 3.胃肠摄影又称点片摄影，是专为显示消化道影像而采用的一种摄影方式。 4.体层摄影也称断层摄影，是专为摄取人体内部某一断面结构上的影像所采用的一种摄影方式。 因为在上述前3种摄影方式中，由于人体组织投影相互重叠，所形成的影像必然是组织重叠在一起的复合影像，这种影像会使某些具有诊断意义的病变显示不清，造成诊断上的困难。为消减这一弊端带来的影响可采用断层摄影方式。第4节 X线成像设备的结构与原理一、线的产生装置 根据线的产生原理，人们研制出了一整套将电能转变为线能的装置，该装置是线机中最重要的组成部分。它能根据不同需要产生量和质可以随意控制的线束。 线机的结构和形式，随着科学技术的发展和使用要求的不同而有很大差别，但其产生线的原理都是一样的。 线机的基本结构如图2-1所示.图2-1 X线机基本结构框 现将各部分原理和作用分述如下。 1.线球管线球管可谓线机的心脏，它是产生线的关键部件。是一个高真空器件，产生线的实质是能量转换，根据产生线的条件，高速电子所携带的能量，在遭到急剧阻挡后，大部分转变为热能，很小的一部分能量转变为线，线球管是一个转换效率极低的能量转换元件，在此过程中大约有左右的能量被转换成热能而被浪费掉，不仅如此，人们为了解决这大量的热带来的问题又投入了较大的精力去研究如何散热，尽管如此，线的作用和影响仍然是非常重要的。 线球管从结构上分为固定阳极和旋转阳极2种。 固定阳极线球管 固定阳极线球管的阳极固定不动，电子由热阴极发射，具有线量和质可以任意调节的特点。因其功率小、焦点较大，已满足不了飞速发展的线影像技术的要求，目前仅用于小型和部分中型线机中。 构造与作用 固定阳极线球管的结构主要由阳极、阴极和玻璃壁部分组成，如图2-2所示。图2-2固定阳极X线球管的结构 阳极由靶面、铜体、阳极罩、阳极柱4部分组成。阳极的作用是产生线，散热，吸收二次电子和散射线。靶面受电子轰击，而电子动能的约99%转换为热能，只有1%左右转换为线，故靶面材料多选用高熔点且线发射率较高的金属钨制成（熔点为3370，原子序数）。由于钨的导热率小，故一般通过真空熔焊的方法把钨靶焊接在无氧铜体上，以便具有良好的散热能力。阳极罩在靶外面，也由无氧铜制成，其作用是吸收二次电子和散射线。高速电子轰击靶面时，会有少量电子从靶面反射回来，称为二次电子，其能量为原来的左右。二次电子若轰击在玻璃壳上，会使玻璃壳温度升高而渗进气体分子，降低管内真空度，热量不均匀时甚至会使玻璃壳击穿漏气；二次电子也可能再次轰击靶面，辐射出大量的散射线，严重地影响成像质量。加设阳极罩可以大大减轻上述危害。 阳极柱由紫铜制成，铜体延伸出管外，通过与外部油液之间的传导作用把热传递出去。阴极由灯丝和集射罩组成，其作用是发射热电子和聚焦，使打在靶面上的电子束具有一定的形状和大小，形成线球管的焦点。 灯丝由钨制成，绕成螺管状，作用是发射电子。灯丝通电后，温度逐渐上升，至一定值后开始发射电子，发射电子的能力与灯丝温度(或灯丝消耗的功率)密切相关。根据W I2R(W为灯丝消耗的功率，I为灯丝电流强度，R为灯丝电阻)，RLS(为灯丝电阻率，L为长度，S为灯丝截面积)，温度与灯丝电流密度(单位截面积上的 电流强度)之间的关系如图2-3所示。图2-3灯丝的电流强度与温度之间的关系 当灯丝温度低于2400 时，随着电流(或者说电流密度)的升高温度增加较慢；而温度高于时，电流稍提高一点，灯丝温度却增加很多。所以在调试管电流时，应特别注意这一点。而且，灯丝点燃时间越长，工作温度越高，蒸发越快 ，灯丝寿命越短。如果灯丝电流比额定值升高，灯丝的寿命可以缩短1倍。所以灯丝加热电流应严格限制在额定值以下使用，同时应尽量缩短高温点燃时间。 集射罩的作用是对灯丝发射的电子进行聚集。当灯丝发射大量电子后，接通高压时，