X 线成像的基本原理与设备

1、X 线成像的基本原理与设备 一、X线的产生特性 (一)X线的产生 1895年，德国科学家伦琴发现了具有很高能量，肉眼看不见，但能穿透不同物质，能使荧光物质发光的射线。因为当时对这个射线的性质还不了解，因此称之为X射线。为纪念发现者，后来也称为伦琴射线，现简称X线(X-ray) 。 一般说，高速行进的电子流被物质阻挡即可产生X线。具体说，X线是在真空管内高速行进成束的电子流撞击钨(或钼)靶时而产生的。因此，X线发生装置，主要包括X线管、变压器和操作台。X线管为一高真空的二极管，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。变压器为提供X线管灯丝电源和高电压而设置。一般前者仅需12V

2、以下，为一降压变压器；后者需40150kV(常用为4590kV)为一升压变压器。操作台主要为调节电压、电流和曝光时间而设置，包括电压表、电流表、时计、调节旋钮和开关等。在X线管、变压器和操作台之间以电缆相连。 X线的发生程序是接通电源，经过降压变压器，供X线管灯丝加热，产生自由电子并云集在阴极附近。当升压变压器向X线管两极提供高压电时，阴极与阳极间的电势差陡增，处于活跃状态的自由电子，受强有力的吸引，使成束的电子，以高速由阴极向阳极行进，撞击阳极钨靶原子结构。此时发生了能量转换，其中约1%以下的能量形成了X线，其余99%以上则转换为热能。前者主要由X线管窗口发射，后者由散热设施散发。 (二)X

3、线的特性 X线是一种波长很短的电磁波。波长范围为0.000650nm。目前X线诊断常用的X线波长范围为0.0080.031nm(相当于40150kV时)。在电磁辐射谱中，居射线与紫外线之间，比可见光的波长要短得多，肉眼看不见。除上述一般物理性质外，X线还具有以下几方面与X线成像相关的特性： 穿透性：X线波长很短，具有很强的穿透力，能穿透一般可见光不能穿透的各种不同密度的物质，并在穿透过程中受到一定程度的吸收即衰减。X线的穿透力与X线管电压密切相关，电压愈高，所产生的X线的波长愈短，穿透力也愈强；反之，电压低，所产生的X线波长愈长，其穿透力也弱。另一方面，X线的穿透力还与被照体的密度和厚度相关。

4、X线穿透性是X线成像的基础。 荧光效应：X线能激发荧光物质(如硫化锌镉及钨酸钙等)，使产生肉眼可见的荧光。即X线作用于荧光物质，使波长短的X线转换成波长长的荧光，这种转换叫做荧光效应。这个特性是进行透视检查的基础。 摄影效应：涂有溴化银的胶片，经X线照射后，可以感光，产生潜影，经显、定影处理，感光的溴化银中的银离子(Ag+)被还原成金属银(Ag)，并沉淀于胶片的胶膜内。此金属银的微粒，在胶片上呈黑色。而未感光的溴化银，在定影及冲洗过程中，从X线胶片上被洗掉，因而显出胶片片基的透明本色。依金属银沉淀的多少，便产生了黑和白的影像。所以，摄影效应是X线成像的基础。 电离效应：X线通过任何物质都可产生

5、电离效应。空气的电离程度与空气所吸收X线的量成正比，因而通过测量空气电离的程度可计算出X线的量。X线进入人体，也产生电离作用，使人体产生生物学方面的改变，即生物效应。它是放射防护学和放射治疗学的基础。 二、X线成像的基本原理 X线之所以能使人体在荧屏上或胶片上形成影像，一方面是基于X线的特性，即其穿透性、荧光效应和摄影效应；另一方面是基于人体组织有密度和厚度的差别。由于存在这种差别，当X线透过人体各种不同组织结构时，它被吸收的程度不同，所以到达荧屏或胶片上的X线量即有差异。这样，在荧屏或X线上就形成黑白对比不同的影像。因此，X线影像的形成，应具备以下三个基本条件：首先，X线应具有一定的穿透力，

6、这样才能穿透照射的组织结构；第二，被穿透的组织结构，必须存在着密度和厚度的差异，这样，在穿透过程中被吸收后剩余下来的X线量，才会是有差别的；第三，这个有差别的剩余X线，仍是不可见的，还必须经过显像这一过程，例如经X线片、荧屏或电视屏显示才能获得具有黑白对比、层次差异的X线影像。人体组织结构，是由不同元素所组成，依各种组织单位体积内各元素量总和的大小而有不同的密度。人体组织结构的密度可归纳为三类：属于高密度的有骨组织和钙化灶等；中等密度的有软骨、肌肉、神经、实质器官、结缔组织以及体内液体等；低密度的有脂肪组织以及存在于呼吸道、胃肠道、鼻窦和乳突内的气体等。当强度均匀的X线穿透厚度相等的不同密度组

7、织结构时，由于吸收程度不同。在X线片上或荧屏上显出具有黑白(或明暗)对比、层次差异的X线影像。在人体结构中，胸部的肋骨密度高，对X线吸收多，照片上呈白影；肺部含气体密度低，X线吸收少，照片上呈黑影。X线穿透低密度组织时，被吸收少，剩余X线多，使X线胶片感光多，经光化学反应还原的金属银也多，故X线胶片呈黑影；使荧光屏所生荧光多，故荧光屏上也就明亮。高密度组织则恰相反,病理变化也可使人体组织密度发生改变。例如，肺结核病变可在原属低密度的肺组织内产生中等密度的纤维性改变和高密度的钙化灶。在胸片上，于肺影的背景上出现代表病变的白影。因此，不同组织密度的病理变化可产生相应的病理X线影像。人体组织结构和器

8、官形态不同，厚度也不一致。其厚与薄的部分，或分界明确，或逐渐移行。厚的部分，吸收X线多，透过的X线少，薄的部分则相反。在X线片和荧屏上显示出的黑白对比和明暗差别以及由黑到白和由明到暗，其界线呈比较分明或渐次移行，都是与它们厚度间的差异相关的。图1-1-3中的几种情况，在正常结构和病理改变中都有这种例子。A.X线透过梯形体时，厚的部分，X线吸收多，透过的少，照片上呈白影，薄的部分相反，呈黑影。白影与黑影间界限分明。荧光屏上，则恰好相反 B.X线透过三角形体时，其吸收及成影与梯形体情况相似，但黑白影是逐步过渡的，无清楚界限。荧光屏所见相反 C.X线透过管状体时，其外周部分，X线吸收多，透过的少，呈

9、白影，其中间部分呈黑影，白影与黑影间分界较为清楚。荧光屏所见相反.由此可见，密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是X线成像的基本条件。应当指出，密度与厚度在成像中所起的作用要看哪一个占优势。例如，在胸部，肋骨密度高但厚度小，而心脏大血管密度虽低，但厚度大，因而心脏大血管的影像反而比肋骨影像白。同样，胸腔大量积液的密度为中等，但因厚度大，所以其影像也比肋骨影像为白。需要指出，人体组织结构的密度与X线片上的影像密度是两个不同的概念。前者是指人体组织中单位体积内物质的质量，而后者则指X线片上所示影像的黑白。但是物质密度与其本身的比重成正比，物质的密度高，比重大，吸收的X线量多，影像在照片上呈白影。

10、反之，物质的密度低，比重小，吸收的X线量少，影像在照片上呈黑影。因此，照片上的白影与黑影，虽然也与物体的厚度有关，但却可反映物质密度的高低。在术语中，通常用密度的高与低表达影像的白与黑。例如用高密度、中等密度和低密度分别表达白影、灰影和黑影，并表示物质密度。人体组织密度发生改变时，则用密度增高或密度减低来表达影像的白影与黑影。 三、X线成像设备 X线机包括X线管及支架、变压器、操作台以及检查床等基本部件。60年代以来，影像增强和电视系统技术的应用，使它们逐渐成为新型X线机的主要部件之一。为了保证X线摄影质量，新型X线机在摄影技术参数的选择、摄影位置的校正方面，都更加计算机化、数字化、自动化。为

11、适应影像诊断学专业的发展，近30多年来，除通用型X线机以外，又开发了适用于心血管、胃肠道、泌尿系统、乳腺及介入放射、儿科、手术室等专用的X线机。技术设备改进与检查方法的新进展简介 X线诊断学近30年来，由于物理学、药理学、医学生物工程及电子工业的发展，促进X线诊断机硬件的改善，从而获得新的影像，促进诊断学的发展。 1大功率X线机、配备影像增强器及影像转化装置 X线机的基本结构为高压发生器、X线球管及控制台上三大部件。由于高压发生器及X线球管结构改进，使得球管能量（即功率）加大，可达100KV（Kilowatt），同时球管焦点微小（0.10.3mm,甚至0.05 mm），故摄取照片采用高mA短时

12、间曝光，X线摄像对比好，清晰度强。现在常用1000、1250或2000mA大型X线机作特殊检查及造影检查。近代X线机常配备影像增强器（Image intensifier，简称）及电视设备（Television,简称TV）。电视屏幕上影象亮度很大，能显示较小的病灶，比普通透视优越。操作可在比较明亮的机房或传送到其它房间内察看，后者称为隔室遥控检查，工作人员可避免射线的照射。有时还配备荧光缩影、磁带录象（Video-tape）及电影（Cine-radiography）装置，将影像记录留存，及时拍照脏器病变及功能变化，便于分析研究及会诊示教之用。上述荧光缩影、电视技术（包括录相）和电影照相等称为影像

13、转换装置，多用于胃肠检查，观察心脏搏动，特别是在大功率X线机上配备影像转换装置，对于心脏造影及各种血管造影的诊断准确性有明显的提高。影像增强器能减少X线用量。未配备的普通透视，X线球管需发射35mA才能达到诊断要求；而配备后，X线球管只须发射0.3 0.5mA,不仅合乎诊断要求，而且亮度比普通透视高。因此，既能减少球管损耗，又能降低患者及工作人员所接受的X线辐射剂量。 四、X线检查方法 （一）普通检查是应用身体的自然对比进行透视或照相。此法简单易行，应用最广，是X线诊断的基本方法。 1透视（Fluoroscopy） 使X线透过人体被检查部位并在荧光屏上形成影像，称为透视。透视一般在暗室内进行，

14、检查前必须做好暗适应，带深色眼镜并有暗室内适应一段时间。透视的优点是经济，操作简便，能看到心脏、横膈及胃肠等活动情况，同时还可转动患者体位，作多方面观察，以显示病变及其特征，便于分析病变的性质，多用于胸部及胃肠检查。缺点是荧光影象较暗。细微病变（如粟粒型肺结核等）和密度、厚度较大的部位（如头颅、脊椎等）看不太清楚，而且，透视仅有书写记录，患者下次复查时不易做精确的比较。 2照相（Radiography） 亦称摄影。X线透过人体被检查的部位并在胶片上形成影像，称为X线照相，胶片曝光后须经显影、定影、水洗及晾干（或烤干）等步骤，操作复杂，费用较贵。照片所见影像比透视清楚，适用于头颅、脊椎及腹部等部

15、位检查。照片还可留作永久记录，便于分析对比、集体讨论和复查比较。但照片不能显示脏器活动状态。一张照片只反映一个体位（体位即照相位置）的X线征象，根据病情和部位，有时需要选定多个投照体位。 照相体位：X线检查时，患者位于胶片（或荧光板、影像增强器、下同）与球之间，身体位置与胶片、球管的关系，称为体位。体位的名称，通常按两种方法命名： （1）按X线进行的方向命名：X线玩管位于检查部位的后面，胶片位于其前面，X线由后向前投照，故称为后前位。反之，X线由前向后投照，则称为前后位。 （2）按接近胶片的部位命名：某些部位检查时（例如心脏、脊椎等），须作斜位检查。以胸部为例，使旋转成右肩前方贴近胶片，则称为

16、右前斜位；反之，如左肩前方贴近胶片，则称为左前斜位。侧位投照亦然，依被检部位的某一侧贴近胶片命名，例如左例位和右侧位等。 （二）特殊缩影 1断层缩影（Photofluorography） 是在暗箱装置内，用快速照相机把荧光屏上的影像摄成70mm或100mm的缩小照片。这种照片的工作效率比透视高、费用低，还可减少接受放射线的剂量。机器可装成流动式，直接到部队、工厂、学校、农村，为广大工农兵作胸部体检。 2断层缩影（Tomography） 又称分层照相或体层照相。是应用一种特殊装置专照某一体层的影像，使该层影像显示清楚，而不在此层的影像模糊不清，这就可以避免普通照片上各层影像彼此重迭混淆的缺点。断

17、层照相常用于检查肺内包块、空洞及大支气管情况；此外，还可用于其它部位的检查。根据照相时X线球管转动的形式（即轨迹），断层照相分为几种。最常用的是直线式断层照相，设备简单，装置容易。另一种是多轨迹断层照相，除直线外，还有大圆、小圆、椭圆和梅花及螺旋形等轨迹，其优点是避免直线断层照片上纵行线条状影，且显示细微结构较好，既能取得薄层又能取得厚层影像，其中薄层照相对复杂微细结构（如中耳、内耳），能获得清晰的影像。 3. 钼靶软X线照相（Molybdenum target radiography） X线束含有不同的波长，线束波在长短决定于X线球管阳极靶面金属材料的原子序数。绝大多数的X线球管都使用钨靶，

18、钨的原子序数为74，能产生短波射线（硬线）多，穿透力强，适用于身体各部位的X线照相，但对于较薄的部位（如手指），特别是软组织，影像效果没有钼靶好。钼的原子序数为42，能产生长波射线（软线）多，穿透力强，适用于软组织X线照相，尤其多用于乳腺疾病的诊断。 4. 放大照相（Magnification radiography） 摄影时增加照相部位与胶片间的距离，使投照的影像放大，称为放大照相。为着使放大后的影像不致模糊失真，必须使用0.3mm以下的微焦点球管，使X线束窄小，从而获得病变放大后的清晰影像。此法可用于显示矽肺结节，对早期诊断有帮助，亦可用于显示骨骼的细微结构及早期破坏灶。 5. 高电压照相

19、 亦称高仟伏相，是指用120KV以上的电压拍照X线照片。1常用120150KV。其优点是X线穿透力强，以胸部照片而论，如被锁骨、肋骨或纵膈遮蔽的病灶容易显见；胸水或胸膜增厚遮蔽的肺部病灶也能够看到。 （三）造影检查 前已述及人体内有些器官与组织缺乏自然对比，须引入造影剂形成密度差异以下扼要叙述常用的造影剂与检查方式。 1造影剂及其种类 高密度造影剂含钡剂、碘制剂等。 钡剂（Barium）：使用医用硫酸钡，作钡餐与钡灌肠检查；或制成钡胶浆用于支气管造影检查。 碘制剂及分油剂与水剂、片剂（丸剂）等。 （1）油剂：A、碘化油（Oleum Iodinatum）是碘与植物油结合的机碘化物，无色或淡黄色，

20、不溶于水，能与水分散乳化。浓度40%的碘化油，用于支气管造影、瘘道造影、脓腔造影及子宫输卵管造影。乳化之碘化油可用作肝癌之栓塞剂。碘化油如有游离磺分支，其色变为棕红色，则不可使用。B碘苯酯（Iophendylatum）无色或淡黄色油状液体，不溶于水，粘稠度比碘油低，适用于脊髓造影及脑室造影。 （2）水剂：又分无机磺化物与有机碘化物（含离子型造影与非离子型造影剂）。 A、无机碘化物：为碘化钠，有效浓度为12.5%，价格低，易配制，用于逆行肾盂造影、膀胱造影及手术后胆道造影。缺点为刺激性大，不宜多用。目前，几乎不用。 B、有机碘化物：种类多，用途广。由于其排泄径路不同，又分为两大类。其一，进入体内

21、后经肝细胞分泌至胆管再进入胆囊，故用于胆囊造影或胆管造影。此类有两种造影剂：一是碘番酸（Acidum Iopanoicum）片剂；吡罗勃定（Biloptin）胶囊，用作口服法胆囊造影，另一是50%胆影葡胺（Meglumine iodipamide），用作静脉法胆管造影。其二，有机碘通过肾脏排泄，用于各部位血管造影、心脏造影及静肾盂造影。此类造影剂也有两种：一为离子型造影剂，国内普遍使用，产品为6070%泛影葡胺（Meglumine diatrizoate）及异泛影葡胺（Meglumine iothalamate），后者又称康锐（Conray）。两者皆含有阳离子（葡甲胺离子或钠离子）与阴离子（有

22、机碘酸离子）。另一为非离子型影剂，不含离子，不带电，其产品有碘笨六醇（Iohexol）、甲泛醣胺（Metrizamide）、以及优维显(Iopromide或Uitravist)。非离子型造影剂较离子型造影剂具有更多的优点，但由于经济价值高，尚不能普遍应用。低密度造影剂含空气、氧气及二氧化碳等。多用于器官腔内或组织间隙内造影，如气腹造影、腹膜后充气造影及关节造影等。气脑造影及脑室造影由于CT检查的开展已很少采用。 2引入途径 分直接引入法与生理积聚两种形式。 （1）直接引入法：又分为两种途径；其一是经自然通道口引入造影剂至相应的某器官，如从口腔或肛门引入钡剂行胃道钡餐或钡灌肠检查；经鼻腔（或口腔

23、）插管至气管注射碘油行支气管造影；经尿道逆行插管注射碘水至尿道或/和膀胱是为尿道或/和膀胱造影，需要时可将导管再引入输尿管作逆行肾盂造影；经阴道插管至子宫腔内注射碘剂称为子宫输卵管造影；还有经病变或手术形砀瘘道引入造影剂，为瘘道造影或术后胆管造影等。其二是经皮肤穿刺，自针管或联结导管注射造影剂，引入与外界隔离的腔道或器官内，如各种血管造影、心脏造影、气脑造影及脑室造影等。 （2）生理积聚或生理排泄法：经口服或静脉注射造影剂，利用该造影剂具有选择性经某脏器生理聚积或排泄，暂时停留于管道或内腔使之显影，例如口服胆囊造影，静脉肾盂造影等。 3造影前准备和造影反应的处理 为使造影检查顺利进行并获得预期

24、效果，造影前对病人的预先准备工作显得重要。各器官的造影前准备工作在相应地章节介绍，此处着重介绍有关碘制剂造影前应注射事项：（1）查询患者有无造影的禁忌证如碘过敏、心肾严重疾病。（2）向患者解释造影的程度以求得合作。（3）作碘过敏试验，将拟用的造影剂1.0ml经静脉注入,观察15min内有无不良反应轻者，表现为周身灼热感、恶心、呕吐、荨麻疹等；重者，反应为心血管、中枢神经系统及呼吸功能障碍，如休史、惊厥、喉头水肿及呼吸循环衰竭等。严重反应致死者极其少见，如无上述反应，才能做造影。过敏试验虽有一定的参考意义，但实践中也有作试验时无症状，而在造影时却发生反应。因此，每次注射碘剂时应准备好急救药品以防

25、不测。如果在造影过程中出现严重症状时，应立即终止造影并进行抗过敏、抗休史和其它对症治疗。若有心脏停搏则需立即进行心脏按摩术等。 五、X线检查方法的选择原则 X线检查方法的选择，应该在了解各种X线检查方法的适应证、禁忌证和优缺点的基础上，根据临床初步诊断，提出一个X线检查方案。一般应当选择安全、准确、简便而又经济的方法。因此，原则上应首先考虑透视或拍平片，必要时才考虑造影检查。但也不是绝对的，例如不易为X线穿透的部位，如颅骨就不宜选择透视，而应摄平片。有时两三种检查方法都是必须的，例如对于某些先天性心脏病，准备手术治疗的患者，不仅需要胸部透视与平片，还必须作心管造影。对于可能产生一定反应和有一定危险的检查方法，选择时更应严格掌握适应证，不可视作常规检查加以滥用，以免给患者带痛苦和损失。 六、X线检查中的防护 X线检查应用很广，接触X线的人也越来越多。因此，应该重视X线检查中的防护问题。应了解放射防护的意义、方法和措施。 （一）、放射防护的意义 X线穿透人体将产生一定的生物效应。若接触的X线量过多，超过容许曝射量，就可能产生放射反应，甚至产生一定程