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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2022/12/72 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：电子源；在真空条件下，高电压产生的强电场和高速运动的电子流；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。6X射线的标识放射标识放射又称标识X线或特征辐射(characteristic radiation)，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（）通常可用公式计算：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-ray intensity）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（half value layer，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（penetration action）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（fluorescence action）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（ionization action）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（sensitization action）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（pigmentation action）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（biological effect）。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（absorption attenuation）（与物质相互作用）和扩散衰减（diffusion attenuation）（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(Compton Scattering)Incoherent Scattering 对x射线衰减的影响最大 +(1)降低图像的对比度(2)对医护人员损伤相干散射(Coherent Scattering)+也称为瑞利散射Raleigh Scattering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：22X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。23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：24X射线几何投影X X射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，ab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。27X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。2930X射线机基本构成X线机(x-ray unit)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-ray tube)、X线发生器(x-ray generator)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(exposure time)。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(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p栅控X线管p软X线管p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压；高压整流器供电给X线球管两极，使X线球管始终保持阳极为正、阴极为负。34X线自动曝光控制系统35常用X射线影像设备普通摄影X线机u 普通摄影包括一般摄影和滤线栅摄影。u 一般摄影是X线通过被检体后直接到达胶片而获得影像的方法，多用于较薄的部位；u 滤线栅摄影是X线通过被检体后再通过滤线栅才到达胶片而获得影像的方法，被检体厚度超过12cm，均用此方法。36常用X射线影像设备胃肠道造影X线机 胃肠道造影X线机是用于胃肠道X线检查过程中，根据透视情况进行适时进行点片摄影（spot film radiography）,记录有诊断价值的影像的摄影装置。点片摄影装置要求送片系统与透视互不影响，摄影时迅速地把胶片送入曝光区，然后曝光，把透视观察到的病灶征象拍摄下来。因此，点片摄影装置是摄影和透视两种功能的结合体。37常用X 射线影像设备（bedsidebedside）床旁摄影X线机是对病人进行床边X线摄影X线机。特点是：流动性，对电源要求不高。主要结构包括：控制装置、高压发生器、机架等。38CR成像技术X线摄影诞生一个多世纪以来，多种医学成像技术不断诞生。1974年，富士胶片公司（Fuji）开始构架计算机X线摄影（Computed Radiography，CR）的原理，并进行基础研究工作。1981年，成像板（或影像板Imaging Plate，IP）研制成功，并推向市场，使数字X线成为现实。计算机X线摄影是光激励存储荧光体（Photostimulable Storage Phosphor，PSP）成像，或者叫做存储荧光体成像（storage phosphor imaging）、数字存储荧光体成像（digital storage phosphor imaging）和数字化发光X线摄影（digital luminescence radiography).3940CR成像技术CR是一种X线摄影的数字采集技术，此技术使用常规X线摄影的采集结构，利用光激励荧光体的延迟发光特性在其中积存能量。经X线照射后，荧光体再经激光束扫描，以可见光的形式释放出积存的能量,释放的光激励可见光被探测器捕获，转换成数字信号，同时记录下荧光屏上可见光释放的具体定位。数字数据经过后处理形成符合要求的图像，被传送到硬拷贝打印机或软拷贝显示器,用于影像诊断。CR是与计算机、数学、电子学完整结合的X线成像系统。CR利用成像板取代传统的屏-片体系，它在光激励荧光体中记录X线影像，并使其影像信息以电信号方式提取出来。41CR系统构造CR系统以IP为探测器，利用现有的X线设备进行X线信息的采集来实现图像的获取。它主要由X线机、影像板、影像阅读器、影像处理工作站、影像存储系统和打印机组成。IP是CR成像系统的关键元件，作为记录人体影像信息、实现模拟信息转化为数字信息的载体，代替了传统的屏-片系统。它既适用于固定式X线机，也可用于移动式床边X线机，既可用于普通的X线摄影，也可用于特殊摄影和造影检查。具有很大的灵活性和多用性。IP可以重复使用，但不具备影像显示功能。42CR成像原理CRCR影像的形成过程影像的形成过程1、成像板置于暗盒内，利用传统X线设备曝光，X线穿透被照体后与IP发生作用，形成潜影。2、潜影经过激光扫描进行读取，IP被激励后，以紫外线形式释放出存储的能量。这种现象叫光激励发光（Photostimulable Luminescence，PSL）。3、利用光电倍增管，将发射光转换成电信号。4、电信号在计算机屏幕上重建成可见影像，并根据诊断的特性要求进行影像的后处理。5、影像读取过程完成后，IP的影像数据可通过施与强光来消除，这就使得IP可重复使用。43CR影像采集光激励荧光体晶体结构“陷阱”中存储的是吸收的X线能量，故也称作“存储”荧光体。在光激励发光过程中，以适当波长的附加可见光能量的激励下，这种俘获的能量能够被释放出来。未曝光的CR成像板装在有铅背衬的暗盒内，使用与屏-片成像相同的X线成像技术对其曝光。穿过被照体的X线光子被成像板吸收，以俘获电子的形式形成“电子”潜影。然后将CR暗盒放在影像阅读仪中，对看不见的潜影进行“处理”。44影像板阅读仪影像板阅读仪是读出成像板所记录影像的设备，它的技术指标将直接影响所输出影像的质量。一般衡量影像板阅读仪的参数有四个：描述影像清晰度的指标是空间分辨率、描述影像层次的指标灰度等级、描述处理能力的激光扫描速度和缓冲平台容量。目前CR系统的空间分辨率普遍能够达到10像素/毫米的水平，无论影像板的大小。CR系统的灰度等级指标一般都要求达到4096级灰阶，也就是使用12位（bit）处理器。一些高指标的影像板扫描仪，使用了更高的14位处理器，力求更佳的影像效果。45DR成像技术CR的应用突破了常规X线摄影技术的固有局限性，实现了常规X线摄影信息数字化。然而，CR也存在不足之处，如时间分辩力较差，不能满足动态器官形态的显示；间接转换可出现信息的丢失，其空间分辨率仍有不足，难于显示细微的组织结构；成像板（IP）为易耗品，图像质量会随使用次数过多而下降；不能改变传统X线摄影检查的工作流程。为了直接把X线影像信息转化为数字信息，很多影像研究机构开始了对数字化X射线摄影系统DR（digital radiography）的研制，并在20世纪90年代后期取得了突破性进展，出现了多种类型的平面X射线摄影探测器(flat pannel detector,FPD）。平板探测器DR技术的出现是医学X线摄影技术的一场革命。46X 射线机基本构成47C臂X光机48DR成像技术DR较之CR具有更高的空间分辩率，更高的动态范围和DQE，更低的X线照射量，图像层次更丰富，在曝光后几秒内即可显示图像，大大改善了工作流程，提高了工作效率。根据DR成像技术的不同，可分为直接数字化X线成像（非晶硒）、间接数字化X线成像（非晶硅）、CCD X线成像、多丝正比电离室（multi-wire proportional chamber,MWPC）成像等。49直接数字化X线成像（非晶硒）DR系统最重要的部件是平板探测器，直接数字化X线成像的平板探测器利用了非晶硒的光电导性，将X线直接转换成电信号，形成全数字化影像。非晶硒平板探测器的结构主要包括以下四部分，X线转换介质,探测器单元阵列,高速信号处理,数字影像传输.50探测器单元阵列位于非晶硒的底层，用薄膜晶体管（thin film transistor,TFT）技术在玻璃底层上形成几百万个检测单元阵列，每一个检测单元含有一个电容和一个TFT，而且每一个检测单元对应图像的一个像素。电容储存着由非晶硒产生的相应电荷。515253直接数字化X线成像原理当入射的X线照射非晶硒层，由于导电特性激发出电子-空穴对，该电子-空穴对在偏置电压形成的电场作用下被分离并反向运动，形成电流。电流的大小与入射X线光子的数量成正比。这些电流信号被存贮在TFT的极间电容上。每个TFT形成一个采集图像的最小单元，即像素。每个像素区内有一个场效应管，在读出该像素单元电信号时起开关作用。在读出控制信号的控制下，开关导通，把存储于电容内的像素信号逐一按顺序读出、放大，送到A/D转换器，从而将对应的像素电荷转化为数字化图像信号。信号读出后，扫描电路自动清除硒层中的潜影和电容存储的电荷，为下一次的曝光和转换做准备。54间接数字化X线成像（非晶硅）非晶硅平板探测器，是一种以非晶硅光电二极管阵列为核心的X线影像探测器。它利用碘化铯(CsI)的特性,将入射后的X线光子转换成可见光，再由具有光电二极管作用的非晶硅阵列变为电信号，通过外围电路检出及A/D变换，从而获得数字化图像。由于经历了X线可见光电荷图像数字图像的成像过程，通常被称作间接转换型平板探测器。5556间接数字化X线成像基本结构非晶硅平板探测器其基本结构为碘化铯闪烁体层、非晶硅光电二极管阵列、行驱动电路以及图像信号读取电路四部分。与非晶硒平板探测器的主要区别在于荧光材料层和探测元阵列层的不同，其信号读出、放大、A/D转换和输出等部分基本相同。非晶硅平板探测器结构包括：碘化铯闪烁体层，非晶硅光电二极管阵列。57间接数字化X线成像原理非晶硅平板探测器成像的原理是：位于探测器顶层的碘化铯闪烁晶体将入射的X线转换为可见光。可见光激发碘化铯层下的非晶硅光电二极管阵列，使光电二极管产生电流，从而将可见光转换为电信号，在光电二极管自身的电容上形成储存电荷。每一像素电荷量的变化与入射X线的强弱成正比，同时该阵列还将空间上连续的X线图像转换为阵列式图像。点阵的密度决定了图像的空间分辩率。在中央时序控制器的统一控制下，居于行方向的行驱动电路与居于列方向的读取电路将电荷信号逐行取出，转换为串行脉冲序列并量化为数字信号。获取的数字信号经通信接口电路传至图像处理器从而形成X线数字图像。58CCD X线成像电荷耦合器件（charge coupled device,CCD）是一种固定摄像器。在20世纪60年末，美国Bell实验室的波易尔等人发现了电荷通过半导体势阱发生转移现象，提出了电荷耦合这一新概念和一维CCD器件模型。CCD是一种半导体器件，由于它的光敏特性，即在光照下能产生与光强度成正比的电子电荷，形成电信号。这一特性被广泛用于CCD成像设备，即CCD摄像机。1974年美国RCA公司生产了512320像元面阵CCD摄影机。CCD X线成像的主要原理是X线在荧光屏上产生的光信号由CCD探测器接收，随之将光信号转换成电荷并形成数字X线图像。59CCD X线成像基本结构CCD的结构是由数量众多的光敏像元排列组成，光敏元件排列成一行的称为线阵CCD，用于传真机、扫描仪等；光敏元件排列一个由若干行和若干列组成的矩阵称为面阵CCD，用于摄像机、心血管造影机、数字X线摄影机、胃肠X线机数码相机等。光敏像元的数量决定了CCD的空间分辨力。常用的光敏元件有MOS（metal oxygen semiconductor）电容和光敏二极管两大类。60多丝正比电离室成像多丝正比电离室（multi-wire proportional chamber,MWPC）型直接摄装置是我国一家研究机构与俄罗斯科学院布续克尔核物理研究所，于1999年在中国共同研制成功的低剂量直接数字化X线机（low-dose digital radiogrophic device,LDRD）,或称低剂量线机，它采用一种狭缝式线阵列探测器扫描装置，具有扫描剂量低、动态范围宽、探测面积大（120cm40cm）等特点。61多丝正比电离室成像基本结构LDRD系统由扫描机构、控制框和工作站三部分组成。扫描机构由立柱、水平支架、X线球管、准直器、电动装置和探测器数据采集器组成。控制板由线高频发生器和检测组合、控制组合、高压电源组合及低电源组合组成。技术工作站用于对系统的检测、功能设置、数据传输和图像重建、存储和显示；诊断工作站用图像处理、数据库建立和实现网络通信功能。6263多丝正比电离室成像原理多丝正比室是一个矩形密封腔体，其腔内充填惰性气体，并设有漂移电极、阴极和阳极。阳极为水平排列的数百条金属丝，其方向指向线管焦点，每一根金属丝均作为一个独立的采集通道。在阳极丝上下方各有一个垂直于阳极的网状阴极，在阴极网上方还有一个板状的漂移电极。因此，多丝室内共有两个电场，一个漂移电场和一个加速电场。64多丝正比电离室成像原理当线射入漂移电场时，X光子能量将使漂移电场内惰性气体分子电离，负离子将奔向相对电位的阴极。又当负离子进入加速电场时，将进一步引起雪崩反应，产生大量的离子云，其数量和直径与电场强度和气压有关。离子云将高速飞向阳极丝，每碰到一次就产生一个高速脉冲信号,将这些脉冲加以计数，就可以得到正比于入射光子的计数值。将水平排列的通道计数按位置排列，就可得到数字图像的一行记录。在扫描机械的帮助下将这一行行的数字图像列出，就可得到一幅平面数字图像。65思考题1。影响X射线模糊度的因素有哪些？2。如何获得能量高的硬X射线？3。普通X 射线摄影技术与CR，DR有什么不同？6667 谢谢!Thankyou!