数字X线技术及其发展-- X射线机系统的构成及工作原理

         一、X射线的本质及医学应用
         X射线和可见光一样属于电磁波，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与7射 线之间，约为0.01 ~100A的范围。X射线的频率大约是可见光的103倍，所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多，表现出明显的粒子性。由于x射线具有波长短，光子能量大两个基本特性，因而具有一些固有的特性。

         l.波动性。x线和可见光一样也有干涉、衍射、折射、反射等，描述x线的波动方程也与可见光一样包括了幅度、频率、相位，目前的x线成像主要利用的是幅度对比度，双能量成像实际上利用的是组织不同频率特性的差异性，而利用相位成像至今 仍处于探索阶段。

         2.粒子性。粒子性是电磁波的另一个属性，指光可以理解为一个个具有能量的粒子一光子，它的能量与波长成反比关系，每一个光子能量的大小决定了其穿透能力，其生物效臆等许多都与此相关。x线的波长范围在0.01 - 100A之间。医学应用波长为0.0l -1A，其中医学诊断为0.1 -1A，治疗为0叭- 0.l A。通常作诊断用的鹄靶X线 管应用波睦在0.2A左右，作软组织诊断用的钼靶X线管应用波妊在0.7A左右，考虑到安全，用于安榆的X射线波长则更长。表2-1列出不同波K段射线的用途。

         X射线电磁波，但其波长短，光子能量大，还具有其他电磁波不具有的一系列特殊性质，包括特殊的物理、化学、生物效应。医学上正是利用X线的这些特性和特 殊效应来为人类的健康服务，用于做渗断或治疗。用于诊断的X射线机，就是利用适 宜的X线效应，将这种记载着人体内部信息、不同强弱的X线透射光记录、转化为可 视的图像或胶片。

         二、X射线机系统工作原理及部件
         l X射线机工作原理 X划线在疾病的诊断方面应用很广泛，无论足透视、拍片、造影还是断层扫描等 X射线诊断或治疗用影像设备，都是利用了x线对人体具有一定的穿透和被吸收的特 点。当X线照射人体时，由于人体各种器官、组织的密度和厚度不同，对X线的吸收程度就会不同，从而使穿过人体的X线具有了人体器官、组织的信息，这些信息被接 收介质所记录，在荧光屏、胶片或显示器上显示出黑白的自然层次对比，从而使人们获得了诊断信息。 利用X线穿透人体被检查部位在荧光屏上显示的影像而进行诊断的方法，叫做X线透视检查。透视的优点是在检查时可以转动病人的身体，从各神不同的位置和角度 来观察病变的状况，也可以观察器官的运动功能，且经济、方便；峡点是难以看到细小的病变，又不能留下客观记录，并且受检者所受到的辐射剂量较大，目前，发达国家和地区巳禁止采用透视技术刘人体进行常规榆查。X线透视检查多用于心血管疾病、 呼吸系统疾病、胃肠病、急腹症和计划生育透环的检查。 利用x线穿透人体被检查部位并感光在胶片上形成影像it仃进行诊断的方法，叫做 X线拍片检查。拍片的优点是比透视清晰，并可以留下客观的记录，有利于复查对比；缺点是不能观察器官的运动功能，且费片j较贵。X线拍片检查一般多用于胸部、头部、 脊柱、四肢骨等部位的检查。临床上，对骨骼、关节的检查，冈透视下观察不清楚， 一律采用拍片。 但在人体的某砦部位，尤其是腹部，因为器官、组织的密度大体柑似，自然层次 对比较弱，必须导人对人体无害的造影剂（如医用硫酸钡），利川造影荆人为地米提高 显示对比度，才能达到理想的检查效果。这种检查方法临床l叫H做X线造影检查。X线造影榆查使用得较多的是胃肠钡餐造影和钡剂灌肠造影。这项榆旮安伞、， ，但有些患者，如急性呼吸道感染病人，严重心、肝、肾功能不全病人以及碘试验阳性的病人，一般不适宜做这项检查。

         2. X射线机系统主要部件发作用
         X射线机系统因临床使用目的不同，结构繁简不同，一般由主机系统和辅助设备 两部分构成。主机系统主要包括X线管、高压发生器、控制台等，辅助设备主要各种机械设备、影像处理系统、其他附属没备等。其中雨要的部件有以下几个。

         (l)X射线发生装置（X线管）：在高度真空管中将电能转化为X射线；X线发生 装置有不同类型，萁结构也有所不同。主要有固定阳极X线管、旋转阳极X线管、栅控X线管、软X线管等。

         (2)高压发生裴嚣：产生高电压并为X射线管提供高压电能的部件装嚣；它由高压变压器、灯丝变压器、高压整流器等构成。主要有工频、中频、高频发生装置，目 前工频发生装置已基本被淘汰。

         (3)射线探测装置：采用对X线域感的检测器，把X线剂量转换成电流或电压，并址终转换成影像。探测装置根擗其成像作用不同，有多种摄影探测器，平板探测器 灶近年来发展迅速的一种数字化探测器，分为非晶硒、非品硅、CCD（由CCD与荧光 板耦合）、LDLD（线阵探测器）等。

         (4)辅助装置：不同临床用途的X线机辅助装置差异较大，但基本辅助装置有机械结构部件和摄影及剖像处理系统。其作用是确保x射线能准确对准被测部位，并把x射线转化为电信号的信息进行接收与处理，终形成闭像供临床隈生诊断疾病。

         X射线机是临床早应用的医学影像设备，虽然它存在对人体有辐射的副作用， 但在100多年的发展历程中，新技术曲不断引入，安全性得到提高，应用领域不断拓 展；尽管现在出现不少新型的不同成像机理的医学影像设备，但X射线机仍然在某些临床应用领域具有其他影像设备不可取代的作用。 不同医学影像装嚣的探测机理、所得到的物理信息、适用的诊断对象、优势的应 用领域是不一样的，在临床中各种方法都有其适用范刖，是互补的关系，表2-2给出了各种医学影像设备的探测原理、诊断对象及优势应川领域。 表2-2中对比可见，随着各种成像手段的成熟和应用，医学诊断罔像的内容越来越丰富，可诊断的范围越来越扩大，同时也可看出，应用了100多年的X射线成像手 段在其应用领域仍有不可替代的优势，与各种成像手段互为补充。据估计，目前X线 图像约占医院中全部图像的80%，显然X线影像诊断技术已成为影像诊断中重要的 组成部分。

         三、X射线机的系统构成
         （一）诊断用X射线机的构成
         l. X射线机基本结构是由主机和辅助设备组成，主机包括：x线管、X线发生器和控制装置等组成；辅助设备包括：机械设备，即诊视床、摄影床、天地轨、怂吊等；影像处理系统，影像增强器，电视系统，探测器，电影摄影机等。

         2.系统工作流程如图2-2。

         (二)X射线机各子系统工作原理 1射线发生装置
         射线发生装置包括球管及高压发牛器。

         (1)高压发生器及其工作原理。高压发生器往往单独安装，也有安装在电气柜上， 发生器动作由控制板控制。高压发生器按其_二作频率有工频、中频、高频变压器，按其电路有单相、三相、可控硅、直流逆变等多种方式，按其功率有小功率、中功率和 大功率之分，经过多年的发展，高频直流逆变高压发生器巳成为主流技术，工频因其射线中的无效成分过大、对人体会产生额外损害而越来越少用，牲发达国家已基本禁用，可控硅方式因其可衽性差、频率难以提高向成为被放弃的技术路线。在直流逆变电路方式的高频高压发生装置中，交流电经过整流、平滑后变为直流，再经过逆变后 变为中频或高频电压，经变压（升压）、整流及滤波过程，输出近似于直流的、脉动率低的稳定电源供X线管使用。

         (2)X线管及其工作原理。X线管是将发生器提供的高压电流转变为X射线的装置，主要有固定阳极管、旋转阳极管、栅控管、软管、金属陶瓷旋转阳极管等。X线 管发出的X射线频谱（不同频率上的功率分布）与X线管的加载电压相关，电压高则其高频成分多，而高频成分的穿透性更强，对于体胖的受检者往往需要更高的电压； X射线的能量与其阴极温度相关，后者由灯丝电压控制，灯丝电压高，温度也高，射 线管在同样的电压下电流加大，射线的能量也大，信噪比提高，但是病人所受剂量也加大。对X线管的控制包括：高压、灯丝加热电流、阳极启动控制。X线管球的规格包括：耐压、热容量、阳极旋转速度、焦点、预期寿命等。使用中所选择的规格需与 临床用X线机型相匹配。

         2.探测装置
         探测器是将X线终转换为对应图像的装置。在传统的X射线机上实现这一转换的是X光胶片或荧光屏，随着技术的进步出现了不同的探测装置，包括CR、DR、 DDR、CCD与荧光J抖组件、影像增强器与CCD组合等多种形式，这些装置在将X线转换为影像时各有其特点，CR具有成本低、其IP板与传统X射线机相容性好等特点；
         DR和DDR具有动态范围大、所需射线剂量小、工作流程时问短等特点，有些DR板以及CCD形式的探测器还可以做到实时从而可应用于介入治疗领域。各种探测装置的原 理也不尽相同，CR的IP板中含有荧光物质层PSL（光激励发光层），X光可在其上形成潜影，再经激光将其读取即可形成相应的影像；DR、CCD形式的探测器都经过了由 X光一可见光一电信粤并终成像的过程，而DDR则可以直接将X光转换成电信号。

         3.辅助系统
         辅助系统包括自动曝光探测系统、射线准直器和滤线器（栅）、计算机控制和显示 系统、机械系统等。自动曝光探测系统通过检测器计算X线剂量在达没定值后切断高 压，完成自动曝光控制；射线准直器和滤线器用于去除成像过程中可降低成像质量的 斜射光和二次激发的杂散X光；计算机控制系统实现对整个系统的控制和信息处理； 机械系统完成病人的承载和结构支撑等。

         （三）X射线机性能衡量指标
         1.空间分辨率 空问分辨牢指幽像宅间范围内的解像力或解像度，以能够分辨清楚图像中黑白相 间线条的能力来表示。黑白棚问的线条简称线剥，一对黑白桐问的线条称之为一个线对，分辨率的线性表达单位是线对／毫米（LP/mm）。在单位宽度范围内能够分辨清楚 线对数越多，表币l划像空间分辨率越高。陶像分辨率可用分辨率测试卡直接测出。（理 论）空间分辨率的提高不是无限的，与探测器对X线光子的检测灵敏度，动态范围，信噪比等有密切关系。在实际临床X线成像过程中，影响分辨率的因素有很多：例如 X线焦点、SID、患者运动、曝光时问、探测器感光见敏度、像素大小、计算机图像处 理、显示器性能等。系统中的每一个子系统发生变化，都会影响整个系统的分辨率 （“木桶效应”）。

         2. X线照射剂量和影像噪声
         在实际的成像条件下，噪声将始终干扰目标的检测。剧像噪声由成像系统自身的 本征噪声和X线量子噪声构成；系统本征噪声与探测器温度有关，一般来说是个常量；评价照射剂址和影像噪声好的指标足探测器的DOE，其定义为探测器输出影像的信噪比与输入影像信噪比的比值．该数值越大，表示所采集影像信噪比损失越小。 DQE与探测器的感光材料、结构和T艺有关，其中也与像素大小密切关联。图像噪声 与每个像素单元接收的有效光子数成反比，一般说像素尺寸大，像素内所包含的光子 数增加，会降低图像噪声，提高检测灵敏度和DOE。在探测器而积一定的条件下为了 增加空间分辨率，只好减小像索尺寸，降低单位像采面积，增加像素密度。我们知道 单位像素的面积越小，会使像素有效因子减少，像索的感光性能越低，信噪比降低， 动态范围变窄。因此这种减小像素尺寸的方法不可能无限制地增大分辨率。相反会引 起图像质量的恶化，终增加了空间分辨率又被㈨此带来的噪声淹没，要弥补此问题就要增大X线曝光剂量。这与X线影像技术的发展是相违背的。因此单有高的空间 分辨率并不意味着更高的发现病变的能力。

         3.影像动态范围和对比分辨率

         动态范围是衡量探测器性能的一个关键指标。是指探测器能够线性地探测出x线 人射剂量的变化时，其高剂量与低剂量之比。假如，DR探测器能线性地探测出剂量变化低值是lμ/Gy，剂量低于1UGy时输出都是0；能探测的高值是10mGy，剂量 再高输出也是相同；那么两输入剂量高低之比是10mGy：lμGy= 10000+1，为该探测器的动态范围。

         4.低密度分辨率低密度分辨率，指相似密度的微小灰度差别的分辨能力，例如对肺组织内小结节 或盘状病灶的微小差别的分辨能力，低密度分辨率主要受噪声的影响。

         5.显示器的动态范围

         需要明确的是目前我们所用的图像显示、垃备的动态范围要远小于DR探测器能够 记录的密度范围，普通电脑胨视器可显示蛙大亮度才为300cd/m2，对比度400：l左右， 医FH监视器大亮度可以达到700cd/m2，对比度可达600：1，输入信号为10bit。 因此，DR影像必须经过特别处理才能正确显示在屏幕上。

         .6响应时间
         响应时间通常指探测器在开始扫描，X射线达到临床要求之后探测器可以正常给出读数之时的时问。对常规摄影DR系统来说，通常曝光时间只有几个毫秒，所以一般不存在因患者运动产生影响图像质量的时间分辨率问题。