數(shù)字X線技術及其發(fā)展-- X射線機系統(tǒng)的構成及工作原理

         一、X射線的本質(zhì)及醫(yī)學應用
         X射線和可見光一樣屬于電磁波，但其波長比可見光短得多，介于紫外線與7射 線之間，約為0.01 ~100A的范圍。X射線的頻率大約是可見光的103倍，所以它的光子能量比可見光的光子能量大得多，表現(xiàn)出明顯的粒子性。由于x射線具有波長短，光子能量大兩個基本特性，因而具有一些固有的特性。

         l.波動性。x線和可見光一樣也有干涉、衍射、折射、反射等，描述x線的波動方程也與可見光一樣包括了幅度、頻率、相位，目前的x線成像主要利用的是幅度對比度，雙能量成像實際上利用的是組織不同頻率特性的差異性，而利用相位成像至今 仍處于探索階段。

         2.粒子性。粒子性是電磁波的另一個屬性，指光可以理解為一個個具有能量的粒子一光子，它的能量與波長成反比關系，每一個光子能量的大小決定了其穿透能力，其生物效臆等許多都與此相關。x線的波長范圍在0.01 - 100A之間。醫(yī)學應用波長為0.0l -1A，其中醫(yī)學診斷為0.1 -1A，治療為0叭- 0.l A。通常作診斷用的鵠靶X線 管應用波睦在0.2A左右，作軟組織診斷用的鉬靶X線管應用波妊在0.7A左右，考慮到安全，用于安榆的X射線波長則更長。表2-1列出不同波K段射線的用途。

         X射線電磁波，但其波長短，光子能量大，還具有其他電磁波不具有的一系列特殊性質(zhì)，包括特殊的物理、化學、生物效應。醫(yī)學上正是利用X線的這些特性和特 殊效應來為人類的健康服務，用于做滲斷或治療。用于診斷的X射線機，就是利用適 宜的X線效應，將這種記載著人體內(nèi)部信息、不同強弱的X線透射光記錄、轉化為可 視的圖像或膠片。

         二、X射線機系統(tǒng)工作原理及部件
         l X射線機工作原理 X劃線在疾病的診斷方面應用很廣泛，無論足透視、拍片、造影還是斷層掃描等 X射線診斷或治療用影像設備，都是利用了x線對人體具有一定的穿透和被吸收的特 點。當X線照射人體時，由于人體各種器官、組織的密度和厚度不同，對X線的吸收程度就會不同，從而使穿過人體的X線具有了人體器官、組織的信息，這些信息被接 收介質(zhì)所記錄，在熒光屏、膠片或顯示器上顯示出黑白的自然層次對比，從而使人們獲得了診斷信息。 利用X線穿透人體被檢查部位在熒光屏上顯示的影像而進行診斷的方法，叫做X線透視檢查。透視的優(yōu)點是在檢查時可以轉動病人的身體，從各神不同的位置和角度 來觀察病變的狀況，也可以觀察器官的運動功能，且經(jīng)濟、方便；峽點是難以看到細小的病變，又不能留下客觀記錄，并且受檢者所受到的輻射劑量較大，目前，發(fā)達國家和地區(qū)巳禁止采用透視技術劉人體進行常規(guī)榆查。X線透視檢查多用于心血管疾病、 呼吸系統(tǒng)疾病、胃腸病、急腹癥和計劃生育透環(huán)的檢查。 利用x線穿透人體被檢查部位并感光在膠片上形成影像it仃進行診斷的方法，叫做 X線拍片檢查。拍片的優(yōu)點是比透視清晰，并可以留下客觀的記錄，有利于復查對比；缺點是不能觀察器官的運動功能，且費片j較貴。X線拍片檢查一般多用于胸部、頭部、 脊柱、四肢骨等部位的檢查。臨床上，對骨骼、關節(jié)的檢查，岡透視下觀察不清楚， 一律采用拍片。 但在人體的某砦部位，尤其是腹部，因為器官、組織的密度大體柑似，自然層次 對比較弱，必須導人對人體無害的造影劑（如醫(yī)用硫酸鋇），利川造影荊人為地米提高 顯示對比度，才能達到理想的檢查效果。這種檢查方法臨床l叫H做X線造影檢查。X線造影榆查使用得較多的是胃腸鋇餐造影和鋇劑灌腸造影。這項榆旮安傘、， ，但有些患者，如急性呼吸道感染病人，嚴重心、肝、腎功能不全病人以及碘試驗陽性的病人，一般不適宜做這項檢查。

         2. X射線機系統(tǒng)主要部件發(fā)作用
         X射線機系統(tǒng)因臨床使用目的不同，結構繁簡不同，一般由主機系統(tǒng)和輔助設備 兩部分構成。主機系統(tǒng)主要包括X線管、高壓發(fā)生器、控制臺等，輔助設備主要各種機械設備、影像處理系統(tǒng)、其他附屬沒備等。其中雨要的部件有以下幾個。

         (l)X射線發(fā)生裝置（X線管）：在高度真空管中將電能轉化為X射線；X線發(fā)生 裝置有不同類型，萁結構也有所不同。主要有固定陽極X線管、旋轉陽極X線管、柵控X線管、軟X線管等。

         (2)高壓發(fā)生裴囂：產(chǎn)生高電壓并為X射線管提供高壓電能的部件裝囂；它由高壓變壓器、燈絲變壓器、高壓整流器等構成。主要有工頻、中頻、高頻發(fā)生裝置，目 前工頻發(fā)生裝置已基本被淘汰。

         (3)射線探測裝置：采用對X線域感的檢測器，把X線劑量轉換成電流或電壓，并址終轉換成影像。探測裝置根擗其成像作用不同，有多種攝影探測器，平板探測器 灶近年來發(fā)展迅速的一種數(shù)字化探測器，分為非晶硒、非品硅、CCD（由CCD與熒光 板耦合）、LDLD（線陣探測器）等。

         (4)輔助裝置：不同臨床用途的X線機輔助裝置差異較大，但基本輔助裝置有機械結構部件和攝影及剖像處理系統(tǒng)。其作用是確保x射線能準確對準被測部位，并把x射線轉化為電信號的信息進行接收與處理，終形成閉像供臨床隈生診斷疾病。

         X射線機是臨床早應用的醫(yī)學影像設備，雖然它存在對人體有輻射的副作用， 但在100多年的發(fā)展歷程中，新技術曲不斷引入，安全性得到提高，應用領域不斷拓 展；盡管現(xiàn)在出現(xiàn)不少新型的不同成像機理的醫(yī)學影像設備，但X射線機仍然在某些臨床應用領域具有其他影像設備不可取代的作用。 不同醫(yī)學影像裝囂的探測機理、所得到的物理信息、適用的診斷對象、優(yōu)勢的應 用領域是不一樣的，在臨床中各種方法都有其適用范刖，是互補的關系，表2-2給出了各種醫(yī)學影像設備的探測原理、診斷對象及優(yōu)勢應川領域。 表2-2中對比可見，隨著各種成像手段的成熟和應用，醫(yī)學診斷罔像的內(nèi)容越來越豐富，可診斷的范圍越來越擴大，同時也可看出，應用了100多年的X射線成像手 段在其應用領域仍有不可替代的優(yōu)勢，與各種成像手段互為補充。據(jù)估計，目前X線 圖像約占醫(yī)院中全部圖像的80%，顯然X線影像診斷技術已成為影像診斷中重要的 組成部分。

         三、X射線機的系統(tǒng)構成
         （一）診斷用X射線機的構成
         l. X射線機基本結構是由主機和輔助設備組成，主機包括：x線管、X線發(fā)生器和控制裝置等組成；輔助設備包括：機械設備，即診視床、攝影床、天地軌、慫吊等；影像處理系統(tǒng)，影像增強器，電視系統(tǒng)，探測器，電影攝影機等。

         2.系統(tǒng)工作流程如圖2-2。

         (二)X射線機各子系統(tǒng)工作原理 1射線發(fā)生裝置
         射線發(fā)生裝置包括球管及高壓發(fā)牛器。

         (1)高壓發(fā)生器及其工作原理。高壓發(fā)生器往往單獨安裝，也有安裝在電氣柜上， 發(fā)生器動作由控制板控制。高壓發(fā)生器按其_二作頻率有工頻、中頻、高頻變壓器，按其電路有單相、三相、可控硅、直流逆變等多種方式，按其功率有小功率、中功率和 大功率之分，經(jīng)過多年的發(fā)展，高頻直流逆變高壓發(fā)生器巳成為主流技術，工頻因其射線中的無效成分過大、對人體會產(chǎn)生額外損害而越來越少用，牲發(fā)達國家已基本禁用，可控硅方式因其可衽性差、頻率難以提高向成為被放棄的技術路線。在直流逆變電路方式的高頻高壓發(fā)生裝置中，交流電經(jīng)過整流、平滑后變?yōu)橹绷?，再?jīng)過逆變后 變?yōu)橹蓄l或高頻電壓，經(jīng)變壓（升壓）、整流及濾波過程，輸出近似于直流的、脈動率低的穩(wěn)定電源供X線管使用。

         (2)X線管及其工作原理。X線管是將發(fā)生器提供的高壓電流轉變?yōu)閄射線的裝置，主要有固定陽極管、旋轉陽極管、柵控管、軟管、金屬陶瓷旋轉陽極管等。X線 管發(fā)出的X射線頻譜（不同頻率上的功率分布）與X線管的加載電壓相關，電壓高則其高頻成分多，而高頻成分的穿透性更強，對于體胖的受檢者往往需要更高的電壓； X射線的能量與其陰極溫度相關，后者由燈絲電壓控制，燈絲電壓高，溫度也高，射 線管在同樣的電壓下電流加大，射線的能量也大，信噪比提高，但是病人所受劑量也加大。對X線管的控制包括：高壓、燈絲加熱電流、陽極啟動控制。X線管球的規(guī)格包括：耐壓、熱容量、陽極旋轉速度、焦點、預期壽命等。使用中所選擇的規(guī)格需與 臨床用X線機型相匹配。

         2.探測裝置
         探測器是將X線終轉換為對應圖像的裝置。在傳統(tǒng)的X射線機上實現(xiàn)這一轉換的是X光膠片或熒光屏，隨著技術的進步出現(xiàn)了不同的探測裝置，包括CR、DR、 DDR、CCD與熒光J抖組件、影像增強器與CCD組合等多種形式，這些裝置在將X線轉換為影像時各有其特點，CR具有成本低、其IP板與傳統(tǒng)X射線機相容性好等特點；
         DR和DDR具有動態(tài)范圍大、所需射線劑量小、工作流程時問短等特點，有些DR板以及CCD形式的探測器還可以做到實時從而可應用于介入治療領域。各種探測裝置的原 理也不盡相同，CR的IP板中含有熒光物質(zhì)層PSL（光激勵發(fā)光層），X光可在其上形成潛影，再經(jīng)激光將其讀取即可形成相應的影像；DR、CCD形式的探測器都經(jīng)過了由 X光一可見光一電信粵并終成像的過程，而DDR則可以直接將X光轉換成電信號。

         3.輔助系統(tǒng)
         輔助系統(tǒng)包括自動曝光探測系統(tǒng)、射線準直器和濾線器（柵）、計算機控制和顯示 系統(tǒng)、機械系統(tǒng)等。自動曝光探測系統(tǒng)通過檢測器計算X線劑量在達沒定值后切斷高 壓，完成自動曝光控制；射線準直器和濾線器用于去除成像過程中可降低成像質(zhì)量的 斜射光和二次激發(fā)的雜散X光；計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制和信息處理； 機械系統(tǒng)完成病人的承載和結構支撐等。

         （三）X射線機性能衡量指標
         1.空間分辨率 空問分辨牢指幽像宅間范圍內(nèi)的解像力或解像度，以能夠分辨清楚圖像中黑白相 間線條的能力來表示。黑白棚問的線條簡稱線剝，一對黑白桐問的線條稱之為一個線對，分辨率的線性表達單位是線對／毫米（LP/mm）。在單位寬度范圍內(nèi)能夠分辨清楚 線對數(shù)越多，表幣l劃像空間分辨率越高。陶像分辨率可用分辨率測試卡直接測出。（理 論）空間分辨率的提高不是無限的，與探測器對X線光子的檢測靈敏度，動態(tài)范圍，信噪比等有密切關系。在實際臨床X線成像過程中，影響分辨率的因素有很多：例如 X線焦點、SID、患者運動、曝光時問、探測器感光見敏度、像素大小、計算機圖像處 理、顯示器性能等。系統(tǒng)中的每一個子系統(tǒng)發(fā)生變化，都會影響整個系統(tǒng)的分辨率 （“木桶效應”）。

         2. X線照射劑量和影像噪聲
         在實際的成像條件下，噪聲將始終干擾目標的檢測。劇像噪聲由成像系統(tǒng)自身的 本征噪聲和X線量子噪聲構成；系統(tǒng)本征噪聲與探測器溫度有關，一般來說是個常量；評價照射劑址和影像噪聲好的指標足探測器的DOE，其定義為探測器輸出影像的信噪比與輸入影像信噪比的比值．該數(shù)值越大，表示所采集影像信噪比損失越小。 DQE與探測器的感光材料、結構和T藝有關，其中也與像素大小密切關聯(lián)。圖像噪聲 與每個像素單元接收的有效光子數(shù)成反比，一般說像素尺寸大，像素內(nèi)所包含的光子 數(shù)增加，會降低圖像噪聲，提高檢測靈敏度和DOE。在探測器而積一定的條件下為了 增加空間分辨率，只好減小像索尺寸，降低單位像采面積，增加像素密度。我們知道 單位像素的面積越小，會使像素有效因子減少，像索的感光性能越低，信噪比降低， 動態(tài)范圍變窄。因此這種減小像素尺寸的方法不可能無限制地增大分辨率。相反會引 起圖像質(zhì)量的惡化，終增加了空間分辨率又被㈨此帶來的噪聲淹沒，要彌補此問題就要增大X線曝光劑量。這與X線影像技術的發(fā)展是相違背的。因此單有高的空間 分辨率并不意味著更高的發(fā)現(xiàn)病變的能力。

         3.影像動態(tài)范圍和對比分辨率

         動態(tài)范圍是衡量探測器性能的一個關鍵指標。是指探測器能夠線性地探測出x線 人射劑量的變化時，其高劑量與低劑量之比。假如，DR探測器能線性地探測出劑量變化低值是lμ/Gy，劑量低于1UGy時輸出都是0；能探測的高值是10mGy，劑量 再高輸出也是相同；那么兩輸入劑量高低之比是10mGy：lμGy= 10000+1，為該探測器的動態(tài)范圍。

         4.低密度分辨率低密度分辨率，指相似密度的微小灰度差別的分辨能力，例如對肺組織內(nèi)小結節(jié) 或盤狀病灶的微小差別的分辨能力，低密度分辨率主要受噪聲的影響。

         5.顯示器的動態(tài)范圍

         需要明確的是目前我們所用的圖像顯示、垃備的動態(tài)范圍要遠小于DR探測器能夠 記錄的密度范圍，普通電腦胨視器可顯示蛙大亮度才為300cd/m2，對比度400：l左右， 醫(yī)FH監(jiān)視器大亮度可以達到700cd/m2，對比度可達600：1，輸入信號為10bit。 因此，DR影像必須經(jīng)過特別處理才能正確顯示在屏幕上。

         .6響應時間
         響應時間通常指探測器在開始掃描，X射線達到臨床要求之后探測器可以正常給出讀數(shù)之時的時問。對常規(guī)攝影DR系統(tǒng)來說，通常曝光時間只有幾個毫秒，所以一般不存在因患者運動產(chǎn)生影響圖像質(zhì)量的時間分辨率問題。