X射線管原理與影像設備

1、X射線管原理與影像設備第一章 X線的發(fā)現(xiàn)、產生和特性第一節(jié)、X線的發(fā)現(xiàn) X線是德國物理學家倫琴在1895年11月8日發(fā)現(xiàn)的。當時，他在暗室內用高壓電流通過低壓氣體的克魯克斯管作陰極射線的研究，偶然發(fā)現(xiàn)克魯克斯管附近的一塊表面涂有鉑氰化鋇結晶的紙板上發(fā)生熒光。進一步研究證明，熒光是由高電壓電流通過克魯克斯管時產生的一種看不見的新射線所引起。這種射線能穿透普通光線所不能穿透的紙板，并能作用于熒光屏而產生熒光。進一步實驗，發(fā)現(xiàn)這種射線也能透過木板，即使一本厚書，也能透過而使熒光屏發(fā)亮。對重金屬如銅、鐵、鉛等則不易透過。當倫琴將手放在管和熒光屏之間時，在熒屏上看到肌肉透亮，而骨胳則為黑影。他還發(fā)現(xiàn)這種

2、新的射線具有攝影作用，可把手在照相玻璃板上攝成照片。倫琴將他的發(fā)現(xiàn)于1896年1月23日正式公布于世，由于不明了這種射線的性質，所以倫琴把這種射線稱為X線，科學界又稱之為倫琴線。X線的偉大發(fā)現(xiàn)，無論是在近代科學理論上或在應用技術上，特別是對醫(yī)學科學領域內的不斷創(chuàng)新和突破都有十分重大的意義。 第二節(jié)、X線的產生    X線是由高速運行的電子群撞擊物質突然被阻時產生的。因此，它的產生，必須具備以下3個條件；自由活動的電子群；電子群以高速運行；電子群在高速運行時突然受阻。 X線機的類型雖不同，但基本構造不外X線管、變壓器和控制器三部分。 1X線管 近代X線管是熱陰極真空

3、管，大多數(shù)采用的是真空二極管結構，在特殊的用途下也有三極管X射線管，由于構造復雜，輔助裝置多，球管功率小，這種球管現(xiàn)在多用于分析儀器中。普通醫(yī)學方面式用的X射線管，陰極是鎢制燈絲，陽極為鎢靶。以低電壓電流(612伏)，通過陰極燈絲，燈絲發(fā)熱而產生電子群。陽極的鎢靶用以阻擋快速運行的電子群。在X線管的兩極加以高電壓(40一150kv，一般為40一90kv)，則電子群以高違從陰極向陽極運行，撞擊鎢靶突然受阻，而產生X線和大量的熱能。鎢原子序數(shù)和原子量高，具有高度放射X線性能，且可容大量的熱能(融點為3400)。鎢靶嵌在銅制陽極體上，使熱能更快散失，因為銅的熱傳導率很高。 2變壓器 變壓器主要由一個

4、鐵心，一個初級線圈和一個次級線圈所構成。當交流電向初級線圈輸入時，則次級線圈輸出的電壓可按照兩個線圈的比例升高或降低。在X線機中，以高壓變壓器供應高壓電于X線管兩極，并以降壓變壓器即燈絲變壓器，供應低壓電流于陰極燈絲。 3控制器 使用X線機時，必須有一定的控制裝置方能調節(jié)所需要的各種技術條件?？刂破鲀妊b有許多電鈕、電表、電阻和自偶變壓器，主要用以調節(jié)通過X線管兩極的電壓和通過陰極燈絲的電流，分別控制X線的質和量?？刂破鲀冗€裝有調節(jié)曝光時間的計時器。X線的質決定于電子運行的速度及其撞擊鎢靶后動能所耗損的程度。改變高壓變壓器的電壓，即可調節(jié)電子運行的速度。電壓越高，電子的運行速度越快，動能消耗越多

5、。則由X線管發(fā)射的X線波長越短，穿透力也越強。通過X線管的電壓很高，以kv計。X線的量則取決于通過X線管的電流大小，亦即撞擊在鎢靶上的電子數(shù)量。改變燈絲的熱度，即可調節(jié)電子發(fā)生的數(shù)量(燈絲的熱能是由燈絲加熱變壓器的電流所供應)。電流越大，則燈絲越熱，電子越多，撞擊在鎢靶上的電子數(shù)量也越多。通過X線管的電流很小，以毫安計。在X線管、變壓器和控制臺之間以電纜相連。X線機主要部件及線路見圖（111）。圖111第三節(jié)、X線的特性 X射線的本質 1912年德國物理學家勞厄(MVLaue)等根據理論預見到，并用實驗證實了X射線與晶體相遇時能發(fā)生干涉(即衍射)現(xiàn)象，證明了X射線具有電磁波的性質，成為X射線衍

6、射學的第一個里程碑。 X射線和可見光及其他基本粒子(如電子、中子、質子等)一樣，同時具有微粒及波動二重性。由于X射線的波長較短，X光子能量也相對地高，因此它的微粒特性也比較明顯。由于X射線是一種電磁波它與無線電波、可見光和射線等其他各種高能射線無本質上的區(qū)別，只是波長不同而已。作為電磁波的一種，X射線具有它的一般屬性。具有單色的X射線沿X軸方向傳播，在垂直于被傳播方向的平面內存在著互相垂直的電場強度E和磁場強度H。二者在空間和時間上作周期變化(見圖11)。如果，研究的是一平面偏振的波(Plane Polariged wave)，即E只延xoz平面?zhèn)鞑ィ敲碋隨距離x和時間t的周期變化可表示為X

7、線是波長很短的電磁波，以光的速度沿直線前進，其波長范圍為0.000650nm。目前X線診斷常用的X線波長范圍為0.008-0.0031nm。(相當于40150kv)，在電磁輻射譜中，居射線與紫外線之間，比可見光的波長要短得多，肉眼看不見。圖1-2 表示了X線在整個光譜種的位置。 除上述一般物理性質外，X線還具有以下幾方面與X線成像相關的特性： 1穿透性 X線波長很短，具有很強的穿透力，能穿透一般可見光不能穿透的各種不同密度的物質，并在穿透過程中受到一定程度的吸收。X線的穿透力與X線管電壓密切相關，電壓愈高，所產生的X線的波長愈短，穿透力也愈強。反之，電壓低，所產生的X線波長長，其穿透力也較弱。

8、另一方面，X線的穿透力還與被照體的密度和厚度相關。X線穿透性是X線成像的基礎。 2熒光效應 X線能激發(fā)熒光物質(如硫化鋅鎘及鎢酸鈣等)，使產生肉眼可見的熒光。即X線作用于熒光物質，使波長短的X線轉換成波長較長的熒光，這種轉換叫做熒光效應。這個特性是進行透視檢查的基礎。 3攝影效應 涂有溴化銀的膠片經X線照射后，可以感光，產生潛影，經顯、定影處理，感光的溴化銀離子(Ag+)，被還原成金屬銀(Ag)，并沉淀于膠片的膠膜內。此金屑銀的微粒，在膠片上呈黑色。而未感光的溴化銀在定影及沖洗過程中，從X線膠片上被洗掉，因而顯出膠片片基的透明本色。依金屬銀沉淀的多少，便產生了黑和白的影像。所以，攝影效應是X線

9、攝影的基礎。 4電離效應 當X線通過任何物質而被吸收時，都特產生電離作用，使組成物質的分子分解成為正負離子。X線通過空氣時，可使空氣產生正負離子而成為導電體。因為空氣的電離程度，即其所產生的正負離子量同空氣所吸收的X線量成正比，所以可以利用測量電離的程度來計算X線的量。X線射過機體而被吸收時，就同體內物質產生相互作用，由屬于物理性質的電離作用開始，隨即在體液和細胞內引起一系列的化學作用，終于使機體和細胞產生生理和生物方面的改變。X線對機體細胞組織的生物效應主要是損害作用，其損害的程度依吸收X線量的大小而定。微量或少量的X線可以對機體不產生明顯的影響；超過一定的劑量將引起明顯的改變，但仍然可以恢

10、復；大量或過量的X線則導致嚴重的不可恢復的損害。X線對機體的生物效應是用以作放射治療的基本原理。同時X線的生物效應也指導X線檢查和治療的防護措施。X線光譜第四節(jié) X光球管的發(fā)展和構造X光球管的誕生到現(xiàn)在已一百多年了，X光已經應用到人們社會生活的各個領域，無論從工業(yè)探傷，化學分析，珠寶鑒定，機場鐵路的旅客安檢，還是到醫(yī)療方面的X光檢查，拍片，以及從70年代初發(fā)明的CT掃描裝置都離不開X光球管，從X光球管的工作原理上一直都沒有變化，依照電子束轟擊重金屬可以產生X光的這一原理，根據用途的不同生產出各種不同的X光球管，小到幾個厘米，大到幾十公斤，工作電流從小到零點幾毫安大到1000毫安以上，X光球管從

11、種類及工藝，壽命各方面都得到了極大的發(fā)展。最早的X光球管一、 早期的球管  最開始發(fā)現(xiàn)X光的球管是冷陰極球管，他的工作原理是，在放電管放電路徑中加入一個電極，陽極，并在這個陽極上加上一個電壓，在放電管放電的時候就有X線產生，這個插入的電極是由重金屬制造，可以是鉬，鎢，鎳，鈷等重金屬。由于冷陰極球管只是有X線產生，其X射線量是極其微弱的，只有在做出了真空二極管形式的X射線管后，X射線才得到廣泛得應用。X線球管的工作電壓主要是由球管陽極靶面的材料決定的，每一種物質都有一個固有的激發(fā)電壓，當管電壓比球管陽極材料的激發(fā)電壓高3一5倍時，電子撞擊陽極時所產生的X光強度最大。因此，X射線管的工作

12、電壓約為陽極物質激發(fā)電壓的35倍為最適宜。表1-1 列出了制造X射線管各種靶面材料一些特性二、 常用球管介紹1. 固定陽極球管：在小型X光機及工業(yè)X光機中所使用的X光球管基本都屬于這一類，封裝方式以玻殼管為多，也有少部分的金屬殼管，它的特點是陽極是固定的，結構簡單制造成本低，缺點是功率小，射線量小只能用于小型X光機及一些工業(yè)X光機，圖 1-1中球管是X射線衍射儀中的X球管。要求球管工作電流大的CT機則不能采用這種球管。 固定陽極球管是由燈絲（陰極見圖1-2），重金屬制成的陽極靶和一個抽成真空的玻殼組成，也有部分金屬殼球管，這一類球管在銷售及運輸當中有很大一部分都沒有外管套，由于管芯玻殼很薄，以

13、及管芯的金屬引出線與玻璃之間由于材料的不同，膨脹系數(shù)的差別也會出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，為了防止球管的失效，這一類球管大部分都有一個球管專用的運輸油箱，管芯在油中運輸和保存，這樣才能使球管的保存時間延長。 圖 1-1 X射線衍射儀中的X線球管圖1-2 X線球管陰極上的燈絲與燈絲罩 2旋轉陽極球管   旋轉陽極球管是在大功率X光機出現(xiàn)以后出現(xiàn)的一種高性能的球管，這種球管能在小的焦點下使用更大的電流進行工作，從金屬散熱的角度分析，任何金屬對熱的傳導都有熱阻，球管在小焦點大電流工作的情況下，在陽極靶面會產生高溫，如果電子束固定在一個位置不斷的轟擊，靶面很快就會熔化，如果我們讓靶面活動起來，是電子束不斷

14、的變換轟擊位置，就可以是球管在更大的電流下工作，是靶面受到電子束轟擊的位置產生的熱量有足夠的時間向金屬內部傳導，靶面就不會出現(xiàn)熔化問題。需要說明的是，X線球管的陽極工作在真空中，散熱條件很差，現(xiàn)在大功率球管在曝光時的功率可以達到60千瓦以上，其中99.5%的功率變成了熱，只有0.5%的功率轉變?yōu)閄射線，所有的熱都會留在陽極上，散熱對旋轉陽極球管來說尤其重要。 （一）. 旋轉陽極的轉速，目前的球管旋轉陽極轉速都在3000轉以上，高速旋轉陽極球管可達到7200轉，超高速的球管目前可達到1萬轉以上，球管陽極的轉速是根據球管的焦點電流密度設計的，同樣管電流的球管，焦點越小，要求球管旋轉陽極的轉速越高。

15、對于應用來說，球管的焦點越小，性能越好，這是因為焦點越小，所投射的半影也越小，所得到的圖像也越清析，但球管的制造難度也越大。（二）.旋轉陽極球管的結構與固定陽極球管的結構差別主要是在陽極上，旋轉陽極是一個帶軸的圓盤，根據不同的用途選用不同的靶面材料，如乳腺X光機球管一般采用鉬靶，CT機球管采用的是鎢靶，為了提高整體的散熱能力，靶面材料被鑲嵌在銅制的盤座上，整個靶通過軸承固定在管芯支架上，旋轉陽極使整個球管技術含量最高的部分。（1）.要求靶面金屬必須與靶基材料結合非常良好，在兩種金屬的結合部不允許有空腔和氣泡，這是因為成品的球管里面是高真空，球管里面的任何封閉的空腔與氣泡都會殘留氣體，這些殘留的

16、氣體會在球管工作中高溫與震動的作用下，逐步的釋放出來，造成真空度下降，使球管打火，造成球管提前報廢。（2）.要求球管靶面的材料必須是高純度，靶面材料的純度越高，所發(fā)出的X線頻譜越窄，雜波X線越少，球管的品質越高。（3）.旋轉陽極必須做嚴格的動平衡校正，動平衡的不良會使球管陽極在轉動時噪聲加大，降低球管的使用壽命，同時也會使輸出的X線減少。（4）.旋轉陽極的軸承工作在真空高溫狀態(tài)下，工作時的溫度在二百度以上，動平衡要求嚴格，精度要求很高，旋轉陽極的軸承目前只有德國生產。（5）.球管是一個真空電子管，在很高的工作電壓下工作，對球管內的真空要求很高，這就要求球管內的所有部件在球管封裝前，必須作嚴格的

17、脫氧及除氣處理，這樣才能保證成品球管的真空度。    陽極的旋轉是靠加在管芯外面電機定子線圈產生的旋轉磁場進行驅動，所說的旋轉陽極的軸，實際上是一個磁滯式電動機的轉子，只不過它是被密封在真空里。旋轉陽極的功能是在電子束流的轟擊下產生X射線。陽極在電子束流的轟擊下，在陽極的表面會留下電子束轟擊的軌跡，陽極在旋轉方面的任何故障，都會造成陽極表面的損傷，陽極表面金屬的熔化會產生金屬蒸汽，從而破壞球管內的真空，造成球管的內部打火，使球管報廢。（三）.旋轉陽極球管的陰極是一個直熱式真空管的陰極，它的燈絲由鎢制成，旁邊加有控制電子射線角度和方向的束流罩，用它來控制球管焦點的大

18、小，雙焦點的球管有兩組這樣的燈絲陰極。陰極的功能是產生電子束流來轟擊陰極。陰極的燈絲是在高溫下工作的，長期的工作會使燈絲的金屬揮發(fā)，在電子束發(fā)射的過程中也會有部分的燈絲金屬離子隨著電子束流被發(fā)射到陽極上面，因為陰極電流是從燈絲上發(fā)射出去的，陰極電流在流過燈絲時也會使燈絲的溫度提高，燈絲溫度的提高會使陰極電流進一步的提高，根據這一特性，一般在設計直熱式陰極燈絲時，其燈絲電流必須比陰極發(fā)射電流大十倍以上，這樣才能使球管工作穩(wěn)定。長時間工作后燈絲會不斷的變細，燈絲電流會不斷的減小，而從燈絲上蒸發(fā)出來的金屬氣體，也會使球管真空度下降，出現(xiàn)打火故障，無論是陽極還是陰極蒸發(fā)出來的金屬氣體，都會像水蒸氣一樣

19、在球管較冷玻殼上的凝聚，使球管的玻殼像用久了的電燈泡一樣變成黑色。（四）.球管的冷卻系統(tǒng) 現(xiàn)在生產的CT機及X光機球管一般都加有油循環(huán)冷卻系統(tǒng)，油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的冷卻形式有以下幾種：（1）.分離式冷卻式：這一類球管自身不配有油泵和散熱器等附屬部件，這些循環(huán)冷卻部件是作為機器部件固定在機器上，如DI1750等球管。這一類球管的優(yōu)點是由于沒有外加的冷卻系統(tǒng)，球管的包裝運輸比較方便，球管包裝小。缺點是在更換這一類球管時，球管以外的冷卻部分的絕緣油不能與球管一同更換，必須進行另外的更換，在現(xiàn)場更換的絕緣油的品質有時難以保證，這些油有時還會與球管內的油產生化學反應，改變油的性質。（2）.集成冷卻式：這一類

20、球管的油泵散熱器與球管組裝在一起，它的優(yōu)點是，在更換球管時不存在散熱器換油的問題，油泵和散熱器在廠家就可以檢查好。它的缺點是：a).運輸包裝體積較大。B).油泵，散熱器及油循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)都隨球管在一起，為了減輕重量和降低成本，油泵與散熱器做的都比較小，散熱的效率較低，而油流監(jiān)測系統(tǒng)由于體積與接口、供電等各方面的限制，目前大部分做成轉子式油流開關，這種開關的結構是在一個圓形的管道內放置一個彈簧和一個帶有永久磁鐵的轉子，在圓形管道外面的適當部位放置一個干簧開關，當帶有永久磁鐵的轉子在油流的推動下，接近干簧開關時，開關就會吸合，給出一個油流正常的信號，這個油流開關很容易受到油中雜質的阻礙，使開關不能工

21、作，同時，干簧開關也是一個易損的零件，對球管的正常工作都會帶來威脅，增加了球管的故障率。（3）.間接換熱冷卻式球管：這一類球管是為了倪補前兩種球管冷卻方式的不足而出現(xiàn)的一種球管，這種球管目前多用于大功率的CT球管上，因為球管的功率大，發(fā)熱量高，需要的散熱器非常龐大，不可能在與球管一起進行搬運，而普通的分離式冷卻方式又不能保證球管內油的品質，這樣就出現(xiàn)了這種既克服了前兩種球管冷卻方式缺點，又能滿足球管冷卻要求的間接換熱式冷卻球管。    這種球管的內部結構隨著廠家的不同變化較大，就以西門子PLUSCT球管為例，這種球管的冷卻部分，使用的是一種水池循環(huán)管式換熱方式，在

22、不同換熱的兩個層面都利用油泵進行強制循環(huán)，內層產生的熱量會很快的被外層循環(huán)的油流帶走，以達到高效冷卻的目的，而內外層的油又相互隔離。球管的內層油的充油量在球管油的膨脹腔上面可以反映出來，在常溫下，膨脹腔伸縮部分的底部距端口大約2/3左右，如果膨脹腔的伸縮部分已經完全靠到了腔體的底部，膨脹腔波紋管又被壓的很緊，就應該考慮到管芯的破碎。    在這種球管上，比普通的球管增加了很多東西，如旋轉陽極轉速檢測系統(tǒng)，它是通過一條光纜向旋轉陽極上的反射標志發(fā)出紅外激光，用另一條光纜檢測從旋轉陽極反射標志上返回的信號，在旋轉陽極上一周有四個標志，球管每轉一周，就會得到四個脈沖信號

23、，球管陽極的轉速是50轉/秒，每秒有200個脈沖輸出，通過球管上附帶的脈沖整形電路板進行信號處理，輸出200HZ/S的方波到CT的計算機，用以檢測球管陽極的真實轉速。   這種球管另外一個變化是增加了兩個高頻的燈絲變壓器，球管的燈絲供電不再通過高壓電纜，并且只能使用27KHZ-40KHZ的高頻電流對燈絲進行供電，變壓比大約是20：1（有待進一步驗證）。在進行球管測試時，絕對不可以用直流電或低頻交流電在帶有變壓器的情況下對燈絲進行通電測試，這樣會損壞燈絲變壓器。（五）.球管真空的維護   球管的內部必須保持在高真空的狀態(tài)，真空度一旦下降球管就不能正常工作，

24、下面就球管管芯真空度下降的幾個原因及解決辦法進行分析：（1）.球管存放時間過長：球管管芯的管殼一般是玻璃或金屬的，任何材料它的密閉性都是相對的，因為管芯內部是高真空，氣體會通過玻璃或金屬材料分子間的空隙進入到球管里面來，使真空度下降。（2）.管芯內部各種材料的放氣，管芯內的材料不管怎樣處理，都不可能做到沒有任何氣體，材料中的氣體會隨著時間的推移和工作中溫度的變化而釋放出來，使真空度下降。（3）.球管制造不良：再球管的內部有很多需要焊接的部分，在焊接部分存在空腔、氣泡，這些氣體釋放出來后會使真空度下降。球管管殼的電極引線、支架與玻璃的結合部，由于金屬與玻璃的熱膨脹系數(shù)不同，而且膨脹的線性關系也不

25、一致，也會產生漏氣問題。（4）.在使用中球管周邊工作環(huán)境出現(xiàn)故障，使球管出現(xiàn)過熱、打火，也都會造成管芯內材料過速放氣，引起真空度下降，已經老化的球管由于燈絲和陽極會發(fā)出來的金屬蒸汽太多，也是真空度下降的一個重要原因。    以上所分析的真空度下降的一些原因，有一些真空度的下降可以通過加電老練的方式來提高真空度，有一些就只能宣布報廢，一般因存放所引起的真空度下降，通過加電真空老練大多數(shù)都能恢復，而因為燈絲和陽極揮發(fā)金屬所造成的真空下降，基本上沒有恢復的可能。而因為意外打火引起的真空下降（燈絲、陽極沒有出現(xiàn)嚴重的金屬揮發(fā)現(xiàn)像），可恢復性大約占50%。因球管過熱造成的真

26、空度下降，一般都可以恢復。第二章 影像醫(yī)學的發(fā)展   從1895年德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)X線至今已有100多年的歷史，X線透視和攝片為人類的健康做出了巨大的貢獻，而今影像醫(yī)學作為一門嶄新的學科，在近20年中以技術的快速發(fā)展和作用的日益擴大而受到普遍的重視，在我國大中城市的大醫(yī)院中，影像學科已成為醫(yī)院的重要科室，在醫(yī)院的醫(yī)療業(yè)務、設備投資、科研中占有重要的地位。  第一節(jié) X線影像形成的原理X線之所以能使人體在熒光屏上或膠片上形成影像，一方面是基于X線的特性，即其穿透性、熒光效應和攝影效應；另一方面是基于人體組織有密度和厚度的差別。由于存在這種差別，當X線透過人體各種不同組織結

27、構時，它被吸收的程度不同，所以達到熒光屏或X線片上的X線量即有差異。這樣，在熒光屏或X線片上就形成黑白對比不同的影像。因此，X線影像的形成，應具備以下三個基本條件：首先，X線應具有一定的穿透力，這樣才能穿透被照射的組織結構，第二，被穿透的組織結構，必須存在著密度和厚度的差異，這樣，在穿透過程中校吸收后剩余下來的X線量，才會是有差別的；第三，這個有差別的剩余X線，仍是不可見的，還必須經過顯像這一過程，例如經X線照片或熒光屏顯像，才能顯示出具有黑白對比和層次差異的X線影像。X線穿透密度不同的組織時，密度高的組織被吸收的多，密度低的組織被吸收的少，因而剩余的X線量就出現(xiàn)差別，從而形成黑白對比的X線影

28、像(圖ll2)。X線穿透厚度不同的組織或器官時，厚的部分吸收X線多，薄的部分吸收X線少，因而剩余的X線量就出現(xiàn)差別(圖113)。事實上、密度和厚度這兩個因素經常是綜合地影響X線成像。第二節(jié)密 度 (一) 物質密度與影像密度物質密度即單位體積中原子的數(shù)目，取決于組成物質的原子種類。物質密度與其本身的比重成正比例。物質的密度高，比重大，吸收的X線也多，影像在照片上呈白影，在熒光屏上黑暗。反之，物質的密度低，比重小，吸收的X線也少，影像在照片上則呈黑影，在熒光屏上明亮。由此可見、照片上的白影與黑影或熒光屏上的暗與明都直接反映物質密度的高低。在術語中，通常用密度的高與低來表達影像的白與黑。例如用高密度

29、、中等密度和低密度或不透明、半透明、透明等術語表示物質的密度。人體組織密度發(fā)生改變時，則用密度增高或密度減低來表達。由此可見，物質密度和其影像密度是一致的。但是，X線照片上的黑影與白影，還與被照器官與組織的厚度有關，即影像密度也受厚度的影響。 (二) 天然對比與人工對比天然對比 根據密度的高低即比重的大小，人體組織可概括分為骨鉻、軟組織(包括液體)、脂肪和存在于人體內的氣體四類。這種由人體不同組織間天然存在的密度差別所顯示的對比，稱為天然對比。茲將它們的比重和X線吸收比例列于表ll1如下：1 第三章、CT發(fā)展概況第一節(jié) CT的發(fā)明 X線CT掃描機(Computed tomography)，以下

30、簡稱CT。是70年代初發(fā)展起來的一門新的X線診斷醫(yī)學科日，它把X線與電子計算機結合起來，并把其影像數(shù)字化，徹底改變了傳統(tǒng)的直觀的影像方法和貯存方法。1972年英國EMI公司首先制成第一臺頭部CT掃描機，這是由英國工程師GNHounsfield (亨斯菲爾)設計成的，同年在美國芝加哥的北美放射學會上向全世界宣布了這項偉大的成果。從此使X線的發(fā)展得到重大的突破與飛躍。X線影像是把具有三維的立體解剖結構攝成二維的平面團像，影像相互重疊，相鄰的器官或組織之間如對X線的吸收差別小，則不能形成對比而構成圖像。雖然體層攝影可解決影像重疊問題，造影檢查可使普通X線檢查不能顯示的器官顯影，但影像的分辨力不高，一

31、些器官或組織，特別是由軟組織構成的器官仍不能顯影。1969年Hounsfield設計成計算機橫斷體層成像裝置。經神經放射診斷學家Ambrose應用于臨床，取得極為滿意的診斷效果。它使對X線吸收差別小的腦組織和腦室以及病變本身顯影，并所得顱腦影像為橫斷面圖像。這種檢查方法稱之為計算機體層成像。這成果于1972年英國放射學會學術會議上發(fā)表，1973年在英國放射學雜志上報道，引起人們極大的關注。這種圖質好、診斷價值高而又無創(chuàng)傷、無痛苦、無危險的診斷方法是放射診斷領域中的重大突破，促進了醫(yī)學影像診斷學的發(fā)展。由于對醫(yī)學上的重大貢獻，Hounsfield獲得了1979年的諾貝爾醫(yī)學生物學獎。這種檢查方法

32、開始只能用于頭部，1974年Ledley設計成全身CT裝置，使之可以對全身各個解剖部位進行檢查，擴大了檢查范圍。此后，CT裝置在設計上有了很大發(fā)展，臨床應用也非常普遍。第二節(jié)、CT機的特點 CT診斷的特點是檢查方便、迅速而安全，檢查時只要病人不動地臥于檢查床上，即可順利完成檢查，易為病人所接受，而且隨訪方便；雖然也有X線輻射問題，但一般輻射量不超過容許劑量同所得到的診斷資料相比，則可以不計；圖像是斷面圖像密度分辨率高，可直接顯示X線照片無法顯示的器官和病變。同超聲圖像相比，CT圖像清楚，解剖關系明確，病變顯影良好。因此，病變的檢出率和診斷的準確率較高；可以獲悉不同的正常組織與病變組織的X線吸收

33、系數(shù)(或衰減系數(shù))，以用于定量分析，即不僅有不同密度的器官、組織或病變的影像。而且有反映各自對X線吸收多少的數(shù)據，即吸收系數(shù)；由于圖像是來自吸收系數(shù)的轉換，因此，通過計算機進行圖像處理，使圖像的密度或灰度可調到適于對某些組織或病變進行觀察的密度，不像X線照片各部影像的密度那樣，不能調節(jié)。CT的診斷效果好，方法簡便，迅速安全，是一項無損傷的、無痛苦的檢查方法。它與普通X線攝影相比，在方法上有看本質的不同，它是從人體某一較薄的斷層面中，采集建立影像所必須的信息-投影數(shù)據，因此不會因其它層面的重疊而模糊不清。它所用的X線是以一條或多條細窄的線束方式輻射的，因而可以大幅度地減少射線的影響，有利于提高影

34、像的清晰度。并可采取具有動態(tài)量程范圍很寬的X線探測解，用來測量透過X線強度。以電于計算機運算所采集到的投影數(shù)據，并重建斷層影像。通過電子計算機的軟件功能，可以選擇多種多樣的影像顯示方式和錄存等。這些作用的綜合效果，達到了能夠明顯地分辨出X線吸收系數(shù)相差很小的軟組織和水。因此，自其誕生起就受到了廣泛的重視與應用，而且它的發(fā)展很快，在短短的幾年中已發(fā)展到第四代CT 。在目前CT檢查范圍方面，除了心臟外，其它各個系統(tǒng)和部位的組織、器官均可作CT檢查。第三節(jié)、CT機的基本原理 CT是以X線束對體部某一選定體層層面進行掃描，測定透過的X線量，數(shù)字化后經過計算得出該層層面組織各個單位容積的吸收系數(shù)、然后重

35、建圖像的一種成像技術。為此，CT裝置要包括：由X線管和能測量透過X線量的探測器所組成的掃描裝置；可以把掃描所收集到的信息數(shù)據進行儲存、運算并能重建圖像的計算機；以及能顯示圖像的陰極射線管(cathode ray tube，CRT)、快速打印機和光學多幅照相機，激光照相機等(圖1-2-1)?？梢钥闯鯟T同X線攝影不同、后者是用錐形X線束，利用透過人體的X線，使膠片感光而構成圖像的成像方法、即投影成像(Projectional imaging)。 X線掃描與透過的X線量測量方法因CT裝置不同而異。圖122是不同結構的掃描裝置，其掃描方式亦異。般也將CT裝置像計算機的劃代那樣分成幾代。實際上，這種劃

36、代并不確切。   現(xiàn)以原始的CT裝置為例，如EMI-MK1型，說明CT裝置的工作情況(圖1-2-2a)。X線源用3mm寬的筆形束，對包括頭部的24cm正方形的一邊進行平移掃描。與X線束相對的是同步平移的探測器，接受透過頭部的X線按照240個點進行X線測量，而得240個信息G掃描完畢，則以頭部為中心，掃描架旋轉1度角，再行另一個方向的掃描。如此連續(xù)進行平移掃描和旋轉，直至轉完180。角，即進行了180次平移掃描為止，完成一個層面的掃描。這樣可得到240×180，即43200個信息。這些信息經模擬數(shù)字轉換器(analogdigital converter)轉換成數(shù)字存儲于磁盤(

37、disk)中。由計算機運算而得出該24cm正方形，厚度為8或13mm層面中，每個1.5mm×1.5mm×8或13mm單位容積(稱體素，即voxel )的吸收系數(shù)(圖124)，共有25600個，并排列成行與列成為160×160的矩陣，即數(shù)字矩陣(digita1matrix)，每個方塊稱為像素(Pixel)。計算結果存儲于磁盤中。根據計算機的指令，這些吸收系數(shù)經數(shù)字模擬轉換器(digitalanalog converter)而于陰極射線管上顯出該層面的圖像。也可用快速打印機將各個吸收系數(shù)印出，成為數(shù)字短陣(圖l25)。實際上，在X線管的前方即X線管與被查體之間還有一個

38、探測器，由這兩個探測器測量并計算出該層面各個單位容積的吸收系數(shù)。由于探測器少，掃描次數(shù)多，時間長，所以重建一個層面的圖像所需時間要以分計。這種CT裝置納掃描方式是平移旋轉式(translaterotate，TR)。如以代劃分，則屬第一代。第四節(jié)、CT機圖像重建方法  早在1917年澳大利亞數(shù)學家Radon就從數(shù)學原理上證明了二元或三元物體由投影的無限集合可重建圖像。物體斷層層面的各個單位容積從多個方向X線掃描所得的投影數(shù)據，經計算機快速運算，即經圖像重建的處理過程而可重建圖像。第四章 CT機結構 CT裝置主要由掃描裝置，圖像顯示與記錄系統(tǒng)組成。    掃

39、描裝置是收集透過被查體的X線信息的部分，主要有能發(fā)射X線的X線管和接受透過被查體X線的探測器。第一節(jié) . CT球 管 作為CT掃描用的X線管與一般X線管相同，分固定陽極和旋轉陽極兩種。前者用于TR掃描方式，即用于一、二代的CT裝置，后者則用于其他形式的掃描，多用于三、四代的CT裝置?，F(xiàn)在TR掃描方式已被淘汰，因此，用旋轉陽極X線管用于3-4代CT裝置，掃描時間只需210秒，信息采集時間短，而通過X線管的電流量大常是100600mAS。固定陽極由于熱負荷不足不能耐受陽極所產生的高熱。因此，需要用旋轉陽極管球使焦點的瞬間容許熱負荷大幅度增加。X線管的工作時間短冷卻方式可用空氣冷卻。焦點大小為 6-

40、12mm?，F(xiàn)在高檔的螺旋CT最大的球管已用到6.5MHU,冷卻多采用水循環(huán)間接強制鳳冷。最大一次曝光量能達到1萬mAS以上，使圖像分辨率達到相當高的水平。第二節(jié)探測器 X線掃描時，探測器接受的X線量是一定時間內的模擬量，并不是直接計算X線光子數(shù)目。第一、二代CT裝置的探測器用碘化鈉晶體與光電倍增管組成。碘化鈉晶體探測器對X線的敏感度比膠片大100倍。后來，改用氟化鈣(CaF2)晶體和鍺酸秘晶體(Bi4Ge3O12,BGO)。這些晶體在X線照射時，產生與X線量成比例的可見光線，經光電倍增管放大，并由光能轉為電流作為掃描信息而輸入計算機。晶體中常放入微量的增光或減少余輝的激活物質。第三代CT裝置的

41、探測器主要用氙氣(Xenon，Xe)電離室，而第四代剛由BGO晶體和光電倍增管組成(半導體探測器)和多晶硒平板探測器以及陶瓷探測器，并出現(xiàn)了多并列平板探測器。 1閃爍器與光電倍增管式 上述碘化鈉、氟化鈣和鍺酸鉍都可用于閃爍器，屬于無機結晶。碘化納對X線光子的檢出率為100。但余輝是最大的問題在遮斷X線后0.1秒內，其強度與原來強度相比，還有10-2一10-3的余輝。氟化鈣與鍺酸鉍晶體余輝則非常小。氰化鈣的X線光子檢出率差。鍺酸鉍同碘化鈉及氟化鈣相比優(yōu)點較多，所以應用較廣。因為鉍原子序數(shù)為83，較高，比重較大，其能量吸收系數(shù)比碘化鈉大三倍。雖然晶體小，其檢出率也不差，無余輝，不潮解。2氙氣電離室

42、 100個以上的探測器密集排列，在結構排列上較難，但用電離室則不困難。于電離室中封入具有20個大氣壓的原子序數(shù)高的高壓氙氣，可提高捕捉X線光子的效果。也有用氪(Kr)氣的。同閃爍器光電倍增管式相比，其檢出率雖低，但無余輝，而穩(wěn)定性較好。3多晶硒硒陶瓷晶體探測器因直接進行X光的光電效應原理工作，不存在余輝的問題，體積小重量輕靈敏度高，并可做成多排，X光球管一次曝光可同時采集多層信息，大大的減少了患者的受線量，從CT的整體掃描速度上有了成倍的提高，這項技術將成為今后CT發(fā)展的主流，由于這項技術還沒有完全普及，制造技術還沒有完全過關，并且探測器通道的增多也必須電路通道，與探測器相連的高速A/D轉換器

43、，浮點放大器目前技術含量也相當高，目前世界上也只有美國的DILOG公司一家生產，價格昂貴，所以目前多排探測器的CT價格很高，要到完全普及，還需要一定的時間。第三節(jié)準直儀 第一 ，二代CT裝置使用較大焦點管球，半影大，X線管前方需用準直儀，而準直儀使通過被查體的X線光子有45不能進入探測器。第三代CT裝置用小焦點管球，半影小。沒有必要使用準直儀，全部光子可進入探測器中，X線光子的利用率比第一，二代大23倍。在第四代CT上，由于CT加快了掃描速度，要求球管的X光出線量大，X光球管比第三代的焦點大了很多，辦影加大，準直器又重新安裝到了CT上,并且準直器的出口光欄變成了可調式，可根據不同的掃描層厚改變

44、光欄出口，以減少半影干擾，使圖像更加清晰。第四節(jié)掃描方式 掃描方式各有不同。圖122b所示，X線源為具有一定夾角的扇形束，例如10度角，對面有為數(shù)不等的，例如有l(wèi) 6個或30個探測器，仍用平移旋轉方式掃描，但與第一代不同，轉的角度較大，例如轉10度角，這樣掃描18次，即可完成一個層面的掃描。由于探測器較多，獲得信息多，掃描次數(shù)減少，掃描時間也縮短，可達10一40秒。這類裝置屬于第二代。初期的全身掃描裝置即用這種掃描方式。 圖122c所示X線源呈扇形，被查體位于扇形束中，X線管與探測器相對，以被查體軸為中心，行90?；?80。往復旋轉，旋轉同時進行掃描。這樣，可由多個方向獲得信息。由于探測器數(shù)目

45、多，可達幾百個，所得信息多。旋轉又與掃描同時進行，使一個層面的掃描時間進一步縮短，可以秒計，約為24秒。這種掃描為旋轉旋轉式(rotate/rotate，RR)，也可稱為旋轉式。在旋轉掃描過程中X線管產生X線，透過人體進入探測器，能獲得更多信息。這種CT裝置屬第三代，應用最多。 圖122d探測器約有1000個左右，固定排列成環(huán)形，被查體的軸在環(huán)的中心，X線管可在環(huán)形排列的探測器內作360的旋轉，而探側器不動。X線管旋轉同時進行掃描，同X線管所發(fā)射的扇形束相對的探測器接受透過的X線。這種掃描屆旋轉靜止式(rotatestationary , RS)。掃描時間可縮短到25秒。應該屬第三代。圖122

46、e探測器排列成環(huán)狀，X線管在環(huán)形排列的探測器外邊，當旋轉掃描時，對著線束的探測器同時作垂頭運動(notation)。掃描方式為旋轉垂頭式(rotatenotation，RN)。探測器可達4000多個，完成一個層面的掃描時間為330秒。仍屬于第三代。 80年代末90年代初，對CT機又作了改進，值得一提的是螺旋CT掃描(spiral CT scan或又稱helical scan)。它是在旋轉式掃描的基礎上，通過滑環(huán)技術與掃描床平直勻速移動而實現(xiàn)的?；h(huán)技術使得X線管的供電系統(tǒng)只經電刷和短的電纜，而不須用普通CT機的長電纜，這樣就可使X線管連續(xù)旋轉并進行連續(xù)掃描。在掃描期間，床沿縱軸連續(xù)勻速平直移動

47、。管球旋轉和連續(xù)動床同時進行，使X線掃描的軌跡呈螺旋形，并且是連續(xù)的、沒有間隔時間(圖l27)。不像普通CT掃描那樣，掃一層面后進床后再掃一層有掃描間隔時間，結果使整個掃描時間大大縮短。由于是連續(xù)掃描，可得到掃描區(qū)域的容積數(shù)據，所以可重建任意層面的圖像，而且重建的三維圖像比普通CT清晰。第四代CT現(xiàn)在基本上都采用滑環(huán)方式，掃描架向一個方向旋轉，目前高檔的CT基本都具備了螺旋掃描功能，一次掃描下來就可以獲得患者一個體段的完整的三維圖像數(shù)據資料，通過CT的計算機及工作站進行三維重建或進行任意的刨面圖像,并可以進行虛擬內窺鏡處理，使CT圖像的可診斷性有了進一步的提高。 由于整個掃描時間縮短，所以對不

48、合作的病人易行掃描，一次屏氣即可完成掃描，從而容易清除呼吸動帶來的層面位置變化，避免層面遺漏或重疊。適合于對運動器官，如肺與肝的掃描，適合動態(tài)掃描(dynamic scanning)，還可進行CT血管造影(CT angiography，CTA)和內診CT( endoscopic CT)。螺旋CT掃描應用越來越廣泛。 目前又出現(xiàn)了電子束掃描CT，它可以適應檢查心血管的快速掃描。X線源用電子槍(圖122f)，故又稱電子束CT使掃描時間縮短到50毫秒。圖像分辨力高，可檢查心臟。但價格昂貴，不便推廣使用，屬第五代。 CT掃描所用計算機系統(tǒng)應具有高速運算、大量數(shù)據儲存和檢索的功能，是由中心處理裝置(ce

49、ntra1 Process unit，CPU)、主儲存裝置(此兩項通常稱之為計算機)、輔助儲存裝置、顯示裝置和操作臺、激光打印機等組成。 中心處理裝置與主儲存裝置是計算機的核心，進行投影數(shù)據的收集和運算。 輔助儲存裝置主要用光盤和磁盤，用于儲存圖像的數(shù)據，磁盤儲存的圖像數(shù)據受中心處理裝置所控制，可即時依指令顯示圖像。磁盤容量多少不等。 顯示裝置用陰極射線管。早期的CT用黑白電視顯示裝置，灰階表現(xiàn)能力為16個梯度。近幾年生產的CT已使用專用的高分辨率黑白顯示器，灰階度達到256個階度，圖像分辨率能達到1024X1024/in2。現(xiàn)在高檔的CT開始采用彩色顯示器裝置，滿屏分辨率已達到3200X28

50、00, 在一屏當中可以排列多幅高質量的圖像，對特殊的成像進行計算機偽彩處理。 操作臺可進行輸入X線掃描條件和有關病人的資料、發(fā)出開始或停止采集數(shù)據的指令。由于CT圖像是數(shù)學上的圖像重建，所以通過操作臺發(fā)出指令，經計算機處理，可將各層橫斷層的CT值重新排列而重建冠狀面和矢狀面圖像。還可進行放大而得到某一局部的放大圖像，測量某一解刨結構或病變的徑線以及它們的CT值等。這些操作均可由操作臺來完成。第五節(jié)圖像的存儲與輸出CT圖像的數(shù)據可儲存于磁盤中，但仍需用照片直接記錄圖像。如需即刻獲得，則用偏振光照片(Polaroid film)攝下或用膠片攝下。前者需要用偏振光照相機和偏振光照片，偏振光相機價廉，

51、而偏振光膠片很貴，現(xiàn)在已經淘汰。后者需將陰極射線管上的圖像先行黑白反轉，再用照相機攝下。常用的是多畫面照相機(又稱多幅照相機multi format camera)，系由顯示屏光學系統(tǒng)和操作系統(tǒng)所組成，由于激光照相機的廣泛應用，這種多幅照相機已開始逐步淘汰。激光照相機以其圖像更為清晰，拍照速度快，操作簡便，故障率低，還可加上自動顯像系統(tǒng)，近幾年獲得了較快的發(fā)展，成為CT機膠片輸出的主要設備，1張照片可記錄若干個畫面。膠片則用單面膠膜膠片。目前新出的干式膠片打印機，已開始在一些條件比較好的醫(yī)院投入使用，因設備價格較高，膠片成本也很高，到完全普及還需要一定的時間。由于網絡技術的發(fā)展，在醫(yī)學影像方面

52、出現(xiàn)了PACS系統(tǒng)，使醫(yī)學資料共享，目前生產的CT基本上都配備了網絡互連的DICOM接口。第五章 CT 基本要素第一節(jié)、CT 圖像矩陣 CT圖像是由一定數(shù)目的由黑到白不同灰度小方塊(像素)按矩陣排列所構成的。這些小方塊是反映相應單位容積的吸收系數(shù)。以原始的EMI MXl型CT裝置為例，是在24cm正方形圖像中包括著160×160個像素。顯然，像素越小，數(shù)目越多，則構成的圖像越細致。像素的大小與數(shù)目因叮裝置不同而異。有240×2405760D、256×25665536、336×336112896和512×512262144個的。像素大小則為1.0

53、mm×1.0mm，0.5mm×0.5mm不等。 CT圖像在顯示屏上有由黑到白的不同灰度，黑表示低吸收區(qū)，即低密度區(qū)，如腦室；白表示高吸收區(qū)，即高密度區(qū)，如顱骨。這與X線照片所示的黑白圖像一致。由于CT有高的密度分辨力，所以人體軟組織的吸收系數(shù)雖大多數(shù)近于水的吸收系數(shù)，也能形成對比而顯影。CT能分辨出吸收系數(shù)只有0.1一0.5的差異第二節(jié)、CT 值 如前所述，CT圖像是由身體某一選擇層面一定數(shù)目像素，按該層面固有的排列關系所構成。計算機以X線掃描所得的信息，計算出每個單位容積的X線吸收系數(shù)(或稱衰減系數(shù)值)。這個值再換算成CT值，以作為表達組織密度的單位。規(guī)定將受測物質的衰減

54、系數(shù)M與水的衰減系數(shù)W作為比值計算，并以骨皮質和空氣的衰減系數(shù)分別作為上下限進行分度，這樣就得出CT值。表1是人體不同組織的CT值，可見軟組織的CT值與水的CT值相近。表1-2-1是用線段來表示CT值的范圍。 CT值并不是絕對不變的數(shù)值，它與X線管電壓有關。因為用作掃描的X線源是連續(xù)光譜，不是單一波長射線，因此，CT值隨著管電壓的高低而改變。因為不同的管電壓，在組織內的光電吸收與反沖電子吸收比例不同。所以CT值是指某次掃描所用電壓下的CT值。盡管這種差別對臨床應用并無明顯影響，但在進行定量分析，比較不同CT裝置所得同一組織的CT值時，應當了解所用的管電壓，否則也會造成誤差。其次，某一正?；虿±?/p>

55、組織的CT值還受部分容積效應(Fa小alvolume effecl)的影響(詳見本節(jié)CT圖像分辨力)。因此，在組織密度的定量分析上CT值雖有很大的價值但也有它的限度。第三節(jié)、窗位與窗寬 窗技術是CT檢查中用以觀察不同密度的正常組織或病變的一種顯示技術，包括窗寬(window width)和窗位 (window level)。由于各種組織結構或病變具有不同的CT值，因此欲顯示某一組織結構細節(jié)時，應選擇適合觀察該組織或病變的窗寬和窗位，以獲得最佳顯示。 窗寬是CT圖像上顯示的CT值范圍，在此CT值范圍內的組織和病變均以不同的模擬灰度顯示。而CT值高于此范圍的組織和病變，無論高出程度有多少。均以白影

56、顯示，不再有灰度差異；反之，低于此范圍的組織結構，不論低的程度有多少均以黑影顯示，也無灰度差別。增大窗寬，則圖像所示c1。值范圍加大，顯示具有不同密度的組織結構增多，但各結構之間的灰度差別減少。減小窗寬，則顯示的組織結構減少，然而各結構之間的灰度差別增加。如觀察腦質的窗寬常為-15一+85H，即密度在-15一+85H范圍內的各種結構如腦質和腦脊液間隙均以不同的灰度顯示。而高于+85H的組織結構如骨質及顱內鈣化，其間雖有密度差，但均以白影顯示，無灰度差別；而低于-15H組織結構如皮下脂肪及乳突內氣體均以黑影顯示，其間也無灰度差別。 窗位是窗的中心位置，同樣的窗寬由于窗位不同，其所包括CT值范圍的

57、CT值也有差異。例如窗寬同為100H，當窗位為0H時，其CT值范圍為-50一+50H；如窗位為+35H時，則CT值范圍為-15一+85H。通常欲觀察某一組織結構及發(fā)生的病變，應以該組織的CT值為窗位。例如腦質CT值約為+35H則觀察腦組織及其病變時，選擇窗垃以+35H為妥。 由上可見，同一CT掃描層面，由于選擇不同的窗寬和窗位可獲得各種觀察不同組織結構的灰階圖像。例如同一CT掃描層面用兩個不同窗技術所取得的兩幅顱腦圖像。當選擇窗寬100H、窗位為十35H時腦質結構及其病變顯示最佳，而骨質變化顯示不清。但提高窗位為十300H窗寬為800H時，則可清楚顯示出顱壁的骨質破壞和增生，而腦質結構及其病變顯示不佳。因此，為顯示欲觀察的組織及其病變，應在CT操作臺上選擇適當?shù)拇皩捙c窗位，并用多幅照相機或激光照相機加以記錄。一旦攝成膠片，圖像的灰度即不能改變。第四節(jié) 空間分辨力與密度分辨力 CT的分辨力分空間分辨力(spatial resolution)和密度分辨力(dcnsity resolution)，是判斷CT性能和說明圖像質量的兩個指標。以第一代的EMIMKl型CT裝置為例，其圖像由160×160個像素構成，像素較大，數(shù)目較少，其空間分辨力低；如果像素小而多，則圖象細致、清楚，即空間分辨