X 线成像技术及设备

1. X线成像技术及设备

2. X线的历史 1895年Roentgen发现X线， 奠定了医学影像学 (medical imageology)基础 。

3. .. Roentgen

4. 湘雅影像

5. 一、X射线的产生 1) X射线产生的必要条件 • 有电子源; • 必须有高压电场及真空条件下的电子流; • 必须有适当的阻挡物(金属靶面)来承受高速电子的能量，使高速电子所带的动能转变成X射线。

6. 连续X射线 + 2) X射线的产生 • 连续X射线：高速运动电子与靶原子核作用。 • 特征X射线：原子核外电子的跃迁。 连续辐射/韧致辐射：高速带电粒子在靶物质的原子 核电场作用下，改变运动方向和速度，所损失的动能 中，有一部分转化为能量等于hν的光子辐射出去。由 于各带电粒子与原子核相互作用情况不同，所以辐射 出来的X射线光子能量也不一样，具有连续的能谱分布。 连续X射线的能量： h ：普朗克常数 c ：光速 V ：加速电子的电场电压 e ：电子电荷量 νmax：X射线的频率 λmin ：X射线的波长 6

7. 特征X射线 X射线强度 X射线波长 3) X射线的产生 X射线谱示意图 管电压V1>V2>V3

8. 标识辐射的X射线波长是由跃迁的电子能量差决定的，与高速电子的能量（管电压）无直接关系，主要决定于靶物质的原子序数，原子序数越高，产生的标识辐射的波长越短。 二、X射线的基本特性 1) X射线的物理特性 本质与普通光线一样，都属电磁波，但波长比可见光更短，介于紫外线与γ射线之间。与普通光线一样具有微粒—波动二重性，每个X射线光子具有一定的能量E=hυ，并以光的速度直线传播。同时服从光的反射、折射、散射和衍射等一般规律。

9. 1、贯穿本领 • X射线的波长很短，对各种物质都具有程度不同的穿透能力。 • 影响因素：与X射线的能量、被穿透物质结构和原子性质有关。 • 同一X射线，对原子序数较低元素组成的物体贯穿本领 较强，对原子序数较高元素组成的物体贯穿本领相对较弱。 • X射线对人体不同组织的穿透性不同——X射线医学影像学的基础 • 人体组织对X射线的穿透性 • 易透射组织 中等透射性组织 不易透射性组织 • 气 体 结缔组织 骨骼 • 肌肉组织 • 脂肪组织 软骨 • 血液

10. 2、荧光作用 • 当射线照射某种物质时，能够发出荧光，具有这种光特性的物质称为荧光物质。 • 如钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等荧光物质受X射线照射时，物质原子被激发或电离，当被激发的原子恢复到基态时，便可放出荧光。 • X射线荧光作用的应用： • X射线透视荧光屏、增感屏、影像增强器、闪烁计数器等。 • 3、电离作用 • 具有足够能量的X射线光子不仅可从原子中击脱电子产生一次电离，脱离了原子的电子还能与其他原子碰撞产生二次电离。 • X射线电离作用的应用： • X射线剂量仪器探头原理及X射线损伤和治疗的基础。

11. 2）X射线的化学特性 • 1、感光作用 • X射线与可见光一样，可使胶片感光。 • 胶片乳剂中的溴化银受X射线照射感光，经化学显影，还原出黑色的金属银颗粒，其黑度取决于感光程度。X射线摄影即是利用其化学感光作用，使组织影像出现在胶片上。 • 2、脱水作用/着色作用 • 某些物质经X射线长期照射后，因结晶体脱水而逐渐改变颜色。如荧光屏、增感纸、铅玻璃等经X射线长期照射后都会逐渐变色。 • X-Ray是波长很短的电磁波。 • X-Ray 是一种不可见光。 • X-Ray 可以穿透物体。 • X-Ray 可以使化学物质发生反应;产生荧光。 • X-Ray 可以产生生物效应,破坏细胞,改变基因。

12. 三、X射线的强度（Intensity of X-rays) • X射线在空间某点的强度：单位时间内通过单位横截面积的辐射能量。 • 在医学应用中，常用X射线的量和质表示X射线的强度。 • 单色X射线强度：I =N • hυ • 复色X射线强度：I总=∑Ni • hυi=N1• hυ1+N2• hυ2+ N3• hυ1+… • 影响连续X射线强度的因素：①靶物质 I∝Z • ②管电流 I∝i • ③管电压 I∝U2 X射线束内的光子数目 X射线光子的能量

13. X射线 管电流 阴极 阳极 灯丝 变压器 管电压 高压 变压器 在X线管加上高压产生X射线的时间 • X射线的量与质的表示： • X射线的量：管电流×曝光时间（mA×s） • X射线的质：管电压（kV） • X射线的质/线质一般用于表示X射线的硬度(hardness of X-ray) • X射线的三个参量： • 管电压(kVp)管电流(mA)曝光时间(s) 穿透物质的能力

14. X射线质的分类及用途 • 产生硬X射线，除了选用高的管电压和选用原子序数较大的材料做阳极靶外，还应选择原子序数较大和厚度较大的滤过板。产生软X射线则相反，除选用低的管电压和用原子序数较小的材料做阳极靶外，还需要采用特殊结构的软X射线设备，即用铍制成的X射线输出窗口。

15. X射线的滤过和硬化 • 固有滤过：从X射线管阳极发射出的原级X射线穿过管壁后，被吸收一部分。 • 附加滤过：在X射线管射出的X射线到达被投照部位前放置一定物质产生的滤过。 • 附加滤过可使：X射线总强度减小 • 波长分布均匀 • 平均硬度提高 • 半价层：使X射线的强度减弱到其初始值一半时所需的滤过板厚度。反映X射线束的穿透能力。 • 半价层的单位必须包括滤过板材料和厚度两部分。 例如：一束X射线穿过2mm厚的标准铝板后，其强度减弱了一半，则可称这束X射线的半价层为2mm铝。

16. 第二节常规X射线成像系统 • 一、系统概况 • 1、模拟X线成像 • 模拟X线信息影像的形成与传递 荧光影像 密度影像 X 线 X线信息影像 被照体 转换介质 载有信息成分 的X线强度的不 均匀分布（输 入信息） 经显影加工形 成二维光学 密度分布 三维空间的物 质分布（信息源） 转换为二维荧光强度不均匀分布传递给胶片形成银颗粒的不均匀分布（潜影形成) 观 察 器 密度分布转 换为光学的 空间分布 视觉影像 意识影像 诊断输出 视网膜 大脑 识别、判断 形成诊断

17. 2、诊断用X线机发展史与现状 • 1）气体X线管、感应圈时期（1895～1916年） • 早期用玻璃底板成像，后期开始应用钨酸钙增感屏。 • 伦琴当时使用的X线机，其管电压只有40～50kV，管电流仅有1mA，拍摄一张手骨照片用30min～1h。 • 2）热电子X线管、变压器高压发生器时期（1916～1925年） • 制成并改进了荧光屏。 • 3）防电击、防散射X线装置的实用化时期（1925～1945年） • 4）高条件、大容量、控制技术现代化时期（1945年以后） • 大功率旋转阳极X线管问世，X线影像增强器研制成功，X线电视、录 • 像和动态摄影应用。 • 石墨基钨铼复合靶旋转阳极X线管在诊断用X线机中的应用日益增多； • 1975年以后，逆变技术在X线机中应用； • X线电视系统应用之后，出现自动曝光控制系统； • …….

18. 3、X线机的优、劣势 • 优势：高对比的空间分辨率（国产6LP/mm以上，高档微焦点X线机可 • 达几十LP/mm）； • 成像速度快（最短成像时间毫秒级，每秒可获得400幅或更多的图像）； • 操作简单； • 病人流通率高，费用低廉。 • 当前X线机存在的主要问题： • 产生X线效率过低； • 胶片对X线的敏感度不足。

19. 二、X线机 • 1、X线机的组成 控制装置 高压发生装置 X线管装置 电源 X线 机械装置与辅助装置 1）X-ray 发生装置 ---球管和高压发生器 2) X-ray 接收装置 ---胶片或影像增强器 • 有电视信号处理系统-- 有透视功能 • 无电视信号处理系统-- 无透视功能 • (注：早期的透视功能X线机是利用荧光屏显示图像的) 3) X-ray 图像数字化处理系统 ---- 硬件及软件处理系统 4)X-ray附属装置：病床、球管支架、防护设备等

20. X线机主要部件示意图 X线的发生程序： 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。

21. X线投照设备工作示意图 X线管 高压 发生器 控 制 台 滤过板 准直器遮线筒 被照体 滤线器 增感屏 胶片

22. 球管 束光器 图像 控制台 (包括X线控制和床的控制) 高压发生器 影像增强器 X线机胃肠床 摄像机 一般透视胃肠X线机的工作过程

23. Image processor Documentation A D D A Host computer ANGIOMATIC(exposure control) Generator 带有图像处理功能的透视胃肠X线机的工作过程

24. X射线 高速电子流 阴极 阳极 灯丝 变压器 管电压 高压 变压器 • 2、X线球管－－X线机的心脏器件 • 产生定向、实用的X射线应具备的四个条件： • a. 电子源（阴极）发射电子； • b. 受电子轰击而辐射X射线的物体（阳极靶）； • c. 加速电子使其增加动能的电位差（管电压）； • d. 高真空环境（玻璃外壳）。 • 原理 • 电子流以高速撞击金属靶面会产生 • X-Ray。 • 电子流 --- 球管阴极灯丝提供。 • 高速 --- 高压发生器提供加载至球管。

25. 真空玻璃管 阴极灯丝 阳极靶 焦点 • 1）固定阳极X线管 • 阳极（anode） • 功能：产生X射线 • 靶面材料：钨、钼等 • 阳极罩：吸收二次电子 • 阴极（cathode） • 功能：发射电子，对轰击靶面的电子聚焦，使其具有一定的形状和大小，形成X线管的焦点。 • 类型：圆焦点型，线焦点型（线焦点型散热优于圆焦点型） • 二次电子（能量约为原来的90％）的危害： • 撞击灯丝使其断裂；轰击玻璃壳内壁使其温度升高放出气体，降低管内真空度，或造成玻璃破裂；轰击靶面辐射散射X线，降低成像质量。 固定阳极X线管的基本构造

26. 玻璃壳 • 功能：支撑阴、阳两极并保持管内真空度。 • 特点：结构简单，价格低，真空度高，X线的量和质可任意调节； • 产生X线的效率低（99.8％以上的能量转变为热，焦点尺寸大，瞬时负载功率小； • 适宜于连续负载，管电流小、曝光时间长的便携式牙科和骨科用X光机中。 • 2）旋转阳极X线管 • 基本结构： • 工作原理：负载时， • 圆盘状靶面高速转动，从 • 偏离管轴中心线的阴极头 • 发射出电子，轰击在转动 • 靶面的转动环形面积上。

27. 旋转阳极技术 通过阳极旋转来扩大焦点面积，提高球管的散热率，从而提高球管的功率。 旋转阳极球管的靶面 旋转阳极球管 旋转速率有2700rpm、8500rpm(3倍频)，甚至16000rpm(6倍频)。 N=120f / P(rpm) N为转子转速；f为电源频率； （转/分）P为定子极数，一般为2极

28. 3）大功率X线管 • 特点： • 大直径阳极靶（120mm），增大阳极靶面的实际面积； • 阳极高速旋转，缩短曝光时间； • 阳极角度由普通管的17°～21°减小到9°～14°。 • 适用于：短曝光时间并承受高压（X线电影摄影和连续X线摄影）

29. 4）特殊X线管 • ①栅控X线管/三极X线管 • 基本原理：在普通X线管的阴极和阳极之间加上一个控制栅极，当栅极加上负电位时，管电流被截至，无X射线输出；当负电位消失时，管电流导通，输出X射线。 • 特点：灯丝发射特性比一般X线管差，不适用于大容量的X线机。 • 可获得微焦点，适用用于放大X射线摄影 ； • 可使病人和操作者接受的X线辐射剂量减少，X线管负载降低； • 能实现快速断续X线摄影，提高X线影像清晰度。

30. ②软X射线管 用于软组织摄影； 采用极薄的玻璃窗作出射窗； 采用钼靶； ③金属X线管 能提高灯丝温度，增加X线管的负荷； 适用于短时间曝光，承受高负载，如X射线电影、体层 摄影、CT装置等。 ④陶瓷绝缘X线管 将陶瓷绝缘后放入金属外壳内，主要用于连续X射线摄影，体层摄影和电影摄影等。

31. 5）X线管的焦点 • ①实际焦点和有效焦点 • 灯丝发射的电子，经聚焦加速后，投射在阳极靶上的面积为实际焦点。 • X射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投影的面积为有效焦点。 有效焦点面积＝实际焦点面积×sinθ

32. 焦点大小的考虑 • 实际焦点的大小直接影响X线管的散热和影像的清 • 晰度面积越大，散热越有利，但会影响影像清晰度； • 若缩小实际焦点面积，则单位面积上的电子密度增加， • 实际焦点的温度快速上升，使阳极不能承受较大的功 • 率，因此，应折衷考虑，适当选取阳极靶角（target angle）为15°～19°左右较好。

33. ②焦点的方位特性（azimuth character） • 投影方位越靠近阳极，有效焦点尺寸越小；越靠近阴极则越大（宽度不变）。

34. 焦点 0.6/1.0mm 焦物距 源相距 物体 68mm 物像距 图像 ③焦点与成像质量 半影产生图像模糊 X-Ray焦点--- 有效焦点尺寸愈小, 影像清晰度越高，图像锐利度越好。

35. 半影 缩小半影的方法： 1.缩小有效焦点面积S； 2.缩短被摄部位与胶片 间的距离。

36. 不同X射线强度分布对影像质量的影响 • 焦点中央X射线强度越强，半影的 • 影响越小，影像分辨力越高。 • 即： • 高斯分布>矩形分布>双峰分布 双峰分布 矩形分布 高斯分布

37. 6）X射线管的容量 • Ⅰ.定义 • 大量高速电子撞击阳极靶将产生很多热量，允许产热（或承受热量）的最大负荷量，称为X射线管的容量（负荷量）。 • Ⅱ.影响容量的因素 • ①实际焦点的大小 • ②管电压的高低 • ③管电流的大小 • ④X射线管连续使用时间 • ⑤焦点上电子分布的情况 • ⑥阳极的构造及冷却方式 • 例：钨靶耐热<200W/mm2，若超过，则钨靶将熔化蒸发为X射线管的导电气体，进而导致靶面变粗糙，产生凹坑或裂纹而损坏。

38. Ⅲ.X射线管容量的计算 • 例：一给定的X射线管，额定管电压为200kV，额定管电流为20mA，求其容量。 • 解 管电压有效值（单位：kV） 管电流（单位：mA) 容量 （单位：kW）

39. 小焦点可使影像清晰。但是焦点越小，在焦点上集聚的能量越高，产生的热量也就越高。因为只有约0.5%的电能转化为X射线的能量，99.5%以上的能量转化为热能。最终将导致焦点面熔化。解决办法：双焦点技术、旋转阳极技术和水或油循环冷却技术小焦点可使影像清晰。但是焦点越小，在焦点上集聚的能量越高，产生的热量也就越高。因为只有约0.5%的电能转化为X射线的能量，99.5%以上的能量转化为热能。最终将导致焦点面熔化。解决办法：双焦点技术、旋转阳极技术和水或油循环冷却技术

40. 大焦灯丝 变压器 大焦 灯丝 小焦 灯丝 阳极 CL C CS 高压 小焦灯丝 变压器 正KV 负KV 双焦点技术 在透视时使用小焦点 在摄影时使用大焦点

41. 旋转阳极技术 通过阳极旋转来扩大焦点面积，提高球管的散热率，从而提高球管的功率。 旋转阳极球管的靶面 旋转阳极球管 旋转速率有2700rpm、8500rpm(3倍频)，甚至16000rpm(6倍频)。 N=120f / P(rpm) P为定子极数，一般为2极

42. 水或油循环冷却技术 • 在CT中使用油循环X线管 • 在心血管造影机X线机中使用水循环X线球管 真空油

43. 3、高压发生装置 • 组成 • 高压发生器：包括高压变压器、灯丝变压器、高压整流硅堆、高压交换闸 • 参量控制台：KV控制、mA控制、曝光时间(s)控制等等。 摄影的条件范围：60---150KV, 30---500,800,1000mA, 0.01—6.4S 透视的条件范围：40---125KV, 0.1---5mA, 长时间连续

44. 高压变压器的特点： • ①变压比大，次级输出电压很高。 • 诊断X线机：30～150kV（峰值） • 治疗X线机：200～300kV（峰值） • ②诊断X线机用于摄影时，瞬时功率很大；而在透视和治疗时负荷很小。 • 小型诊断X线机的高压变压器瞬时功率约为数千伏安， • 大型诊断X线机的高压变压器瞬时功率约为30～100kVA • ③使用了绝缘油，提高了各部件间的绝缘性能，并可缩小体积和重量；又因负荷时间很短，一般不考虑散热问题，故变压器效率要求不十分严格。

45. 高压控制的过程 KV 40 - 150 kV KW 65 - 80 kW mAs 0,5 - 800 mAs Expo. Time 1 ms - 5s

47. 内的内容在高压油箱(高压发生器)内

48. 4、控制电路 X线管容量保护电路 球管油温检测电路 旋转阳极启动电路 相位检测电路(工频机) 参数显示电路 KV补偿电路 空间电荷补偿电路 mA补偿电路 曝光方式控制电路 球管选择电路 透视摄影切换电路 KV调节电路 mA调节电路 S选择电路 KV测量电路 mA测量电路 mAS测量电路 IBS控制电路 电源电压检测和调整 自动曝光电路

49. 病人摆好位 调节曝光参数 KV、mA、S 开始按曝光按钮 第一档(Ready) 灯丝加热电路工作 旋转阳极启动电路工作 球管上加上高压 计时电路工作 按曝光按钮第二 档(Radiography) 操作面板上Ready灯亮 灯丝加热到设定值 旋转阳极转速到一定值 计时器到设定时间值 切断高压回路 曝光结束 灯丝加热停止工作旋转阳极减速停止 一次曝光完成 松开手闸 曝光的时间控制，即曝光时间(t)的控制 曝光的时间控制是通过限时器来实现的，有机械式限时器和电子式限时器。 曝光过程控制 X线机有一个曝光手闸，它的按钮有两档，第一档是准备档按钮(Ready)，第二档是曝光档按钮(Radiography)。

50. 5、影像载体 • 常规X射线影像载体有下面几种：荧光屏、胶片、影像增强器 特点：发光效率低，仅有十分之一的X 光光子，所以必须在暗室条件下观察。 材料：硫化锌镉，产生黄绿色光 荧光屏