X线成像的基本原理

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一、X线的产生

1、 特殊的年份，知天命的老人，神秘的荧光
        1895年，是中国近代历史上最屈辱的一年，甲午战争清朝惨败，和日本签订了《马关条约》，屈辱的历史值得我们永远铭记。同时在1895年的西方，正处于伟大而神奇的工业时代，由于工业革命后的电气工程以及科学研究的双重发展与迫切社会需求，真空管中的“阴极射线”和“气体放电”研究成为了无数科学家参与其间的研究方向。在这一年，年过半百的德国科学家威廉·康拉德·伦琴博士刚刚卸任了维尔茨堡大学校长的职务，成为了“阴极射线”和“气体放电”领域的研究小白。

伦琴和第一张X片       伦琴是个特别的老头子，他喜欢在周末晚上做实验，可以集中心神，不受同事或学生的干扰。这一年的11月8日刚好是个周五，伦琴照例来到了实验室开始实验。在观察阴极射线时，伦琴忽然看到暗处有一个东西在发光。他仔细一看,原来是一张涂了氰亚铂酸钡的纸屏，本来用作别的实验的。伦琴把纸屏挪远，它依旧发出荧光。他弄不明白是怎么回事，拿了一张普通的纸放在那里，纸上没有发光，然而，纸屏却依旧在发光。
       这件事引起了伦琴的注意：他把一本书遮在纸屏前，纸屏同样射出荧光。更有趣的是，当他把手放在纸屏前，纸屏上竟然出现了手骨的阴影！伦琴断定，从阴极射线管里射出了一种新的未知的光线。这种光线是看不见的，却能透过书本、衣服、人体等。
       按照科学史上的惯例，科学上的新发现常常是用发现者的名字命名的。然而伦琴比较谦逊，他认为自己还不明白这种射线的本质，不愿以自己的名字命名这种射线，就把它命名为“X射线”。
      “X”代表数学当中的未知数，在西方世界中“X”是未知、神秘的代名词。比如X星球，《嫌疑人X的献身》，以及代表未来的《X战警》。
       后来我们知道X线是具有很高能量，肉眼看不见，但能穿透不同物质，能使荧光物质发光的射线。
        X线的发现极大地改变了人类对疾病的诊断、治疗模式，是医学史上的大事件，由此诞生了医学影像学这门学科，医学进入了崭新的时代。
       为了纪念这个特别的日子，2012年由北美放射学、美国放射学会及欧洲放射学会共同决定：将每年的11月8日设立为放射工作者的节日——“国际放射日”，目的是促进医学影像学的发展。11月8日除了是中国记者节，对于放射科医生来说也成了特别的节日。
 
2、X线是撞出来的
       X线是真空管内高速行进的电子流轰击钨靶时产生的。X线发生装置主要包括X线管、变压器和操作台。
        X线管为一种高真空的二极管，杯状的阴极内装着灯丝，阳极由呈斜面的钨靶和附属散热装置组成。
       高压发生器向X线管两端提供高压电（管电压）。
       降压变压器向Ⅹ线管阴极灯丝提供电源。
       操作台主要包括调节电压、电流和曝光时间而设置的电压表、电流表、时计及其调节旋钮等。

X线发生装置


       X线的发生过程是向X线管灯丝供电、加热，在阴极附近产生自由电子，当向X线管两极提供高压电时，阴极与阳极间的电势差陡增，电子以高速由阴极向阳极行进，轰击阳极钨靶而发生能量转换，其中1%以下的能量转换为X线，99%以上转换为热能。X线主要由X线管窗口发射，热能由散热装置散发。

X线发生过程

       总之，关于X线的产生，我们可以简单的概括为X线是撞出来的。谁撞谁呢？电子撞击靶面。那么电子从何而来，为何能高速行进？撞击以后有产生了什么后果，想必大家已有了答案。

 
二、X线的四大特性

         X线属于电磁波，它具有一定的波长和频率。波长范围为0.0006 ~ 50nm（0.006 ~ 500A）。用于X线成像的波长为0.008 ~ 0.031nm（相当于40 ~ 150kV时）。在电磁辐射谱中，居γ射线与紫外线之间，比可见光的波长短，肉眼看不见。

各种光线的波长、频率       上文我们提到了X线是具有很高能量，肉眼看不见，但能穿透不同物质，能使荧光物质发光的射线。
       为什么说X线有很大能量呢？关于能量，我们首先来看，波长与能量之间的关系式是 E = hc/λ，式中E代表能量，h为普朗克常数；c是光在真空中的光速。简单来讲，波长越大，光子的能量越小。相对于可见光，X线波长较短，能量较大，具有强穿透力。
       所以X线具有与成像和检查相关的四大特性：
      1.穿透性：X线波长短，具有强穿透力，能穿透可见光不能穿透的物体，在穿透过程中有一定程度的吸收即衰减。X线的穿透力与X线管电压密切相关，电压愈高，所产生的X线波长愈短，穿透力也愈强；反之其穿透力也弱。X线穿透物体的程度与物体的密度和厚度相关。密度高、厚度大的物体吸收的多、通过的少。X线穿透性是X线成像的基础。
       2.荧光效应： X线激发荧光物质，如硫化锌镉及钨酸钙等，使波长短的X线转换成波长长的可见荧光，这种转换称为荧光效应。荧光效应是透视检查的基础。关于荧光效应，大家可以回想前面提到的涂了氰亚铂酸钡的纸屏发光，而单纯的白纸并不发光。
       3.感光效应：涂有溴化银的胶片，经X线照射后，感光而产生潜影，经显影、定影处理，感光的溴化银中的银离子（Ag＋）被还原成金属银（Ag），并沉积于胶片的胶膜内。此金属银的微粒，在胶片上呈黑色。而未感光的溴化银，在定影及冲洗过程中，从X线胶片上被洗掉，因而显出胶片片基的透明本色。依金属银沉积的多少，便产生了黑至白的影像。所以，感光效应是X线摄影的基础。
       这两个“基础”是不是有点乱，我们记住X线成像需要在荧屏上或胶片上。X线胶片显像存在感光效应，透视检查对应着荧光效应。胶片中的感光物质主要是溴化银和少量的碳化银，感光效应即是X线使溴化银感光，感光的溴化银（Ag+）被还原成金属银（Ag）微粒，并沉积于胶片的胶膜内。溴化银一般认为是淡黄色，遇到X线时由于感光效应变为黑色的银和深棕色的溴。换句话来说，这是一个光线使胶片“发黑”的过程。
       4.电离效应：X线通过任何物质都可产生电离效应。空气的电离程度与空气所吸收X线的量成正比，因而通过测量空气电离的程度可测得X线的量。X线射入人体，也产生电离效应，可引起生物学方面的改变，即生物效应，是放射治疗的基础，也是进行X线检查时需要注意防护的原因。
 
 
三、X线成像的基本原理

       X线之所以能使人体组织在荧屏上或胶片上形成影像，
       一方面是基于X线的穿透性、荧光效应和感光效应；
      另一方面是基于人体组织之间有密度和厚度的差别。
       此处我们回忆一下，穿透性、荧光效应、感光效应，这分别是什么基础来着？
      当X线透过人体不同组织结构时，被吸收的程度不同，所以到达荧屏或胶片上的X线量产生差异。这样，在荧屏或X线片上就形成明暗或黑白对比不同的影像。
1． X线成像的基本条件： X线影像的形成，基于以下三个基本条件：
       ① X线具有一定的穿透力，能穿透人体的组织结构；
       ② 由于被穿透的组织结构，存在着密度和厚度的差异，X线在穿透过程中被吸收的量不同，以致剩余下来的X线量有差别；
       ③ 这个有差别的剩余X线，是不可见的，由于X线的荧光效应和感光效应，经过显像过程，就能在荧光板或胶片上获得具有黑白对比、层次差异的X线影像。
 2．不同组织结构的特点：
       人体组织结构是由不同元素所组成，依各种组织单位体积内各元素量总和的大小而有不同的密度。这样不同的组织器官天然形成了不同的X线衰减的差别，这也是人体X线成像的基础。
3．不同密度组织与X线成像的关系：
       人体组织结构在X线影像上的密度根据X线的吸收程度可归纳为三类：
       高密度的有骨组织和钙化灶等；
       中等密度的有软骨、肌肉、神经、实质器官、结缔组织以及体液等；
       低密度的有脂肪组织以及存在于呼吸道、胃肠道、鼻窦和乳突内的气体等。
       当厚度差别不大时，不同组织间密度的差别在X线影像中构成了亮度的差别，可以被我们识别。当强度均匀的X线穿透厚度相等、密度不同的组织结构时，由于吸收程度不同，在X线胶片上（或荧屏上）显出具有不同层次灰度（黑白）差异的X线影像。胸部的肋骨密度高，对X线吸收多，胶片上呈高亮度；肺组织主要为气体，密度低，X线吸收少，胶片上呈低亮度。
       密度不同的病变组织也可产生相应的病理X线影像。例如，肺结核病变可在低密度的肺组织内产生中等密度的纤维性改变和高密度的钙化灶，在胸片上，于肺的低亮度的背景上出现代表病变的中等和高亮度改变。
4．不同厚度组织与X线成像的关系：
       即使是同一种密度的组织结构，如果厚度有差别，吸收X线量也会产生差别。较厚的部分，吸收X线总量多，透过的X线量少，较薄的部分则相反，于是在X线片和荧屏上也显示出灰度的差别。所以，X线影像中密度的差别不仅取决于组织器官密度的差别，也与组织器官厚度有密切的关系。较厚的组织亮度增加，较薄的组织则亮度减低。在分析X线影像时要同时考虑到密度和厚度的影响。
 
 
四、X线图像的特点

1．灰阶图像：
       X线图像是由从黑到白不同灰度的影像所组成。这些不同灰度的影像是以密度来反映人体组织结构的解剖及病理状态。

灰阶图像

       人体组织结构的密度与X线图像上影像的密度是两个不同的概念。前者是指人体组织中单位体积内物质的质量，而后者则指X线图像上所示影像的灰度。但是物质密度与其本身的比重成正比，物质的密度高，比重大，吸收的X线量多，在影像上呈高亮度。反之，物质的密度低，比重小，吸收的X线量少，在影像上呈低亮度。因此，图像上的亮度差别，虽然也与物体的厚度有关，但主要是反映物质密度的高低。在工作中，通常用密度的高与低表达影像的灰度。例如用高密度、中等密度和低密度分别表达高亮度、中等亮度和低亮度。当组织密度发生改变时，则用密度增高或密度减低来表达影像的灰度改变。
 

厚度相同的不同组织成像差异

2．重叠图像：
       X线图像是X线束穿透某一部位的不同密度和厚度组织结构后的投影总和，是该穿透路径上各个结构影像相互叠加在一起的影像。例如，正位X线投影中，既有前部，又有中部和后部的组织结构。
3．锥形X线束对图像的影响：
       X线束是从X线管向人体作锥形投射的，因此，X线影像有一定程度的放大和使被照体原来的形状失真，并产生伴影。伴影使X线影像的清晰度减低。

锥形成像、伴影



       我喜欢离开人们通行的道路，而走荆棘丛生的崎岖山路。所以，如果我迷了路，不要在大路上找我。
                                                                                                                    ——伦琴
 



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