第一节　X线成像

一、X线成像的基本原理和设备

（一）X线的产生和特性

1.X线的产生

X线发生装置主要包括X线管、变压器和控制台。X线管为热阴极真空管，由发射电子的阴极和产生X线的阳极组成；变压器提供阴极灯丝加热电压和阴、阳两极间高压电；控制台则用于控制和调节X线的发生（图1-1）。

X线产生的过程是：接通电源后，由降压变压器提供低压电，为X线管阴极灯丝加热，产生自由电子云；当升压变压器向X线管阴、阳两极间提供高电压时，自由电子高速飞向阳极并撞击靶面，从而发生能量转换，其中1%以下的能量形成X线，99%以上则转换为热能。

2.X线的特性

X线是一种电磁波。波长范围为0.0006～50nm，用于X线成像的波长为0.031～0.008nm（相当于 40～150kV时产生的 X线）。X线的电磁波谱在γ射线与紫外线之间，并具有如下几方面与X线成像和X线检查相关的重要特性：

（1）穿透性：

X线波长短，能穿透可见光不能穿透的物体，并在穿透过程中被物质不同程度地吸收即衰减。X线的穿透性与其波长有关，即X线管电压愈高，产生的波长愈短，穿透力就愈强。另一方面，X线的穿透性受所穿透物质的密度和厚度影响，一般物质的原子序数愈高，密度和厚度愈大，X线对其穿透力就愈弱；反之亦然。X线穿透性是X线成像的基础。

（2）荧光效应：

X线能激发荧光物质如铂氰化钡和钨酸钙，使不可见的X线转换为波长较长的可见荧光，这种转换称为荧光效应。荧光效应是X线透视检查的基础。

（3）感光效应：

X线照射涂有溴化银的胶片时，可使胶片感光而形成潜影，经显影、定影药液处理后，即可获得具有不同灰度的X线照片。感光效应是X线摄影的基础。

（4）电离效应：

X线照射任何物质时，均可产生电离作用。空气的电离程度与其吸收X线量成正比，因此通过测量空气的电离程度，可计算X线的照射量，此为放射计量学的基础。

（5）生物效应：

X线射入生物体，基于电离效应而引起生物学改变，即生物效应。X线的生物效应是放射治疗学的基础，也是进行X线检查时应注意防护的原因。

（二）X线成像的基本原理与设备

1.X线成像的基本原理

X线检查能使人体组织结构成像的基本原理和过程是：当具有一定穿透力的X线通过人体时，由于各部组织结构的密度和厚度不同，而发生不等量的X线吸收，以致透过人体的X线量存在差异，这种有差异的X线即可在荧光屏上成像，或在胶片上形成潜影，再经显影、定影处理后成像。由此可见，X线成像有两个基本要素，一是基于X线的特性即穿透性、荧光效应和感光效应，二是人体组织结构之间存在着密度和厚度的差别。

2.X线成像设备

目前，临床上应用的X线成像设备除通用型X线机外，还有适用于心血管、胃肠道、乳腺、牙科和床旁检查及手术室专用的X线机。

尽管X线机因使用目的不同而有多种类型，但其基本结构大致相同，即由主机和不同的外围设备组成。主机为X线发生装置，由X线管、变压器和控制台组成，其功能是产生X线并控制X线的“质”和“量”。外围设备包括检查床、X线管支持装置、影像装置（影像增强电视系统、X线电影机、X线录像机、点片照相机、荧光屏等）和一些配套装置（激光照相机、X线胶片自动洗片机）等，作用是与主机相结合，共同完成X线成像检查。

普通X线摄影的优点是：①图像的空间分辨力较高；②可以整体显示较大范围的组织结构；③检查费用较为低廉。其缺陷是：①摄片技术条件要求严格，曝光宽容度有限；②胶片上图像灰度固定，不能调节；③密度分辨力较低，常难以同时清晰显示各种密度的组织结构；④在胶片的利用和管理上也有许多不便。随着数字化X线成像设备的普及，普通X线成像设备的临床应用已越来越少。

（三）数字化X线成像

数字化X线成像是应用数字化X线成像设备将穿透人体的X线信息数字化并进行处理，再转换为模拟图像的检查技术。数字化X线成像技术根据成像原理和应用不同，可分为计算机X线成像（CR）、数字X线成像（DR）和数字减影血管造影（DSA）。

1.计算机X线成像

是将X线的影像信息记录在 影像板（image plate，IP）上，经读取装置读取，数字化后由计算机处理，再经数/模转换后获得模拟图像并显示在显示屏上。成像过程分三步：第一步是信息采集，透过人体的X线被IP接受，形成潜影（第一次激发）；第二步为信息转换，即用激光束扫描IP，使之转换为相应强弱的电信号（第二次激发），继而电信号经模/数转换为数字信号；第三步是信息处理和记录，对数字化图像根据需要可进行灰阶变换、空间频率和动态范围压缩等处理，再经数/模转换成模拟图像，显示在显示屏上或经激光照相机打印成胶片，数字化图像信息亦可用磁带、硬盘和光盘保存。

CR成像设备，除X线机外，主要由IP、图像读取、图像处理、图像显示、记录和存储装置及控制用的计算机等组成（图1-2）。

2.数字X线成像

数字X线成像（DR）包括 间接数字X线成像（indirect digital radiography，IDR）和 直接数字X线成像（direct digital radiography，DDR）。

（1）间接数字X线成像：

IDR的基本原理和过程是：首先由X线影像增强电视系统将透过人体的X线转变为可见光；然后用高分辨力摄像管或经 电荷耦合器（charge coupled device，CCD）转变为模拟信号；再经模/数转换形成数字化图像信号，并根据需要可对其进行各种处理；处理后的数字化图像经数/模转换后，即可在显示器上显示为灰阶图像。

IDR设备主要包括X线图像接收器（影像增强电视系统、高分辨力摄像管和CCD）、数据采集器（模/数转换器）、图像处理器、图像显示器（数/模转换器、显示器）、存储器和系统控制器（图1-3）。

（2）直接数字 X 线成像：

DDR 是采用 平板探测器（flat panel detector，FPD），直接把透过人体的X线信息转换为电信号而进行数字化的成像方法。其成像的基本原理和过程是：非晶硒FPD接受透过人体的X线，产生电子-空穴对；在外加高压电场的作用下，电子和空穴向相反方向移动，使阵列方式排列的薄膜晶体管器件的电容器存储电荷，电荷量与入射的X线量成正比；随后，阵列方式存储的电荷逐一释放，形成电信号；进而经模/数转换为数字信号（图1-4）。另一种为非晶硅FPD，其在阵列排列的无定形硅表面覆有碘化铯晶体；透过人体的X线首先转换为可见光，再经硅阵列转换为电信号；进而经模/数转换为数字信号。对上述两种FPD所获得的数字信号，可进行各种处理，再经数/模转换后，即获得模拟灰阶图像。

DDR的主要设备包括平板探测器、图像处理器、图像显示器、存储器和系统控制器等。

3.数字减影血管造影

数字减影血管造影（DSA）是20世纪80年代兴起的一种将计算机与常规X线心血管造影相结合的检查技术。

DSA的数字减影有几种方法，常用的是 时间减影法（temporal subtraction method，TSM）。其基本原理是：在血管内注入对比剂前和注入对比剂后的不同时间点，进行靶血管部位连续成像，其中注入对比剂前的图像称为蒙片（mask）；对得到的一系列图像进行像素化和数字化转换；将注入对比剂后任意时间点图像的数字矩阵与蒙片的数字矩阵相减，即可抵消骨骼和软组织的数字，而仅保留血管内对比剂的数字；其后，经数/模转换，就可得到不同期相仅显示含对比剂血管的DSA图像（图1-5）。由于此种减影法的蒙片和一系列图像系在不同时间点获得，故称为时间减影法。常用的方式有脉冲方式、超脉冲方式、心电触发脉冲方式、路标方式和时间间隔差方式等。

除时间减影法外，还有能量减影、混合减影、光学减影和电子减影法等，均较少应用。

DSA成像设备主要为数字成像系统，采用高分辨力摄像管或CCD，先进设备则应用平板探测器。其他还包括图像显示器、存储系统和系统控制器等。

二、X线检查技术

（一）普通检查

1.透视（fluoroscopy）检查

目前多采用影像增强电视系统，影像亮度强，效果好。透视检查的优点是：①可转动患者体位，从不同方位进行观察；②能了解器官的动态变化，如心脏和大血管搏动、膈肌运动和胃肠蠕动等；③操作简单、方便；④检查费用较低；⑤可迅速获得结果。缺点是：①影像的清晰度较X线摄影差，难以分辨密度差别小的病变，亦不宜观察密度高和厚度大的部位；②辐射剂量大；③缺乏客观记录。目前，透视主要用于胃肠道钡剂造影检查和介入治疗中的透视观察。

2.X线摄影（radiography）

是目前广泛应用的X线检查方法。优点是：①图像的分辨力高，清晰且对比度好；②可留下客观记录，便于复查对照和会诊；③辐射剂量较少。缺点是：①组织结构影像前后重叠，常需多体位投照；②不能观察器官的运动功能；③检查费用相对较高。

（二）特殊检查

目前特殊检查只有 软X线摄影（soft ray radiography）较常用。软X线摄影是指采用能产生软X线的小焦点钼靶X线管，应用40kV以下的管电压进行的X线摄影。其常用电压为20～40kV，软X线摄影可获得对比度良好的软组织图像，主要用于乳腺检查。

（三）造影检查

X线检查时，对于缺乏自然对比的组织结构或器官，可将密度高于或低于该组织结构或器官的物质通过不同路径引入该组织结构、器官内或周围间隙内，使之产生对比图像，此即造影检查。引入的物质称为对比剂（contrast medium）。对比剂有高密度和低密度两类。高密度对比剂有钡剂和碘剂，钡剂用于消化道检查，水溶性有机碘剂多用于血管造影。低密度对比剂有二氧化碳和空气等，主要用于胃肠道双重对比造影检查。造影检查的应用扩大了X线检查范围。

1.造影方法

分为两类。①直接引入法：包括口服法，如食管和胃肠道钡餐检查；灌注法，如钡剂灌肠、逆行性尿路造影和子宫输卵管造影等；穿刺注入法，直接穿刺或经导管注入对比剂，如心血管造影和关节腔造影等；②间接引入法：经静脉注入对比剂后，经生理排泄进入某一器官，间接使之显像，如静脉尿路造影。

2.造影前准备

不同的造影检查均有相应的检查前准备和注意事项，必须认真执行，以确保患者的安全及获得满意的造影效果。

（四）DSA检查技术

DSA检查依对比剂注入动脉或静脉不同而分为 动脉DSA（intra-arterial DSA，IADSA）和 静脉DSA（intravenous DSA，IVDSA）。IADSA的血管成像清楚，且对比剂用量少，因此目前大都使用IADSA。

IADSA的操作是先将导管插入动脉，使导管尖部进入靶血管开口处，然后团注对比剂。在造影前和造影整个过程中，通过监视系统的显示屏选取靶血管部位并连续摄片，速度为每秒1帧或更多，投照后经系统处理即可得到IADSA图像。

（五）DR图像拼接技术

DR图像拼接技术是在DR自动控制程序模式下，一次采集相邻部位的多幅图像，然后由计算机进行全景拼接，合成大范围的X线图像。拼接的图像无重叠、无拼缝、几何变形小、密度均匀。其临床意义是一次检查能获得大范围的数字化图像，全景显示四肢、脊柱等，克服了传统X线摄影胶片和X线数字探测器的局限。常用于骨科和矫形外科，可精确测量全脊柱、全肢体的解剖结构改变。

三、X线图像特点和临床应用

（一）X线图像特点

X线图像是由黑到白不同灰度的影像组成，是X线束穿透人体某一部位不同密度和厚度组织结构后的投影总和，反映人体组织结构的解剖和病理状态的密度变化。

人体组织结构依其组成元素和物理状态不同而有不同的密度。应当指出人体组织结构的密度与X线图像上的密度是两个不同的概念，前者是指人体组织单位体积的质量，而后者则指X线图像上所示影像的黑白程度。但两者之间具有相关性，即物质的密度高、比重大，吸收的X线量多，在X线片上呈白影，称为高密度影；反之亦然。X线片上影像的黑白程度除受其物质密度影响外，还与其厚度有关，即厚度大者，吸收的X线量多，X线片上呈现为白影，而厚度薄者与之相反，呈现为黑影。

通常以低密度、中等密度和高密度来描述X线片上组织结构的黑白灰度。据此，可将人体组织和内部结构大致分为三类：①低密度结构，包括脂肪组织及存在于呼吸道、胃肠道、鼻窦和乳突内的气体；②中等密度结构，包括软骨、肌肉、神经、实质器官、结缔组织和体内液体；③高密度结构，包括骨组织和钙化灶。当组织结构发生病变时，密度可发生改变，依其黑白灰度变化，称为密度减低或密度增高。

X线束是一锥形束，获得的影像有一定程度的放大和失真，还产生伴影，使影像的清晰度减低。

（二）临床应用

1.普通X线摄影临床应用

可用于骨关节、胸部、腹部和头颅五官等部位的疾病诊断，特点是操作简便、检查速度快。

2.CR临床应用

应用领域与普通X线摄影相同，但其所具有的优势是普通X线摄影所无法媲美的。CR成像技术的优势是：①能够利用原有的X线机；②投照条件的宽容度大；③可最大限度降低X线辐射量；④通过图像处理系统，能使欲观察的组织结构达到最佳的显示效果，并具有面积、径线测量、局部放大、边缘增强、多幅显示和图像减影等多种功能；⑤图像数字化信息既可转换打印成胶片，又可存储在硬盘和光盘中，还能通过网络进行传输。

CR成像的不足是：①成像速度仍较慢；②无透视功能；③图像质量还不十分满意，因此进一步发展受到限制。

3.DR临床应用

包括IDR和DDR。IDR的成像时间短，除摄片外，还具有透视功能，因此可用于心血管造影和胃肠道造影检查。与CR技术相比，IDR的优势是：①成像速度快，提高工作效率；②可进行透视检查。不足之处是：①在成像过程中，要进行光电转换，原影像信息有一定程度的丢失；②不能与普通X线机兼容。

DDR除用于X线摄影外，还能用于透视，可进行胃肠造影检查和心血管造影检查。由于DDR成像过程中，X线的接受至数字信号的输出均在平板探测器内完成，从而减少了信息的丢失和噪声的干扰，提高了图像的信噪比。与CR和IDR相比，DDR的优点是：①兼有摄片和透视功能；②图像的分辨力更高；③曝光的宽容度更大，从而减少辐射量。DDR的缺陷是：①不能与普通X线机兼容；②设备较昂贵。然而，基于DDR的诸多优势，其必将成为今后发展的主流方向。

4.DSA临床应用

DSA检查由于消除了骨骼和软组织影像重叠的干扰，使心血管及其病变显示更为清楚，且所用对比剂浓度低、剂量少，辐射量亦可减低。目前，DSA已广泛用于心脏和全身各部位血管性病变的检查、诊断和介入治疗，还为肿瘤经血管进行化疗和栓塞提供了帮助。

四、X线防护

X线具有生物效应，可引起辐射性损伤，而X线检查应用又很广泛，故应重视X线检查中患者和工作人员的防护问题。

在X线检查中，要遵循时间防护、距离防护和屏蔽防护三项基本原则。所谓时间防护就是患者和工作人员，尤其是介入医生，应在保证诊疗效果的同时，尽量减少接触X线的时间，以降低辐射量。距离防护是利用X线量与距离平方成反比这一原理，增加X线源与人体间的距离，可减少辐射量，而适当扩大X线检查室空间，能增加散射线与人体间的距离，同样可减少辐射量，距离防护是最简单而有效的防护措施。屏蔽防护是使用原子序数较高的物质，通常为铅或含铅材料，作为屏蔽以吸收不必要的X线，如通常在X线管外壳、遮光筒和光圈、滤过板等部位采用铅板屏蔽，其他屏蔽和防护用品有铅玻璃、铅屏风、铅衣和铅橡皮手套等。应当指出，要特别重视孕妇、小儿和长期接触射线的工作人员，尤其是介入医生的防护工作。对于放射工作人员，要定期监测接受辐射的剂量并行外周血白细胞检查。