第一节　医用X射线诊断设备

由于人体不同器官和组织的结构和物质不同，对X射线衰减存在差异，医用X射线诊断设备利用这一特性，以图像的方式显示人体不同部位的X射线衰减特性，从而帮助医生无创地了解人体内部的信息。尽管无法获取人体的断层图像，但在临床上仍以其快速、价廉、拥有大量的临床经验和经过验证的诊断标准，而具有很强的应用价值。

一、X射线成像基本概念

X射线属于电磁波，以光速直线传播，服从光的反射、折射、散射和衍射等一般规律。X射线光子能量大、波长短，具有一些普通光线所没有的性质。

（一）物理和化学特性

X射线的波长范围为0.01～10nm，介于紫外线与γ射线之间，能不同程度地穿透各种物质，波长愈短穿透能力愈强。

X射线穿过物质时，会与经过的物质发生相互作用，主要有光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射等，作用的总和效应使X射线发生了衰减。光子能量小时，主要是光电效应；中等能量时，以康普顿散射为主；能量大时，会产生电子对效应。诊断用X射线的能量范围多在20～100keV，产生的主要作用是光电效应和康普顿散射。

某些物质（如磷、铂氰化钡、硫化锌、钨酸钙）受X射线照射而激发，释放出可见的荧光，透视荧光屏、增感屏及影像增强器利用了这一特性。胶片乳剂中的溴化银由于X射线的电离作用，会发生光化学反应，经化学显影后，可以还原出黑色的金属银颗粒。

（二）X射线的强度

X射线的强度指单位时间内，通过垂直于X射线传播方向的单位面积的光子数目和能量，常用质和量表示X射线的强度。

X射线的量指X射线束内的光子数目，常用X射线管的管电流mA与曝光时间s的乘积表示。X射线的质指X射线光子的能量，与X射线管的管电压有关，常使用“硬度”描述，硬度越大，穿透能力越强。临床应用时将X射线分为极硬、硬、软、极软：管电压在250kV以上产生极硬X射线，用于深部组织治疗；管电压为100～250kV时产生硬X射线，用于较深组织的治疗；管电压为20～100kV时产生软射线，用于透视和摄影；管电压为5～20kV时产生极软X射线，用于软组织摄影和表皮治疗。

（三）组织密度和影像密度

人体组织结构的密度与影像密度是不同的概念。前者是指人体组织中单位体积内物质的密度，而后者则指X射线图像所示影像的黑白。形成人体的X射线影像的原因，一方面是由于X射线的穿透性、荧光作用；另一方面是当强度均匀的X射线穿透厚度不同、密度不同的组织后，由于衰减程度不同，到达荧屏或胶片上的X射线量有差异，形成明暗不同的影像。由于组织密度的高低与对X射线吸收剂量成正比，因此影像密度在一定程度上反映了组织密度。通常用高密度、中等密度和低密度表达荧屏或胶片上白影、灰影和黑影。人体组织密度发生改变时，则用密度增高或密度减低来表达。组织的密度与厚度都会影响成像的结果，例如，在胸部，肋骨密度高但厚度小，而心脏大血管密度低但厚度大，因此心脏大血管比肋骨的影像密度高；同样，胸腔大量积液的组织密度中等，但厚度大，其影像密度也高于肋骨的影像密度。

二、医用X射线诊断设备的系统构成和主要部件

医用X射线诊断设备由X射线发生部分、X射线成像部分和其他辅助装置等组成，典型的医用X射线诊断设备系统构成如图2-1所示。X射线发生部分包括：X射线球管、高压发生器、控制装置；成像部分包括：X射线探测器、计算机系统和应用软件、显示设备；辅助装置包括：诊断床、制动装置、限束器及其他机械附属装置。这些部件中，X射线球管、高压发生器、X射线探测器，这三个部件又被称为影像链，对X射线成像功能起了决定性的作用，常被视为医用X射线诊断设备的核心部件。

由于临床应用目的不同，X射线机的系统构成会有所差异，如胃肠X射线机除了上述部件外，还配有压迫装置。

（一）X射线球管

X射线管由阳极、阴极、玻璃壳组成，有固定阳极、旋转阳极两种结构，是X射线发生装置的核心部件，其作用是将电能转化为X射线。

在真空的X射线管内，由阴极发射的热电子在两极间强电场的作用下轰击阳极靶面，当高速电子为阳极靶面所阻断时，一部分动能转化为具有相应能量的X射线光子。X射线管放置于能防止X射线辐射和防电击，带有辐射窗口的管套中，旋转阳极X射线管的结构如图2-2所示。

阳极的主要作用是吸引和加速电子轰击靶面产生X射线，传导和辐射因电子轰击靶面而产生的热量。阴极由灯丝及聚焦装置组成，灯丝起电子发射器的作用，一般用0.05～0.5mm直径的钨丝制成。靶面是阳极承受电子轰击的部件，工作温度很高，多由钨制成。靶面被电子撞击的实际位置被称为实际焦点，实际焦点在X射线管长轴垂直方向上的投影被称为有效焦点。实际焦点越大，X射线管的热容量越大；有效焦点尺寸越小，影像清晰度越高。在功率较大的X射线管中，常装有粗细及长短不同的两个灯丝，即双焦点X射线管，以兼顾功率和清晰度。

虽然制作靶面的金属钨能耐受高温，但如果电子束持续轰击在固定位置，仍然会导致靶面受损，造成球管损坏。为了解决这个问题，医用X射线管多采用旋转阳极结构。其靶面形如圆盘，中心微突成薄锥体，圆盘后壁与转子轴相连，能高速旋转，使得电子束不会连续轰击固定位置。该结构较好地解决了散热的问题，有效地减少焦点的尺寸，实现小焦点、大功率。为了有效地提高X射线管的性能，技术人员从选择靶面材料、减小靶面倾斜角、增大靶盘直径以及提高阳极旋转速率等多个角度出发，对X射线球管加以改进。

（二）高压发生器

高压发生装置由高压变压器、灯丝变压器、高压整流器、控制电路等部件构成，主要作用是为X射线管提供直流高压，同时为加热阴极灯丝提供低电压。

医用X射线诊断设备最初使用工频高压发生器，当前以中、高频高压发生器为主。高压发生器的工作过程大致如下：先将工频电压经整流、滤波变成低波纹系数的直流电压，然后通过逆变换产生中、高频电压，再经升压、整流、滤波，输出到X射线管。工作频率在400～20kHz为中频高压发生器，20kHz以上为高频高压发生器。

与工频高压发生器相比，中、高频高压发生器所产生的管电压的波纹系数小，减少了X射线的频谱宽度，提高了成像质量；降低了X射线中软线成分，减少对皮肤的辐射剂量；输出的X射线谱线中高能成分较多，曝光时间相同时，管电流较低；或者使用相同的管电流，缩短曝光时间。

（三）X射线探测器

1.模拟X射线探测器

模拟X射线探测器分为两类，一类以荧光屏（增感屏）和X射线胶片系统为影像载体，曝光后经洗片和冲印，医生使用观片灯阅片。其缺点是X照射剂量大，图像宽容度低，胶片存档困难。另一类基于影像增强器，用于X射线透视。影像增强器是一种电真空器件，由输入荧光屏、光电阴极、聚焦电极、阳极和输出荧光屏等组成。通过光电转换，最终可以得到可见光图像。其缺点是图像清晰度较低。

2.数字X射线探测器

数字化X射线探测器是医用数字X射线诊断设备的关键部件，其特点是输出数字图像，成像过程中不再需要胶片。完整的成像装置包括探测器、控制器和影像监视器等三个部分，其中探测器是核心部件。按照探测器的类型和原理，数字成像装置可以分为影像增强器+电耦合器件（CCD）、X射线影像板（IP板）、X射线平板探测器（FPD）等，随着技术的进步，影像增强器+电耦合器件成像方式的临床应用逐渐减少，数字成像装置多指X射线影像板和X射线平板探测器。

（1）X射线影像板：

影像板是一种装在特制暗盒中的可携带式的X射线探测器，是计算机X摄影系统，即CR系统的关键部件。影像板由保护层、成像层、支持层和背衬层组成，尺寸规格有14英寸×17英寸、14英寸×14英寸、10英寸×12英寸、10英寸×18英寸等。成像层多采用的氟卤化钡晶体作为荧光材料，受X射线照射激发后形成潜影信息并保存。影像板上的荧光材料可以被激光再次激发，产生荧光，包含了X射线潜影信息的荧光被高效光导器采集和导向，导入光电倍增管，转换为相应强弱的电信号，最后用A/D转换器生成数字化图像。

与模拟成像装置相比，影像板成像所需的X射线剂量显著降低，灵敏度、线性度、空间分辨率和动态范围都较高。影像板可以直接取代模拟X射线线摄影设备中的胶片，放射技师不需特殊训练即可操作，同时由于影像板能被重复使用，节省了胶片费用。

影像板易受散射线的影响，包括X射线和激光束等，使影像变得模糊，表现为图像中可见的光斑、细粒、网纹或雪花状的异常结构，降低了某些影像细节的可见度。此外，影像板的时间分辨率较差、不能满足动态器官的结构的显示，空间分辨率较X线胶片低。

（2）X射线平板探测器：

X射线平板探测器将X射线信号直接转换为电信号，是数字X射线诊断设备的关键部件。根据能量转换方式，平板探测器可分为间接转换（非晶硅）和直接转换（非晶硒）两类。

非晶硅平板探测器由闪烁晶体层、非晶硅晶体管、行驱动电路以及图像信号读取电路组成。成像分为三个步骤：X射线照射闪烁晶体（碘化铯或磷），产生可见光；非晶硅薄膜晶体管（thin film transistor）阵列、电荷耦合器（charge coupling device）或CMOS（complementary metal oxide semi-conductor）等非晶硅晶体管将可见光转为电信号；读取电路取得电信号，并转换为图像。由于这一过程中可见光会发生散射，会对图像质量产生一定影响。一般会将闪烁晶体材料制作成“松针”状种植在非晶硅上，以提高对X射线的利用率并减少散射。

非晶硒探测器由非晶硒薄膜晶体管层、行驱动电路以及图像信号读取电路构成。入射的X射线光子使得硒层产生电子空穴对，在外加偏压电场作用下，电子和空穴对背向移动形成电流，电流在薄膜晶体管中形成储存电荷。晶体管的储存电荷量与入射X射线的剂量成正比，通过读取电路取得每一点的电荷量后，可以获取此处入射X射线剂量。由于非晶硒在X射线照射下不产生可见光，而是直接产生电信号，图像质量不受可见光散射因素的影响，因此空间分辨率比较高。

平板探测器成像质量的主要评价指标是量子探测效率（DQE）和空间分辨率，DQE反映了探测器对不同组织密度差异的分辨能力，空间分辨率反映了对细微结构的分辨能力。对于非晶硅探测器而言，闪烁体将X射线转化为可见光的能力，以及非晶硅晶体管将可见光转化为电信号的能力都会影响DQE指标。对于非晶硒探测器而言，DQE的高低取决于非晶硒层产生电荷的能力。常见的平板探测器中，碘化铯闪烁晶体与薄膜晶体管相结合，其DQE性能最强。非晶硒探测器的空间分辨率要好于非晶硅探测器。

（四）辅助设备

除了X射线管、高压发生器、探测器等关键部件之外，限束器、滤线栅、诊断床、操作台和操作控制软件等辅助装置也是X射线机的重要组成部件。

1.操作控制软件

随着数字化X射线机的出现，大大地增强了X射线机的功能，用户和厂商对设备的可用性和易用性日益重视。操作软件可以帮助用户控制高压发生器、设置照射参数、优化影像数据等，实现以较低的剂量获取高质量的影像的目的。图2-3是典型的操作界面，可以完成患者信息数据的输入、获取和传输；设置曝光参数，控制高压发生器，设置拍摄体位等X射线摄影条件；获取、处理、传输和存储影像；优化图像的动态范围和效果，打印图像；设备校准和测试，机器故障自动诊断和提示等功能。

2.限束器和滤线栅

限束器是安装于X射线管输出窗口的机电型光学装置，利用可调空隙的活页铅板，遮去由窗口射出的无效原发射线，从而达到控制X射线照射野，并吸收散乱射线，提高影像清晰度的目的。活页铅板的张合程度可以手动调节，或由控制电机通过传动机构调节。限束器还装有照射野指示装置，使用可见光模拟X射线，标示出预定的照射野。

X射线与人体相互作用时产生的散射线会导致影像质量的下降，减少散射线可以提高影像的信噪比。滤线栅由薄铅条与可透X射线的物质（如树脂、纸片），相互间隔粘结压制而成。工作时放置在受试者与探测器之间，吸收散射线，提高影像对比度。

3.自动曝光控制

自动曝光控制（automatic exposure control，AEC）也被称为mAs限时器，是指X射线透过被照物体，当达到探测器上所需的曝光剂量后，自动终止曝光，目的是使感兴趣区域曝光准确。AEC通常用两种方式获取曝光剂量，光电管的荧光效应和电离室的电离效应，其原理都是将X射线剂量转换为电流或电压，对电压进行时间积分，当达到预设曝光剂量后，切断高压发生器的供电，停止曝光。

4.医用影像显示器

随着数字影像系统的日益普及，医用影像显示器也越来越受到关注。医用影像显示器按照用途可以分为：诊断级、浏览级和教学级。选择显示器时，要考虑亮度、噪声、空间分辨率、灰度分辨率和几何失真等性能参数。

三、医用X射线诊断设备的常见类型

（一）X射线透视/摄影诊断设备

X射线摄影诊断设备用于拍摄胸、腹、四肢等部位X射线影像，是临床机构常用的X射线影像设备。安装在室内的固定式X射线摄影诊断设备，由X射线探测器、旋转阳极X射线管、控制箱（台）、高压发生器、高压电缆、电动诊视床、摄影平床、天地轨、固定立柱等组成，结构相对复杂，管电流一般大于200mA。在直立、水平方向倒倾15°，对患者做多种轨迹的断层摄影、倾斜断层摄影、断层融合摄影、垂直或倾斜滤线器摄影等。为了满足临床需求，除了固定式X射线影像设备，还有移动式X射线影像设备，用折叠式摇臂支持机头，下有移动底座，以便推入病房和手术室。为了保证辐射安全，移动式X射线影像设备的管电流较低，多为50mA。

除了摄片以外，透视检查也是临床常用的检查手段。利用X射线透过人体的被检部位，形成动态影像供医生观察，由于要连续工作，其X射线剂量不大。为了更清楚地观察确定部位，可以暂时提高X射线剂量进行摄片，然后再回到透视状态，即所谓的适时摄影，这种设备被称为X射线透视/摄影诊断设备。由于最初用于胃肠系统的诊断，习惯上称之为胃肠机。

X射线透视/摄影诊断设备由机架、影像链部分、压迫器、控制台（盘）、防护裙等组成。在透视状态，X射线探测器与X射线球管保持准直位并联动。装置还应能做压迫向动作，以尽量靠近受试者，减少影像的放大和模糊。

（二）乳腺专用X射线机

乳腺组织的密度差较小，对X射线机设备提出了特殊的要求。乳腺专用X射线管的靶材多采用钼，也有采用钼铑双靶阳极，管电压为20～35kV，所产生的X射线能量较低。利用X射线的光电效应吸收与原子序数的四次方成正比的物理特性，扩大肌肉、脂肪等软组织之间的对比度，使乳房软组织影像更为清晰。乳腺X射线机还具有加压装置用于挤压和固定乳房，使其厚度保持在5cm左右，保证曝光一致。临床上乳腺癌患者拍摄X射线片后，一般都需要做穿刺活检确诊，因此乳腺X射线机多配有立体定位活检装置。乳腺X射线机的成像方式有胶片成像、数字成像和乳腺导管造影。

随着数字化技术的进展，乳腺X射线机也有新的发展。由于钙化组织对低能量X射线的衰减率较正常软组织高，对高能量射线的衰减则没有显著差异，因此使用不同能量的X射线拍摄两张图像，进行数字减影后，可以突出钙化组织的信息，有助于乳腺癌早期诊断。数字断层技术是乳腺成像的新技术，成像时X射线管组件从上至下做弧形运动，探测器位置固定，对感兴趣区拍摄10～15幅图像，利用与CT重建类似的方法可以得到乳腺断层图像。患者不需要再进行CT检查，数字断层技术可有效减少二维成像的组织重叠影响，有利于观察致密型乳腺组织。

（三）数字减影血管造影系统

数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）主要用于血管性疾病的介入治疗工作，习惯上称为血管机。拍摄血管正常状态下的X射线图像后，向血管注入造影剂，再次拍摄血管图像，因血管充盈了造影剂，其影像密度会发生变化，而血管周边组织，如骨骼或者软组织的影像密度保持原状。通过对造影前后的图像做减法，去除周边组织，并保留血管的影像。数字减影有三种基本方法：时间减影、能量减影和混合减影，临床多使用时间减影。由于没有骨骼与软组织影的重叠，使血管及其病变显示更为清楚，适用于心脏大血管的检查。对心内解剖结构异常、主动脉夹层、主动脉瘤、主动脉缩窄和分支狭窄以及主动脉发育异常等显示清楚。

数字减影成像过程复杂，对系统的部件存在特殊要求。其机架的形状如同大写字母“C”，所以又被称为C形臂。X射线管被固定在C形臂下面的端点，成像装置固定于C形臂上面的端点。因工作持续时间长，所以对X射线球管和高压发生器的容量要求较高。血管机的检查床用于固定患者的被检部位，需要做横向、纵向和垂直方向的大范围移动，其床面多采用碳素纤维材料制造。高压注射器是血管机的重要部件，按照事先设定的注射程序，在规定的时间内将大剂量的造影剂注射到受试者的血管内，使检查部位充盈，以获得对比度良好的影像。

血管机的软件要具备配准注射对比剂前后的影像的功能。为了减少将血管投射到二维平面，造成前后层面的影像重叠，大型血管机多可以利用X射线管和探测器绕患者旋转，采集多个角度的X射线影像，随后重建出三维图像，也被称为锥形束CT图像。在此基础上，可以实现血管的三维显示，叠加上透视图像后，还能对介入手术进行手术规划、实时导航。

（四）口腔X射线机

口腔X射线机是口腔临床使用的专门设备，包括牙科X射线机和口腔曲面全景X射线机。牙科X射线机成像时，将专门制作的牙片放入口腔中，使X射线从面部射入口中，经牙龈及齿槽骨等组织到达牙片。进行全景摄影时，通过同步旋转成像装置和受试者的方式，将呈曲面分布的颌部展开排列在一张X射线图像上。

口腔X射线机容量小，管电压多在50～70kV，管电流在10～15mA。由于无需冲洗牙片，X射线影像板和平板探测器在齿科中的应用越来越广泛。