第二章 投影X射线成像系统

第二章投影X射线成像系统主讲：刘老师主要内容2.1X线影像设备简述2.2医学X射线影像设备的分类2.3X线的产生与特性2.4X线成像基本原理2.5医用X线电视系统2.6计算机X线摄影（CR）2.7直接数字化X线摄影系统（DR）2.8数字减影血管造影装置（DSA）2.9影响X线照片质量的因素2.10传统医学X射线影像设备与应用2.11医学X射线影像设备及其成像质量的描述指标2.12数字医学X射线设备与应用2.13对X射线影像设备的防护2.1X光影像设备简述医学X射线影像设备的基本构成医学X射线影像设备主要由三大部分构成:X射线发生装置、成像系统和其他辅助装置。1.X射线发生装置的发展X射线发生装置主要有X射线管、高压发生器和控制台三大部分。2.X射线成像系统的发展3.其他辅助装置2.1X光影像设备简述1.X射线管现代X射线管的主要组成部分如图所示。主要有：固定阳极X线管、旋转阳极X线管以及各种特殊X线管2.1X光影像设备简述(一)线管的构成•１.阳极：X射线管的正极，目前有两种类型的阳极：固定的和旋转的。一般的X射线管通常使用旋转阳极，因为它们必须有能力在很短的时间内产生高强度的X射线束。阳极的作用：１.阻挡高速运动的电子流产生X线，同时散热；２.吸收二次电子和散乱射线。•２.阴极：X射线管的负极，包括灯丝和聚焦杯两部分。•从灯丝发射的电子经高压加速后撞击在靶上，此时加在两极之间的加速电压称为管电压，加速后的电子束流称为管电流。管电流的变化范围从几个到几百个毫安培。•3.玻璃壳：又称为管壳，作用是固定阳极、阴极并保持管内真空度。2.1X光影像设备简述(二)X射线管的焦点对成像质量影响最大的因素之一实际焦点：灯丝发射的电子，经聚焦加速后撞击在阳极靶上的面积称。有效焦点：X射线管的实际焦点在垂直于X线管长轴方向上投影的面积（effectivefocalspot）。实际焦点与有效焦点的关系：•设实际焦点宽度为a，长度为b,则投影后的长度为•有效焦点=实际焦点*•阳极靶面与X线投照方向的夹角sinbsinb2.1X光影像设备简述（三）X线管的分类固定阳极X线管•缺点：焦点尺寸大、瞬时负载功率小•优点：结构简单、价格低，在小型X线发生装置中仍被采用。旋转阳极X线管•解决了提高功率与缩小焦点之间的矛盾。•优点：瞬时负载功率大、焦点小。各种特殊X线管•金属陶瓷大功率X线管•三极X线管•软X线管•CT用X线管2.1X光影像设备简述(四)特性与参数特性•１.阳极特性曲线:指在一定的灯丝加热电流下，管电压U与管电流I的关系•２.灯丝发射特性曲线:是指在一定管电压下，管电流与灯丝加热电流的关系。意义“要调节管电压和管电流得到所需X线的质和量，必须对空间电荷进行补偿。补偿原则：当管电压高时适当减小灯丝加热电流，使管电流不随管电压的变化而变化。反之当管电压低时，适当增加灯丝加热电流。电参数•包括灯丝加热电流，灯丝加热电压，最高管电压，最大管电流，最长曝光时间，容量，标称功率，热容量等。我们比较关注的是最高管电压和热容量•最高管电压:加在X线管两极间的最高管电压峰值(单位KV)•R球管热容量：X线管处于最大冷却率时，允许承受的最大热量(单位HU)•通常所指的热容量是指阳极热容量。2.1X光影像设备简述(五)管套管套是放置X线管的一种特殊容器，现代X线管管套均为防电击，防散射，油浸式，其结构随用途不同而有所差别。１.固定阳极X线管管套２.旋转阳极X线管管套３.组合机头:为了使小型X线机轻便，则将X线管，灯丝变压器及高压变压器共同组装在一个充满变压器油的密封管套中，称为组合机头2.1X光影像设备简述2.高压发生器高压发生器有称直流高压发生器，是高压电源的传统称呼，是指主要用于绝缘和漏电检测中的高压电源，现在高压电源和高压发生器已经没有严格的区别,由高压变压器、X线管灯丝变压器、高压整流器、高压交换闸及高压插座等组成。主要作用：•１.把自耦变压器输入的交流电压升高数百倍，再经整流，为X线管提供产生X线所需的直流高压；•２.把X线管灯丝初级电路输入的交流电压降低，为X线管灯丝提供加热电压；•３如配有两只以上的X线管，还要完成管电压和灯丝加热电压的切换。2.1X光影像设备简述３.控制台主要实现X线管在曝光过程中的管电压（kV）、管电流(mA)和曝光时间三个基本参数的控制，一般称为三钮控制台。控制台电路必须满足X线管产生X线的下三个要求：•可调管电流•可调管电压•可调曝光时间。2.2医学X射线影像设备的分类1.按成像方式分类（1）模拟式：传统的医学X射线影像设备采用的是模拟技术。（2）数字式：现代数字化的医学X射线影像设备采用的是数字技术。2.2医学X射线影像设备的分类2.按机械结构方式分类(1)固定式(2)移动式(3)便携式固定式移动式便携式2.2医学X射线影像设备的分类3.按用途分类（1）诊断用X射线影像设备（2）治疗用X射线影像设备胃肠诊断用X射线设备乳腺X线摄影设备2.2医学X射线影像设备的分类3.按用途分类（1）诊断用X射线影像设备（2）治疗用X射线影像设备口腔全景X线机手术用C臂X射线影像设备2.2医学X射线影像设备的分类4.按管电流量的大小分类（1）小型X线机（2）中型X线机（3）大型X线机（4）超大型X线机2.3X线的产生与特性（一）X线的本质一种电磁波，具有一定的波长和频率，具有波粒二重性，X线成像利用了它与物质相互作用时发生能量转换，突出了微粒性。X线的波长极短、能量极大，它的波长介于紫外线和γ射线之间，为0.0006～50nm，X线诊断常用的波长为0.008～0.031nm。2.3X线的产生与特性2.3X线的产生与特性（二）X线的特性1．物理特性（1）穿透作用：穿透能力与X线光子的能量成正比，波长短的X线光子能量大、穿透能力强，另外还与被照物体的密度有关。（2）荧光作用：当X线照射某些荧光物质(如钨酸钙等)时能激发产生荧光，荧光屏、影像增强器、增感屏等都利用了这一特性。（3）电离作用：物体受X线照射时，使核外电子脱离原子轨道，即～。自动曝光控制系统的电离室、X线放射治疗等利用了该特性。（4）热作用（5）干涉、衍射、反射、折射作用2.3X线的产生与特性2．化学特性（1）感光作用：是X线摄影的基础（2）着色作用：使某些物质(如铂氰化钡)的结晶体脱水而改变颜色。3．生物效应生物细胞经一定剂量X线的照射会受到抑制、损伤、坏死，生物效应既有利有弊…在X线诊断和治疗中主要利用了X线的穿透、荧光、电离、感光、生物等特性。2.3X线的产生与特性（三）X射线的波粒二象性X射线同时具有波动性和微粒性，统称为波粒二象性。X射线在传播时，它的波动性占主导地位，具有频率和波长，且有干涉、衍射等现象发生。X射线在与物质相互作用时，它的粒子特性占主导地位，具有质量、能量和动量。2.3X线的产生与特性（四）X射线与物质间的相互作用（1）X射线的穿透作用。其贯穿本领的强弱与物质的性质有关2.3X线的产生与特性（2）X射线的荧光作用。X射线是肉眼看不见的，但当它照射某些物质时，如磷、铂氰化钡、硫化锌、钨酸钙等，能够使这些物质的原子处于激发态，当它们回到基态时就能够发出荧光，这类物质称荧光物质。医学中透视用的荧光屏、X射线摄影用的增感屏、影像增强器中的输入屏和输出屏都是利用荧光特性做成的。（3）X射线的电离作用。X射线虽然不带电，但具有足够能量的X光子能够撞击原子中轨道电子，使之脱离原子产生一次电离。电离作用也是X射线损伤和治疗的基础。2.3X线的产生与特性（4）X射线的热作用。X射线被物质吸收，绝大部分最终都将变为热能，使物体温升。（5）X射线的化学效应。X射线能使多种物质发生光化学反应。例如，X射线能使照相底片感光。（6）X射线的生物效应。生物组织经一定量的X射线照射，会产生电离和激发，使细胞受到损伤、抑制、死亡或通过遗传变异影响下一代，这种现象称为X射线的生物效应。这个特性可充分应用在肿瘤放射治疗中。2.3X线的产生与特性(五)X射线的产生高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时都能产生X射线。现在用于医学成像的X射线辐射源都是利用高速运动的电子撞击靶物质而产生的.产生X射线必须具备三个基本条件：(1)电子源，能根据需要随时提供足够数量的电子。(2)能够获得高速电子流，又需要两个条件：其一是有一个高电压产生的强电场，使电子获得很大的功能；其二是有一个高真空度的空间，使电子在高速运动中不受气体分子的阻挡而降低能量，同时，也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁。(3)第三要有一个能够经受高速电子撞击而产生X射线的靶。2.3X线的产生与特性(六)X线的产生及能量转换1．X线产生的三个条件:高速电子流和靶物质相互作用的结果①电子源②高速电子流③靶物质2．能量转换诊断用X线的产生效率只有0.4％～1.3％。2.4X线成像原理(一)X射线的产生装置主要包括三部分：X射线管、高压电源及低压电源，如图所示。X线产生装置2.4X线成像原理(二)X射线人体成像使用X射线对人体进行照射，并对透过人体的X射线信息进行采集、转换，并使之成为可见的影像，即为X射线人体成像。（1）X射线影像的形成当一束强度大致均匀的X射线投照到人体上时，X射线一部分被吸收和散射，另一部分透过人体沿原方向传播。由于人体各种组织、器官在密度、厚度等方面存在差异，对投照在其上的X射线的吸收量各不相同，从而使透过人体的X射线强度分布发生变化并携带人体信息，最终形成X射线信息影像。X射线信息影像不能为人眼识别，须通过一定的采集、转换、显示系统将X射线强度分布转换成可见光的强度分布，形成人眼可见的X射线影像。2.4X线成像原理①人体不同密度组织与X线成像的关系2.4X线成像原理②人体不同厚度组织与X线成像的关系密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是X线成像的基本条件2.4X线成像原理(二)X射线人体成像（2）X射线的采集与显示①医用X射线胶片与增感屏医用X射线胶片的主要特性是感光，即接受光照并产生化学反应，形成潜影（latentimage）。经过对有潜影的胶片处理（暗室处理：显影、定影等）。使胶片上的潜影转变为可见的不同灰度（gray）分布像。胶片感光层中的卤化银还原成金属银残留在胶片上，形成由金属银颗粒组成的黑色影像。人体组织的物质密度高，则吸收X射线多，在X射线照片上呈白影；反之，如果组织的物质密度低，则吸收X射线少，在X射线照片上呈黑影。2.4X线成像原理(二)X射线人体成像（2）X射线的采集与显示①医用X射线胶片与增感屏医用X射线增感屏为荧光增感屏，增感原理：增感屏上的荧光物质受到X射线激发后，发出易被胶片所接收的荧光，从而增强对X射线胶片的感光作用。问题：在实际X射线摄影中，仅有不到10%的X射线光子能直接被胶片吸收形成潜影，绝大部分X射线光子穿透胶片，得不到有效的利用。解决办法：利用一种增感方法来增加X射线对胶片的曝光，以缩短摄影时间，降低X射线的辐射剂量。常采用的增感措施：在暗盒中将胶片夹在两片增感屏（intensifyingscreen）之间，然后进行曝光。2.5医用X线电视系统(一)基本信息X-TV是将TV技术应用于医学领域的结果，是20世纪50年代出现了X线影像增强器后的产物。X-TV将X线透视影像通过影像增强、TV摄像和放大处理后，在X-TV监视器上显示，一般为黑白TV。与荧光屏相比的优点：1.影像亮度高，可实现室透视，将医生和病人从暗室中解放出来。2.医生和病人从暗室中解放出来。3.影像清晰。4.影像可远远距离传送并可录像保存。5.通过X－TV获得的视频图像信号经过A/D转换、计算机图像处理后可获得数字图像。2.5医用X线电视系统（二）X射线电视系统的构成：X射线电视系统主要包括X射线影像增强器、光学图像分配系统、含有摄像机与监视器的闭路视频系统与辅助电子设备。X射线影像增强管是影像增强器的核心部件。X－TV是X线机的一个成像装置，其工作受X线机的控制。１.将X线影像转换为荧光影像并使荧光影像亮度增强的器件，