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简介：X线机原理，CR、DR机和CT机原理1一、X线机的原理2X-ray概论：•X-ray是由德国伦琴教授在1895年所发现。这种由克鲁克斯管发出能穿透物体的辐射线，在电磁光谱上能量较可见光强波长较短，频率较高，相类似之辐射线有宇宙射线等。目前X线诊断常用的X线波长范围为0.008～0.031nm（相当于40～150kv时）。34利用高速电子撞击金属靶面产生X射线的真空电子器件，称X光管。分为充气管和真空管两类。充气管：1895年W.K.伦琴在进行克鲁克斯管实验时发现了X射线。克鲁克斯管就是最早的充气X射线管，其功率小、寿命短、控制困难，现已很少应用。真空管：1913年W.D.库利吉发明了真空X线管。管内真空度不低于10-4帕。阴极为直热式螺旋钨丝，阳极为铜块端面镶嵌的金属靶。阴极发射出的电子经高压加速后撞击靶面产生X射线。以后经过许多改进，至今仍在应用。X光管：5接通电源使X线管灯丝加热产生自由电子云提供高压电产生电势差，使电子以高速由阴极向阳极行进，撞击阳极钨靶原子。1%产生X线，99%转换为热能X线的产生6•穿透作用X、CT的基本原理•荧光作用可以使荧光物质发出可见光（透视／摄影基础）•电离作用半导体及惰性气体发生电离（ＤＲ）X线的基本特性（一）物理特性•感光作用使光敏物质感光（胶片）（二）化学特性（三）生物效应使生物体发生变异及破坏（防护及放射治疗）7X线的质与量X-ray的质：是指X射线的穿透能力，它取决射线的波长。通过调整电压(kVp)可以改变X射线的波长亦即改变射线的穿透能力X-ray的量：表示单位时间内通过与射线垂直方向上的单位面积的光子数的多少。由球管灯丝的电子数决定,调整球管的灯丝电流和曝光时间可以改变射线的量,通常用mAs表示。8X线成像原理X线成像是基于人体内不同结构的脏器对X线吸收的差别。一束能量均匀的X线投射到人体的不同部位，由于各部位对X线吸收的不同，透过人体各部位的X线强度亦不同，最后投影到一个检测平面上，即形成一幅人体的X线透射图像。9X线机的基本硬件配置球管10高压发生器提供电力给球管以及控制mAKVsec变化11限束器是一种安装在x线管输出窗前方的机电型光学装置，内有可调间隙的铅板主要作用是：•控制x线适当照射野•减少散射线•指示照射野中心12滤线栅是x线摄影中减少散射辐射的装置，由薄铅条按一定密度排列构成，铅条间隙与射线平行f0栅焦距（f0):铅条汇聚到栅板的垂直距离栅格比（R):铅条的高度与间距之比，比值越大滤线的效果越好。栅密度（N):单位距离内铅条的数量N=1/C越大滤线的效果越好。C13影像增强器（imageIntensifier)X-ray输入屏上涂有一层荧光粉（CsI）将X-ray转化为可见光14CCD（电荷藕合器件）一种用于探测光的硅片，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，实现存储和传递电荷信息的固态电子器件，比传统的底片更能敏感的探测到光的变化。15X线机成像过程IP板CR高压发生器成像单元球管束光器照射目标I.IRF成像板DR暗盒胶片16二、CR系统原理17CR的定义：ComputedRadiography，即“计算机X线摄影”：将携带诊断信息的X线影像记录在影像板（imageplate，IP）上，经读取装置读取，通过计算机处理，获得数字化图像。CR的意义：首次将传统屏片系统X线摄影数字化，所得数字化图像可以进行后处理，并且易于查询、检索、储存、传输和打印等。CR的组成：影像板：记录X线形成的潜影。读取装置：将潜影转变为数字信号。后处理工作站：将数字信号还原成图像并进行后处理。18CR的工作流程图X线系统患者PSP探测器CR照片1.X线曝光影像阅读仪2.影像处理3.影像记录仪4.未曝光IP已曝光IP5.可重复使用的荧光板19IP是CR成像的关键器件，是X线影像的记录载体，取代传统X线摄影中的增感屏+胶片，CR影像不是直接记录于胶片，而是先记录在IP上（先记后读），IP可重复使用，但不具备影像显示功能。影像板（IP）基本结构：A、外层保护层：防止荧光层受到损伤。要求透光且薄，常用聚脂树脂类纤维B、磷光层：把第一次照射光的信号记录下来，当再次受到光刺激时，会释放存储的信号C、基底层：保护荧光层免受外力的损伤。IP暗盒剖面示意图磷光层(含磷颗粒)外层保护层基底层暗盒暗盒20IP成像原理入射X光子被荧光层内的荧光体吸收，释放出电子，其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态，形成潜影，完成X线影像信息的采集和存储潜影电荷数量与入射光子能量成正比当用激光扫描已有潜影的IP时，IP表现出PSL（光激励发光/光致发光）现象，完成X线影像信息的读取PSL（光激励发光）荧光强度与潜影电荷数量成正比21PSL发光某些物质在第一次受到照射光照射时，能将一次激发光携带的信息贮存下来，当再次受到照射光照射时，能发出与一次激发光携带信息相关的荧光。一次激发光（X线光子）二次激发光（读取激光）潜影这就是光激励发光（photostimulatedluminescence，PSL，光致发光），这种物质就称为PSL物质；发光强度与X线光子能量成正比。22IP存贮信息的消褪贮存在PSL物质中的X线影像信息随存贮时间（读取前时间）的延长而衰减，称为消褪（fading）。消褪不可避免，随时间延长、温度升高而加重，CR系统对消褪设置自动补偿。一般地，要求摄影后8小时内完成信息读取，以免丢失临床信息。23IP信息的擦除二次激发过的IP需用强光照射（约200W的强光灯），擦除IP上残存的潜影以供下次使用。IP经强光照射擦除潜影，是PSL发光的逆过程，实现IP存贮信息的完全擦除。对于暗盒式IP，可见光被屏蔽，必须将IP插入到读取装置中，用强光自动擦除。24环境因素对IP的干扰IP对所有电磁波均显敏感性。长期闲置的IP在启用前必须先用强光照射以消除环境干扰。25读出装置1、高精度步进电机带动IP匀速移动。2、激光束经光学系统（摆动式反光镜和回旋式多面体反光镜）的反射，在与IP垂直的方向上，依次逐行对IP进行精确均匀地扫描。3、IP上所释放的PSL荧光被集光器收集，经光电倍增管转换为电信号，并被进一步放大，再由A/D转换器转换成数字化信号。CR系统影像读取原理图26影响CR影像质量的因素•CR影像的空间分辨力：•取决于PSL晶体的颗粒度和读取装置的电、光学特性。PSL结晶体尺寸越小，发光效率越高，图像空间分辨力越高。激光束点直径越小，读取信息量相对越多，影像质量越高。CR影像的空间分辨力尚不如传统胶片。•CR影像的噪声：•1、X线量子噪声：IP吸收过程中产生，与IP吸收的X线量子数（入射X线量）成反比。•2、光量子噪声：光电倍增管光电转换中产生，与光电子数成反比。•3、系统固有噪声：IP结构噪声、光学系统噪声、电子系统噪声、机械传导系统噪声等。•X线剂量较低时，图像噪声决定于量子噪声；X线剂量较高时，图像噪声决定于固有噪声。27CR使用注意事项由于CR读取时会根据曝光条件、曝光范围、部位、体位等信息自动调节图像至最佳状态，因此:1）.一块板最好只照一幅图像（正侧位用两块板照），避免因曝光条件不一样或图像重叠、图像有间隔等导致的图像质量下降。2）.选择与部位大小相适应的IP板，不要用大板照小部位，而且照射野要覆盖整块IP。3）.扫描前输入的检查部位、体位和投照资料等要尽量准确和完整。4）.曝光时正确定向片盒，图像扫描出来就是正向的，可以省除旋转图像的麻烦。5）.由于IP上的图像质量随时间推移而降低，因此最好一个小时内扫描IP,IP长时间不用再次使用时，最好先行强光擦除，以消除可能存在的潜影6）.图像质量很大程度上决定于曝光剂量，因此不要为了降低病人受照剂量而无限制地降低曝光条件。28CR的优点和不足优点：最后获取的是数字化图像：可进行多种图像后处理，易于储存、检索和传输。只要曝光条件不离谱，都能获得满意的图像，从而有效减少重照。可与原有的X光机匹配工作，节省资金，少花钱即能实现图像数字化。X线照射量动态范围大：可显示细微组织差异。PSL物质敏感度高，所需曝光剂量低，能有效减少患者受照射量。IP可重复使用几万次。不足：时间分辨力较差，难以显示动态图像成像过程繁琐，未改变工作流程，工作效率相对传统X线摄影并没有提高，与DR更是没法比空间分辨率不如常规的X线照片和DR29三、DR系统原理30DR的种类非晶硅平板探测器（间接放射成像）（IDR）X线影像先转换为可见光影像，再经光电转换、A/D转换等器件转换成数字图像。主流：非晶硅（a-Si）根据X线影像转换为数字图像信号的过程不同，可分为IDR（间接放射成像）和DDR（直接放射成像）。非晶硒平板探测器（直接放射成像）（DDR）X线影像直接转换为数字图像，无中间环节。主流：非晶硒（a-Se）31IDR的结构和工作原理图像监视器影像接收器数据采集器图像处理器存储器X线机系统控制器X线影像转换为可见光影像区分IDR与DDR类型的技术点将可见光影像转换成模拟电信号，A/D再将把模拟电信号转换为数字信号对数字信号进行各种图像处理对整个系统的控制和协调存储、记录数字图像实时观测所采集的X线影像产生X线IDR图象质量比CR有较大的改善，但这种转换机制由于存在光线散射过程，必然导致图像分辨力的降低。32各种类型的IDR（1）I.I-TV（影像增强器－电视）成像方式：I.I光学系统电视摄像机A/D透射X线数字影像（2）胶片数字扫描方式：①、X线胶片数字扫描仪；②、图象工作站；③、高清晰度监视器；④、图象处理系统软件（3）Scintillator+Lens+CCD（闪烁晶体+光学镜头+CCD）（4）闪烁晶体+a-Si（非晶硅薄膜）+TFT（薄膜晶体管）①、a-Si（非晶硅薄膜）适度扩散，形成高集成的薄膜光电二极管（TFD）作为光电转换器件；薄膜晶体管（TFT）作为开关元件。②、转换效率最高，像素尺寸最小，图像质量最好。33DDR的结构和工作原理图像监视器探测器矩阵图像处理器存储器X线机系统控制器平板探测器FPD把X线影像直接转换为模拟电信号，A/D再将模拟电信号转换为数字信号对数字信号进行各种图像处理对整个系统的控制和协调存储、记录数字图像实时观测所采集的X线影像产生X线数据控制存储调用34（1）气体电离室探测器：由许多单元组成阵列，每个单元构成一个像素，大小约为0.5mm×0.5mm。探测器极板间充以惰性气体，X线照射下，气体电离，电离电荷在极间电场作用下定向漂移。在外电路获得正比于X线强度的输出信号。X线强度∝电离电荷∝输出电信号成正比。（2）非晶态硒（a-Se）型平板探测器：由集电矩阵、硒层、电介质、顶层电极和保护层等构成。特点：①、依赖型平板；②、X线吸收率较低；③、硒层厚度与有效光电子成正比，与成像时间成反比。DDR使用的X线探测器35DDR的特点采用a-Se（非晶态硒）和TFT（薄膜晶体管）技术将入射X射线直接转换为电信号非常高的转换效率（DQE）：对入射到探测器表面的X线光子的吸收能力，DR平板的X线探测器的量化转换效率极为宽广的动态范围（104~105）：是用来实现比普通数字图像技术更大曝光动态范围（即更大的明暗差别）。很高的空间分辨率（2560×3072）彻底消除散射效应，极佳的MTF（调制传输函数）特性。MTF：是空间频率在一范围期间信号转换的一种判定，并以量化表现影像鲜明程度。调制传输函数(MTF)标志了成像系统维持物体原有对比度的能力。MTF值越高，意味着系统对原始信息的还原能力越强，所得到的图像越接近于原始图像。36IDR与DDR的优缺点IDR：优点：1、转换效率高；2、动态范围广；3、空间分辨率高；4、在低分辨率区X线吸收率高（原因是其原子序数高于非晶硒）5、环境适应性强。缺点：1、高剂量时DQE不如非晶硒型；2、因有荧光转换层故存在轻微散射效应；3、锐利度相对略低于非晶硒型。DDR：优点：1、转换效率高；2、动态范围广；3、空间分辨率高；4、锐利度好。缺点：1、对X线吸收率低，在低剂量条件下图像质量不