课程：医学影像学

主题：X线成像

X射线穿过人体不同密度和不同厚度的组织时，会发生被这些组织不同程度吸收的现象，因而形成不同黑白对比的X射线影像。

X射线(X-ray)是一种波长范围在0.001 nm到10 nm（光子能量在124 eV到1.24 MeV）之间的电磁辐射。

10 nm ~ 124 eV

0.001 nm ~ 1240000 eV ~ 1240 keV ~ 1.24 MeV

X射线与γ射线的波长范围有重叠，通常由产生方式区分：X射线来源于电子，而γ射线来源于原子核。

X射线的特性包括：

• 物理特性：体现为穿透性(penetrativity)、荧光作用(fluorescence)、热作用、干涉、衍射、反射、折射作用、电离作用(ionization)。
• 穿透性：X射线能够穿透可见光不可穿透的物体，在穿透过程中有一定程度的吸收，即衰减。
• 荧光作用：X射线可激发荧光物质，使波长短的X射线转换为波长较长的可见荧光。
• 电离作用：电离程度与物质所吸收X射线的量成正比。
• 化学特性：包括感光作用(photosensitization)、着色作用。
• 感光作用：涂有溴化银的胶片经X射线照射后感光而产生潜影。
• 生物特性：生物细胞在一定量的X射线照射下可产生抑制、损伤甚至坏死。

相干散射(coherent scattering) 和康普顿散射(Compton scattering) 涉及二次辐射的产生，而光电效应(photoelectric effect) 导致了X射线的吸收。

入射光子与束缚电子发生弹性碰撞，电子做简谐振动并沿随机方向放出频率相同的光子。

相干散射减少了到达探测器的光子数，同时改变了X射线的轨迹。相干散射的概率可表示为：

其中是入射光子的能量，是组织的等效原子序数（肌肉为7.4，骨骼接近20）。

相干散射仅占X射线与组织的相互作用的很小一部分。

入射光子与自由电子或束缚很小的电子发生弹性碰撞，电子获得一部分能量并射出，X射线波长减小、方向改变。

散射光子的能量为：

其中为电子质量，为散射角。

康普顿散射的概率与原子序数不相关，与入射光子的能量弱相关，正比于组织的电子密度。康普顿散射引起的图像对比度很低。

因康普顿效应而产生的散射线向四方传播，到达前方的散射线使胶片产生灰雾，到达侧面的散射线给工作人员的防护带来困难。

入射光子的能量被吸收，引起束缚电子射出（称为光电子），同时一个外层电子向内跃迁填补空位，引起特征X射线发射。

特征X射线的能量很低，因而在很短的距离内被吸收。

当入射光子的能量大于最内层（K层）电子的结合能时，光电效应发生的概率急剧增大，这一现象被称为K-edge。高于这一能量，光电效应的概率可表示为：

光电效应不会在胶片上产生散射造成的灰雾，形成的X射线影像对比度大，但组织吸收的X射线较多。

X射线强度的 （线性）衰减系数(linear attenuation coefficient) 可表示为

由相干散射、康普顿散射和光电效应共同影响。在能量为几keV时，光电效应占主导。随着能量增大，康普顿效应的作用变得显著。

为消除组织密度的影响，定义质量衰减系数(mass attenuation coefficient) 为线性衰减系数与组织密度的比值。

射线强度减弱到初始值的一半时所需要的物质厚度称为半值层(half-value layer)，它反映了射线的穿透能力。

高速电子撞击靶物质产生X射线，可分为轫致辐射和特征辐射。

• 轫致辐射(bremsstrahlung) 是指高速电子骤然减速产生的辐射。X射线管中高速电子轰击金属靶（通常用钨），电子接近原子核时运动方向发生偏折并急剧减速，能量转化成辐射的形式。

• 特征辐射(characteristic radiation) 是高速电子将原子的内层电子击脱，外层电子向内跃迁放出的辐射。

X射线管产生的X射线谱是连续谱叠加上特征辐射谱线。X线管玻璃壁、球管的冷却油、窗口等会产生固有滤过，主要滤掉较软的射线。

传统的X射线成像系统还需要：

• 准直器(collimator)：安装在X射线管组件的输出窗口前。控制X射线管输出的辐射的视场(Field of View, FOV)大小，减小患者受到的辐射剂量，同时减少散射光线。
• 防散射滤线栅(antiscatter grid)：安装在影像接收面前，由高吸收X射线材料片条（铝箔）、低吸收材料间隔物质（纸质）等组成。

• 增感屏(intensifying screen)：与X线胶片匹配使用，能使穿透机体的X线转变成使胶片感光的可见光，提高X线对胶片感光的利用效率。

• 胶片(film)。

20世纪70年代诞生的CR(Computed Radiography) 是X射线成像的一次革命：

• 它利用成像板(image plate, IP)取代传统的增感屏-胶片体系。成像板的主要成分是荧光物质，被X线激活的掺杂2价铕离子的氟卤化钡晶体在受到二次激发光照射时，作为发光中心的Eu2+可发出波长峰值约为390－400nm的紫色荧光。
• 光电倍增管将二次激发光信号转化为电信号，数据经过处理后形成数字图像。

20世纪80年代，DR(Digital Radiography) 概念提出，到20世纪90年代末期取得突破性进展：

• 它利用平板探测器(flat-panel detector, FPD) 直接接收X射线并转化为电信号，数据经过处理后形成数字图像。
• DR摄影成功实现了X线影像的数字化采集、处理、传输、显示和存储的一体化。

X射线成像可分为投影成像(projection) 和断层成像(tomography) 两种。投影成像可分为：

• 照相(photography)
• 乳房X线成像(mammography)：以钼(Mo)为阳极材料，产生约17keV的能量较低的X射线，提高肌肉、脂肪等软组织的对比度。
• 口腔X线成像。包括牙齿X线摄影、口腔全景体层摄影。
• 头颅平片、胸片、腹部平片、四肢的骨和关节平片等。
• 透视(fluoroscopy)：胸部透视、腹部透视、骨关节透视等。
• 造影：向体内注射在X线下能与其他物质产生密度差的对比剂。
• 消化道造影(gastroenterography)、泌尿系统造影等。
• 数字减影血管造影(digital subtraction angiography, DSA)。

[1] Andrew Webb. Introduction to Biomedical Imaging, 2003.

[2] 余建明主编，医学影像技术学（2版），科学出版社，2009.

[3] 王骏等主编，医学影像技术学，科学出版社，2017.