X射线管原理与影像设备

1、X射线管原理与影像设备第一章 X线的发现、产生和特性第一节、X线的发现 X线是德国物理学家伦琴在1895年11月8日发现的。当时，他在暗室内用高压电流通过低压气体的克鲁克斯管作阴极射线的研究，偶然发现克鲁克斯管附近的一块表面涂有铂氰化钡结晶的纸板上发生荧光。进一步研究证明，荧光是由高电压电流通过克鲁克斯管时产生的一种看不见的新射线所引起。这种射线能穿透普通光线所不能穿透的纸板，并能作用于荧光屏而产生荧光。进一步实验，发现这种射线也能透过木板，即使一本厚书，也能透过而使荧光屏发亮。对重金属如铜、铁、铅等则不易透过。当伦琴将手放在管和荧光屏之间时，在荧屏上看到肌肉透亮，而骨胳则为黑影。他还发现这种

2、新的射线具有摄影作用，可把手在照相玻璃板上摄成照片。伦琴将他的发现于1896年1月23日正式公布于世，由于不明了这种射线的性质，所以伦琴把这种射线称为X线，科学界又称之为伦琴线。X线的伟大发现，无论是在近代科学理论上或在应用技术上，特别是对医学科学领域内的不断创新和突破都有十分重大的意义。 第二节、X线的产生 X线是由高速运行的电子群撞击物质突然被阻时产生的。因此，它的产生，必须具备以下3个条件；自由活动的电子群；电子群以高速运行；电子群在高速运行时突然受阻。 X线机的类型虽不同，但基本构造不外X线管、变压器和控制器三部分。 1X线管 近代X线管是热阴极真空管，大多数采用的是真空二极管结构，在

3、特殊的用途下也有三极管X射线管，由于构造复杂，辅助装置多，球管功率小，这种球管现在多用于分析仪器中。普通医学方面式用的X射线管，阴极是钨制灯丝，阳极为钨靶。以低电压电流(612伏)，通过阴极灯丝，灯丝发热而产生电子群。阳极的钨靶用以阻挡快速运行的电子群。在X线管的两极加以高电压(40一150kv，一般为40一90kv)，则电子群以高违从阴极向阳极运行，撞击钨靶突然受阻，而产生X线和大量的热能。钨原子序数和原子量高，具有高度放射X线性能，且可容大量的热能(融点为3400)。钨靶嵌在铜制阳极体上，使热能更快散失，因为铜的热传导率很高。 2变压器 变压器主要由一个铁心，一个初级线圈和一个次级线圈所构

4、成。当交流电向初级线圈输入时，则次级线圈输出的电压可按照两个线圈的比例升高或降低。在X线机中，以高压变压器供应高压电于X线管两极，并以降压变压器即灯丝变压器，供应低压电流于阴极灯丝。 3控制器 使用X线机时，必须有一定的控制装置方能调节所需要的各种技术条件。控制器内装有许多电钮、电表、电阻和自偶变压器，主要用以调节通过X线管两极的电压和通过阴极灯丝的电流，分别控制X线的质和量。控制器内还装有调节曝光时间的计时器。X线的质决定于电子运行的速度及其撞击钨靶后动能所耗损的程度。改变高压变压器的电压，即可调节电子运行的速度。电压越高，电子的运行速度越快，动能消耗越多。则由X线管发射的X线波长越短，穿透

5、力也越强。通过X线管的电压很高，以kv计。X线的量则取决于通过X线管的电流大小，亦即撞击在钨靶上的电子数量。改变灯丝的热度，即可调节电子发生的数量(灯丝的热能是由灯丝加热变压器的电流所供应)。电流越大，则灯丝越热，电子越多，撞击在钨靶上的电子数量也越多。通过X线管的电流很小，以毫安计。在X线管、变压器和控制台之间以电缆相连。X线机主要部件及线路见图（111）。图111第三节、X线的特性 X射线的本质 1912年德国物理学家劳厄(MVLaue)等根据理论预见到，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生干涉(即衍射)现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。 X射线和可见光

6、及其他基本粒子(如电子、中子、质子等)一样，同时具有微粒及波动二重性。由于X射线的波长较短，X光子能量也相对地高，因此它的微粒特性也比较明显。由于X射线是一种电磁波它与无线电波、可见光和射线等其他各种高能射线无本质上的区别，只是波长不同而已。作为电磁波的一种，X射线具有它的一般属性。具有单色的X射线沿X轴方向传播，在垂直于被传播方向的平面内存在着互相垂直的电场强度E和磁场强度H。二者在空间和时间上作周期变化(见图11)。如果，研究的是一平面偏振的波(Plane Polariged wave)，即E只延xoz平面传播，那么E随距离x和时间t的周期变化可表示为X线是波长很短的电磁波，以光的速度沿直

7、线前进，其波长范围为0.000650nm。目前X线诊断常用的X线波长范围为0.008-0.0031nm。(相当于40150kv)，在电磁辐射谱中，居射线与紫外线之间，比可见光的波长要短得多，肉眼看不见。图1-2 表示了X线在整个光谱种的位置。 除上述一般物理性质外，X线还具有以下几方面与X线成像相关的特性： 1穿透性 X线波长很短，具有很强的穿透力，能穿透一般可见光不能穿透的各种不同密度的物质，并在穿透过程中受到一定程度的吸收。X线的穿透力与X线管电压密切相关，电压愈高，所产生的X线的波长愈短，穿透力也愈强。反之，电压低，所产生的X线波长长，其穿透力也较弱。另一方面，X线的穿透力还与被照体的密

8、度和厚度相关。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(如硫化锌镉及钨酸钙等)，使产生肉眼可见的荧光。即X线作用于荧光物质，使波长短的X线转换成波长较长的荧光，这种转换叫做荧光效应。这个特性是进行透视检查的基础。 3摄影效应 涂有溴化银的胶片经X线照射后，可以感光，产生潜影，经显、定影处理，感光的溴化银离子(Ag+)，被还原成金属银(Ag)，并沉淀于胶片的胶膜内。此金屑银的微粒，在胶片上呈黑色。而未感光的溴化银在定影及冲洗过程中，从X线胶片上被洗掉，因而显出胶片片基的透明本色。依金属银沉淀的多少，便产生了黑和白的影像。所以，摄影效应是X线摄影的基础。 4电离效应 当X线通过

9、任何物质而被吸收时，都特产生电离作用，使组成物质的分子分解成为正负离子。X线通过空气时，可使空气产生正负离子而成为导电体。因为空气的电离程度，即其所产生的正负离子量同空气所吸收的X线量成正比，所以可以利用测量电离的程度来计算X线的量。X线射过机体而被吸收时，就同体内物质产生相互作用，由属于物理性质的电离作用开始，随即在体液和细胞内引起一系列的化学作用，终于使机体和细胞产生生理和生物方面的改变。X线对机体细胞组织的生物效应主要是损害作用，其损害的程度依吸收X线量的大小而定。微量或少量的X线可以对机体不产生明显的影响；超过一定的剂量将引起明显的改变，但仍然可以恢复；大量或过量的X线则导致严重的不可

10、恢复的损害。X线对机体的生物效应是用以作放射治疗的基本原理。同时X线的生物效应也指导X线检查和治疗的防护措施。X线光谱第四节 X光球管的发展和构造X光球管的诞生到现在已一百多年了，X光已经应用到人们社会生活的各个领域，无论从工业探伤，化学分析，珠宝鉴定，机场铁路的旅客安检，还是到医疗方面的X光检查，拍片，以及从70年代初发明的CT扫描装置都离不开X光球管，从X光球管的工作原理上一直都没有变化，依照电子束轰击重金属可以产生X光的这一原理，根据用途的不同生产出各种不同的X光球管，小到几个厘米，大到几十公斤，工作电流从小到零点几毫安大到1000毫安以上，X光球管从种类及工艺，寿命各方面都得到了极大的

11、发展。最早的X光球管一、 早期的球管 最开始发现X光的球管是冷阴极球管，他的工作原理是，在放电管放电路径中加入一个电极，阳极，并在这个阳极上加上一个电压，在放电管放电的时候就有X线产生，这个插入的电极是由重金属制造，可以是钼，钨，镍，钴等重金属。由于冷阴极球管只是有X线产生，其X射线量是极其微弱的，只有在做出了真空二极管形式的X射线管后，X射线才得到广泛得应用。X线球管的工作电压主要是由球管阳极靶面的材料决定的，每一种物质都有一个固有的激发电压，当管电压比球管阳极材料的激发电压高3一5倍时，电子撞击阳极时所产生的X光强度最大。因此，X射线管的工作电压约为阳极物质激发电压的35倍为最适宜。表1-

12、1 列出了制造X射线管各种靶面材料一些特性二、 常用球管介绍1. 固定阳极球管：在小型X光机及工业X光机中所使用的X光球管基本都属于这一类，封装方式以玻壳管为多，也有少部分的金属壳管，它的特点是阳极是固定的，结构简单制造成本低，缺点是功率小，射线量小只能用于小型X光机及一些工业X光机，图 1-1中球管是X射线衍射仪中的X球管。要求球管工作电流大的CT机则不能采用这种球管。 固定阳极球管是由灯丝（阴极见图1-2），重金属制成的阳极靶和一个抽成真空的玻壳组成，也有部分金属壳球管，这一类球管在销售及运输当中有很大一部分都没有外管套，由于管芯玻壳很薄，以及管芯的金属引出线与玻璃之间由于材料的不同，膨胀

13、系数的差别也会出现漏气现象，为了防止球管的失效，这一类球管大部分都有一个球管专用的运输油箱，管芯在油中运输和保存，这样才能使球管的保存时间延长。 图 1-1 X射线衍射仪中的X线球管图1-2 X线球管阴极上的灯丝与灯丝罩 2旋转阳极球管 旋转阳极球管是在大功率X光机出现以后出现的一种高性能的球管，这种球管能在小的焦点下使用更大的电流进行工作，从金属散热的角度分析，任何金属对热的传导都有热阻，球管在小焦点大电流工作的情况下，在阳极靶面会产生高温，如果电子束固定在一个位置不断的轰击，靶面很快就会熔化，如果我们让靶面活动起来，是电子束不断的变换轰击位置，就可以是球管在更大的电流下工作，是靶面受到电子

14、束轰击的位置产生的热量有足够的时间向金属内部传导，靶面就不会出现熔化问题。需要说明的是，X线球管的阳极工作在真空中，散热条件很差，现在大功率球管在曝光时的功率可以达到60千瓦以上，其中99.5%的功率变成了热，只有0.5%的功率转变为X射线，所有的热都会留在阳极上，散热对旋转阳极球管来说尤其重要。 （一）. 旋转阳极的转速，目前的球管旋转阳极转速都在3000转以上，高速旋转阳极球管可达到7200转，超高速的球管目前可达到1万转以上，球管阳极的转速是根据球管的焦点电流密度设计的，同样管电流的球管，焦点越小，要求球管旋转阳极的转速越高。对于应用来说，球管的焦点越小，性能越好，这是因为焦点越小，所投

15、射的半影也越小，所得到的图像也越清析，但球管的制造难度也越大。（二）.旋转阳极球管的结构与固定阳极球管的结构差别主要是在阳极上，旋转阳极是一个带轴的圆盘，根据不同的用途选用不同的靶面材料，如乳腺X光机球管一般采用钼靶，CT机球管采用的是钨靶，为了提高整体的散热能力，靶面材料被镶嵌在铜制的盘座上，整个靶通过轴承固定在管芯支架上，旋转阳极使整个球管技术含量最高的部分。（1）.要求靶面金属必须与靶基材料结合非常良好，在两种金属的结合部不允许有空腔和气泡，这是因为成品的球管里面是高真空，球管里面的任何封闭的空腔与气泡都会残留气体，这些残留的气体会在球管工作中高温与震动的作用下，逐步的释放出来，造成真空

16、度下降，使球管打火，造成球管提前报废。（2）.要求球管靶面的材料必须是高纯度，靶面材料的纯度越高，所发出的X线频谱越窄，杂波X线越少，球管的品质越高。（3）.旋转阳极必须做严格的动平衡校正，动平衡的不良会使球管阳极在转动时噪声加大，降低球管的使用寿命，同时也会使输出的X线减少。（4）.旋转阳极的轴承工作在真空高温状态下，工作时的温度在二百度以上，动平衡要求严格，精度要求很高，旋转阳极的轴承目前只有德国生产。（5）.球管是一个真空电子管，在很高的工作电压下工作，对球管内的真空要求很高，这就要求球管内的所有部件在球管封装前，必须作严格的脱氧及除气处理，这样才能保证成品球管的真空度。 阳极的旋转是靠

17、加在管芯外面电机定子线圈产生的旋转磁场进行驱动，所说的旋转阳极的轴，实际上是一个磁滞式电动机的转子，只不过它是被密封在真空里。旋转阳极的功能是在电子束流的轰击下产生X射线。阳极在电子束流的轰击下，在阳极的表面会留下电子束轰击的轨迹，阳极在旋转方面的任何故障，都会造成阳极表面的损伤，阳极表面金属的熔化会产生金属蒸汽，从而破坏球管内的真空，造成球管的内部打火，使球管报废。（三）.旋转阳极球管的阴极是一个直热式真空管的阴极，它的灯丝由钨制成，旁边加有控制电子射线角度和方向的束流罩，用它来控制球管焦点的大小，双焦点的球管有两组这样的灯丝阴极。阴极的功能是产生电子束流来轰击阴极。阴极的灯丝是在高温下工作

18、的，长期的工作会使灯丝的金属挥发，在电子束发射的过程中也会有部分的灯丝金属离子随着电子束流被发射到阳极上面，因为阴极电流是从灯丝上发射出去的，阴极电流在流过灯丝时也会使灯丝的温度提高，灯丝温度的提高会使阴极电流进一步的提高，根据这一特性，一般在设计直热式阴极灯丝时，其灯丝电流必须比阴极发射电流大十倍以上，这样才能使球管工作稳定。长时间工作后灯丝会不断的变细，灯丝电流会不断的减小，而从灯丝上蒸发出来的金属气体，也会使球管真空度下降，出现打火故障，无论是阳极还是阴极蒸发出来的金属气体，都会像水蒸气一样在球管较冷玻壳上的凝聚，使球管的玻壳像用久了的电灯泡一样变成黑色。（四）.球管的冷却系统 现在生产

19、的CT机及X光机球管一般都加有油循环冷却系统，油循环冷却系统的冷却形式有以下几种：（1）.分离式冷却式：这一类球管自身不配有油泵和散热器等附属部件，这些循环冷却部件是作为机器部件固定在机器上，如DI1750等球管。这一类球管的优点是由于没有外加的冷却系统，球管的包装运输比较方便，球管包装小。缺点是在更换这一类球管时，球管以外的冷却部分的绝缘油不能与球管一同更换，必须进行另外的更换，在现场更换的绝缘油的品质有时难以保证，这些油有时还会与球管内的油产生化学反应，改变油的性质。（2）.集成冷却式：这一类球管的油泵散热器与球管组装在一起，它的优点是，在更换球管时不存在散热器换油的问题，油泵和散热器在厂

20、家就可以检查好。它的缺点是：a).运输包装体积较大。B).油泵，散热器及油循环监测系统都随球管在一起，为了减轻重量和降低成本，油泵与散热器做的都比较小，散热的效率较低，而油流监测系统由于体积与接口、供电等各方面的限制，目前大部分做成转子式油流开关，这种开关的结构是在一个圆形的管道内放置一个弹簧和一个带有永久磁铁的转子，在圆形管道外面的适当部位放置一个干簧开关，当带有永久磁铁的转子在油流的推动下，接近干簧开关时，开关就会吸合，给出一个油流正常的信号，这个油流开关很容易受到油中杂质的阻碍，使开关不能工作，同时，干簧开关也是一个易损的零件，对球管的正常工作都会带来威胁，增加了球管的故障率。（3）.间

21、接换热冷却式球管：这一类球管是为了倪补前两种球管冷却方式的不足而出现的一种球管，这种球管目前多用于大功率的CT球管上，因为球管的功率大，发热量高，需要的散热器非常庞大，不可能在与球管一起进行搬运，而普通的分离式冷却方式又不能保证球管内油的品质，这样就出现了这种既克服了前两种球管冷却方式缺点，又能满足球管冷却要求的间接换热式冷却球管。 这种球管的内部结构随着厂家的不同变化较大，就以西门子PLUSCT球管为例，这种球管的冷却部分，使用的是一种水池循环管式换热方式，在不同换热的两个层面都利用油泵进行强制循环，内层产生的热量会很快的被外层循环的油流带走，以达到高效冷却的目的，而内外层的油又相互隔离。球

22、管的内层油的充油量在球管油的膨胀腔上面可以反映出来，在常温下，膨胀腔伸缩部分的底部距端口大约2/3左右，如果膨胀腔的伸缩部分已经完全靠到了腔体的底部，膨胀腔波纹管又被压的很紧，就应该考虑到管芯的破碎。 在这种球管上，比普通的球管增加了很多东西，如旋转阳极转速检测系统，它是通过一条光缆向旋转阳极上的反射标志发出红外激光，用另一条光缆检测从旋转阳极反射标志上返回的信号，在旋转阳极上一周有四个标志，球管每转一周，就会得到四个脉冲信号，球管阳极的转速是50转/秒，每秒有200个脉冲输出，通过球管上附带的脉冲整形电路板进行信号处理，输出200HZ/S的方波到CT的计算机，用以检测球管阳极的真实转速。 这

23、种球管另外一个变化是增加了两个高频的灯丝变压器，球管的灯丝供电不再通过高压电缆，并且只能使用27KHZ-40KHZ的高频电流对灯丝进行供电，变压比大约是20：1（有待进一步验证）。在进行球管测试时，绝对不可以用直流电或低频交流电在带有变压器的情况下对灯丝进行通电测试，这样会损坏灯丝变压器。（五）.球管真空的维护 球管的内部必须保持在高真空的状态，真空度一旦下降球管就不能正常工作，下面就球管管芯真空度下降的几个原因及解决办法进行分析：（1）.球管存放时间过长：球管管芯的管壳一般是玻璃或金属的，任何材料它的密闭性都是相对的，因为管芯内部是高真空，气体会通过玻璃或金属材料分子间的空隙进入到球管里面来

24、，使真空度下降。（2）.管芯内部各种材料的放气，管芯内的材料不管怎样处理，都不可能做到没有任何气体，材料中的气体会随着时间的推移和工作中温度的变化而释放出来，使真空度下降。（3）.球管制造不良：再球管的内部有很多需要焊接的部分，在焊接部分存在空腔、气泡，这些气体释放出来后会使真空度下降。球管管壳的电极引线、支架与玻璃的结合部，由于金属与玻璃的热膨胀系数不同，而且膨胀的线性关系也不一致，也会产生漏气问题。（4）.在使用中球管周边工作环境出现故障，使球管出现过热、打火，也都会造成管芯内材料过速放气，引起真空度下降，已经老化的球管由于灯丝和阳极会发出来的金属蒸汽太多，也是真空度下降的一个重要原因。

25、以上所分析的真空度下降的一些原因，有一些真空度的下降可以通过加电老练的方式来提高真空度，有一些就只能宣布报废，一般因存放所引起的真空度下降，通过加电真空老练大多数都能恢复，而因为灯丝和阳极挥发金属所造成的真空下降，基本上没有恢复的可能。而因为意外打火引起的真空下降（灯丝、阳极没有出现严重的金属挥发现像），可恢复性大约占50%。因球管过热造成的真空度下降，一般都可以恢复。第二章 影像医学的发展 从1895年德国物理学家伦琴发现X线至今已有100多年的历史，X线透视和摄片为人类的健康做出了巨大的贡献，而今影像医学作为一门崭新的学科，在近20年中以技术的快速发展和作用的日益扩大而受到普遍的重视，在我

26、国大中城市的大医院中，影像学科已成为医院的重要科室，在医院的医疗业务、设备投资、科研中占有重要的地位。 第一节 X线影像形成的原理X线之所以能使人体在荧光屏上或胶片上形成影像，一方面是基于X线的特性，即其穿透性、荧光效应和摄影效应；另一方面是基于人体组织有密度和厚度的差别。由于存在这种差别，当X线透过人体各种不同组织结构时，它被吸收的程度不同，所以达到荧光屏或X线片上的X线量即有差异。这样，在荧光屏或X线片上就形成黑白对比不同的影像。因此，X线影像的形成，应具备以下三个基本条件：首先，X线应具有一定的穿透力，这样才能穿透被照射的组织结构，第二，被穿透的组织结构，必须存在着密度和厚度的差异，这样

27、，在穿透过程中校吸收后剩余下来的X线量，才会是有差别的；第三，这个有差别的剩余X线，仍是不可见的，还必须经过显像这一过程，例如经X线照片或荧光屏显像，才能显示出具有黑白对比和层次差异的X线影像。X线穿透密度不同的组织时，密度高的组织被吸收的多，密度低的组织被吸收的少，因而剩余的X线量就出现差别，从而形成黑白对比的X线影像(图ll2)。X线穿透厚度不同的组织或器官时，厚的部分吸收X线多，薄的部分吸收X线少，因而剩余的X线量就出现差别(图113)。事实上、密度和厚度这两个因素经常是综合地影响X线成像。第二节密 度 (一) 物质密度与影像密度物质密度即单位体积中原子的数目，取决于组成物质的原子种类。

28、物质密度与其本身的比重成正比例。物质的密度高，比重大，吸收的X线也多，影像在照片上呈白影，在荧光屏上黑暗。反之，物质的密度低，比重小，吸收的X线也少，影像在照片上则呈黑影，在荧光屏上明亮。由此可见、照片上的白影与黑影或荧光屏上的暗与明都直接反映物质密度的高低。在术语中，通常用密度的高与低来表达影像的白与黑。例如用高密度、中等密度和低密度或不透明、半透明、透明等术语表示物质的密度。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。由此可见，物质密度和其影像密度是一致的。但是，X线照片上的黑影与白影，还与被照器官与组织的厚度有关，即影像密度也受厚度的影响。 (二) 天然对比与人工对比天然对比

29、根据密度的高低即比重的大小，人体组织可概括分为骨铬、软组织(包括液体)、脂肪和存在于人体内的气体四类。这种由人体不同组织间天然存在的密度差别所显示的对比，称为天然对比。兹将它们的比重和X线吸收比例列于表ll1如下：1 第三章、CT发展概况第一节 CT的发明 X线CT扫描机(Computed tomography)，以下简称CT。是70年代初发展起来的一门新的X线诊断医学科日，它把X线与电子计算机结合起来，并把其影像数字化，彻底改变了传统的直观的影像方法和贮存方法。1972年英国EMI公司首先制成第一台头部CT扫描机，这是由英国工程师GNHounsfield (亨斯菲尔)设计成的，同年在美国芝加

30、哥的北美放射学会上向全世界宣布了这项伟大的成果。从此使X线的发展得到重大的突破与飞跃。X线影像是把具有三维的立体解剖结构摄成二维的平面团像，影像相互重叠，相邻的器官或组织之间如对X线的吸收差别小，则不能形成对比而构成图像。虽然体层摄影可解决影像重叠问题，造影检查可使普通X线检查不能显示的器官显影，但影像的分辨力不高，一些器官或组织，特别是由软组织构成的器官仍不能显影。1969年Hounsfield设计成计算机横断体层成像装置。经神经放射诊断学家Ambrose应用于临床，取得极为满意的诊断效果。它使对X线吸收差别小的脑组织和脑室以及病变本身显影，并所得颅脑影像为横断面图像。这种检查方法称之为计算

31、机体层成像。这成果于1972年英国放射学会学术会议上发表，1973年在英国放射学杂志上报道，引起人们极大的关注。这种图质好、诊断价值高而又无创伤、无痛苦、无危险的诊断方法是放射诊断领域中的重大突破，促进了医学影像诊断学的发展。由于对医学上的重大贡献，Hounsfield获得了1979年的诺贝尔医学生物学奖。这种检查方法开始只能用于头部，1974年Ledley设计成全身CT装置，使之可以对全身各个解剖部位进行检查，扩大了检查范围。此后，CT装置在设计上有了很大发展，临床应用也非常普遍。第二节、CT机的特点 CT诊断的特点是检查方便、迅速而安全，检查时只要病人不动地卧于检查床上，即可顺利完成检查，

32、易为病人所接受，而且随访方便；虽然也有X线辐射问题，但一般辐射量不超过容许剂量同所得到的诊断资料相比，则可以不计；图像是断面图像密度分辨率高，可直接显示X线照片无法显示的器官和病变。同超声图像相比，CT图像清楚，解剖关系明确，病变显影良好。因此，病变的检出率和诊断的准确率较高；可以获悉不同的正常组织与病变组织的X线吸收系数(或衰减系数)，以用于定量分析，即不仅有不同密度的器官、组织或病变的影像。而且有反映各自对X线吸收多少的数据，即吸收系数；由于图像是来自吸收系数的转换，因此，通过计算机进行图像处理，使图像的密度或灰度可调到适于对某些组织或病变进行观察的密度，不像X线照片各部影像的密度那样，不

33、能调节。CT的诊断效果好，方法简便，迅速安全，是一项无损伤的、无痛苦的检查方法。它与普通X线摄影相比，在方法上有看本质的不同，它是从人体某一较薄的断层面中，采集建立影像所必须的信息-投影数据，因此不会因其它层面的重叠而模糊不清。它所用的X线是以一条或多条细窄的线束方式辐射的，因而可以大幅度地减少射线的影响，有利于提高影像的清晰度。并可采取具有动态量程范围很宽的X线探测解，用来测量透过X线强度。以电于计算机运算所采集到的投影数据，并重建断层影像。通过电子计算机的软件功能，可以选择多种多样的影像显示方式和录存等。这些作用的综合效果，达到了能够明显地分辨出X线吸收系数相差很小的软组织和水。因此，自其

34、诞生起就受到了广泛的重视与应用，而且它的发展很快，在短短的几年中已发展到第四代CT 。在目前CT检查范围方面，除了心脏外，其它各个系统和部位的组织、器官均可作CT检查。第三节、CT机的基本原理 CT是以X线束对体部某一选定体层层面进行扫描，测定透过的X线量，数字化后经过计算得出该层层面组织各个单位容积的吸收系数、然后重建图像的一种成像技术。为此，CT装置要包括：由X线管和能测量透过X线量的探测器所组成的扫描装置；可以把扫描所收集到的信息数据进行储存、运算并能重建图像的计算机；以及能显示图像的阴极射线管(cathode ray tube，CRT)、快速打印机和光学多幅照相机，激光照相机等(图1-

35、2-1)。可以看出CT同X线摄影不同、后者是用锥形X线束，利用透过人体的X线，使胶片感光而构成图像的成像方法、即投影成像(Projectional imaging)。 X线扫描与透过的X线量测量方法因CT装置不同而异。图122是不同结构的扫描装置，其扫描方式亦异。般也将CT装置像计算机的划代那样分成几代。实际上，这种划代并不确切。 现以原始的CT装置为例，如EMI-MK1型，说明CT装置的工作情况(图1-2-2a)。X线源用3mm宽的笔形束，对包括头部的24cm正方形的一边进行平移扫描。与X线束相对的是同步平移的探测器，接受透过头部的X线按照240个点进行X线测量，而得240个信息G扫描完毕，

36、则以头部为中心，扫描架旋转1度角，再行另一个方向的扫描。如此连续进行平移扫描和旋转，直至转完180。角，即进行了180次平移扫描为止，完成一个层面的扫描。这样可得到240180，即43200个信息。这些信息经模拟数字转换器(analogdigital converter)转换成数字存储于磁盘(disk)中。由计算机运算而得出该24cm正方形，厚度为8或13mm层面中，每个1.5mm1.5mm8或13mm单位容积(称体素，即voxel )的吸收系数(图124)，共有25600个，并排列成行与列成为160160的矩阵，即数字矩阵(digita1matrix)，每个方块称为像素(Pixel)。计算结

37、果存储于磁盘中。根据计算机的指令，这些吸收系数经数字模拟转换器(digitalanalog converter)而于阴极射线管上显出该层面的图像。也可用快速打印机将各个吸收系数印出，成为数字短阵(图l25)。实际上，在X线管的前方即X线管与被查体之间还有一个探测器，由这两个探测器测量并计算出该层面各个单位容积的吸收系数。由于探测器少，扫描次数多，时间长，所以重建一个层面的图像所需时间要以分计。这种CT装置纳扫描方式是平移旋转式(translaterotate，TR)。如以代划分，则属第一代。第四节、CT机图像重建方法 早在1917年澳大利亚数学家Radon就从数学原理上证明了二元或三元物体由投

38、影的无限集合可重建图像。物体断层层面的各个单位容积从多个方向X线扫描所得的投影数据，经计算机快速运算，即经图像重建的处理过程而可重建图像。第四章 CT机结构 CT装置主要由扫描装置，图像显示与记录系统组成。 扫描装置是收集透过被查体的X线信息的部分，主要有能发射X线的X线管和接受透过被查体X线的探测器。第一节 . CT球 管 作为CT扫描用的X线管与一般X线管相同，分固定阳极和旋转阳极两种。前者用于TR扫描方式，即用于一、二代的CT装置，后者则用于其他形式的扫描，多用于三、四代的CT装置。现在TR扫描方式已被淘汰，因此，用旋转阳极X线管用于3-4代CT装置，扫描时间只需210秒，信息采集时间短

39、，而通过X线管的电流量大常是100600mAS。固定阳极由于热负荷不足不能耐受阳极所产生的高热。因此，需要用旋转阳极管球使焦点的瞬间容许热负荷大幅度增加。X线管的工作时间短冷却方式可用空气冷却。焦点大小为 6-12mm。现在高档的螺旋CT最大的球管已用到6.5MHU,冷却多采用水循环间接强制凤冷。最大一次曝光量能达到1万mAS以上，使图像分辨率达到相当高的水平。第二节探测器 X线扫描时，探测器接受的X线量是一定时间内的模拟量，并不是直接计算X线光子数目。第一、二代CT装置的探测器用碘化钠晶体与光电倍增管组成。碘化钠晶体探测器对X线的敏感度比胶片大100倍。后来，改用氟化钙(CaF2)晶体和锗酸

40、秘晶体(Bi4Ge3O12,BGO)。这些晶体在X线照射时，产生与X线量成比例的可见光线，经光电倍增管放大，并由光能转为电流作为扫描信息而输入计算机。晶体中常放入微量的增光或减少余辉的激活物质。第三代CT装置的探测器主要用氙气(Xenon，Xe)电离室，而第四代刚由BGO晶体和光电倍增管组成(半导体探测器)和多晶硒平板探测器以及陶瓷探测器，并出现了多并列平板探测器。 1闪烁器与光电倍增管式 上述碘化钠、氟化钙和锗酸铋都可用于闪烁器，属于无机结晶。碘化纳对X线光子的检出率为100。但余辉是最大的问题在遮断X线后0.1秒内，其强度与原来强度相比，还有10-2一10-3的余辉。氟化钙与锗酸铋晶体余辉

41、则非常小。氰化钙的X线光子检出率差。锗酸铋同碘化钠及氟化钙相比优点较多，所以应用较广。因为铋原子序数为83，较高，比重较大，其能量吸收系数比碘化钠大三倍。虽然晶体小，其检出率也不差，无余辉，不潮解。2氙气电离室 100个以上的探测器密集排列，在结构排列上较难，但用电离室则不困难。于电离室中封入具有20个大气压的原子序数高的高压氙气，可提高捕捉X线光子的效果。也有用氪(Kr)气的。同闪烁器光电倍增管式相比，其检出率虽低，但无余辉，而稳定性较好。3多晶硒硒陶瓷晶体探测器因直接进行X光的光电效应原理工作，不存在余辉的问题，体积小重量轻灵敏度高，并可做成多排，X光球管一次曝光可同时采集多层信息，大大的

42、减少了患者的受线量，从CT的整体扫描速度上有了成倍的提高，这项技术将成为今后CT发展的主流，由于这项技术还没有完全普及，制造技术还没有完全过关，并且探测器通道的增多也必须电路通道，与探测器相连的高速A/D转换器，浮点放大器目前技术含量也相当高，目前世界上也只有美国的DILOG公司一家生产，价格昂贵，所以目前多排探测器的CT价格很高，要到完全普及，还需要一定的时间。第三节准直仪 第一 ，二代CT装置使用较大焦点管球，半影大，X线管前方需用准直仪，而准直仪使通过被查体的X线光子有45不能进入探测器。第三代CT装置用小焦点管球，半影小。没有必要使用准直仪，全部光子可进入探测器中，X线光子的利用率比第

43、一，二代大23倍。在第四代CT上，由于CT加快了扫描速度，要求球管的X光出线量大，X光球管比第三代的焦点大了很多，办影加大，准直器又重新安装到了CT上,并且准直器的出口光栏变成了可调式，可根据不同的扫描层厚改变光栏出口，以减少半影干扰，使图像更加清晰。第四节扫描方式 扫描方式各有不同。图122b所示，X线源为具有一定夹角的扇形束，例如10度角，对面有为数不等的，例如有l 6个或30个探测器，仍用平移旋转方式扫描，但与第一代不同，转的角度较大，例如转10度角，这样扫描18次，即可完成一个层面的扫描。由于探测器较多，获得信息多，扫描次数减少，扫描时间也缩短，可达10一40秒。这类装置属于第二代。初

44、期的全身扫描装置即用这种扫描方式。 图122c所示X线源呈扇形，被查体位于扇形束中，X线管与探测器相对，以被查体轴为中心，行90。或180。往复旋转，旋转同时进行扫描。这样，可由多个方向获得信息。由于探测器数目多，可达几百个，所得信息多。旋转又与扫描同时进行，使一个层面的扫描时间进一步缩短，可以秒计，约为24秒。这种扫描为旋转旋转式(rotate/rotate，RR)，也可称为旋转式。在旋转扫描过程中X线管产生X线，透过人体进入探测器，能获得更多信息。这种CT装置属第三代，应用最多。 图122d探测器约有1000个左右，固定排列成环形，被查体的轴在环的中心，X线管可在环形排列的探测器内作360

45、的旋转，而探侧器不动。X线管旋转同时进行扫描，同X线管所发射的扇形束相对的探测器接受透过的X线。这种扫描届旋转静止式(rotatestationary , RS)。扫描时间可缩短到25秒。应该属第三代。图122e探测器排列成环状，X线管在环形排列的探测器外边，当旋转扫描时，对着线束的探测器同时作垂头运动(notation)。扫描方式为旋转垂头式(rotatenotation，RN)。探测器可达4000多个，完成一个层面的扫描时间为330秒。仍属于第三代。 80年代末90年代初，对CT机又作了改进，值得一提的是螺旋CT扫描(spiral CT scan或又称helical scan)。它是在旋转

46、式扫描的基础上，通过滑环技术与扫描床平直匀速移动而实现的。滑环技术使得X线管的供电系统只经电刷和短的电缆，而不须用普通CT机的长电缆，这样就可使X线管连续旋转并进行连续扫描。在扫描期间，床沿纵轴连续匀速平直移动。管球旋转和连续动床同时进行，使X线扫描的轨迹呈螺旋形，并且是连续的、没有间隔时间(图l27)。不像普通CT扫描那样，扫一层面后进床后再扫一层有扫描间隔时间，结果使整个扫描时间大大缩短。由于是连续扫描，可得到扫描区域的容积数据，所以可重建任意层面的图像，而且重建的三维图像比普通CT清晰。第四代CT现在基本上都采用滑环方式，扫描架向一个方向旋转，目前高档的CT基本都具备了螺旋扫描功能，一次

47、扫描下来就可以获得患者一个体段的完整的三维图像数据资料，通过CT的计算机及工作站进行三维重建或进行任意的刨面图像,并可以进行虚拟内窥镜处理，使CT图像的可诊断性有了进一步的提高。 由于整个扫描时间缩短，所以对不合作的病人易行扫描，一次屏气即可完成扫描，从而容易清除呼吸动带来的层面位置变化，避免层面遗漏或重叠。适合于对运动器官，如肺与肝的扫描，适合动态扫描(dynamic scanning)，还可进行CT血管造影(CT angiography，CTA)和内诊CT( endoscopic CT)。螺旋CT扫描应用越来越广泛。 目前又出现了电子束扫描CT，它可以适应检查心血管的快速扫描。X线源用电子

48、枪(图122f)，故又称电子束CT使扫描时间缩短到50毫秒。图像分辨力高，可检查心脏。但价格昂贵，不便推广使用，属第五代。 CT扫描所用计算机系统应具有高速运算、大量数据储存和检索的功能，是由中心处理装置(centra1 Process unit，CPU)、主储存装置(此两项通常称之为计算机)、辅助储存装置、显示装置和操作台、激光打印机等组成。 中心处理装置与主储存装置是计算机的核心，进行投影数据的收集和运算。 辅助储存装置主要用光盘和磁盘，用于储存图像的数据，磁盘储存的图像数据受中心处理装置所控制，可即时依指令显示图像。磁盘容量多少不等。 显示装置用阴极射线管。早期的CT用黑白电视显示装置，

49、灰阶表现能力为16个梯度。近几年生产的CT已使用专用的高分辨率黑白显示器，灰阶度达到256个阶度，图像分辨率能达到1024X1024/in2。现在高档的CT开始采用彩色显示器装置，满屏分辨率已达到3200X2800, 在一屏当中可以排列多幅高质量的图像，对特殊的成像进行计算机伪彩处理。 操作台可进行输入X线扫描条件和有关病人的资料、发出开始或停止采集数据的指令。由于CT图像是数学上的图像重建，所以通过操作台发出指令，经计算机处理，可将各层横断层的CT值重新排列而重建冠状面和矢状面图像。还可进行放大而得到某一局部的放大图像，测量某一解刨结构或病变的径线以及它们的CT值等。这些操作均可由操作台来完

50、成。第五节图像的存储与输出CT图像的数据可储存于磁盘中，但仍需用照片直接记录图像。如需即刻获得，则用偏振光照片(Polaroid film)摄下或用胶片摄下。前者需要用偏振光照相机和偏振光照片，偏振光相机价廉，而偏振光胶片很贵，现在已经淘汰。后者需将阴极射线管上的图像先行黑白反转，再用照相机摄下。常用的是多画面照相机(又称多幅照相机multi format camera)，系由显示屏光学系统和操作系统所组成，由于激光照相机的广泛应用，这种多幅照相机已开始逐步淘汰。激光照相机以其图像更为清晰，拍照速度快，操作简便，故障率低，还可加上自动显像系统，近几年获得了较快的发展，成为CT机胶片输出的主要设

51、备，1张照片可记录若干个画面。胶片则用单面胶膜胶片。目前新出的干式胶片打印机，已开始在一些条件比较好的医院投入使用，因设备价格较高，胶片成本也很高，到完全普及还需要一定的时间。由于网络技术的发展，在医学影像方面出现了PACS系统，使医学资料共享，目前生产的CT基本上都配备了网络互连的DICOM接口。第五章 CT 基本要素第一节、CT 图像矩阵 CT图像是由一定数目的由黑到白不同灰度小方块(像素)按矩阵排列所构成的。这些小方块是反映相应单位容积的吸收系数。以原始的EMI MXl型CT装置为例，是在24cm正方形图像中包括着160160个像素。显然，像素越小，数目越多，则构成的图像越细致。像素的大

52、小与数目因叮装置不同而异。有2402405760D、25625665536、336336112896和512512262144个的。像素大小则为1.0mm1.0mm，0.5mm0.5mm不等。 CT图像在显示屏上有由黑到白的不同灰度，黑表示低吸收区，即低密度区，如脑室；白表示高吸收区，即高密度区，如颅骨。这与X线照片所示的黑白图像一致。由于CT有高的密度分辨力，所以人体软组织的吸收系数虽大多数近于水的吸收系数，也能形成对比而显影。CT能分辨出吸收系数只有0.1一0.5的差异第二节、CT 值 如前所述，CT图像是由身体某一选择层面一定数目像素，按该层面固有的排列关系所构成。计算机以X线扫描所得的

53、信息，计算出每个单位容积的X线吸收系数(或称衰减系数值)。这个值再换算成CT值，以作为表达组织密度的单位。规定将受测物质的衰减系数M与水的衰减系数W作为比值计算，并以骨皮质和空气的衰减系数分别作为上下限进行分度，这样就得出CT值。表1是人体不同组织的CT值，可见软组织的CT值与水的CT值相近。表1-2-1是用线段来表示CT值的范围。 CT值并不是绝对不变的数值，它与X线管电压有关。因为用作扫描的X线源是连续光谱，不是单一波长射线，因此，CT值随着管电压的高低而改变。因为不同的管电压，在组织内的光电吸收与反冲电子吸收比例不同。所以CT值是指某次扫描所用电压下的CT值。尽管这种差别对临床应用并无明

54、显影响，但在进行定量分析，比较不同CT装置所得同一组织的CT值时，应当了解所用的管电压，否则也会造成误差。其次，某一正常或病理组织的CT值还受部分容积效应(Fa小alvolume effecl)的影响(详见本节CT图像分辨力)。因此，在组织密度的定量分析上CT值虽有很大的价值但也有它的限度。第三节、窗位与窗宽 窗技术是CT检查中用以观察不同密度的正常组织或病变的一种显示技术，包括窗宽(window width)和窗位 (window level)。由于各种组织结构或病变具有不同的CT值，因此欲显示某一组织结构细节时，应选择适合观察该组织或病变的窗宽和窗位，以获得最佳显示。 窗宽是CT图像上显示

55、的CT值范围，在此CT值范围内的组织和病变均以不同的模拟灰度显示。而CT值高于此范围的组织和病变，无论高出程度有多少。均以白影显示，不再有灰度差异；反之，低于此范围的组织结构，不论低的程度有多少均以黑影显示，也无灰度差别。增大窗宽，则图像所示c1。值范围加大，显示具有不同密度的组织结构增多，但各结构之间的灰度差别减少。减小窗宽，则显示的组织结构减少，然而各结构之间的灰度差别增加。如观察脑质的窗宽常为-15一+85H，即密度在-15一+85H范围内的各种结构如脑质和脑脊液间隙均以不同的灰度显示。而高于+85H的组织结构如骨质及颅内钙化，其间虽有密度差，但均以白影显示，无灰度差别；而低于-15H组

56、织结构如皮下脂肪及乳突内气体均以黑影显示，其间也无灰度差别。 窗位是窗的中心位置，同样的窗宽由于窗位不同，其所包括CT值范围的CT值也有差异。例如窗宽同为100H，当窗位为0H时，其CT值范围为-50一+50H；如窗位为+35H时，则CT值范围为-15一+85H。通常欲观察某一组织结构及发生的病变，应以该组织的CT值为窗位。例如脑质CT值约为+35H则观察脑组织及其病变时，选择窗垃以+35H为妥。 由上可见，同一CT扫描层面，由于选择不同的窗宽和窗位可获得各种观察不同组织结构的灰阶图像。例如同一CT扫描层面用两个不同窗技术所取得的两幅颅脑图像。当选择窗宽100H、窗位为十35H时脑质结构及其病

57、变显示最佳，而骨质变化显示不清。但提高窗位为十300H窗宽为800H时，则可清楚显示出颅壁的骨质破坏和增生，而脑质结构及其病变显示不佳。因此，为显示欲观察的组织及其病变，应在CT操作台上选择适当的窗宽与窗位，并用多幅照相机或激光照相机加以记录。一旦摄成胶片，图像的灰度即不能改变。第四节 空间分辨力与密度分辨力 CT的分辨力分空间分辨力(spatial resolution)和密度分辨力(dcnsity resolution)，是判断CT性能和说明图像质量的两个指标。以第一代的EMIMKl型CT装置为例，其图像由160160个像素构成，像素较大，数目较少，其空间分辨力低；如果像素小而多，则图象细致、清楚，即空间分辨力高。CT图像的