摄影学成像原理-医学影像的形成

医学影像的形成摄影学成像原理

（一）

X线照片影像的形成

（二）X线影像信息的传递

X线照片

X线透视（三）X线照片影像形成的重要知识点

X线发生原理和X线设备基本组件

X线束与X线能人体的知识

X线与人体的相互作用（四）影像增强器与增感屏2（一）X线影像的形成X线的基本性质4相关知识点

（1）摄影应用光或其他能量来表现被照体信息状态，并以可见光学影像加以记录的一种技术。人像摄影获得的是人（物）体表面可见光的反射强度。X线摄影获得的是人（物）体的组织结构对X线能的吸收差5

人像摄影X线摄影6

（2）影像用能量或物性量把被照体信息表现出来的图像，这里把能量或物性量称作信息载体。7医学影像的三大类别结构性影像X-ray,CT,MRI,Ultrasound功能性影像

Functional-MRI,NuclearMedicine融合影像CT-SPECT,MRI-SPECTCT-PET,MRI-PETCT-MRI8医学影像的三大类别结构性影像X-ray,CT,MRI,Ultrasound9医学影像的三大类别功能性影像

Functional-MRI,NuclearMedicine甲状腺左中叶冷结节PWI10医学影像的三大类别融合影像CT-SPECT,MRI-SPECTCT-PET,MRI-PETCT-MRI11

（3）成像系统将透过人体后的X线强度（人体信息）采用某种方式进行采集、记录，就形成了表现人体信息的影像，此过程称为X线成像系统。12

（4）摄影程序光或能量→信号→检测→图像形成。

X线经过物体后,在胶片上形成永久影像称为拍片(Radiography)X线经过物体以后,再照射特殊的荧光物质,从而产生肉眼能辨认的组织结构称为透视(Fluoroscopy)13（5）X射线影像信息的形成

由X线管焦点辐射出的X线，穿过被照体（三维空间分布）时，受到被检体各组织的吸收和散射而衰减，使透过后的X线强度分布呈现差异；随之到达屏片系统或荧光屏，影像增强管的受光面，转换成可见光强度的分布，并传递给胶片，形成银颗粒的空间分布，再经显影处理成为二维光学密度分布，形成光密度X线照片影像。14（二）X线影像信息的传递

如果把被照体作为信息源，X线作为信息载体，那么X线诊断的过程就是一个信息传递与转换的过程。此过程可分为四个阶段。15第一阶段

X线对三维空间的被照体进行照射，由于被照体对X线的吸收、散射而减弱，透过射线仍按原方向直进，形成载有被照体信息成分的强度不均匀分布。此阶段形成原始人体信息，取决于被照体因素（原子序数、密度、厚度）和射线因素（线质、线量、散射线）等。16第一阶段注意：球管发射的X线束是近似于均匀的射线，只有透过人体，经过人体的不等量的吸收后，所形成的不均匀的X线强度分布才载有被照体信息成分。17第二阶段

将不均匀的X线强度分布，通过接受介质（增感屏/胶片系统、荧光屏影像增强系统、电影等）转换为二维的光强度分布。若以增感屏/胶片体系作为接受介质，那么这个荧光强度分布传递给胶片形成（潜影），经暗室化学（显、定影）加工处理后成为二维光学密度的分布（银颗粒的分布）。18第二阶段

此阶段的信息传递转换功能取决于增感屏荧光体特性、胶片特性及显影加工条件。注意：此阶段是把不可见的X线信息转换成可见密度影像的中心环节。19第三阶段

借助某种阅片设备（例如箱式阅片灯，投影机等），通过可见光透过的方法，将已经形成的X线照片密度分布转换成可见光的空间分布，然后投影到人的视网膜，通过视网膜上明暗相间的图案，形成视觉的影像。此阶段信息的获得取决于看片灯亮度、色温、观察环境以及人眼视力。

20第四阶段

最后通过识别、判断做出评价或诊断。此阶段信息传递取决于医师的学历、知识、经验、记忆和鉴别能力。21（三）X线照片影像形成的重要知识点X线发生原理和X线设备基本组件22X线机的组成X线发生器X线球管X线管支架装置X线摄影床23按高压发生器的高压变压器的工作频率来划分，发生器可分为：工频高压发生器中频高压发生器高频高压发生器X线发生器24X线高频高压发生器特点X线性能稳定，成像质量及效率高曝光定时精确，曝光时间的重复率高，并可实现超短时曝光能显著缩小体积和重量KV和mA的控制精确度提高高压部分整流电路简单25-阴极(Cathode)

-固定阳极(Anode)

-真空玻璃管(Evacuatedglassenvelope)

-管套X线管(球管)的基本结构26Ｘ线的产生X光的产生是大量带负电的电子，经高压电场的加速作用，以高速撞击重金属制成的靶极（即阳极，通常是钨金属制成），由于阳极金属原子结构的内部作用，高速电子的能量会消失而被转换成别种形式，其中99%会转换成热的形态，仅约1%的能量转换成X光（电磁波的一种），这些能量转换就在X光管球内部发生。27产生X线必须具备三个条件

（1）有电子源钨丝通过电流加热后，即放射出电子，这些电子在灯丝周围形成空间电荷，也称电子云。

阴极构造聚焦杯灯丝-长灯丝,大焦点-短灯丝,小焦点灯丝加热后会释放电子28（2）有高电压所产生的电场和真空条件下

产生高速电子流

这是因为原子核外电子与原子核之间有一定的结合能，击出原子内部的电子，必须有一定能量传递给轨道电子，才能使内层轨道电子发生跃迁产生X线。灯丝放射出的电子，以高速冲击阳极，还必须有两个条件：第一必须在X射线管的阴极和阳极间加以高电压，两极间的电位差使电子向阳极加速；第二为防止电子与空气分子冲击而减速，X射线管必须保持高度真空。29（3）有适当的障碍物（靶面）接受高速电

子所带的能量

阳极需要承受高速电子的冲击，所以用于X线诊断和治疗的X射线管的靶面物质（焦点面）一般都是用高原子序数、高熔点的钨制成；只有特殊途径（乳腺）的X射线管的靶面是用钼制成的，钼（42Mo）原子序数比钨低，能产生波长较长的X射线，谓之软X射线，用于“软组织”摄影。阳极有两个作用：阻击高速电子，完成高压电路的回路。30（3）有适当的障碍物（靶面）接受高速电

子所带的能量

适当的障碍物（金属靶面）接受高速电子所带的能量，使高速电子所带的一部分动能转变为X线能。因为低原子序数的元素内层电子的结合能小，高速电子撞击原子内层电子所产生的X线的波长长，即能量小。原子序数较高的元素如钨，其原子内层电子的结合能大，当高速电子撞击了钨的内层电子，便产生波长短能量大的X线。31X线束的产生32焦点的两种形式实际焦点有效焦点ActualEffective33X线的主要特性电磁波不可见光能穿透物体直线行进能使荧光物质发光能使胶片感光电离作用会造成散射34人体的知识人体各种组织、器官和密度不同；厚度也异，经X线照射，其吸收及透过X线量也不一样。因此，在透视荧光屏上有亮暗之分，在照片上有黑白之别。这是人体自然，亦是固有的密度差别，称为自然对比。

35人体的知识按照人体组织密度的高低，依次分为骨骼、软组织（包括皮肤、肌肉、内脏、软骨）、液体（血液及体液，密度和软组织相似，X线不能区别），脂肪和存在人体内的气体。各个不同密度的组织相邻排列，吸收及透过X线量不同，才产生透视或照片上影像。凡是密度最大的部份（例如骨骼）吸收X线最多，通过X线量很少，故在照片上显出白色影像；反之，密度较小的部份（例如空气或软组织）在照片上出现黑色影像，此外，还应注意厚度，如心脏的投影，形成明显的白色。36X线进入物体后产生三种基本情况1.透过人体2.被人体吸收3.产生散射线37（四）影像增强器与增感屏38

复习

X线经过物体后,在胶片上形成永久影像称为拍片(Radiography)X线经过物体以后,再照射特殊的荧光物质,从而产生肉眼能辨认的组织结构称为透视(Fluoroscopy)39一、影像增强器将X线转换成可见光信号放大具有多种尺寸:6寸,9寸,12寸和15寸影像增强器结构40影像转换及增强过程：1）输入屏把接受的X线影像转换成可见光影像，并由输入屏的光电阴极转换成电子影像。增强管输入屏的结构41影像转换及增强过程：2）光电子在阴极电位、聚焦电极电位及阳极电位共同形成的电子透镜作用下聚焦、加速、冲击，在输出屏上形成缩小、倒立并增强了（电子密度增大）的电子影像。42影像转换及增强过程：3）电子像再由输出屏转换成可见光像。阳极电位越高，光电子的运动速度越快，撞击输出屏时动能越大，激发的电子越多，输出屏亮度越高。43影像增强管的主要作用是提高影像亮度，便于摄像机摄像。输出屏影像亮度增益与以下因素有关：

缩小增益流量增益441）缩小增益：增强管的输入屏面积大，输出屏面积小，输入屏光电阴极发出的电子经过电子透镜后集中投射到面积较小的输出屏上，使输出屏单位面积接受的电子数量增多，导致输出屏亮度提高452）流量增益：指的是在增强管内，由于阳极电位的加速作用，光电子获得的能量较高，撞击到输出屏荧光层时，能激发出多个光子，光电子能量越大，激发出的光子越多，荧光亮度越强。增强管的流量增益一般在50~100倍左右。46增强管的亮度增益等于缩小增益与流量增益的乘积。总的增益一般在103~104之间。47（一）增感屏的作用

在模拟X线照片影像系统中，X线的采集、记录的介质一直使用增感屏配合X线胶片，即采用增感屏和X线胶片组成的系统（屏/片系统）的方式，完成从X线能量到X线影像的转换。这种方法产生的图像质量、剂量效率以及功能效用高，它己经成为医学X线成像的基本标准。

增感屏的主要作用是进行X线能量转换，大幅度的减少作用于人体的X线量。在临床X线摄影时，利用增感屏来提高X线的有效利用率及减少病人的照射剂量是行之有效的方法。二、增感屏48

当X线光子与胶片的感光物质相作用时，由于X线的能量较高，绝大部分都穿过了胶片，仅有百分之一左右的X线能直接被胶片的感光物质吸收形成潜影。X线不能得到有效的利用。某些荧光物质能有效地吸收X线能并将吸收能量的一部分转换为荧光。利用荧光物质的这一物理特性，将某种荧光物质按一定的比例和方法，涂布在有一定厚度的纸板上，既制成增感屏。由于X线胶片对荧光的敏感性比X线要强得多，利用增感屏进行一种能量置换，并将吸收能量的一部分转换为容易被胶片所接受的荧光。换句话说，使用增感屏的主要理由是，X线胶片所接受的曝光绝大多数均来自增感屏的发光。使用增感屏的理由49（二）荧光物质的特性

1896年美国发明家托马斯·爱迪生（1847～1931）发现了一种吸收X线后能发射出荧光的物质，1897年，一种以荧光物质为主要材料的钨酸钙（CaWo4）增感屏开始在临床使用。今天，随着感光化学和制造工艺的发展，增感屏已能按照用途，感光度和成像质量进行不同的分类。并成为模拟X线摄影中不可缺少的组成部分。50

物理学上定义，某种荧光物质吸收了以射线形式（紫外线、X线、电子线）的激发能量，并将吸收的能量以可见光的形式（荧光）释放出来，这种现象叫荧光现象。这种能发光的物质叫荧光物质。荧光物质及发光机理51

荧光现象是在物质内部进行的能量转换过程，荧光物质吸收了一定激发能量以后，处于正常稳定态（基态）的电子获得激发能量变成不稳定态（激发态），当这一过程发生时，随活性减退，电子企图回到稳定状态，就必须释放出它们所吸收的能量，这些释放的能量就是另一种波长较长的可见光。荧光物质的发光机理就是荧光体在X线激发下，通过能量转换的方式，将高能量X线光子转换成低能量可见荧光。注意，这种在物质内部进行的能量转换过程并不伴有物质本身的变化。结果是该荧光物质可以多次反复使用。荧光现象和发光机理52余辉现象和意义

各种荧光物质受外施加能量激发而产生可见光，但不同种荧光物质发射荧光的衰减时间（周期）不一致。这些衰减时间就叫做发光时间。按余辉时间长短，物理学上按发光时间的长短将分为荧光（10-1～10-8S）、半稳定荧光（1～数秒）和磷光（数秒～数天）。对荧光物质的利用包括日常生活中常见的荧光灯管、电视等，对X线检查领域中主要有影像增强器（IMAGEINTENFINERCsI:Na

）、增感屏（SCREENCaWo4

）和IP（IMAGEPLANEBaFCl:Eu

）板等。53

荧光物质的使用要考虑特定的使用环境，如高温，潮湿可能使荧光物质产生化学变化而改变其性能。而像CsI:Na这样在监视器和影像增强管内使用的荧光物质必须处于密封的状态。化学污染（显，定影液、汗液），物理作用（X线的脱水作用），荧光物质的长期反复使用等都会影响到荧光物质本身发生变化。从而影响到荧光物质发射荧光的能力。荧光物质的工作稳定性54（三）增感屏的基本结构

增感屏由基层、反射层、荧光层及保护层组成。55片基片基通常为厚为1mm的聚酯塑料或硬纸板要求：1、有一定的刚性2、有弹性3、不易发生化学反应4、均匀透射线56反射层或吸收层

荧光体在X线激发下产生的荧光是向各方面发射的，其中有部分荧光射向增感屏背面而损失掉。因此，某些高增感率的增感屏在基层上涂有一层光泽明亮的无机物（如二氧化钛、硫酸钡、氯化镁等），使荧光反射回胶片，此层即为反射层。加上反射层后，射向胶片的荧光量可增加近一倍。

而对于高清晰型增感屏，则在基层上涂有一层吸收物质（如碳黑、有机或无机染料等），此层即为吸收层。它的作用是选择性吸收射向基层的荧光，防止荧光反射回胶片，提高影像清晰度。57荧光体层

荧光体层的主要组成物是荧光体和一种能保证塑胶弯曲时不致断裂的物质（如硝化纤维树酯），荧光体悬浮于塑胶体中。荧光体分为两大类，单纯型（如CaW04）和赋活型（如稀土类的荧光体）。其中赋活型由母体、赋活剂和融剂三种成分组成。58

母体是构成荧光体的基本成分（如CaS、BaS等），它是荧光体具有某种特性的基础。

赋活剂是包含在荧光体中形成发光中心并增强其活性的物质（如Tb、Eu等）

融剂（如KCl、NaCl、BaCl等）促进母体的结晶化，同时有增加发光效率的作用。荧光体层厚度可从150～300μm不等。59保护层

保护层主要由纤维化合物组成，厚度约25μm。保护层覆盖在荧光体层表面。作用是对荧光体层进行物理保护，并有助于防止静电现象的产生。60（四）荧光物质的发光效率(η)荧光物质的发光效率与下面三者直接相关增感屏的X线吸收效率(ηa)、荧光转换效率(ηc)、荧光传递效率(ηt)61(1)增感屏的X线吸收效率1.X线吸收效率是指被荧光物质吸收的入射X线占原X线的百分数。吸收效率越高，对X线的有效利用率就越高。

2.X线吸收效率与荧光物质种类和X线能量有关。荧光物质不同，增感屏的X线吸收效率就不同。荧光物质的原子序数高则入射X线光子与荧光物质相互作用的机率就增高，对X线吸收效率也越高。稀土元素中含有镧、钆或钇等，原子序数为57～71，原子序数较高。这是近代常用增感屏中多用稀土元素作为吸收元素的主要原因。例如，CaWo4型增感屏仅能吸收20％～40％的X线，稀土型增感屏则可吸收到50％～60％。62不同荧光体的X线吸收效率曲线63K层吸收的意义

X线吸收效率与X线能量相关。吸收率随X线光子能量不同而有一定变化。当入射光子与荧光体材料的K层结合能匹配时，这就产生K层吸收峰,使吸收量突然大量增加。荧光体不同，吸收峰值的激发能量不相同。由于X线吸收率在光子能量稍微比荧光体材料的K层结合能高时比较高。而K层结合能又是由材料的原子序数确定的。所以，当X线的光子能量恰处于荧光体材料的K层吸收峰之上时，吸收效率最大。在摄影时，此点可在选择KV时进行利用。64(2)增感屏的荧光转换效率

X线光子与荧光体相互作用时部分被吸收后，会以另一种光子能量的形式将能量释放出来，这种以能量转换的方式产生荧光的能力就是增感屏的转换效率。每一种荧光物质具有特定的转换效率，钨