單旭 張富濤

遼寧省醫(yī)療器械檢驗所 (沈陽 110179)

X 射線診斷設備簡介

單旭 張富濤

遼寧省醫(yī)療器械檢驗所 (沈陽 110179)

本文概述了X射線成像技術在醫(yī)學中的應用，對X射線產品的組成、特點、成像原理以及應用范圍做了詳細介紹，并重點介紹了數(shù)字X射線成像技術。與傳統(tǒng)膠片成像相比，數(shù)字X射線成像具有很多優(yōu)點，包括：射線劑量低、圖像分辨率高、圖像信息量大、便于管理以及可實現(xiàn)圖像傳輸?shù)葍?yōu)點，因此得到廣泛應用，發(fā)展趨勢良好。

數(shù)字X射線成像 計算機斷層掃描 數(shù)字減影血管造影 探測器

X射線在醫(yī)學上最早和最重要的應用是使醫(yī)生能觀察到人體內部結構，這無疑為醫(yī)生進行疾病診斷提供了重要的信息。目前，X射線圖像占醫(yī)院中全部圖像的80%。產生X射線圖像的X光機由于操作簡單、費用低，成為臨床診斷中的主要成像設備。

100年來，X射線成像技術不斷地發(fā)展，包括使用影像增強管、增感屏、旋轉陽極X射線管及斷層攝影等微電子技術的發(fā)展和某些器件的改進，使新穎的X射線成像裝置不斷問世。如X射線數(shù)字減影造影技術(DSA),它可以減除其他圖像背景，清晰地顯示血管的圖像。又如數(shù)字攝影機(CR)，采用涂有熒光體微結晶平板(影像板)，來替代膠片，X射線照射后會產生潛像，然后用激光激勵，經采樣后得到數(shù)字圖像。影像板用均勻光照射后可消除潛像，因而可重復使用達1000次，成為無膠片射線機。

X射線診斷設備這個“大家族”的成員隨著科技的發(fā)展而不斷增多，現(xiàn)在除了常規(guī)的X射線攝影系統(tǒng)外，還有很多數(shù)字化的新成員，如：CT(Computed Tomography，電子計算機X射線斷層掃描技術)、DR(Digital Radiography，直接數(shù)字化X射線攝影技術)、DSA(Digital Subtraction Angiography，數(shù)字減影血管造影技術)。

1 X射線攝影屏、膠片系統(tǒng)

X射線成像是基于待成像物體各組成部分組織的密度不同，因而對X射線的衰減不同，從而形成透射X射線強度差異，導致在乳膠片上成像的。

入射強度為I0的X射線通過厚度為x的物體，輸出X射線強度I1與該物體的衰減系數(shù)μ有關，即：

如果X射線通路上有n種組織，其衰減系數(shù)與厚度分別是μi和xi，則輸出X射線強度I2為：

作為接收器的平板熒光屏，將出射的X射線能量轉換為可見光。由于屏的亮度較低，只能在暗室中觀察。為了解決熒光屏亮度低的問題，人們研究出了影像增強管。在影像增強管中，碘化銫等材料制成的熒光屏和光電陰極緊密相接。入射的X射線與熒光屏作用后產生可見光，可見光又使光電陰極產生電子，這些電子經過一個透鏡系統(tǒng)加速并聚焦在輸出熒光屏上。使帶有影像增強管的X射線圖像質量明顯改善，可以在明室內觀察，達到臨床應用的要求。這就是我們常說的X光透視檢查。病人的檢查結果需要備案，以便對病人的發(fā)病史和治療過程進行跟蹤，使用涂上感光乳劑的膠片與熒光增強屏組成的屏、膠片系統(tǒng)，可以得到高分辨的X射線圖像，膠片所記錄的X射線圖像可以長期保留和備案。

1.1 胸透

胸透全稱熒光透視，為常用X線檢查方法。它是利用X線具有穿透性、熒光性和攝影效應的特性，使人體在熒屏上形成影像。由于人體組織有密度和厚度的差別，當X線穿透人體不同組織時，X線被吸收的程度不同，所以到達熒屏上的X線量就有差異，形成黑白對比不同的影像，為醫(yī)生的診斷提供依據。

利用X線對疾病做出診斷在臨床應用非常廣泛。健康查體最常做的是胸部的X線檢查，最基本的就是胸透。

胸透可以看到胸部的軟組織、骨骼(包括胸椎)、縱隔(心臟、大血管、氣管、食管等)、氣管和支氣管、胸膜、肺組織等，可以診斷肺和氣管的先天性疾病，如發(fā)育異常、肺部的各種炎癥、急慢性支氣管炎、比較明顯的支氣管擴張癥、肺氣腫或肺水腫、各型肺結核、肺腫瘤、胸腔積液、氣胸、縱隔腫瘤、心臟形態(tài)異常等。

胸透的放射線量在X線檢查中是最大的，做一次胸透就相當于拍10次X光照片檢查。但胸透檢查一般也在數(shù)十秒，所以對人體的危害十分有限。成年人做一次胸透幾乎沒有明顯危害。

1.2 X射線消化道檢查

X線檢查時，由于人體各種器官、組織的密度和厚度不同，所以顯示出黑白的自然層次對比。但在人體的某些部位，尤其是腹部，因為內部好幾種器官、組織的密度大體相似，必須導入對人體無害的造影劑(如醫(yī)用硫酸鋇)，人為地提高顯示對比度，才能達到理想的檢查效果。這種檢查方法臨床上叫做X射線造影檢查。X射線造影檢查使用得較多的是胃腸鋇餐造影和鋇劑灌腸造影。這項檢查安全、無創(chuàng)傷、無副作用。但有些患者，如急性呼吸道感染病人，嚴重心、肝、腎功能不全病人，以及碘試驗陽性的病人，一般不適宜做這項檢查。

消化道鋇餐和鋇灌腸X射線檢查有助于了解整個胃腸道動力狀態(tài)，能夠診斷胃、十二指腸潰瘍、胃穿孔、胃出血及幽門梗阻等多種疾病。近年來，應用氣鋇雙重造影已提高了陽性率。膽管膽囊造影有助于了解膽囊濃縮功能，判斷有無結石；經皮肝膽管造影可區(qū)別梗阻性黃疸的原因。選擇性腹腔動脈造影對肝臟及其他腫瘤、消化道出血等都有診斷價值。

2 CT(電子計算機X射線斷層掃描技術)

CT是一種功能齊全的病情探測儀器，它是Computed Tomography(電子計算機X射線斷層掃描技術)的簡稱。X-CT自1972年由英國電子工程師亨斯費爾德發(fā)明后至今已歷經四代產品。掃描時間已由幾分鐘縮短至數(shù)秒，圖像清晰度也由1萬個像素提高到幾十萬個像素(單片)。據稱第五代CT的實驗樣機也已研制成功，能準確反映內臟和血液的動態(tài)情況，但尚未形成成品投放市場。

2.1 X-CT的基本成像原理

CT是用X線束對人體某部一定厚度的層面進行掃描，由探測器接收透過該層面的X線，轉變?yōu)榭梢姽夂?，由光電轉換變?yōu)殡娦盘枺俳浤M/數(shù)字轉換器(analog/digital converter)轉為數(shù)字，輸入計算機處理。圖像形成的處理有如對選定層面分成若干個體積相同的長方體，稱之為體素(voxel)。掃描所得信息經計算而獲得每個體素的X線衰減系數(shù)或吸收系數(shù)，再排列成矩陣，即數(shù)字矩陣(digital matrix)，數(shù)字矩陣可存貯于磁盤或光盤中。經數(shù)字/模擬轉換器(digital/analog converter)把數(shù)字矩陣中的每個數(shù)字轉為由黑到白不等灰度的小方塊，即像素(pixel)，并按矩陣排列，即構成CT圖像。所以，CT圖像是重建圖像。每個體素的X線吸收系數(shù)可以通過不同的數(shù)學方法算出。

2.2 X-CT的基本組成

CT設備主要由以下三部分組成：掃描部分由X線管、探測器和掃描架組成；計算機系統(tǒng)，將掃描收集到的信息數(shù)據進行貯存運算；圖像顯示和存儲系統(tǒng)，將經計算機處理、重建的圖像顯示在電視屏上，或用多幅照相機或激光照相機將圖像攝下來。

探測器從原始的1個發(fā)展到現(xiàn)在的多達4800個。掃描方式也從平移/旋轉、旋轉/旋轉、旋轉/固定，發(fā)展到新近開發(fā)的螺旋CT掃描(spiral CT scan)。計算機容量大、運算快，可達到立即重建圖像。

由于掃描時間短，可避免運動產生的偽影，如呼吸運動的干擾，從而提高圖像質量；層面是連續(xù)的，所以不致于漏掉病變，而且可行三維重建，注射造影劑作血管造影可得CT血管造影(CT angiography，CTA)。超高速CT掃描所用掃描方式與前者完全不同，掃描時間可短到40ms以下，每秒可獲得多幀圖像。由于掃描時間很短，可攝得電影圖像，能避免運動所造成的偽影，因此，適用于心血管造影檢查以及小兒和急性創(chuàng)傷等不能很好配合檢查的患者檢查。

2.3 X-CT斷層圖像的特點

(1)與二維X射線透視和攝影技術的直接物理成像不同，CT圖像是通過計算機按照某種數(shù)學模型計算出來的結果并重建的圖像。圖像的質量完全取決于所采用的算法。

(2)就圖像剖面而言，二維X射線透視和攝影技術得到的圖像是X射線從前到后穿透人體得到的人體正面像，而CT斷層圖像則是從上向下看到的水平剖面。

(3)二維X射線透視和攝影技術得到的圖像沒有物體形狀、大小和彼此間的空間關系，較難理解。CT技術使我們能夠看到人體的內部，讓傳統(tǒng)的平面的醫(yī)學圖像立體化了。

(4) CT圖像是由一定數(shù)目由黑到白不同灰度的像素按矩陣排列所構成。這些像素反映的是相應體素的X線吸收系數(shù)。不同CT裝置所得圖像的像素大小及數(shù)目不同，大小可以是1.0×1.0mm，0.5×0.5mm不等；數(shù)目可以是 256×256，即 65536個，或 512×512，即 262144個不等。顯然，像素越小，數(shù)目越多，構成圖像越細致，即空間分辨力(spatial resolution)越高。CT圖像的空間分辨力不如X線圖像高。

(5) CT圖像是以不同的灰度來表示，反映器官和組織對X線的吸收程度。因此，與X線圖像所示的黑白影像一樣，黑影表示低吸收區(qū)，即低密度區(qū)，如含氣體多的肺部；白影表示高吸收區(qū)，即高密度區(qū)，如骨骼。但是與X線圖像相比，CT的密度分辨力高。因此，人體軟組織的密度差別雖小，吸收系數(shù)雖多接近于水，也能形成對比而成像。這是CT的突出優(yōu)點。所以，CT可以更好地顯示由軟組織構成的器官，如腦、脊髓、縱隔、肺、肝、膽、胰以及盆部器官等，并在良好的解剖圖像背景上顯示出病變的影像。

2.4 X-CT的檢查范圍

(1)頭部：腦出血，腦梗塞，動脈瘤，血管畸形，各種腫瘤，外傷，出血，骨折，先天畸形等。

(2)胸部：肺、胸膜及縱隔各種腫瘤，肺結核，肺炎，支氣管擴張，肺膿腫，囊腫，肺不張，氣胸，骨折等。

(3)腹、盆腔：各種實質器官的腫瘤、外傷、出血，肝硬化，膽結石，泌尿系統(tǒng)結石、積水，膀胱、前列腺病變，某些炎癥、畸形等。

(4)脊柱、四肢：骨折，外傷，骨質增生，椎間盤病變，椎管狹窄，腫瘤，結核等。

(5)骨骼、血管三維重建成像。

(6)CTA(CT血管成像)：大動脈炎，動脈硬化閉塞癥，主動脈瘤及夾層等。

(7)甲狀腺疾?。杭谞钕傧倭觥⒓谞钕傧侔┑?。

(8)其他：眼科及眼眶腫瘤，外傷；副鼻竇炎、鼻息肉、腫瘤、囊腫、外傷等。

由于CT的高分辨力，可使器官和結構清楚顯影，能清楚顯示出病變。在臨床上，神經系統(tǒng)與頭頸部CT診斷應用早，對腦瘤、腦外傷、腦血管意外、腦的炎癥與寄生蟲病、腦先天畸形和腦實質性病變等診斷價值大。

在五官科診斷中，對于框內腫瘤、鼻竇、咽喉部腫瘤，特別是內耳發(fā)育異常有診斷價值。

在呼吸系統(tǒng)診斷中，對肺癌的診斷、縱隔腫瘤的檢查和瘤體內部結構以及肺門及縱隔有無淋巴結轉移診斷都是比較可靠的。

在心臟大血管和骨骼肌肉系統(tǒng)的檢查中也是有診斷價值的。

在骨關節(jié)疾病方面，多數(shù)情況可通過簡便、經濟的常規(guī)X射線檢查確診，因此使用CT檢查相對較少。

3 DR(直接數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng))

DR(Digital Radiography)，即直接數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)，由電子暗盒、掃描控制器、系統(tǒng)控制器、影像監(jiān)示器等組成，是直接將X線光子通過電子暗盒轉換為數(shù)字化圖像。

3.1 DR基本工作原理

DR是一種X射線直接轉換技術，它利用硒作為X線檢測器，將X射線影像信息轉化為數(shù)字影像信息。DR系統(tǒng)無光學散射而引起的圖像模糊，其清晰度主要由像素尺寸大小決定。其曝光寬容度相對于普通的增感屏-膠片系統(tǒng)體現(xiàn)出某些優(yōu)勢：DR由于采用數(shù)字技術，動態(tài)范圍廣，有很寬的曝光寬容度，因而允許照相中的技術誤差，即使在一些曝光條件難以掌握的部位，也能獲得很好的圖像；DR可以根據臨床需要進行各種圖像后處理，如各種圖像濾波、窗寬窗位調節(jié)、放大漫游、圖像拼接以及距離、面積、密度測量等，為影像診斷中的細節(jié)觀察、前后對比、定量分析提供技術支持。

就目前而言，DR電子暗盒的結構14 in×17 in(1 in=2.54 cm)由4塊7.5 in ×8 in 所組成，每塊的接縫處由于工藝的限制不能做得沒縫，且一旦其中一塊損壞必將導致4塊全部更換，不但費用昂貴，還需改裝已有的X線機設備。

DR系統(tǒng)較適用于透視與點片攝影及各種造影檢查，由于單機工作時的通量限制，不易取代大型醫(yī)院中多機同時工作的常規(guī)X線攝影設備，但較適用于小醫(yī)療單位和診所的一機多用目的。

3.2 數(shù)字化X射線影像技術的特點

(1)它最突出的優(yōu)點是分辯率高，圖像清晰、細膩，醫(yī)生可根據需要進行諸如數(shù)字減影等多種圖像后處理，以期獲得理想的診斷效果。

(2)該設備在透視狀態(tài)下，可實時顯示數(shù)字圖像，醫(yī)生再根據患者病癥的狀況進行數(shù)字攝影，然后通過一系列影像后處理如邊緣增強、放大、黑白翻轉、圖像平滑等功能，從中提取出豐富可靠的臨床診斷信息，尤其對早期病灶的發(fā)現(xiàn)可提供良好的診斷條件。

(3)數(shù)字化X射線機形成的數(shù)字化圖像比傳統(tǒng)膠片成像所需的X射線劑量要少，因而它能用較低的X射線劑量得到高清晰的圖像，同時也使病人減少受X射線輻射的危害。

(4)由于它改變了已往傳統(tǒng)的膠片攝影方法，可使醫(yī)院放射科取消原來的圖像管理方式和省去片庫房，而以計算機無片化檔案管理方法取而代之，從而節(jié)省大量的資金和場地，極大地提高工作效率。此外，由于數(shù)字化X射線圖像的出現(xiàn)，結束了X射線圖像不能進入醫(yī)院PACS系統(tǒng)的歷史，為醫(yī)院進行遠程專家會診和網上交流提供了極大的便利。另外，該設備還可進行多幅圖像顯示，進行圖像比較，以利于醫(yī)生準確判別、診斷。通過圖像滾動回放功能，還可為醫(yī)生回憶整個透視檢查過程。

4 DSA(數(shù)字減影血管造影技術)

數(shù)字減影血管造影技術(Digital Subtraction Angiography，DSA)是一種新的X線成像系統(tǒng)，是常規(guī)血管造影術和電子計算機圖像處理技術相結合的產物。普通血管造影圖像具有很多的解剖結構信息，例如骨骼、肌肉、血管及含氣腔隙等等，彼此相互重疊影響，若要想單純對某一結構或組織進行細微觀察就較為困難。

DSA的成像基本原理是將受檢部位沒有注入造影劑和注入造影劑后的血管造影X線熒光圖像，分別經影像增強器增益后，再用高分辨率的電視攝像管掃描，將圖像分割成許多的小方格，做成矩陣化，形成由小方格中的像素所組成的視頻圖像，經對數(shù)增幅和模/數(shù)轉換為不同數(shù)值的數(shù)字，形成數(shù)字圖像并分別存儲起來，然后輸入電子計算機處理并將兩幅圖像的數(shù)字信息相減，獲得的不同數(shù)值的差值信號，再經對比度增強和數(shù)/模轉換成普通的模擬信號，獲得了去除骨骼、肌肉和其他軟組織，只留下單純血管影像的減影圖像，通過顯示器顯示出來。通過DSA處理，使血管的影像更為清晰，在進行介入手術時更為安全。

4.1 DSA的主要組成部分

(1) 帶有影像增強器電視系統(tǒng)的X線診斷機；

(2) 高壓注射器；

(3) 電子計算機圖像處理系統(tǒng)；

(4) 操作臺：用來輸入數(shù)據，控制采像，貯存及顯示圖像；

(5) 磁盤或磁帶機：用來存儲圖像信息；

(6) 多幅照相機：把顯示的圖像用膠片拍攝下來以便診斷和存檔之用。

4.2 DSA的主要優(yōu)點

(1) 對比度分辨率高。DSA血液中造影劑濃度達5%即可顯影，而常規(guī)膠片－增感屏血管造影則需30%～40%的濃度才能顯影。

(2) 減去了血管以外的背景，尤其使與骨骼重疊的血管能清楚顯示。

(3) 由于造影劑用量少、濃度低，可選用較細的導管，損傷小，比較安全，對肝、腎功能的要求較常規(guī)造影放寬。

(4) 節(jié)省膠片使造影價格低于常規(guī)造影。

(5) DSA具有多種圖像后處理功能，特別是能夠進行三維血管重建。

4.3 DSA的臨床應用

DSA現(xiàn)已被廣泛應用于呼吸、消化、神經、泌尿生殖及骨骼系統(tǒng)等的腫瘤和其他疾病的診斷以及左心、冠狀動脈的病變診斷，如可以清晰顯示各種動脈瘤、動脈狹窄、閉塞、動靜脈畸形。

4.4 在介入治療中的應用價值

經皮血管內導管治療是介入放射治療的主要部分，現(xiàn)已廣泛用于各種疾病的治療，如動脈內灌注化療栓塞術治療腫瘤、動脈栓塞治療大出血和血管畸形、血管溶栓術、血管成形術、血管內支撐器、經頸靜脈肝內門體分流術等。在常規(guī)血管造影設備下進行介入治療遠不如在DSA系統(tǒng)下操作方便。由于DSA能實時觀察到造影結果、動態(tài)觀察導管、導絲和造影劑等的行程，可反復重放，另外還有路圖技術(road mapping),大大方便選擇性和超選擇性插管，可以節(jié)省常規(guī)造影需要的洗膠片時間，減少導管在動脈內停留時間，從而縮短了造影和介入治療的時間，減少可能發(fā)生的并發(fā)癥。同時DSA造影劑用量小、濃度低，減少了造影副反應。

X-ray Equipment Brief Introduction

SHAN Xu ZHANG Fu-tao
Liaoning Medical Device Test Institute (Shenyang 110129)

This paper summarizes the X-ray imaging technology in medical applications, the X-ray product composition, characteristics and imaging principle and application scope is introduced, and emphatically introduces digital X-ray imaging technology. Compared with traditional film-produced imaging, digital X-ray imaging has many advantages, including: low-dose radiation, high image resolution,image information, easy to manage and can realize image transmission etc, and therefore has beenextensively applied,the development trend was good.

digitai X-ray imaging,computed tomography,digital subtraction angiography,detector

1006-6586(2011)03-0046-05

：R814.4

：B

2011-01-20

單旭，工程師