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1、山西医科大学第一医院郑玄中 X线的发展与现状 影像诊断学的历史 X线影像超声成像 Ultrasonography US CT ComputedTomography MRI MagneticResonanceImaging ECT EmissionComputedTomography SPECT SinglePhotonEmissionComputedTomography PET PositronEmissionTomography X线影像 1895年11月08日威廉 康纳德 伦琴 WilhenlmConradRontgen 1895年12月22日经15分钟照射 第一张X线照片 1890年02
2、月22日A W Goodspeed奇怪影像 1896年01月01日给Exner教授新年贺卡1896年01月05日维也纳报纸 DiePresse 1896年01月06日传遍全世界1896年01月23日 Nature 杂志发表2周后 Science 伦琴 一 X线的发展1895年11月8日 德国科学家伦琴 Rontgen 在做真空管高压放电实验研究时 无意中发现了一种肉眼看不见的但穿透力很强的能使莹光物质发光和使胶片感光的新型射线 由于当时对这种射线的性质尚不清楚 伦琴就将其称为X射线或X线 其后伦琴将X线的所有基本特性几乎全部研究完毕 并于1896年1月23日在一次自然科学协会会议上第一次做了X
3、线的报告 并且当场摄了一幅手腕的照片 根据大会建议 用伦琴的名字来称呼他所发现的射线 故X射线又称为伦琴射线或伦琴线 X射线的发现震憾了全世界 掀开了世界科技史上的重要一页 为此 1901年12月10日伦琴荣获首次诺贝尔物理学家 二 X线的产生 特性及成像原理 一 X线产生 1 条件 1 X线管 真空二极管 杯状的阴极内装着灯丝 阳极由呈斜面的钨靶和附属散热装置组成 固定阳极旋转阳极 图1X线管 2 变压器 降压变压器向X线管灯丝提供电源 12V 升压变压器向X线管二极提供高压电 40 150KV 3 操作台 包括调节电压 电流及曝光时间而设置的电压表 电流表 计时器和其他调节旋钮等 上述三者
4、之间以电缆相连 图2 普通摄影X光机 2 产生过程 降压变压器向X线管灯丝供电 点燃灯丝 在阴极附近产生自由电子 再向X线管两极提供高压电时 二极间的电势差骤增 自由电子高速由阴极向阳极行进 撞击钨靶而发生能量转换 其中0 2 以下的能量转换为X线 99 8 以上转换为热能 前者由管窗口发射 后者由散热设施散发 二 特性 X线是一种波长很短的电磁波 波长范围为0 0006 50nm 用于X线成像的波长为0 031 0 008nm 比可见光的波长短 故肉眼看不见 X线具有以下特性 1 穿透性 X线波长短 穿透力强 能穿透可见光不能穿透的物质 在穿透过程中有一定程度的吸收衰减 X线的穿透力与管电压
5、相关 电压越高 波长越短 穿透力越强 反之则弱 另外穿透程度与物质的密度和厚度相关 密度高 厚度大的物质吸收的多 通过的少 反之则多 穿透性是X线成像的基础 2 莹光效应 X线能激发莹光物质 如硫酸锌镉 钨酸钙等 使波长较短的X线转换为波长较长的莹光 这种转换称莹光效应 它是进行透视检查的基础 3 感光效应 X线照射胶片后使其感光产生潜影 经显影 定影处理后 胶片中被感光的溴化银中的银离子 Ag 被还原成金属银 Ag 沉积在胶膜内 金属银微粒化 胶片上呈黑色 而未感光的溴化银 在定影及冲洗过程中被冲洗掉 而显出胶片片基的透明色 依金属银沉淀的多少 产生了程度不同的黑白影像 所以感光效应是X线摄
6、影的基础 4 电离效应 X线通过任何物质都可产生电离效应 X线射入人体也产生电离效应 引起生物方面的改变 即生物效应 是放射治疗的基础 也是X线防护的原因 三 成像基本原理 X线之所以能使人体组织在莹屏上或胶片上形成影像 基于两方面的原因 其一是X线具有穿透性 莹光效应和感光效应 其二是人体组织间具有密度和厚度的差异 当X线透过人体不同组织结构时 被吸收的程度不同 所以到达莹屏或胶片上的X线量亦有差异 所以在莹屏或胶片上就形成了明暗或黑白度不同的影像 就X线检查而言 人体的组织结构密度可归纳为三类 高密度组织 骨髂 钙化灶 中等密度组织 软骨 肌肉 神经 实质器官组织及体液等低密度组织 脂肪和
7、气体 组织器官的病变可使其发生密度的改变 如肺结核可使含气的低密度组织产生中等密度的渗出 增殖及纤维化改变和高密度的钙化灶 所以在肺的黑影背景上出现了代表病变的灰影 中等密度 和白影 高密度 因此 组织密度不同的病变可产生相应的病理影像 三 X线成像设备的发展历程 一 诊断用X线机发展史1 气体X线管 感应圈时期 1895 1916 第一支X线球管是由德国西门子公司在1896年研制成功的 2 热电子X线管 变压器式高压发生器时期 1916 1925年 为现代X线机奠定了基础 同时改进了底片 制成并改进了莹光屏 3 防电击 防散射X线装置的实用化时期 1925 1945年 标志着诊断用X线机已进
8、入成熟时期 以上各个时期X线管均为固定阳极 4 高条件 大容量 控制技术现代化时期 1945年以后 大功率旋转阳极X线管的问世 是X线机实现大容量的前提 使X线影像质量有了明显提高 也使活动器官的诊断和细微结构的放大摄影成为可能 二十世纪五十年代 影像增强器的研制成功 使X线机的性能和应用范围有了新的突破 最引人注目的是X线电视 录像和动态摄影 在一定程度上解决了动态检查 影像再现等问题 1975年以来 逆变技术在X线机中得到广泛应用 使高压变压器的体积和重量明显减小 从而得到迅速普及 二 X线CT机的诞生1972年 英国工程师汉斯菲尔 Hounsfield 首次研制成功世界上第一台CT扫描机
9、 这是电子技术 计算机技术和X线技术相结合的产物 是1895年X线发现以来医学影像设备的一个革命性进展 为现代医学影像设备学奠定了基础 CT机的特点是横断面体层成像 无前后影像重叠 不受层面上下组织的干扰 密度分辨率显著提高 比传统X线高10 20倍 还能以数字形式 CT值 作定量分析 三 数字X线成像设备的发展 见四 四 数字X线成像设备数字X线成像设备是指把X线透射影像数字化并进行处理后 再变换成模拟图像显示的一种X线设备 与传统的增感屏 胶片成像相比 数字X线成像具有以下优点 对比度分辨率高 辐射剂量小 比常规方式降低30 70 成像质量高 能用计算机进行图像后处理 更细致的观察感兴趣的
10、细节 可利用大容量的光盘存储数字图像 消除用胶片记录X线影像带来的种种不便 并能进入PACS 实施联网 更高效 低耗 省时间 省空间地实现图像的储存 传输和诊断 数字X线成像空间分辨率不如胶片 约为2 4Lp mm 胶片空间分辨率一般在6Lp mm以上 高档微焦点X线机可在几十Lp mm 但散射线使胶片的感光范围发散 导致锐利度 与空间分辨率有关 下降 而数字成像能大幅度克服锐利度的下降 加之其对比度分辨率高 所以可满足诊断的需要 综上所述 数字X线成像设备的发展对远程放射学系统的发展具有决定性的影响 这些设备在21世纪将成为大中型医院放射科的主导设备 因此具有广阔的发展前景 一 数字成像技术
11、的基础1 电子计算机系统 从1946年计算机诞生以来 大约每隔5年其运算速度提高10倍 可靠性提高10倍 体积缩小10倍 在20世纪50年代以来 计算机的生产数量以每年25 的速度递增 计算机之所以发展迅速 其原因在于它的广泛应用 包括5个方面 科学计算 自动控制 测量和测试 信息处理及 教育和卫生 计算机的问世 为人类的健康长寿带来了福音 一方面 使用计算机的各种医疗设备应用而生 如CT MR CR DR等 无疑这些先进的仪器和设备为疾病的早期诊断提供了可靠依据 对疾病的治疗起到了非常重要的作用 另一方面 集专家经验之大成 利用计算机建成各种各样的专家系统及各医院间的远程会诊系统 对疾病的诊
12、断和病人的康复发挥了很大的作用 2 数据采集 1 采集数据系统的组成A D 模数转换器 即analogue to digitalconvertr 将模拟图像 analogueimage 转化成数字图像 digitalimage RDCP 数据收集处理器 即reconstructionanddatecollectionprocessor 图三 2 数据采集原理 图4ABC上图A为一幅手的X线照片 其中有一条横线 现分析沿这条线的一维像 图B给出横线上一维像的密度随距离变化的连续函数 图C是用数字表示的一维数字图像 在进行数字化时 采取每2mm采一个点 即每个象素的宽度为2mm 像密度数值用0 2
13、55共256个整数表示 256 28 像密度用8位二进制数表示 在上述例子中 取横线宽度为1mm 把整幅图像化分为若干条横线 这样每个象素即为1mm 2mm 在扫描中 这个宽度叫层厚 slicethickness 每条横线可获得一幅一维图像 按上述方法再变为一维数字像 这些一维数字图象就可以组合成一幅二维数字图像 3 A D转换器和D A转换器要完成数据的采集少不了要用A D转换器 数字图象要有屏幕上显示 也离不开D A转换器 digital to analogueconverter 在医学影像设备中 由摄像管和各种传感器 探测器 接收器得到的都是时域的模拟信号 在数字影像设备中时域的模拟信号
14、经A D转换器变为数字信号 再经D A转换器变为模拟信号 4 数字图像的表达要素数字图像是由不同亮度和颜色的点组成的二维点阵 一幅图像由多少个这样的点组成 在进行信号采集之前必须做出选择 点的多少 即矩阵的大小 直接决定了图像的空间分辨率 spatialresolution 数字在这里不仅意味着数码 而且表示了某点的亮度或颜色 当一个点阵还有足够多的点时 并且点与点之间足够近时 看起来就是一幅完整的图象 数字图像显示为二维点阵 能表达数字图像的两个要素 即点阵的大小和每个点的灰度值 存储一幅数字图像只要记录下点阵的大小和每个点的灰度值即可 数字图像的灰度值是某一点的亮度或色彩在给定亮度或色彩序
15、列中次序的数值 3 图像显示 1 观察数字图像的要点 图像显示的目的是供医师阅读并结合相关知识做出诊断 指导疾病的治疗 数字图像的阅读方法有其自身的要领 不同的数字图像其阅读要点不同 掌握正确的阅读方法是必要的 如CR DR DDR在阅片前首先要弄清是哪一种成像技术的哪一种成像方法 然后按照普通X线片的读片方法去观察 并要注意窗宽 窗位 CT图像属于断面成像 最大的优点是密度分辨率高 对组织器官的密度反映 既可用灰度来表示 更重要的可用CT值来测量 还要注意扫描序列 是平扫 还是增强 窗宽窗位是否合适等 核素现象则是以脏器与病变之间的放射性浓度差异为基础的脏器或病灶的显像方法 反映了脏器或病变
16、的功能 生化及代谢的变化 对其图像的观察 要注意显像时间 浓聚程度以及动态与静态的区别 还要注意两侧的对比观察 为了获得图像的最佳观察效果 要注意观察图像的距离 一般在观察电视监视器时 最佳距离为40 50cm 观察阅片灯上图像时 最佳距离为60 70cm 除此之外 还取决于其它观察要素 如图像质量 环境条件 观察者的习惯 视力和经验等 2 图像的显示方法 数字图像的特性决定了其显示方法的多样性 多幅显示和单幅显示 动态显示和静态显示 放大显示与缩小显示 二维显示与三维显示 4 图像存储图像存储离不开存储器 存储器是一种记忆设备 它的作用是存放程序和数据 存储器的主要性能指标是 存储容量 读取时间和存储周期 存储容量 存储容量是指一个存储器中可容纳的单元总数 存储容量越大 能存储的信息就越多 存储容量常用位 bit 或字节数 B 来表示 如64KB 10MB 10GB 10TB 其中1KB 210B 1MB 220B 1GB 230B 1TB 240B 读取时间是指存储器的访问时间 即为从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间 存储周期是指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小
