X线影像诊断技术的发展
作者：沈国光
单位：深圳安科高技术有限公司，广东 深圳 518067
关键词：
中国医学影像技术000743[中图分类号] R445.4 [文献标识码] A
[文章编号] 1003-3289(2000)07-0607-02
1 概述
X射线(简称X线)具有穿透物体的能力，有感光、荧光和电离作用及热效应，还对生物细胞组织具有抑制、损伤甚至坏死的生物效应。1895年伦琴博士发现X线后，一个多世纪以来人们对X线的产生及其应用，从理论研究到工程开发都进行了大量的工作并且取得了巨大的进展，创造出许多诊断、治疗和科学研究用X线医学影像设备。
, 百拇医药
X线影像诊断技术的发展可分为两个阶段，在X线发现后的前半个多世纪为第一阶段，根据X线对不同物体的穿透能力的差异，人们提出了X线透视和摄影的理论，制造出X线管及其相应的探测器件，开发出第一种X线影像诊断设备——X线机，并不断加以完善，使X线摄影术成为医疗诊断最基本的手段之一。
70年代以后为第二阶段，由于物理学、电子学和计算机等学科的迅速发展，一方面X线机得到进一步发展，发明了抗散射格栅、造影剂和影像增强器等技术，另一方面许多新型的X线影像诊断新技术应运而生，如X线计算机辅助断层摄影(X线CT)、数字减影血管造影(DSA)、计算机放射摄影(CR)和数字放射摄影(DR)等。据估计，目前X线图像约占医院中全部图像的80%，显然X线影像诊断技术已成为影像诊断中最重要的组成部分。
2 传统X线影像诊断技术
传统X线影像诊断技术主要是指采用模拟技术的X线透视和摄影，它由X线机来完成，其基本部件为X线管、高压发生器和探测器件等。X线管按阳级结构分为固定阳极X线管和旋转阳极X线管两种，后者的热容量较大，探测器件则根据用途分为荧光屏和摄影胶片两类。
, 百拇医药
荧光屏可吸收穿透人体组织后的X线光子能量并将其转换为可见光，这种在荧光屏上直接观察被检组织器官图像的方法称为X线荧光透视术。由于荧光屏的转换效率低，故图像的空间分辨率和对比度均较差。
摄影胶片则是靠化学乳剂胶片对X线的感光作用来记录穿透人体组织后的X线的强弱分布的，这种方法称为X线摄影术，在单独使用摄影胶片作为探测器时获得的图像质量也很差。
为改善这两种探测器形成的图像，针对X线摄影术，人们在胶片的前后两侧各添加一块增感屏，增感屏受X线激发而发出荧光，使胶片的感光量提高一个数量级以上，大大提高了胶片的灵敏度，可获得很好的图像质量，且大幅度减少了摄影所需的X线剂量，延长了X线管的使用寿命，因此增感屏在目前仍然得到普遍的应用。增感屏主要有钨酸钙增感屏和稀土增感屏两类，根据使用的胶片对光谱峰值波长的要求来进行选择。
针对X线荧光透视术的缺点，人们发明了影像增强器。这是一种电真空器件，它的转换系数是荧光屏的5000～10000倍，可获得高亮度的输出图像，然后用小片摄影机、电影摄影机或电视摄像机来记录图像，分别组成点片、X线电影和X线电视系统。
, http://www.100md.com
为了减小X线穿过人体时产生的散射，人们发明了抗散射格栅，使散射X线被抗散射格栅挡住而只有直射X线才可以到达胶片形成影像。为了增强图像中某些组织器管与周围组织之间的对比度，人们发明了对不同组织其吸收系数不同的口服和注射用造影剂。造影剂分为高密度(阳性)造影剂和低密度(阴性)造影剂两种，根据被检器官选择单独使用一种或同时使用两种造影剂。这两种措施的采用使图像清晰度提高很多。
3 新型X线影像诊断技术
X线CT在1972年的问世标志着X线影像诊断技术的重大突破。X线CT获得的是受X线照射的平面内物体的断层图像，消除了X线机投影像中不可避免的组织器官相互重叠的现象，可以清晰地观察每一断层内组织器官的形态并得到与X线衰减系数相关的CT值。X线CT在医学上对于直观地诊断人体组织器官的病变有着极其重要的意义。
二十多年来，X线CT先后发展了五代。除了基本扫描方式上的进步，CT在整机结构、硬件和软件上也取得了长足的进展。首先是从第一代和第二代CT的用电缆供电和传输信息以及180°往复运动扫描发展到第三代和第四代CT用滑环供电和传输信息，实现了360°旋转扫描，提高了扫描速度。其图像质量明显优于前两代，且可用于全身检查，目前在医院中得到广泛的应用。
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第五代CT彻底摆脱了X线管的机械扫描运动，采用电场偏转X线管中电子束的方向，使其产生的X线束绕人体旋转实现扫描。因此扫描速度极快，达到50m/s，可用于心脏和肺等动态功能检查。但由于价格昂贵和空间分辨率尚不理想等原因，目前还没有得到普及。
在探测器和检查床运动方面，人们也采用了一些新的措施。以往的CT都是单层面CT，采用单排探测器，每次扫描只能获得一个层面的图像，现在已有多排探测器的所谓多层面CT问世，一次扫描能同时获得多个层面的图像，多层面CT可选择快速完成扫描或选择更薄的层面以得到更高的分辨率。以往检查床在一次扫描的时间段内保持静止，使CT每次扫描只能获得一个或数个层面的图像，90年代已有检查床在扫描时匀速移动的所谓螺旋CT上市，一次扫描可获得一段距离内人体组织器官的全部信息。根据螺旋CT内探测器的排数，有单螺旋和多螺旋CT之分，由此带来的扫描速度的进一步提高，既可进行三维图像重建，减少器官运动对图像质量的影响，又可节省造影剂的用量。此外，探测器也由气体探测器发展到固体探测器，使CT的性能得到进一步提升。
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在算法软件上，工程师陆续创造了最大强度投影法、最小强度投影法和表面阴影表示法等，从而可以进行血管造影(CTA)及建立支气管图像等。在CT的使用范围上也得到拓展，除了观察人体组织器官形态的常规CT外，还出现了用于测定骨矿物质含量的定量CT。
现在许多厂家正着手开发采用锥形X线束和大面积探测器的CT，相信这种系统将使CT的性能再上一个台阶。
X线影像诊断技术的另一项重要进展是1980年研制成功的数字减影血管造影(DSA)。传统的血管造影术是通过往血管内注射造影剂，然后立即进行X线摄片来实现的，由于血管和周围的其它组织相互重叠，得到的图像仍比较模糊。后来人们提出了减影技术，即将注射造影剂前后两次摄影获得的模拟视频信息相减得到血管像。随着数字计算机技术的发展，人们把血管造影的影像转换成数字，进行数字减法，再复原成影像，这就是DSA。
实施DSA的方法有时域法和能量法两种，两种方法也可以混合使用，以获取最佳图像效果。
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DSA已成为诊断血管疾患的重要手段。当前人们正在解决扩大影像增强器视野与提高空间分辨率的矛盾，减少运动伪影以及开发动脉血流测定和定量诊断等方面作进一步的努力。
除X线CT和DSA外，另一项数字X线影像诊断技术，则是在传统X线摄影(X线机)基础上发展起来的计算机放射摄影(CR)。CR系统有两类，一类CR用图像存储屏(荧光屏)作为探测器来记录X线穿透人体后形成的潜像，然后用激光束扫描潜像的信息得到可见光，由光电倍增管转换为电信号，再经模数转换得到数字信号送到计算机进行处理。另一类CR则用影像增强器接收载有人体组织信息的X线，然后用电荷耦合器件(CCD)转换为电信号，再经模数转换为数字信号交由计算机处理。CR系统与传统的X线摄影相比，它的灵敏度高、X线剂量小(约小一个数量级)、动态范围宽而影像一致性好、稳定性好、可作边缘增强、对比度增强和定量计算等多种图像处理，可任意改变显示方式如窗宽、窗位调整和黑白翻转等，因此可获得更多的诊断信息，它形成的数字图像便于存储，实现无胶片化管理，并可用PACS实施联网传输。
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为进一步增加数字化含量以提高性能，人们将薄膜晶体管(TFT)和模数转换器直接集成在荧光屏的后部，研制成数字化平板探测器(DFPD)，从而诞生了数字放射摄影或称直接放射摄影(DR)。在DR系统中省略了X线能量转换为可见光的过程，而是X线能量直接转换为电信号，因此与CR相比，它在空间分辨率、密度分辨率和采样速率诸方面均有大幅度提高。许多制造商已迅速研究出多种实现数字放射摄影的技术，如采用非晶硅、非晶硒、存储磷光体、CMOS和CCD等。然而由于DR价格高，目前约是模拟设备的三倍，尚未为大多数医院及放射科医生所接受，影响了它占有市场的速度。尽管如此，数字化代表着X线摄影的发展方向，DR迟早会取代传统X线摄影。
21世纪将是信息数字化的时代，数字X线影像诊断技术将成为X线影像诊断技术的主体，这一点是毋庸置疑的。
作者简介：沈国光(1944—)，男，江苏吴江人，高级工程师，从事医学影像技术的研究和开发。
(收稿日期：2000-01-16), http://www.100md.com
单位：深圳安科高技术有限公司，广东 深圳 518067
关键词：
中国医学影像技术000743[中图分类号] R445.4 [文献标识码] A
[文章编号] 1003-3289(2000)07-0607-02
1 概述
X射线(简称X线)具有穿透物体的能力，有感光、荧光和电离作用及热效应，还对生物细胞组织具有抑制、损伤甚至坏死的生物效应。1895年伦琴博士发现X线后，一个多世纪以来人们对X线的产生及其应用，从理论研究到工程开发都进行了大量的工作并且取得了巨大的进展，创造出许多诊断、治疗和科学研究用X线医学影像设备。
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X线影像诊断技术的发展可分为两个阶段，在X线发现后的前半个多世纪为第一阶段，根据X线对不同物体的穿透能力的差异，人们提出了X线透视和摄影的理论，制造出X线管及其相应的探测器件，开发出第一种X线影像诊断设备——X线机，并不断加以完善，使X线摄影术成为医疗诊断最基本的手段之一。
70年代以后为第二阶段，由于物理学、电子学和计算机等学科的迅速发展，一方面X线机得到进一步发展，发明了抗散射格栅、造影剂和影像增强器等技术，另一方面许多新型的X线影像诊断新技术应运而生，如X线计算机辅助断层摄影(X线CT)、数字减影血管造影(DSA)、计算机放射摄影(CR)和数字放射摄影(DR)等。据估计，目前X线图像约占医院中全部图像的80%，显然X线影像诊断技术已成为影像诊断中最重要的组成部分。
2 传统X线影像诊断技术
传统X线影像诊断技术主要是指采用模拟技术的X线透视和摄影，它由X线机来完成，其基本部件为X线管、高压发生器和探测器件等。X线管按阳级结构分为固定阳极X线管和旋转阳极X线管两种，后者的热容量较大，探测器件则根据用途分为荧光屏和摄影胶片两类。
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荧光屏可吸收穿透人体组织后的X线光子能量并将其转换为可见光，这种在荧光屏上直接观察被检组织器官图像的方法称为X线荧光透视术。由于荧光屏的转换效率低，故图像的空间分辨率和对比度均较差。
摄影胶片则是靠化学乳剂胶片对X线的感光作用来记录穿透人体组织后的X线的强弱分布的，这种方法称为X线摄影术，在单独使用摄影胶片作为探测器时获得的图像质量也很差。
为改善这两种探测器形成的图像，针对X线摄影术，人们在胶片的前后两侧各添加一块增感屏，增感屏受X线激发而发出荧光，使胶片的感光量提高一个数量级以上，大大提高了胶片的灵敏度，可获得很好的图像质量，且大幅度减少了摄影所需的X线剂量，延长了X线管的使用寿命，因此增感屏在目前仍然得到普遍的应用。增感屏主要有钨酸钙增感屏和稀土增感屏两类，根据使用的胶片对光谱峰值波长的要求来进行选择。
针对X线荧光透视术的缺点，人们发明了影像增强器。这是一种电真空器件，它的转换系数是荧光屏的5000～10000倍，可获得高亮度的输出图像，然后用小片摄影机、电影摄影机或电视摄像机来记录图像，分别组成点片、X线电影和X线电视系统。
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为了减小X线穿过人体时产生的散射，人们发明了抗散射格栅，使散射X线被抗散射格栅挡住而只有直射X线才可以到达胶片形成影像。为了增强图像中某些组织器管与周围组织之间的对比度，人们发明了对不同组织其吸收系数不同的口服和注射用造影剂。造影剂分为高密度(阳性)造影剂和低密度(阴性)造影剂两种，根据被检器官选择单独使用一种或同时使用两种造影剂。这两种措施的采用使图像清晰度提高很多。
3 新型X线影像诊断技术
X线CT在1972年的问世标志着X线影像诊断技术的重大突破。X线CT获得的是受X线照射的平面内物体的断层图像，消除了X线机投影像中不可避免的组织器官相互重叠的现象，可以清晰地观察每一断层内组织器官的形态并得到与X线衰减系数相关的CT值。X线CT在医学上对于直观地诊断人体组织器官的病变有着极其重要的意义。
二十多年来，X线CT先后发展了五代。除了基本扫描方式上的进步，CT在整机结构、硬件和软件上也取得了长足的进展。首先是从第一代和第二代CT的用电缆供电和传输信息以及180°往复运动扫描发展到第三代和第四代CT用滑环供电和传输信息，实现了360°旋转扫描，提高了扫描速度。其图像质量明显优于前两代，且可用于全身检查，目前在医院中得到广泛的应用。
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第五代CT彻底摆脱了X线管的机械扫描运动，采用电场偏转X线管中电子束的方向，使其产生的X线束绕人体旋转实现扫描。因此扫描速度极快，达到50m/s，可用于心脏和肺等动态功能检查。但由于价格昂贵和空间分辨率尚不理想等原因，目前还没有得到普及。
在探测器和检查床运动方面，人们也采用了一些新的措施。以往的CT都是单层面CT，采用单排探测器，每次扫描只能获得一个层面的图像，现在已有多排探测器的所谓多层面CT问世，一次扫描能同时获得多个层面的图像，多层面CT可选择快速完成扫描或选择更薄的层面以得到更高的分辨率。以往检查床在一次扫描的时间段内保持静止，使CT每次扫描只能获得一个或数个层面的图像，90年代已有检查床在扫描时匀速移动的所谓螺旋CT上市，一次扫描可获得一段距离内人体组织器官的全部信息。根据螺旋CT内探测器的排数，有单螺旋和多螺旋CT之分，由此带来的扫描速度的进一步提高，既可进行三维图像重建，减少器官运动对图像质量的影响，又可节省造影剂的用量。此外，探测器也由气体探测器发展到固体探测器，使CT的性能得到进一步提升。
, http://www.100md.com
在算法软件上，工程师陆续创造了最大强度投影法、最小强度投影法和表面阴影表示法等，从而可以进行血管造影(CTA)及建立支气管图像等。在CT的使用范围上也得到拓展，除了观察人体组织器官形态的常规CT外，还出现了用于测定骨矿物质含量的定量CT。
现在许多厂家正着手开发采用锥形X线束和大面积探测器的CT，相信这种系统将使CT的性能再上一个台阶。
X线影像诊断技术的另一项重要进展是1980年研制成功的数字减影血管造影(DSA)。传统的血管造影术是通过往血管内注射造影剂，然后立即进行X线摄片来实现的，由于血管和周围的其它组织相互重叠，得到的图像仍比较模糊。后来人们提出了减影技术，即将注射造影剂前后两次摄影获得的模拟视频信息相减得到血管像。随着数字计算机技术的发展，人们把血管造影的影像转换成数字，进行数字减法，再复原成影像，这就是DSA。
实施DSA的方法有时域法和能量法两种，两种方法也可以混合使用，以获取最佳图像效果。
, 百拇医药
DSA已成为诊断血管疾患的重要手段。当前人们正在解决扩大影像增强器视野与提高空间分辨率的矛盾，减少运动伪影以及开发动脉血流测定和定量诊断等方面作进一步的努力。
除X线CT和DSA外，另一项数字X线影像诊断技术，则是在传统X线摄影(X线机)基础上发展起来的计算机放射摄影(CR)。CR系统有两类，一类CR用图像存储屏(荧光屏)作为探测器来记录X线穿透人体后形成的潜像，然后用激光束扫描潜像的信息得到可见光，由光电倍增管转换为电信号，再经模数转换得到数字信号送到计算机进行处理。另一类CR则用影像增强器接收载有人体组织信息的X线，然后用电荷耦合器件(CCD)转换为电信号，再经模数转换为数字信号交由计算机处理。CR系统与传统的X线摄影相比，它的灵敏度高、X线剂量小(约小一个数量级)、动态范围宽而影像一致性好、稳定性好、可作边缘增强、对比度增强和定量计算等多种图像处理，可任意改变显示方式如窗宽、窗位调整和黑白翻转等，因此可获得更多的诊断信息，它形成的数字图像便于存储，实现无胶片化管理，并可用PACS实施联网传输。
, 百拇医药
为进一步增加数字化含量以提高性能，人们将薄膜晶体管(TFT)和模数转换器直接集成在荧光屏的后部，研制成数字化平板探测器(DFPD)，从而诞生了数字放射摄影或称直接放射摄影(DR)。在DR系统中省略了X线能量转换为可见光的过程，而是X线能量直接转换为电信号，因此与CR相比，它在空间分辨率、密度分辨率和采样速率诸方面均有大幅度提高。许多制造商已迅速研究出多种实现数字放射摄影的技术，如采用非晶硅、非晶硒、存储磷光体、CMOS和CCD等。然而由于DR价格高，目前约是模拟设备的三倍，尚未为大多数医院及放射科医生所接受，影响了它占有市场的速度。尽管如此，数字化代表着X线摄影的发展方向，DR迟早会取代传统X线摄影。
21世纪将是信息数字化的时代，数字X线影像诊断技术将成为X线影像诊断技术的主体，这一点是毋庸置疑的。
作者简介：沈国光(1944—)，男，江苏吴江人，高级工程师，从事医学影像技术的研究和开发。
(收稿日期：2000-01-16), http://www.100md.com