1、 X线机结构和原理n X线发生原理及其基本认识n 一、高速电子与阳极靶面的相互作用n X线是在高度真空的X线管中产生的。更确切地说，是高速电子与阳极靶面相互作用的结果。所以分析这种作用对认识X线产生的原理是十分重要的。n 高速电子与靶面物质相互作用是很复杂的。一般来说，高速电子在失去其全部动能而变成自由电子之前要穿过很多原子间隙，经过很多次碰撞，发生多种作用的物理过程。例如，一个1兆电子伏特的高速电子在被阻止之前，会遭受一万次碰撞，每一次碰撞后，电子损失部分能量，而且往往还要改变运动方向，所以电子在物质中的径迹是十分曲折的。n从能量转换角度来看，高速电子的能量损失分为碰撞损失和辐射损失两种情况
2、。碰撞损失是高速电子与原子外层电子相“碰撞”，使原子吸收能量处于激发态，这种能量损失将全部变为热量，使阳极温度迅速上升。高速电子动能的99左右都在碰撞损失中转换为热能，n这是最普遍的情形：辐射损失是高速电子与靶原子内层电子或原子核相互作用的结果，以辐射X线光子的形式而损失能量，这部分能量大约占高速电子总动能的百分之零点几。可见在X线管中，X线能的转换效率是很低的。n 从作用的物理过程来说，高速电子与靶原子相互作用存在以下四个物理过程，电离、激发、弹性散射和韧致辐射。具体分析如下。n （）电离n 原子的外层价电子或内层电子在高速电子作用下完全脱离了原子轨道，使原子变成离子，称为电离。n高速电子的
3、动能转化为以下三部分：一部分能量消耗在内、外层电子的脱出功，这部分能量暂时“储存”在原子内，将伴随着发射光学光谱（由外层电子轨道跃迁产生）和标识X射线（由内层电子轨道跃迁产生），以光能的形式释放出来；另一部分转化为二次电子（被击出的轨道电子）的动能；第三部分转化为出射电子的动能，出射电子以较低能量，并改变方向射出。然后与其它原子或原子核发生作用。n电离过程中向外发射的光谱有两种：一种是由于价电子脱离原子轨道，离子结合自由电子变为处于激发态的原子，在回到基态过程中发射出光学光谱。由于最外层电子轨道的能级差较小，这些光谱一般在紫外线、可见光和红外线的波长范围，不属于X线。而且这部分光能几乎全部被周
4、围原子所吸收，n转化为热运动加快（固体中分子热运动的主要方式是在平衡位置附近作无规则的振动），伴随着阳极温度上升。另一种发射光谱是由于内层电子脱离轨道，使原子处于激发态，通过内层电子的能级跃迁而辐射标识X线，这是构成医用 X线的成分之一。n（二）激发n 高速电子（或二次电子）撞击原子外层电子，由于作用较弱，不足以使其电离、仅将其推入高能级的空壳层，使原子处于激发态，这种作用叫做激发。入射电子的动能，一部分转化为方向改变、速度变小的出射电子的动能；另一部分是被原子吸收的激发能。处在激发态的原子将发射光学光谱。这部分光能最终导致固体分子热运动加快、温度上升、全部转化为热能。n（三）弹性散射n 高速
5、电子受原子核电场的作用而改变运动方，但是能量不变，称为弹性散射。n 这种作用没有光谱辐射，也没有能量损失。由于阳极靶内，物质的密度很高，散射的距离很短，高速电子将很快在已改变的方向上与其它原子核或核外电子相遇，发生新的作用。n（四）韧致辐射n 高速电子在原子核的电场作用下，速度突然变小时，它的一部分能量转变成电磁波发射出来，这种情况叫韧致辐射。n在韧致辐射中，人射电子的能量一部分转化为辐射电磁波的能量h，其波长在X线范围内，在医用X线中占有特别重要的地位；另一部分转化为出射电子的动能，出射电子的方向将发生改变。n 韧致辐射具有以下两个特点：nl韧致辐射是在核电场作用下的一种能量转换形式，不能用
6、经典理论作简单地解释。n2韧致辐射所产生的X线是一束波长不等的连续光谱。这是由下面几个原因造成的：一是加在X线管两端的高压通常是脉动直流电压，使得到达阳极的各个高速电子的动能并不相等；n 二是高速电子在进入核电场作用前，通过电离或激发所失去的动能各不相等；n 三是各个高速电子在原子核电场中被阻止的情形不一样，离核越近，受核电场阻止作用越强，由动能转换为光能的部分能量越多，辐射X线的波长越短，反之，波长就长。此外，核电场强度还随原子序数不同而异。所以韧致辐射所形成的X线是一束随靶元素不同而异的连续谱线。n从以上四种作用的物理过程看出：高速电子与阳极靶原子“撞击”的结果，产生两种类型的光辐射。一种
7、是波长在可见光、红外线、紫外线附近的光学光谱。另一种是X线。X线依其产生的机理不同，又有两种成份，一种是高速电子与原子内层电子作用所产生的标明元素特性的标识X线；另一种是高速电子与核电场作用所形成的韧致辐射，这是一束连续X线。nX线由于波长短、能量大，穿透作用强，将穿过X线管壁、油层、窗口、滤过板而射向人体，用作治疗或诊断。光学光谱则波长长，光子能量小，则全部被周围原子和管壁、油层所吸收，使原子的热运动加快，温度上升。从能量转换角度上看，高速电子总能量的99将转换为热能，而仅有大约百分之零点儿的能量转换为有用的X线。n（二）X线的特性n X线除了上述的共性以外，由于其波长短，光子能量大，具有其
8、它电磁波不具有的一系列特殊性质。医学上正是利用X线的这些个性来为人类的健康服务，或作诊断或作治疗。n 1物理效应n （1）穿透作用：穿透作用是指X线通过物质时不被吸收的本领。X线穿透性固然与X线波长有关，即波长越短，光子能量越大，n穿透物质的能力越强；但在波长一定条件下，X线的穿透性就完全取决于被通过物质本身的结构和性质。一般高原子系数物质，且结构紧密，密度大时，该物质吸收X线多，X线的穿透性差。所以从X线穿透物质后的强度变化，就反映了物质内部密度差异，这正是X线透视和摄影的物理基础。n（2）电离作用：物质受X线照射时，使核外电子脱离原子轨道，这种作用叫电离作用。在光电效应和散射研究中，出现光
9、电子和反冲电子脱离其原子的过程叫一次电离，这些光电子或反冲电子在行进中又和其它原子碰撞，使被击原子逸出电子叫二次电离。在固体和液体中，电离后的正、负离子将很快复合，不易收集。但在气体中的电离电荷却很容易收集起来，n利用电离电荷的多少来测定X线的照射量，多种X线测量仪器正是根据这个原理制成的。由于电离作用，使气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。电离作用是X线损伤和治疗的基础。n（3）荧光作用：有些物质如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等，受X线照射后，由于电离或激发使原子处于激发状态，回到基态过程中，由价电子的能级跃迁而辐射出可见光或紫外线光谱，这种光谱就是荧光
10、，而X线使物质发生荧光的作用叫荧光作用。n荧光强弱取决于X线的强弱。在X线诊断工作中利用这种荧光作用制成的物品有荧光屏，增感屏，影像增强器中的输入屏和输出屏等。荧光屏用作透视时观察X线通过人体组织的影像，增感屏用作摄影时增强胶片的感光量。n（4）热作用：物质吸收X线能最终绝大部分转变为热能，使物体温度升高，这就是热作用。吸收剂量的量热就是依据这种作用。n （5）干涉、衍射、反射、折射作用：这些作用与可见光一样。在X线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。n 2化学效应n（1）感光作用：当X线照射到胶片的溴化银上的时侯，由于电离作用，使溴化银药膜起化学变化，出现银粒沉淀，这就是X线的感光作
11、用。银粒沉淀的多少，由胶片受X线的照射量而定，再经化学显影，变成黑色的金属银，组成X线影像，未感光的溴化银则被定影液溶去。X线摄影就是利用这种X线化学感光作用，使组织影像出现在胶片上。n（2）着色作用：某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经X线长期照射后，其结晶体脱水而改变颜色，这就叫着色作用。n 3生物效应：X线对生物组织细胞具有破坏、瓦解的作用，称为X线的生物效应。n 根据国际放射防护委员会（ICRP）的最新建议，将辐射的生物效应分为随机效应和非随机效应。随机效应是指发生的几率（并不达到严重程度）与剂量的大小有关的效应。对这种效应不存在剂量的阀值，任何微小的剂量也可能引起效应，只是发生的几
12、率极其微小而已。随机效应主要表现形式是致癌效应和遗传效应。非随机效应的严重程度则随着剂量的变化而变化，n对这种效应可能存在着剂量的阀值。如过量或累积性的X线照射，可以引起某些损伤，比如血液和造血器官的变化。眼晶体的改变、放射性皮肤损伤、性细胞的损伤引起生育能力的损害、胎内照射效应（胎内致死、畸形或发育障碍）等。所以X线工作者一定要重视防护，要学习和掌握必要的防护知识，充分利用各种防护器材，如铅板、铅玻璃、铅橡皮、衣裙和手套等，既要保护自己，也要保护病人。n 还应指出：对人体不同组织，破坏瓦解的程度是不同的。凡生长力强和分裂活动快的组织细胞，对X线特别敏感，容易破坏；X线停照后，恢复也慢。如神经
13、系统、淋巴系统、生殖系统和肿瘤细胞等对X线都很敏感。而软组织如皮肤、肌肉、肺和胃等对X线敏感性较差，破坏性也相对小一些。在治疗上正是恰当地利用这种特性。nX线的生物效应归根结底是X线的电离作用造成的。X线机的基本结构n 固定阳极X线管n一、构造和作用n固定阳极 X线管的结构由阳极，阴极和玻璃壳三个部分组成，如图1一1 所示。图1-1n 阳极由靶面、铜体、阳极罩、阳极柱共四部分组成。阳极的作用是产生X线、散热、吸收二次电子和散射线。n 靶面受电子轰击，而电子动能的99转换为热，只有l左右转换为X线能，故靶面材料选用高熔点且X线发射率较高的钨制成（钨的熔点为3370oC，原子系数Z=74）。由于钨
14、的导热率小，故通过真空熔焊的方法把钨靶焊接在无氧铜体上，以便具有良好的散热能力。n 阳极罩在靶外面，也由无氧铜制成，其作用是吸收二次电子和散射线。高速电子轰击靶面时，会有少量电子从靶面反射出来，称为二次电子。其能量为原来能量的90左右。二次电子若轰击在玻璃壳上，会使玻璃壳温度升高而放出气体，降低管内真空度，甚至使玻璃壳击穿漏气；二次电子也可能再次轰击靶面，辐射出大量的散射线，严重地影响成像质量。有了阳极罩后就大大减轻了上述危害。n 阳极柱由紫铜制成，将铜体引出管外，通过与油之间的热传导把热量传导出去。n 阴极由灯丝和集射罩组成，其作用是发射热电子和聚焦，使打在靶面上的电子束具有一定的形状和大小
15、，形成X线管的焦点。n 灯丝由钨丝制成，绕成螺管状，作用是发射电子。灯丝通电后，温度逐渐上升，至一定值后开始发射电子。n荡灯丝温度低于2400K时，随着温度的升高，发射电流增加较慢，而温度高于2400K时，灯丝温度稍提高一点，发射电流却增加很多。所以在调试管电流时，应特别注意这一点。一般来说，灯丝点燃时间越长，工作温度越高，它的蒸发越快，灯丝寿命越短。如果灯丝电流比额定值升高5，灯丝的寿命可以缩短一倍。所以灯丝加热电流应严格限制在额定值以下使用，同时应尽量缩短高温点燃时间。n为了适应同一个X线管不同使用功率的要求，一般装配有长短两根灯丝，形成双焦点X线管。阴极具有三根引线，其中一根为公用线，其
16、余为大小焦点灯丝的另一根引线。n集射罩的作用是对灯丝发射电子进行聚焦。当灯丝发射大量电子后，接通高压时被阳极正电场的作用下，电子将以高速飞向阳极。但由于电子之间相互排斥作用，致使电子呈散射状，n特别是在阳极电压较低的情况下，散射更为显著。为了能使电子集中成束状飞向阳极，因此将灯丝装入一个用镍或铁镍合金等制成的长方形罩中，该罩称集射罩。集射罩与灯丝的一端相接，从而获得与灯丝相同的负电位，并借其几何形状，迫使电子成束状飞向阳极，达到聚 焦的目的。nX线管玻璃壳是用来支撑阴阳两极和保持管内真空度（10-6mmHg以上）。多采用耐高温、绝缘强度高、膨胀系数小的钼玻璃制成。因钼玻璃和铜的膨胀系数不同，不
17、宜直接焊接，故其间接一个与钼玻璃膨胀系数相近的铁、镍、钴合金圈（54Fe、29Ni、17Co）以避免因温度变化使玻璃破裂和漏气。n 二、X线管的焦点n电子轰击在靶面上的面积称为实际焦点。实际焦点在X线投照方向上的投影称为有效焦点。设靶面与X线投照方向的夹角为Q，实际焦点的长度为b，宽度为a，那么在Q方向上投影后，其宽度a不变，长度变为bsinQ，因此有效焦点为absinQ。显然有效焦点与X线投照方向有关，愈近阳极端，Q角愈小，有效焦点愈小。这就是有效焦点的方位特性。n当投照方向与X线管轴相垂直时，这时的Q角称为靶角或阳极倾角。实际焦点在与X线管轴相垂直方向上的投影称为标称有效焦点（简称标称焦点
18、）。在X线管规格中，通常以标称焦点来代表X线管的有效焦点。因为在实际投照中，通常采用与管轴相垂直的方向进行投照，所以标称焦点在一定程度上反映了成像质量。实际焦点与标称焦点之间的关系如图12所示 图1-2n阳极倾角 Q一般为720度。Q角是与管容量和照射野密切相关的重要多数。在要求有效焦点一定的条件下Q愈小，实际焦点愈大，但Q角不能太小，它受到有用照射野的影响。第二节旋转阳极X钱管n 固定阳极X线管，因阳极焦点面受温度的影响，限制了其功率，要提高功率就必须增大焦点面，这又使影像清晰度大大降低，两者不能兼顾。1927年以后出现了旋转阳极X线管，其结构如图l3所示。图1-3 n从偏离管子中心轴线的阴
19、极发射出来的电子，轰击在转动的靶面上。由于热量被均匀地分布在一个转动着的圆环面积上，使单位面积上的热量大大减小，因而大大提高了X线管的功率；或者说，在一定的负载功率下，阳极倾角可以大大减小，从而使有效焦点变小而大大提高了影像清晰度。n所以旋转阳极X线管的最大优点是：功率大，焦点小。较好地解决了固定阳极X线管难以解决的矛盾。目前旋转阳极X线管的功率多为2050kw，高者可达 150kw；而有效焦点多为12mm，微焦点可达0.050.3mm，摄影清晰度极高。n 和固定阳极X线管相比，旋转阳极X线管主要是阳极部分构造不同。阳极部分主要由靶面、转子、转轴、轴承和走子等组成。n靶面具有618度之间的倾斜
20、角度，镶在一个直径为70100mm之间的圆盘上。其中心铆接在钼制细杆上，钼杆的另一端与转子相连。转子为一表面黑化的铜管，以提高热辐射能力。转子内装有滚珠轴承，以便转动灵活，转子和轴承封闭在高真空的玻璃壁内。定子线圈装在管壁外面，其结构和小型单相异步电动机相似。n现在生产的旋转阳极X钱管，其靶面多为铼钨合金镶在钼或石墨基体上。这种结构与纯钨靶相比有以下优点：n（1）铼钨合金靶面的晶粒较细，抗热胀性提高，再结晶温度上升，使靶面在高温下不易龟裂。n（2）X线辐射率下降较慢，使用两万次以后，纯钨靶的 X线输出下降到原来的55%，而铼钨合金靶的X线输出只下降到原来的87；n（3）大大提高了热容量。这是由
21、于钼或石墨的比重都比钨小，而比热都比钨大，这种复合靶的重量增加不多，但热容量却大大增加了。n转子由无氧铜构成，相当于异步电动机的鼠笼转子，转速由下式决定：nN=120f/P（转min）n式中n 为转速，f为定子中电源频率，P 为定子的极数，一般P=2n由于存在着转速差转子转速约落后于磁场转速的10%左右。所以对中速管（f=50Hz）n=2700转/min;对高速管（例如f=150Hz）,实际转速n=8500转/min左右。若电源频率提高到300Hz实际转速可达17000转/min。n 转速越高，X线管的功率越大。它们之间的关系如下：P=K ndn式中P为功率，K为常数，n为转速，d为焦点轨道直
22、径。可见功率与转速和靶面直径的平方根成正比。当速度增加2倍时，允许功率增加14倍左右。靶盘直径越大，热容量越大，散热速度也越快，X线管的功率也增大。n 从切断定子线圈电源开始，到转子停止转动所需的时间叫静转时间。这时间反映了转子磨擦和轴承的润滑状况。为避免油脂类润滑剂在高温时蒸发汽化，所以轴承润滑剂都采用固体润滑材料，如二硫化铝，银，铅等。不同润滑材料，静转时间不同，对银、铅来说，新管的静转时间一般为数分钟，对二硫化钼来说，可达 20min左右。对 2700转min的中速管，静转时间低于30s，则说明管子报废。n为减少空转磨损，可采用制动装置。即造成转动力矩的定于工作电源断开以后，立即给转子一
23、个反作用力矩，使转子很快停止下来。对高速管来说，制动装置是必不可少的。它可使转子很快越过引起共振的临界转速，以避免管子破损。临界转速为前5000转/min至7000转min之间。n固定阳极管的散热方式主要是热传导，而旋转阳极管的散热方式主要是热辐射。这是由于轴承的工作温度不能超过460摄氏度。为了避免过多的热量传导到轴承，在靶面与转子之间的连接采用外径较细的管状钼杆；为了增大转子的热辐射，一般把转子表面黑化。尽管如此，轴承的工作温度仍可达到400摄氏度左右，所以轴承材料要采用耐热合金钢，如高速工具钢。n由于热辐射的散热速度较慢，所以使用旋转阳极X线管时，在两次曝光之间必须要有充分的间歇时间，以
24、防热容量过载而损坏管子。X线机系统的结构分析 n 概述n 一个X线机系统因容量大小和使用目的不同，结构繁简千差万别，一般由主机系统和辅助设备两部分构成。主机系统是指围绕产生X线的主电路及其元部件所构成的系统。辅助设备是指主机以外的各种辅助和直接为临床诊断服务的设备。具体构成如下所示。n 主机系统由 n1 X线管组件、2 高压发生器、3控制台等组成n辅助设备由各种机械设备：n1各种机械设备如：诊视床、摄影床、天地轨、悬吊等n2影像处理系统如：影像增强器、电视系统、数字减影系统（DSA），电影摄影机、录像等n 3其它附属用具：如滤线器、增感屏、胶片，快速换片机、高压注射器等nX线机系统就其电路组成
25、一般包括：电源电路，高压初级和kV补偿电路，高压整流电路，管电流测量电路，X线管灯丝加热和管电流控制电路，曝光限时电路，瞬时负载限制和保护电路，旋转阳极启动、延时和保护电路，全机控制电路和附属设备电路等构成。n若采用旋转阳极X线管，还应有启动、延时和保护电路。nX线遮线器n滤线器nX线机操作手续要简便，自动化程度要高。早期的X线机是将透视和摄影过程中的千伏、毫安和时间三个基本参量分别选择和控制，所使用的主要控制元件是多位多层选择开关这就是所谓三钮制控制阶段。n在5060年代出现了精良的光学图像转换元件，运动范围很广的诊断床和断层床，旋转阳极X线管的出现和商品化，为快速动态摄影具备了初步的基础。
26、随之控制系统出现了二钮制（kv和mAs）。时间控制精度达到0.0030.001s，管电流的控制比数达到50（即201000mA）。60年代以后，由于电视系统以及电子图像转换技术的发展，使X线的光电效应得到很大增益，n除了某些特殊要求外，X线机的临床诊断能力在一定条件下不再单纯依赖X线管的瞬时容量，而是取决于所应用的X线影像增强器，大面积电离室，直流高压开关管、调整管等等。随之控制系统在稳定、快速、准确和操作快捷方面出现了以电视监视调制为基本手段的遥控和自动X线控制系统，n和三钮制相比，有所谓一钮（kV）和零钮（只需选择摄影器官或部位）技术。特别是计算机技术广泛应用在X线控制系统中，使X线机控制
27、系统的设计水平和现代科学水平逐步相近，X线的影像质量、X线诊断技术和水平都有极大的提高。中频X线机 n一、概述n 从1895年伦琴发现X线到20世纪70年代，这期间出现的X线机均属于传统X线机，工作频率均采用工频50HZ。80年代以后出现了中频X线机。即其高压电源和灯丝加热电源的工作频率处在无线电频域的中频段。在无线电频域中，一般称几百周以下为低频段，几百到几十千周为中频段，兆周以上为高频段。n中频X线机的频率一般为400HZ20kHZ，目前，甚之达到上百千周。例如，西门子中频机一般为 5kHz20kHz，日本岛津和东芝公司走低中频发展道路，东芝公司的KXO 1050（F）工作频率为200Hz
28、，美国 GE公司的Phasix 60工作频率为 125kHz，功率60kw；等等。国外多数中频机的工作频率为数千周。所以传统X线机又叫低频X线机或工频X线机，把中频机叫做现代X线机。n中频机的出现是X线机发展史上的一大革命。X线机工作频率的改变带来了结构上 质的飞跃，使现代高科技成果得以在X线机领域中广泛应用。由于中频机较工频机具有绝对的优越性，目前某些西方国家已明文规定停止工频机的生产，用中频机取而代之；n国外中频机的迅速发展和普及，已经引起国内专业界和生产厂家的广泛关注。北京医疗器械所和清华大学合作，于90年通过15kw中频机设计鉴定，30kw中频机也取得了阶段性成果，上海医疗器械厂和西南
29、医用设备厂也都开展了研究工作，上海厂和Siemens公司合作其它很多单位也在开展科研、试制工作，已经在国内形成了竞争力很强的新技术领域。n 二、直流逆变电源n直流逆变电源即中频机的中频电源。它由直流电源、直流逆变和逆变控制三部分组成（）直流电源 小型中频机可直接用蓄电池供电，或由交流经整流滤波后变为直流电源。15kw以下中频机一般使用单相电源，经桥式整流或倍压整流后转换成直流电源。15kw以上的中频机多采用三相可控桥式整流电源。n因为中频机的kV和mA的稳定均采用闭环控制，不受电网电压在一定范围内波动的影响内相对工频机来说，中频机对电源的要求不高。n中频机的DC-DC转换可由单端逆变，半桥式逆
30、变和桥式逆变等几种。功率控件可用可控硅，大功率VMOS，及IGBT等组成。n 三、中频电源输出功率和电压的调节n 1脉宽调制控制；这种控制方式是周期T不变，改变功率波形的脉冲宽度，即改变在一个周期内，有功部分和无功部分的占空比来实现输出功率的改变。n 2频率调制控制：这种控制方式是微分功率值不变，通过改变频率或周期来改变输出n率。n n中频机的优势。n 中频机根本改变了工频机的传统结构模式，广泛应用现代科技的最新成就，使之具有一系列独特的优点，具有绝对的优势。n 1输出高质量X线。中频机的高压输出的脉动量非常小，近似直流，输出X射线的高能化和单色化的程度大大加强，这就使病人的皮肤剂量大为降低
31、n从X线成像规律可知；对单能窄束X线，物质对其吸收遵守指数吸收规律，射线通过物质以后，只有光子数量的减少，没有光子能量的变化，这对提高影像的诊断质量是十分有利的；而一束连续的X线，物质对其吸收不遵守指数吸收规律，X线通过物质以后，不仅有光子数量的变化，能量也发生变化一线束的平均能量会越来越高，n这就是X线的硬化效应。硬化效应会形成伪影，硬化效应越大，影像的诊断质量越差。中频机从球管窗口射出的X线，已经过球管的固有滤过，相对工频机来说，其单色化程度大大加强，确保成像质量进一步提高。n2输出剂量大。由于中频机输出的X线谱中高能成分大量增多，在获得胶片黑化度相同的情况下，中频机的mAs值是工频机的6
32、0。比如单相工频机中，一个脉冲波形的持续时间为10ms，而大于0.707倍峰值的持续时间约为5m s；n而中频机的波形近似直流，所以中频机如果需要曝光10ms的剂量，则在工频机中就需要曝光20ms。曝光时间增加了一倍，势必增大了动态模糊度，严重影响了成像质量。n 如果曝光时间相同，中频机使用300mA提供的X线剂量与工频机使用500mA提供的剂量相同。n 高剂量的输出可使曝光时间缩短，改善了成像质量。n 3可进行实时控制，控制精度高。在中频机中，对kV、mA都由微机管理，闭环控制。根据实际检测值进行跟踪调整，实现实时控制，控制精度很高。这在工频机中是不可能做到的。n4输出稳定，重复性好。在中频
33、机中，kV和mA为闭环控制，曝光期间也是如此。中频电源控制电路的设定值可以做得很精确，检测电路也可以做得很稳定，所以不论影响kV、mA的因素有多少，只要其变化在某一允许范围内，则中频机每次曝光的输出量都可以保持一致。n在中频机中，不需要kV补偿和管电流的空间电荷补偿。而且逆变器总是从0点开始工n作，不存在零相位接通曝光问题，无须考虑高压变压器的瞬态过程。考虑到高压电容充电过程，高压建立时间不会超过l ms，这对曝光参数不会产生大的影响。由于中频机结构上的这些特点，使闭环自动控制系统反应迅速、准确，X线曝光量的稳定性、重复性大大提高。n 5中频机的体积大大减小。工频机中都有一个体积笨重的自耦变压
34、器，而中频电源不经自耦变压器直接从工频电源整流供电。另一方面，中频机的高压变压器和灯丝变压器可以做得很小，大大减小体积和重量。n 根据变压器原理：电压（频率匝数铁芯截面）=常数。要得到同样电压，若电源频率增大若干培，则匝数与铁芯截面的乘积就可以缩小若干倍。这就使得高压和灯丝变压器变得很小，甚至有可能省去高压油箱和高压电缆而将高压发生器和X线管一起做成组合管头。目前，西门子公司的中频机组合管头的代表容量可达50kw。这在工频机中是绝对不可能的。n 6有利于向智能化发展。中频机已全部实现电子化，很容易引进微机技术。微机的应用将使X线机各种性能，比如降落负载、自动曝光、实时控制和监测显示、故障报警、
35、自动处理等等，提高到一个崭新的水平，为X线数字化、智能化创造了条件。n7最短曝光时间更小。x线机的最短曝光时间由高压上升沿来决定。中频机的高压波形上升沿很陡，一般是十几几十微秒，所以最短曝光时间可达lms。而工频机的高压波形按正弦波形变化，上升沿变化缓慢。比如单相工频机中，一个周波为10ms，而有效电压（大于0.707）只占约5ms。每次曝光至少要占有部分有效电压，否则这样一次曝光就毫无意义。根据计算得知，最短一次有效曝光应大于3ms。n8可直接使用直流供电。这意味着可利用储能器件来解决电源条件的难题。这对缺乏交流由的场合如边远地区、地质和野战条件下更具有特殊意义。CR 和 DC成像技术n尽管
36、新型的医学成像诊断设备不断出现，传统的X线摄影还是常规检查的主流方式。n目前70以上的诊断用 X线影像仍是采用增感屏一胶片方式摄取的，不能进入PACS。因此，常规X线影像数字化或记录在胶片上的信息数字化，对实现医学影像以息管理的现代化和实用化具有重要意义。n 概述n 数字X线成像设备是指把X线透射图像数字化并进行图像处理，再变换成模拟图像显示的一种X线设备。根据成像原理的不同，这类设备可分为CR系统、数字透视n（digital fluorography，DF）系统、DR系统。nCR是用影像板记录X统影像，通过激光扫描使存储信号转换成光信号，再用光倍增管转换成电信号，再经AD转换后，输入计算机处
37、理，形成高质量的数字图像。DF是 X线被影像增强器接收后，经 X线电视系统转换为模拟视频信号，再用 AD转换器变换为数字图像信号。DR可分为直接数字X线摄影（direct DR，DDR）和间接数字X线摄影（indirect DR，IDR）。nDDR是指采用X线探测器直接将 X线图像变成电信号，再转化为数字图像的方法；IDR是指I.ITV成像链或胶片先获得X线信息的模拟图像，再转换成数字图像的方法；前者的成像原理与DF相同，后者是利用数字化扫描仪把胶片上记录的模拟信息数字化。n 根据X线束的形状又可分为锥形成像法、扇形和笔形束成像法。CR和DF属于数字锥形成像。DDR由于探测器的种类有一维探测器
38、和二维探测器之分，对一维探测器采用扇形平面X线束或笔形X线束进行扫描投影，对二维探测器则采用锥形照射。n 自从1972年出现X线CT后，在影像诊断技术领域出现了数字化浪潮，n但传统X线影像的数字化最晚。1979年出现飞点扫描的DR系统，1980年在北美放射学会（RadiologicalnSocietv of North Americ，RSNA）的产品展览会上 DR和 DF的展品引起了全世界的关注，从此，以 DSA系统为代表的 DF得到了高速发展，1982年又研制出CR系统。20世纪80年代中期各国厂商竞相开发DR和CR，90年代又大力研制直接DR的探测器，在 90年代中期，推出了实用的 DDR
39、设备。n数字 X线成像与传统的增感屏一胶片成像相比有许多优点：n对比度分辨力高 n对低对比度的物体具有良好的检测能力，动态范围可优 104n105，量化深度可达 1416bit，而屏一胶成像的动态范围约 102，量化深度约 6bit。n辐射剂量小 n有的机器拍摄胸片时只需7.710-712.910-7 C/kg（3-5mR），比常规方式降低30%-70%的剂量。这是因为数字成像系统对 X线能量的利用率高其量子检出效率（detective quantum efficiency，DQE）可达 60以上。n成像质量高n3能用计算机进行图像后处理，更精细地观察感兴趣区的细节，一些具有广阔应用前景的新技
40、术（如三维 X线成像技术、双能量 X线成像技术等）都是以数字成像技术为前提的。n4可利用大容量的光盘存储数字影像，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、省空间地实现现影像的储存一传输和诊断。n 5虽然数字X线成像的空间分辨力不如胶片，约为2一4LPmm，胶片的空间分辨力在理论上能达到57LPmm，但散射光使胶片的感光范围发散，导致锐度（与空间分辨力有关）下降；数字X线成像使用的探测器采取特殊技术减少了漫射，大幅度地克服了失锐，提高了对比度分辨力。所以，在实际应用中可满足绝大多数的诊断需要。n 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
41、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。n计算机X线摄影系统n1982年出现了第一台CR系统，它可以代替普通X线胶片成像，而且还有许多优点。CR用存储荧光屏作面探测器，如 FCR系统采用影像板（image plate,IP）作探测器，其它的面探测器还有存储磷光屏（storage phosphor plate,SPP）、闪烁晶体加光电二极管阵列、闪烁体加CCD和非结晶硒探测器等。CR与常现X线摄影相比，除了信息数字化带来的优点外，还有对比分辨率高，辐射剂量小等优点，但因散射而影响了空间分辨率。nCR的结构（图2 1）主要有信息采集部分、信息
42、转换部分、信息处理部分和信息储存及记录部分。信息采集是以存储屏代替胶片，接收并记忆 X线摄影信息，形成潜影。信息转换由读取装置来实现，用光电倍增管接收存储屏发出的荧光，并实现光电转换，再经AD转换器变换成数字信号。2-1图 n信息处理由计算机来完成，对数字化的 X线影像作各种相关的后处理，如大小测量、放大、灰阶处理、空间频率处理、减影处理等。n 信息记录利用存储媒体如光盘等，通常在储存前进行数据压缩。用于诊断需要的模拟影像照片可用激光打印胶片、热敏打印胶片及热敏纸等记录，激光打印胶片是常规的记录方式。CR信息还能直接在荧光屏上显示影像。n CR系统的结构和功能。n 一、影像板nCR影像不是直接
43、记录于胶片，而是先记忆在IP上，IP可以重复使用，但没有影像显示功能。n（）IP的结构n表面保护层n此层的作用是为了在使用过程中，防止荧光层受到损伤而设计的。n因此，要求它不随外界温度和湿度而变化，透光率高并且非常薄。聚酯树脂类纤维具有n此种特性而用于制造这种保护层。nPSL（光激励发光）荧光层 n 此层是将PSL荧光物混于多聚体溶液中，然后涂在基板上。PSL荧光物是一种特殊的荧光物质，它把第一次照射光的信号记录下来，当再次受到光刺激时，会释放储存的信号。多聚体溶液起到使荧光物质的晶体互相结合的作用。n3基板n基板的作用是保护荧光层免受外力的损伤，材料也是聚酯树脂纤维胶膜。n4背面保护层n是为
44、防止各张影像板之间在使用过程中的摩擦损伤而设计的，其材料与表面保护层相同。n（二）IP成像原理n射入 IP的 X线量子被 IP荧光层内的 PSI一荧光体吸收，释放出电子。其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态，形成潜影，完成X线信息的采集和存储。当用激光来扫描（二次激发）已有潜影的IP时，即发生光激励发光现象（简称光致发光现象）。产生的荧光强度与第一次激发时 X线的能量精确地成正比，完成光学影像的读出。IP的输出信号还需由读取装置继续完成光电转换和模数转换，才能形成数字影像。n在读取光激发下，已储存X线能量的IP中PSL荧光体发射出强度与X线能量成正比的蓝一紫光，在390400nrn波长处取得峰
45、值。PSL强度与其波长的关系曲线称为发射光谱。发射光谱与激发光谱的峰值应有一定间距，而且，还应保证光电倍增管在400urn波长处有最高的检测效率，这对提高影像的信噪比很重要。n4.IP存储信息的消退nX线激发IP后模拟影像被存储于荧光体内，在读出前的存储期间，一部分被俘获的光电子将逃逸，从而使第二次激发时荧光体发射的PSL强度减少，这种现象称消退。IP的消退现象很轻微，读出前存储8小时，荧光体的发光量约减少25。n但由于CR设备对光电倍增管增益的补偿，按标准条件曝光的IP在额定存储时间内几乎不受消退的影响。但若IP的曝光不足和存储过久，则会由于X线的量子不足和天然辐射的影响，致使噪声加大。因此
46、，最好在第一次激发后的8小时内读出IP的信息。n二、读取装置n(）结构nCR系统的读取装置可分为暗盒型和无暗盒型。n 1暗盒型读取装置其特征是将IP置人与常规X线摄影暗盒类似的盒内，它可以代替常规摄影暗盒在任何X线机上使用。目前带暗盒的IP尺寸有四种：36cm43cm（14吋17吋），36cm36cm（14吋14吋），25cm3lcm（10吋X12吋）和2025cm（8吋 10吋）。n经X线曝光后的暗盒，从CR读取装置的暗盒插入孔送人读取装置内，这一操作可以在明室完成。暗盒进入读取装置后，IP被自动取出，由激光（直径约01cm、波长约600nrn）扫描读出潜影信息，然后被送到潜影消除部分，经强
47、光照射，消除IP上的潜影。此后IP被送回暗盒内，封闭暗盒。暗盒被送出读取装置，供反复使用，整个过程是自动和连续进行的。n不同尺寸的IP读取时间是相同的。由于读取按一定的时间间隔进行，IP插入间隔短时，会发生与读取不匹配的问题。因此，在暗盒插入装置和读取部分之间设置IP缓冲堆栈，根据需要使IP在堆栈中等待。IP消除残影后送往IP分类器，当需要时送往片盒。等待时间由机器自动调节。n2无暗盒读取装置 该设备集投照、读取于一体，有立式和卧式。需专用机器，不能与常规X线摄影设备匹配。IP在X线曝光后直接被送到激光扫描和潜影消除部分处理，供重复使用。n读出的数字影像信息连同病人的信息（如病历号、姓名、日期
48、等）、摄影条件（照相部位等）一并输入计算机，进行影像处理。病人信息可以通过磁卡或专门的录入装置输入或修改，最终合成打印在CR照片上。输入的信息也是记录和检索的依据。n（二）读出原理n储存在PSI荧光物质中的影像为潜像，以连续模拟信号的形式记录，要将其输出并转换成数字化信号，需采用如图22所示的激光扫描系统。图2-2 数字X线摄影系统n20世纪70年代末开始了DR的研究，在I.ITV系统的基础上，利用AD转换器使模拟视频信号数字化，实现计算机处理。随着微电子、光电子和计算机技术的发展，数字 X线的探测器和设备也加速发展，19 9 5年 11月在 RSNA上展出了第一台性能优于CR的DDR样机。D
49、R的工作原理 图2-3 n 该系统由I.I把作为信息载体的X线转换为可见光，由CCD或真空摄像管转换成视频信号，再经AD转换后形成数字图像信号。这是最先得到实际使用的 DR设备。n 近年来CCD摄像机在提高空间分辨力、改善信噪比和减少伪影等方面均有长足的进步，有取代真空摄像管的趋势。目前I.ITV成像链系统的采样矩阵可达4 0 9 6 4096像素，灰度分辨力达12bit，采样速度已达64帧秒。n 这种系统的主要缺陷有：由于I.I和摄像管中的光散射和电子散射，引入了附加的对比度损失；电视摄像管的动态范围小，不能发现微小的组织差异；I.I的视野小，边缘和中心分辨力不一致。n 二、直接数字X线摄影
50、n DDR指采用一维或二维X线探测器直接把X线转换为模拟电信号进行数字化的方 法，不同于先获得模拟图像、再行数字化的方法。20世纪70年代末到80年代中期的 DDR采用X线扫描投影，再经放大合成为二维图像的成像方法。90年代中期出现了使用平板型探测器（flate panel detector，FPD）的数字X线摄影，n有将X线直接转换成信号的非晶态硒FPD；也有先经闪烁发光晶体转换成可见光，再转换为信号的非晶态硅FPD。因此，DDR系统可分为扫描投影数字X线摄影系统和平板探测器数字X统摄影系统。nDDR使用的 X线探测器n 1气体电离室探测器 由许多单元组成阵列，每个单元构成一个像素，大小为0
