4.1 X射线摄影

4.1.1 胶片

多数医学影像是记录在胶片上的。胶片的功能主要是医学影像的记录显示与储存。通过在厚度约为0.2mm的透明胶片片基的一侧或双侧涂上感光乳剂可获得X射线胶片，双面涂层胶片的结构如图4.1所示。胶片中间是起支撑作用的片基，它是由纤维醋酸酯或聚酯纤维树脂等材料构成的无色或淡蓝色透明片基。片基两边都涂有感光层，为了使感光层与片基贴合紧密，中间加有黏结剂。感光层的外方是保护膜。

感光层是感光灵敏的明胶乳剂薄层，明胶乳剂中均匀分布着卤化银晶体微粒。卤化银是由卤素（氟、氯、溴、碘等）与银形成的盐（氟化银、氯化银、溴化银、碘化银等），这些盐因为具有相似化学性质而被统称为卤化银。当有射线照射到卤化银上时，发生光解产生一些亚微观尺寸的Ag粒，从而在卤化银表面形成潜影（latentimage）。潜影是不可见的，须经显影，使曝光后的卤化银进一步还原为单质银，其还原速率依赖于曝光期的光强度

式中，X代表卤素。定影可将还原的银固定在胶片上，同时处理掉未感光的卤化银。

已感光胶片在显影过程中，卤化银被还原成金属银沉积在感光层中，这些银颗粒对光线起着吸收和阻止作用。在曝光过程中，射线强度大时还原的银也多，产生灰度图像的色度更黑。胶片变黑的程度称为胶片的光密度，定义为

式中，D表示胶片的光密度，I0表示对胶片的入射光强度，I表示从胶片透过的光强度。胶片的透光率定义为，胶片的阻光率定义为。胶片的光密度反映了胶片吸收光的能力。

根据有关的实验表明，一般人眼对于0.25的光密度值尚能分辨，低于0.25的光密度值则很难辨认；高于2.0的光密度值，人眼几乎无法区别，但将此照片置于强光源下，人眼又增加了分辨能力。人眼在正常的观片灯下能分辨的光密度值范围一般在0.3～2.0之间，对应的透光率为50%～1%，这时人眼有较好的识别反差的能力。一般X射线摄影所用胶片的光密度范围在0.2～3.2之间，包含了这个范围。

胶片的光密度也称为胶片的成像密度，或直接称为胶片的密度。胶片的密度可以用专门的仪器测量出来。

对胶片用一定强度的射线进行一定时间的曝光。射线强度对曝光时间的积分称为曝光量。如射线强度I是一定值，则曝光量H为

H=I·t

由于射线强度与管电流的密切关系，临床上经常采用管电流的毫安数mA代替射线强度，这时

H=mA ·t

由于胶片的曝光量不容易测定，曝光量的相对值lgH在实际中更为常用。

根据曝光量的概念，胶片的光密度随曝光量的增大而增大。图4.2所示为胶片的光密度D与曝光量H 之间的关系曲线，也称H-D曲线。从图中可以看出，曝光量如处于曲线的两头时，所产生图像的对比度较低；当曝光量为0时，胶片的光密度并不是0，而是有一个初始值，这意味着即使未经曝光的胶片在显影后也有一定的光密度，称这个光密度为胶片的本底光密度。显然，这个初始的本底光密度越小越好。大多数X射线摄影用胶片的本底光密度约为0.07。

在图4.2的曲线中间有一段接近直线的部分，表示光密度与曝光量基本呈线性关系，提示摄影时的曝光量选择应处于这个范围。曲线中近似直线部分的平均斜率称为胶片的反差系数（contrastcoefficient），用γ表示

式中，D2是由曝光量H2得出的光密度；D1是由曝光量H1得到的光密度，参见图4.2。通常在估计反差系数时，D1和D2可分别取光密度值为0.3和2.0。

相对于反差系数较低的胶片，反差系数较高的胶片更易于产生对比度高的灰度图像。如果定义胶片H-D曲线近似直线部分决定的曝光量范围为胶片的宽容度（filmlatitude），代表胶片能基于线性关系用灰度图像准确反映被检体差异的范围。显然，宽容度大的胶片可较真实反映反差更大的组织或器官特征，宽容度较小的胶片在成像时中间层次则丢失过多。从反差系数与宽容度的关系看，反差系数较高的胶片其宽容度则较小。

H-D曲线是一个胶片的特性曲线，代表了胶片的性能。胶片特性曲线的形状受曝光用X射线的特性、质量以及在显影过程中某些因素（如显影时间和环境温度等）的影响。因此，在给出胶片的特性曲线时，应对相关的条件进行说明。

胶片的另一个重要参数是感光速度。感光速度是指感光材料对光作用的响应程度，也即感光材料达到一定光密度值所需曝光量的倒数。医用胶片感光速度定义为，在胶片本底光密度以上产生光密度1.0所需曝光量的倒数。具有较高感光速度的胶片，其H～D曲线下部的坡脚较短。胶片感光速度越低坡脚越长。胶片的感光速度主要取决于感光明胶乳剂中卤化银晶体微粒的大小。微粒较大的胶片比微粒小的胶片感光速度更快。

另外，胶片感光速度也会随着曝光胶片的X射线能量变化，详细内容不再赘述了。

普通X射线屏-片（screen-film）摄影成像的空间分辨率主要由胶片上感光颗粒的大小决定。目前用于胶片感光的卤化银颗粒平均线度为1μ（溴化银颗粒大小稍小，为0.25μm）左m右，在感光材料中算是较大的。尽管感光颗粒大小在微米数量级，但由于颗粒线度不均、量子光斑等引起的噪声、光源的焦点有一定尺度（0.6～1.0mm）等因素，胶片上感光颗粒的线度大小为0.1～0.2mm。这也就是说，屏-片成像的空间分辨率是0.1～0.2mm，这在目前所有的医学成像方式中是最高的。

4.1.2 增感屏

增感屏是X线摄影中的重要器材之一。增感屏利用X线激发屏中的荧光体发出荧光，增强胶片的感光作用，从而可以大大减少X线曝光所需条件。用于X射线摄影的胶片分为直接成像用胶片和增感屏（intensifyingscreen）用胶片。直接成像用胶片设计为对X射线敏感，对可见光不敏感；而增感屏用胶片设计为对可见光敏感，需用增感屏将X射线转化为可见光。然而，对任何一种胶片来说，如果不用增感屏，X射线的利用率就太低了。一般情况下，射线束中仅有2%～6%的能量会被胶片吸收，且X射线光子能量越强胶片吸收的能量越少。现在，只有对影像的细节要求极高的情况下，才会考虑使用这种无增感屏的成像模式。为了提高射线的利用率，在诊断放射学中实际所用的几乎所有胶片都是与增感屏配合使用的，即在暗盒中将胶片夹在两片增感屏的中间，再进行曝光。多年来随着增感屏技术的改进，相当程度上降低了成像所需的射线剂量。

1.荧光现象

某些物质在紫外线、X射线、γ射线、高能电子流等激发作用下进入激发态，原子中的轨道电子进入高能级，在随后电子向低能级跃迁时，将能量以可见光的形式释放出来，这种现象称为荧光现象，所发出的可见光称为荧光，能发荧光的物质叫荧光物质。荧光现象是物质吸收了外部能量后的能量释放过程，该过程不改变物质本来的物理化学性质。

2.增感屏的结构

增感屏主要由四层结构组成，包括基层、荧光物质层、保护层和反射吸收层，如图4.3所示。

增感屏中的基层是荧光物质的支撑体，由树酯处理后的硬纸板或聚酯塑料板制成。荧光物质层均匀悬浮于一种胶结剂（如硝化纤维树酯）中。荧光物质分为两大类：单纯型（如钨酸钙）和赋活型（如稀土类）。其中赋活型由荧光母体、赋活剂和融剂三种成分组成。荧光母体中包含了构成荧光物质的基本成分（如CaS、BaS等）；赋活剂是增强荧光物质发光活性的物质（如Tb、Eu等）；融剂（如KCI、NaCI、BaCL2等）则促进母体的结晶，同时有增加发光效率的作用。增感屏中的保护层主要由高分子聚合材料制成，其作用是对质脆的荧光物质进行物理保护，防止污染便于清洁、减少静电产生等。增感屏中的反射层是在基层上涂的一层光泽明亮的无机物（如二氧化钛、硫酸钡、氯化镁等），起反射荧光、提高发光效率的作用。而对于清晰型增感屏则设有吸收层，是在基层上加涂一层吸收物质（如碳黑、染料等）以吸收由荧光物质向基层照射的荧光，防止荧光反射，提高影像清晰度。

3.增感屏的种类

根据所用的荧光物质，增感屏主要分为钨酸钙增感屏和稀土增感屏。钨酸钙增感屏使用的荧光物质为钨酸钙（CaWO4），发射光谱波长在350～560nm，峰值在420nm。根据钨酸钙晶体颗粒的大小，这种屏又分为低速、中速、高速三种。钨酸钙屏的主要缺点是对X射线光子的吸收效率和荧光转换效率都较低。稀土增感屏使用的是一种含有稀土元素的荧光物质，所谓稀土元素，是指钇系和镧系15种元素的总称。稀土屏的最大特点是在X线激发下荧光发光效率高于钨酸钙屏。目前最常用的稀土屏为氟氯化钡/铕屏和硫氧化钆/铽屏。

钨酸钙屏中的X光光子的吸收从20%变化可到40%，而对于稀土屏，吸收近似为40%～60%。钨酸钙屏吸收能量转换为可见光的百分比大约为5%，而对稀土屏，其值约为20%。因此，稀土屏不仅能吸收更多的X光光子还能将吸收的能量更多地转换为可见光。

为了适应某些特殊条件的摄影要求，目前还出现了不少特殊用途的增感屏，包括适用于远端四肢关节摄影、观察微细的骨纹理影像用的超清晰型增感屏；适用于120kV管电压的高压摄影增感屏，这种屏可充分利用穿透力很强的射线；用于多体层同时摄影的多层增感屏；乳腺摄影专用增感屏，与单感光层的胶片配合使用，可将照射剂量减少到1/15～1/30，同时可保证成像质量；连续摄影用增感屏，专用于快速连续换片装置中。其增感率高，表面的物理强度高，防静电性能好。

4.增感屏的性能与作用

增感屏的增感作用常以增感率表示。在胶片上产生的光密度都为1.0时，无增感屏与有增感屏情况下胶片所需吸收的辐射之比，称为增感率。记作

式中，f表示增感率，R0为无屏时需要的辐射量，R为有屏时需要的辐射量。一般增感率可达数十倍到上百倍，氟氯化钡稀土屏的增感率为钨酸钙屏的4～5倍。增感率的大小主要受荧光物质发光效率和增感屏的物理结构两因素影响。

使用增感屏可增加影像的对比度，但却在一定程度上会降低影像的清晰度，其原因主要是荧光物质形成的光扩散，增感屏与胶片的贴近状态和X射线斜射效应等原因也会影响影像的清晰度。

4.1.3 散射与滤线器

由X射线管发射出来的射线在穿过人体或其他物体时，可产生许多方向不定、能量较低的散射线，这些散射主要来自康普顿散射。散射线的能量与射线管发出射线的能量及散射角度有关。射线管射线的能量越大、散射线偏离原射线方向的角度越小，散射线的能量越大。在X线摄影中，散射随着透射组织的厚度、射线波长（管电压）、射线强度（管电流）、照射野等的增加而增加。此外，如组织的原子序数较高或密度较大，由于组织中电子数多，产生的散射线也多。

由于散射线方向的凌乱、能量不等且较小，对成像的影像主要表现为散射线灰雾，严重时可使影像边缘和细微结构模糊不清，造成影像对比度下降。因此，抑制散射对提高影像质量有重要价值。目前，滤除散射线的主要方法是使用滤线器来滤除散射线。

滤线器的核心部件是滤线栅（grid），滤线栅是将薄铅条（一般厚0.5～0.1mm）间隔放置在易透过X线的填充质（如胶木、纸板等，厚约0.15～0.35mm）中，使其固定成相互平行状，或结合扇形射束固定成倾斜聚集状，这两种不同的固定方法形成的滤线栅分别称为聚焦型滤线栅和平行型滤线栅。滤线栅表面如果再附加铝板或合成树脂板起支撑和保护作用，就成为有一定厚度的能吸收散射线的滤线器，如图4.4所示。

X射线摄影时，将滤线器置于肢体与胶片之间。对聚焦型滤线器，应注意调整滤线栅的焦点，并使X射线的中线与聚集型滤线栅的中心重合，这样，来自射线管的射线大部分可穿过铅条间隙到达胶片，小部分照射到铅条上被吸收。但方向凌乱的散射线则不能通过铅条间隙，大部分被吸收，这就减少了胶片上接受的散射线数量，改善了影像的对比度。滤线器的工作原理示意如图4.5所示。然而，这种固定式的滤线栅可在照片上留下细小的铅条影，目前研发的活动式滤线栅可通过滤线器的运动，消除铅条影，在此不再赘述。

滤线器的滤线性能与铅条的间距、铅条的高度、铅条本身的宽度都有关系。铅条的间距d与铅条的高度h的比称为栅比，如图4.6所示：

这里的R就是栅比，代表一个滤线器滤除散射线的能力，栅比值越高其消除散射线的能力越强。

代表滤线器滤线能力的另外一个参数是栅密度。栅密度（n）表示滤线栅上1cm距离内，铅条本身与其间距形成的线对数，常用线/厘米表示。

D为铅条本身的宽度。栅比值相同，栅密度n值大的滤线栅，吸收散射线能力强。

4.1.4 特殊X射线摄影

对某些组织或器官成像时，如用前述的X射线摄影技术很难得到理想的影像。针对不同成像对象，在普通X射线摄影方法的基础上，发展了特殊X射线摄影技术。

1.软X射线摄影

当光子的能量低于35keV时的X射线称为软X射线。软X射线作用于人体，与人体发生的作用主要是光电效应。从前面有关光电效应发生概率的分析中可知，由于光电吸收效应导致的线性衰减系数与X射线能量的三次方成反比，与吸收物质的原子序数的三次方成正比，在管电压一定的情况下，组织对射线的吸收主要取决于组织的等效原子序数。对于那些在密度上没有什么大差别、但等效原子序数有一定差别的物质来说，这一性质对其射线成像具有重要价值。

软X射线摄影的主要应用领域是乳腺摄影成像。乳房组织中存在的肌肉和脂肪等密度相近的成分很难用普通X射线影像进行区别，表4.1是几种人体内常见物质的密度与等效原子序数。从表中可看出，肌肉和脂肪组织的密度相近；与腺体或肌肉组织相比，脂肪由于含有更多的氢原子而具有稍低的有效原子序数。然而，肌肉吸收的软X射线却是脂肪的2（7.463/5.923）倍。由于软X射线被物质吸收与物质的等效原子序数之间存在的这种几何级数的变化关系，使密度相差无几的肌肉、脂肪等软组织的影像对比度可大大提高。

乳腺成像专用设备的X射线产生时，可用钨靶配合较低的管电压（30～45kV）来形成低能量的韧致辐射X射线束。然而，更好、也更常见的方法是用钼靶同时产生韧致辐射X射线和能量大约在17keV和19keV的标识X射线。对这些X射线用0.03mm的钼板加以滤过，能量极低的部分就被滤除了，剩余X射线的能量基本都高于10keV，主要能量处于17～19keV之间。

软X射线摄影技术也存在一些技术上的局限。管压较低时，产生X射线的效率降低了，低能量的X射线在组织中也会很快衰减，因此成像需要的照射量相对需要提高，以保证有足够的射线能到达胶片用于成像。在能量极低时（10～15keV），X射线在空气中的衰减也要认真考虑。

2.X射线造影与造影剂

一般的X射线摄影只适合于不同组织且密度差异较大的情况。这时不同组织对X射线的吸收有明显的差异。如胸部平片摄影时的主要成像对象是含气体的肺、胸骨等。气体吸收X射线最少，密度最低。骨骼密度最高，吸收X射线最多。所以肺和骨骼与任何其他结构都具有明显的密度差别而能清楚成像。脂肪与软组织之间的物质密度差别不大，只有在特殊的曝光条件才能在胶片上呈现密度不同的影像。然而，人体中有许多重要组织或器官是由软组织所组成，周围也为软组织所环绕，它们之间的物质密度大致相同，或仅有细微的差别，如肌肉与血管。另有一些软组织器官如心脏、血管、脑、肾和胆囊等，中间含有腔道，充满体液，后者的密度与软组织相同，即使能显示出其外形也不能显示其内腔的细节。普通条件下X射线摄影会由于物质密度差别小导致影像密度差别小，影像难以形成足够的对比。为了提高X射线成像对这些密度相近的不同组织或器官的分辨力，常常从外界给人体引入一种特定的物质，用以增强或减弱X射线的衰减，这样许多解剖学上的组织结构就能被更清楚地显像，这种合适的物质就是所谓的造影剂（contrastmedia）。造影剂的作用是在引入目标器官或组织后，能使其与周围背景形成较大的密度差，从而改变器官或组织与周围组织密度相近、不利于成像的情况。引入了造影剂后的X射线摄影称为X射线造影。图4.7是一个胃肠道钡餐造影图像的例子。

造影剂又称对比剂，是放射成像中最常使用的药物之一，主要用于血管、体腔的显示。自1924年美国的Brooks用50%的碘化钠成功地做了第一例股动脉造影以来，造影剂产品不断的更新换代。作为理想的造影剂应具备如下特点：①造影成分含量高；②合成简单产量高成本低；③内外理化性能稳定，便于储存；④无刺激性，副作用小；⑤黏稠度低，无生物活性和毒性。

造影剂种类多样，目前用于X射线放射成像的造影剂多为含碘（I）或钡（Ba）的制剂。这是因为I（Z=53）和Ba（Z=56）的衰减系数大大超过了软组织（等效原子序数仅7.4）。另外，在I和Ba的K吸收限（吸收边缘）临界点（对I：33keV；对Ba：88keV）之间，Ba和I的质量衰减系数甚至超过了铅（Pb，Z=82），参见图4.8。在能量的这一区城内，X射线在I和Ba中的衰减要快于在同等质量的Pb中的衰减。由于大多数医学X射线成像所用的X射线光子能量正好介于33keV与88keV之间，故含Ba和I的化含物就成了比含Pb或其他重元素化合物更好的显影剂，即使不考虑后者的毒性等其他因素对其使用的限制。另外，含I或Ba化合物的毒性极小，使得这两种化合物成了造影剂制造中的最佳选择。如果与含I化合物相比，含Ba化合物还有一个优势，就是在高密度液体中的可溶性更好。

空气也可以作为造影剂引入某些特殊部位（如脊柱的珠网膜下腔），以取代那些可能妨碍内腔成像效果的液体或组织。由于空气的密度很低，X射线能几乎无衰减地穿过。因此，空气的导入提高了腔内结构及其周围组织成像的对比度。