第三章模擬X線成像第一節模擬X線信息影像模擬X線圖像形成的三個基本條件：第一，X線具有一定的穿透力，能穿透人體的組織結構；第二，被穿透的組織結構，存在著密度、原子序數和厚度的差異，X線在穿透過程中被吸收的線量不同，透過的線量有差別；第三，透過的有差別X線是不可見的，經過成像介質的顯像，在X線片上（或熒屏上）顯出具有黑白（或明暗）對比、層次差異的X線圖像。一、X線透視及其特點X線透視分為熒光屏透視和影像增強器透視等。早期使用的熒光屏透視，由于熒光屏亮度太低，圖像質量差，檢查時患者及醫生接受的輻射劑量大，防護條件差。影像增強器透視：此方式影像亮度高，便于觀察，可以實現醫生的明室操作環境，提高了診斷的正確率和工作效率，監視器可以放在任意位置，方便觀察并且為隔室透視提供了技術基礎。透視的優點：可以動態、多角度、適時的觀察組織器官的形態，并可以立即得到檢查結果，在介入診療技術中是不可或缺的一個重要手段。缺點：其影像細節的顯示與屏-片系統攝影相比還不夠清晰，非數字化透視裝置不能留下動態的永久記錄。另外，透視對于患者的輻射劑量比較大，所以選擇透視檢查手段時要慎重考慮其必要性。二、X線攝影及其特點X線攝影：優點是照片影像空間分辨力較高，可長期保存記錄，便于復查對比，被檢者接受的X線量少，缺點是照片僅是瞬間的固定影像，難以了解臟器的動態變化。其他的X線攝影：軟X線攝影、眼異物定位以及X線造影。第二節模擬X線成像信息接收器一、醫用X線膠片（一）種類1.直接攝影用X線膠片（1）感綠膠片：這是一種配合發綠色熒光增感屏使用的膠片，吸收光譜的峰值約為550nm。特點是在與發綠色熒光的稀土增感屏組合下感度可高達1200，被照體X線的接受劑量大幅度減少。1）T顆粒膠片：是將鹵化銀顆粒切割成扁平狀，以預期的方式排列，并在乳劑中加入防止交疊效應的染料，增加了影像的清晰度。2）普通感綠膠片：一種配合發綠色熒光增感屏使用的膠片，鹵化銀乳劑是傳統顆粒。3）乳腺攝影專用膠片：以高對比度為主要特點，其產品主要有高分辨力、高感度、單層或雙層乳劑等。（2）感藍膠片（色盲片）：是配合發藍色熒光增感屏使用的膠片，感光乳劑的固有感色是以藍色為主，不添加色素。其吸收光譜的峰值約為420nm。1）標準感度膠片：適用于大部分的一般攝影，性能適中，低灰霧、高對比，可使骨骼、空氣和對比劑之間對比度增強。2）大寬容度膠片：特點是感藍、中速、對比度相對較低，但可呈現出一個大寬容的密度范圍，攝影條件可因此有較大的通融性，適用于胸部及腹部攝影。2.激光打印及熱敏成像膠片（1）激光膠片：激光膠片用于記錄激光掃描圖像。按激光種類分為紅外線激光膠片和氦氖激光膠片兩種，按后處理形式分為干式和濕式兩類。（2）熱敏膠片：用于干式打印方式，常使用碳黑材料，不對可見光感光，多屬非銀鹽材料。直接熱成像方式使用的膠片，在可見光下曝露后仍可使用，不影響成像效果。采用激光曝光/熱顯影技術的打印成像，一般習慣上稱其為〝干式激光打印〞；而采用非激光、直接熱成像技術的打印成像，一般稱其為〝干式打印〞3.多幅相機膠片亦稱CRT記錄圖像。適用于CT、MRI、DSA、ECT、超聲等圖像的記錄。特點是能攝取顯示器屏幕影像。在核醫學的動態研究中，能以低劑量而顯示出高清晰的圖像效果。4.影像增強器記錄膠片（1）熒光電影膠片：用于攝取動態熒光電影圖像。膠片既有很高的感光度，又要有顆粒細膩的特點。（2）熒光屏圖像及熒光縮影膠片：用于熒光屏下的（點片）攝影或體檢熒光縮影。影像增強器記錄膠片隨著數字化影像的普及和開發，逐漸被淘汰。（二）醫用銀鹽感光膠片的結構及成像原理1.結構主要由感光乳劑層、片基、附加層構成。（1）感光乳劑層：感光乳劑層主要由鹵化銀（AgX）和明膠組成。1）鹵化銀：是一種具有感光性能的物質，起著記錄影像的作用。其中氯化銀（AgCl）、溴化銀（AgBr）、碘化銀（AgI）分別為白色、乳白色和淡黃色的固體，都應用于感光材料。鹵化銀是膠片產生影像的核心，從膠片制作到曝光、沖洗都是圍繞著它進行的。它是以微晶體狀態存在，其感光作用是以每個晶體為單位進行的，膠片記錄下來的影像效果，是千千萬萬個微小鹵化銀晶體感光效應的總和。在其它條件相同時。晶體顆粒大，感光度高；晶體顆粒小，分辨力高；晶體顆粒分布均勻，顆粒性好；晶體顆粒大小不一，寬容度大。2）明膠：明膠的作用：①提高感光乳劑的感光度；②起保護性膠體作用；③吸水膨脹后具有多孔性；④具有熱熔冷凝性；⑤具有很強的粘性；⑥參與堅膜作用，加入堅膜劑后明膠熔點可從30oC提高到70oC。明膠的性能不穩定，隨動物生長條件的不同而變化，這常常給膠片的感光特性帶來不穩定的因素。3）色素：色素為一種有機染料，用以調節膠片的吸收光譜范圍（感色性）。不含有色素的膠片，其吸收光譜范圍大都限制在500nm以下的藍、紫色光區域，此稱為鹵化銀〝固有感色波長域〞。而間接攝影用的膠片，如熒光縮影片、多幅相機和激光相機所用膠片以及直接攝影用的感綠片，需要在膠片乳劑中加入某種色素（如碳菁），以使乳劑的吸收峰值移向綠色波長（550nm）范圍提高感光度。（2）片基：片基是乳劑層的支持體，承載感光乳劑的涂布。片基應具備條件：①光學性能，片基本身無色透明；②物理性能，片基的平面性、均一性良好，無暈殘影。堅韌而不脆，具有一定機械強度和幾何尺寸穩定性，導電性好。有耐熱性，熱變形尺寸很小，軟化溫度高，不易燃燒；③化學性能穩定，同乳劑及沖洗藥液不起任何化學反應；④制造適宜性。片基種類：為硝酸纖維素片基、醋酸纖維素片基、聚酯片基等三類。聚酯片基（又稱滌綸片基）的特點是熔點高，熱穩定性好，彈性高，吸收性小，收縮性低，平整度好，化學穩定性好。現在直接攝影X線膠片均以聚酯片基為其支持體，特別是用于自動沖洗機沖洗的膠片。（3）附加層：附加層包括保護層、底層及防光暈層（防反射層）。1）保護層：為防止質地柔軟的乳劑層的機械損傷，在其表面涂有一層韌性很強的膠體，予以保護。2）底層（結合層）：為使乳劑層牢固地粘附在片基上，在片基表面涂有一層粘性很強的膠體，以防止乳劑層在加工時脫落。3）防光暈層（防反射層）：作用是防止光線從片基反射回去，再次使乳劑層感光，造成影像的灰霧。防光暈層中的光吸收物質，主要有膠體銀、防光暈染料和炭黑。此外，在X線膠片中還涂有防靜電層，防腐層或在保護層、乳劑層中加入防靜電劑、防腐劑、堅膜劑、防灰劑等成分。2．感光原理（1）光化學反應：是指物質見光后能引起化學變化的現象。一般是光化學氧化還原反應。反應的過程是光量子進入反應物（AgX）后，光子所具有的能量（E＝hυ），恰好能使反應質點的某些電子從低能級達到使質點活化所需的高能級。物質吸收了光能引起化學反應。不適合吸收的光能被透過或反射。（2）潛影的形成：潛影是感光膠片被曝光后，在膠片內部產生的微量的新生銀原子團。潛影的生成一般是以感光中心的存在為基礎的。感光中心：就是在乳劑的制備過程中形成的微量銀質點。這樣的質點也叫灰霧中心，感光中心增多，膠片感光度增大，但照片灰霧加重。當AgX接受光的照射（曝光）后，AgX吸收光量子能量，光量子激發了溴離子，使溴離子的電子能量加大，而脫離了溴離子，即：Br-+hυ→Br+e此電子又去還原AgX中的銀離子而成為銀原子。Ag++e→Ag這種反應的結果，使得膠片上以感光中心為基點的周圍產生了更多的銀原子，當銀原子的數量增加到一定程度，就會催化顯影劑對感光銀鹽的化學反應，這種數量增加的銀原子集團稱為顯影中心。無數的顯影中心在膠片上的分布就形成了潛影。亞潛影（3）感光現象：銀鹽感光材料的感光在一定條件下可能出現幾種感光現象。1）互易律失效：一般情況下光化學反應生成銀原子的量與接受的光能成正比，即在攝影過程中密度與曝光量成正比。但是，在攝影成像中當光強度過大，曝光時間過短或光強度過小，曝光時間過長時，往往密度并不一致，此為互易律失效。2）間歇曝光效應：用同一光強度的連續曝光與間歇曝光，雖然曝光量相同但會產生不相同密度的效應。3）反轉現象：膠片在特殊條件下（如大曝光量、重復曝光等），所獲得的密度反而下降現象。4）靜電效應：由于感光材料在制作、包裝、攝影過程中的靜電摩擦帶電產生潛影，顯影后呈現樹枝狀或斑點狀、條紋狀偽影的效應。5）壓力效應：感光材料在曝光前（曝光后）局部受到壓力產生壓力效應，顯影后局部呈現密度增加（或降低），形成偽影的現象。3．感光效應使感光系統（屏-片系統）產生的感光效果稱為感光效應（E）。可近似地表示為：式中：V代表管電壓（kV）；I代表管電流（mA）；t表示攝影時間（s）；f代表增感屏的增感率；S表示膠片的感光度；Z表示焦點物質的原子序數；r表示焦-片距（cm）；B代表濾線柵曝光倍數；Da代表照射野面積（cm2）；K表示除上述因素以外所有能影響感光效應的因素，如電源質量，整流方式、X線機性能、顯影液性能等。影響感光效應的因素分為相對固定的因素與經常變動的因素兩類。如管電壓、管電流、曝光時間、焦-片距等是經常變動的因素。其余的因素就是相對固定的因素。據此，感光效應與攝影條件之間的關系可簡化為下式：膠片接受的感光效應越大，所產生的顯影中心就越多，催化顯影的作用就越大。4．顯影的原理顯影是氧化還原反應。是將已感光的鹵化銀用還原劑（顯影劑）還原成金屬銀，進而形成影像。曝光膠片的總反應為：顯影劑+鹵化銀→顯影劑氧化物+金屬銀+鹵化氫隨著銀原子還原數量不斷、快速、大量的增加，照片的光學密度值（黑化度）越來越大，直至達到診斷所需密度值為止。（三）醫用激光膠片結構及成像原理1．結構激光膠片分干式和濕式兩種，其基本結構是一種單面乳劑層膠片。主要由保護層、乳劑層、結合層、片基及防光暈層組成。（1）保護層：在膠片表面涂布一層透明的特殊膠質材料，以保護乳劑層，防止操作時劃傷和污染，同時避免在輸片過程中卡片、粘片和靜電的產生。（2）乳劑層：由感光物質溴化銀、碘化銀和明膠組成。為提高感光性能和適應自動沖洗機的要求，采用了單分散鹵化銀濃縮乳劑和低膠銀比的薄層擠壓涂布技術，并增加了堅膜劑，抗靜電劑、防腐蝕劑以及防灰霧劑等成分。（3）結合層：為使乳劑層牢固地粘附在片基上，在片基表面涂有一層粘附性很強的膠體，以防乳劑層在沖洗加工時脫落。（4）片基：采用聚酯纖維材料，是乳劑層、防光暈層、保護層的載體，它可使膠片在激光打印機內可靠地傳遞。（5）防光暈層（防反射層）：在片基的底面涂有一層深色的吸光物質，以吸收產生光滲現象的光線，防止反射光對乳劑再感光。對提高影像清晰度起到良好作用。2．濕式激光膠片的成像原理是把各圖像的像素灰階值輸入到存儲器中，在計算機直接控制下使用激光束對專用激光成像膠片上各像素單元曝光，如下圖所示。激光對膠片進行掃描后，經自動洗片機進行顯影、定影、水洗及干燥等過程完成照片的沖洗。其顯影過程的基本原理同前述的銀鹽感光膠片相同。3．干式激光膠片成像原理成像屬于激光曝光熱成像技術（光-熱激光成像）。成像過程為：①利用紅外激光光源對干式鹵化銀膠片進行激光掃描，銀鹽吸收光后，在膠片內形成潛影；②曝光后的膠片，通過熱敏鼓加熱使熱能作用于潛影。感光的鹵化銀受熱后經過催化反應被還原成銀原子，形成可見的銀微粒構成可見影像，未感光的鹵化銀則保持原狀。（四）熱敏干式膠片結構及成像原理熱敏干式膠片不含鹵化銀，其記錄層由碳黑替代。不需要暗室及化學處理，一切操作過程可在明室進行。膠片在干式打印機成像過程中，原有的兩層保護膜成像后脫落，形成一張薄膜圖像，之后于碳黑層圖像兩面再各壓一層保護膜。因干式膠片成像依靠熱力打印，故又稱干式熱敏膠片。1.結構由熱敏記錄層、保護層、背層和基層組成。（1）熱敏記錄層：亦稱感熱層，為圖像記錄層。由顯色劑微型膠囊和顯色劑乳化物組成。（2）保護層：由微細的無機原料及潤滑劑組成。提高加熱時熱力頭的潤滑性，減少加熱時轉矩變動引起的圖像不均及熱力頭的物理性磨損。（3）背層：由無光層和UV吸收層組成。無光層內加入有3～6μm的無光劑，把UV吸收劑微型膠囊的光散亂效果和表面光澤進行調整。UV層內設置有UV吸收劑微型膠囊。利用UV吸收劑膠囊的內部散射來優化無光澤材料的顆粒大小和使用量，提高耐光性。（4）基層：又稱片基，為175μm厚的聚酯材料構成。2.直接熱敏成像原理是利用熱力頭對熱敏膠片打印成像。熱力頭能把電力轉變成熱力，在熱敏膠片上進行打印。熱敏膠片是一種非銀鹽性片，膠片的感熱層（成像層）內含有顯色劑的微型膠囊（直經為μm級）和顯色劑乳化劑，靠粘合劑散布在膠片支持體上。感熱記錄方式有：①助熔熱復制方式；②升華熱復制式；③直熱記錄式。（五）醫用X線膠片的感光特性及測定1.感光材料的照相性能①感光性能。感光材料的感光度、灰霧度、反差系數（平均斜率）、最大密度、寬容度等參數，可通過感光測定獲得；②物理性能。感光材料的熔點、厚度、保存性、感色性、色溫性等，可通過物理性測定方法獲得；③成像性能。感光材料的清晰度、分辨力、顆粒度、調制傳遞函數等參數，可通過成像質量測定方法獲得。2.膠片特性曲線（1）膠片特性曲線：1）光學密度與曝光量：光學密度：是指膠片乳劑層在感光及顯影作用下黑化程度的物理量。數值上等于阻光率的常用對數值，記作：式中：D為光學密度；I0為入射光強度；I為透過光強度。如下圖所示。曝光量：表示光強度與曝光時間的乘積。記作：式中：E為曝光量，I為光強度，t為曝光時間。但臨床上常用管電流（mA）與曝光時間（s）的乘積來表示。因此上式亦記作：在X線膠片感光測定時，屏-片系統無法得到絕對曝光量的大小，而以相對曝光量（RE）來表示。2）膠片特性曲線定義：是指曝光量與曝光量所產生的密度之間關系的一條曲線，由于這條曲線可以表示出感光材料的感光特性，所以稱之為特性曲線。3）膠片特性曲線組成：由足部、直線部、肩部和反轉部組成。足部：即特性曲線開始的部分，其走行近似與橫坐標平行，達到一定曝光量后，曲線開始沿弧形緩慢上升，足部密度的上升與曝光量不成正比，曝光量增加較多，密度只有較小的增加。直線部：該部密度與曝光量的增加成正比，密度差保持一定，此時曲線沿一定的斜率直線上升。它是整個特性曲線中是曝光正確的部分，也是X線攝影力求利用的部分。肩部：肩部的密度隨曝光量的增加而增加，但不成正比，曝光量增加較多而密度上升較少，此部在照片影像上顯示為曝光過度。反轉部：隨曝光量的增加，密度反而下降，影像密度呈現逆轉。產生反轉現象的原因是潛影溴化的結果。4）感光特性值：本底灰霧（最小密度Dmin）：感光材料未經曝光，而在顯影加工后部分被還原的銀所產生的密度，稱為本底灰霧或最小密度。它由片基灰霧和乳劑灰霧組合而成。片基灰霧：指感光材料不經顯影，直接在定影中處理，將鹵化銀全部溶解之后的密度。乳劑灰霧：指乳劑制作中，為謀求一定的感度而產生的感光中心。帶有這種感光中心的鹵化銀結晶，即使不經曝光在顯影加工時也會還原成銀。這種較大的感光中心稱為灰霧中心，灰霧度的大小取決于乳劑中灰霧中心的量。乳劑灰霧可由本底灰霧減去片基灰霧得到。注意：照片質量進行評價時提及〝灰霧〞與膠片本底灰霧一詞不能等同。照片灰霧是泛指，它包括本底灰霧和由散射線等各種原因所致灰霧的總和。感光度（S）：是指感光材料對光作用的響應程度，也即感光材料達到一定密度值所需曝光量的倒數。醫用X線膠片感光度定義為產生密度1.0所需曝光量的倒數X線膠片通常取相對感度來表示，即與感度為100的特定膠片相對比較。相對感度的概念更有利于X線攝影條件的正確選擇。X線膠片相對感度的計算方法，是以產生密度1.0（Dmin+1.0）的膠片A的曝光量對數值（lgREA）與膠片B的曝光量對數值（lgREB）之差的反對數值乘以100。反差系數（γ值）：稱對比度（contrast）系數。反差系數是指特性曲線直線部分的斜率：平均斜率（用G表示）：連接特性曲線上指定兩點密度（Dmin+0.25Dmin+2.00）的連線與橫坐標夾角的正切值。記作：式中：lgRE2和lgRE1分別表示Dmin+2.00和Dmin+0.25兩點密度值所對應的相對曝光量的對數值。具有較大反差性能（γ、G）的X線膠片能獲得較大的影像對比效果。最大密度（Dmax）：對某種感光材料來說，密度上升到一定程度時，不再因曝光量的增加而上升，此時的密度值稱為最大密度（Dmax）。寬容度（L）：是指特性曲線上直線部分在橫坐標上的投影，表示的是正確曝光量的范圍。從X線攝影角度講，有效寬容度是指產生診斷密度（0.25～2.0）所對應的曝光量范圍。反差系數γ越大，寬容度L越小，而不同組織間的影像銳利度越高；γ越小，L越大，信息增多，影像層次豐富，攝影條件的通融性也增大。3．感光測定簡介（1）定義：感光測定是一種表示感光材料所接受的曝光量，同由此而產生的密度之間關系的定量測定方法。（2）應用：感光測定除對感光材料的相關膠片特性進行測定外，還可以利用其進行顯影液性能的測定、沖洗機因素的測定、增感屏感度的測定、X線物理特性對影像影響的測定以及其它一些有關測定。遵循原則：一是必須使測試條件具有充分代表性，確實符合攝影的實際情況；二是必須遵循測試條件固定不變的原則。（3）方法：因曝光源不同而分為可見光源和X線光源兩類。可見光法：是將測試膠片置于感光儀上，對其以一定比率進行已知量的曝光，再經顯影加工處理、密度測量、繪制特性曲線，求取特性值。此方法因其感光參數難以與X線攝影的實際情況相吻合，很少用于臨床實踐中。X線感光測定三種方法：1）時間階段曝光法：是一種其它條件固定，通過限時定量對膠片進行X線曝光的方法，經顯影加工、密度測量，便可繪制出特性曲線。但是這種方法因受限時器、互易率失效等影響而易出現誤差。2）鋁梯定量測定法（也稱自舉法Bootstrap）：這是在使用鋁梯厚度改變X線強度的基礎上，根據Log2=0.3的數學關系加以定量測定的方法。為了解決鋁梯厚度與X線衰減的非線性關系，可在鋁梯下加一層0.5mm厚的銅片，以取得近似的線性關系。測試步驟：①曝光，鋁梯（21級）為光楔模板，對X線膠片上的兩個鋁梯分別進行X線曝光，其中一個接受的曝光量是另一個的二倍。②顯