X光成像技術

X射線又稱倫琴射線，它是肉眼看不見的一種射線，但可使某些化合物產生螢光或使照相底片感光；它在電場或磁場中不發生偏轉，能發生反射、折射、干涉、衍射等；它具有穿透物質的本領，但對不同物質它的穿透本領不同；能使分子或原子電離；有破壞細胞作用，人體不同組織對於X射線的敏感度不同，受損害程度也不同。因此，X射線能使人體在螢屏上或膠片上形成影像，是基於人體組織有密度和厚度的差別。

基本介紹

• 中文名：X光成像技術
• 外文名：X ray imaging technology

摘要

1895年德國物理學家倫琴發現X射線後，首先被用到醫學診斷上，第二年就提出了用於治療的構想。在這一百多年當中，X射線在醫學、安檢、無損檢測、工業探傷等領域中發揮了巨大作用。相關的技術有：超聲、CT、DAS、MR、SPETC和PTE等等。此外，X光成像技術還可用於對畫作的鑑定，例如，科學家通過該技術發現：達·文西實際上給蒙娜麗莎畫了眉毛。

簡介

由於存在這種差別，當X線透過人體各種不同組織結構時，它被吸收的程度不同，所以到達螢屏或膠片上的X線的量有差異。在螢屏或X射線片上形成黑白對比不同的影像。因此，X射線一發現就在醫療上顯示了巨大的套用價值，幾個星期後，醫學家就套用X射線準確地顯示了人體斷骨的位置。隨著時間的推移，X射線已經成為現代醫療中不可缺少的設備。

發展

隨著科技的進步，X線攝影經歷了從最早的攝影乾板到膠片/增感屏組合，到目前數位化X射線圖像的各階段的進步。二十世紀60年代末至70年代初以來，隨著計算機與微電子技術的飛速發展，席捲全球的數位化技術和計算機網路與通信技術已經對X光影像設備產生廣泛而深遠的影響。

影像設備的數位化和網路化以及占醫學信息比例最重的醫學影像信息的資源共享是大勢所趨。1981年日本富士公司推出數位化X射線成像技術（ComputedRadiograph，即CR）。CR技術採用影像板代替傳統的膠片/增感屏來記錄X射線，再用雷射激勵影像板，通過專用的讀出設備讀出影像板存儲的數位訊號，之後再用計算機進行處理和成像。到1997年，又出現了直接數位化X射線成像技術（DierCtRadiogrPahy，即DR），DR技術的探測器可以迅速將探測到的X射線信號直接轉化為數位訊號輸出，而不需要CR中的雷射掃描和專用的讀出設備。

X光成像技術現狀

X光成像技術在醫療、安檢、工業探傷、無損檢測等領域中具有舉足輕重的地位。傳統的X光成像技術採用的是模擬技術，X光影像一旦產生，其圖像質量就不能再進一步改善，且其信息為模擬量，不便於圖像的儲存、管理和傳輸，限制了它的發展。

X光圖像的數位化不僅可利用各種圖像處理技術對圖像進行處理，改善圖像質量，並能將各種診斷技術所獲得的圖像同時顯示，進行互參互補，增加診斷信息。同時數位化X光圖像可利用大容量的磁、光碟存貯技術，使臨床醫學可以更為高效、低耗及省時省地、省力地觀察、存貯和回溯，甚至可通過電話網路或internet把X光圖像遠距離傳送，進行遙診或會診。

隨著計算機與微電子技術的飛速發展，席捲全球的數位化技術、計算機網路和通信技術已經對影像領域產生廣泛而深遠的影響。一大批全新的成像技術進入醫學領域，如超聲、CT、DAS、MR、SPETC和PTE等等。這些技術不僅改變了X光螢幕/ 膠片成像的傳統面貌，極大地豐富了形態學診斷信息的領域和層次，提高了形態學的診斷水平，同時實現了診斷信息的數位化。

而在中國的影像設備中，沒有實現數位化的常規X光機，仍占有相當比例。考慮到國情，預計在今後一段時間內，CR、DR等昂貴的數字X光攝像系統不可能普及全國所有的醫院。

原理

X線之所以能使人體在螢屏上或膠片上形成影像，一方面是基於X線的特性，即其穿透性、螢光效應和攝影效應；另一方面是基於人體組織有密度和厚度的差別。由於存在這種差別，當X線透過人體各種不同組織結構時，它被吸收的程度不同，所以到達螢屏或膠片上的X線量即有差異。這樣，在螢屏或X線上就形成黑白對比不同的影像。

基本條件

因此，X線影像的形成，應具備以下三個基本條件：首先，X線應具有一定的穿透力，這樣才能穿透照射的組織結構；第二，被穿透的組織結構，必須存在著密度和厚度的差異，這樣，在穿透過程中被吸收後剩餘下來的X線量，才會是有差別的；第三，這個有差別的剩餘X線，仍是不可見的，還必須經過顯像這一過程，例如經X線片、螢屏或電視屏顯示才能獲得具有黑白對比、層次差異的X線影像。

人體組織結構密度

人體組織結構，是由不同元素所組成，依各種組織單位體積內各元素量總和的大小而有不同的密度。人體組織結構的密度可歸納為三類：屬於高密度的有骨組織和鈣化灶等；中等密度的有軟骨、肌肉、神經、實質器官、結締組織以及體內液體等；低密度的有脂肪組織以及存在於呼吸道、胃腸道、鼻竇和乳突內的氣體等。當強度均勻的X線穿透厚度相等的不同密度組織結構時，由於吸收程度不同，在X線片上或螢屏上顯出具有黑白（或明暗）對比、層次差異的X線影像。

在人體結構中，胸部的肋骨密度高，對X線吸收多，照片上呈白影；肺部含氣體密度低，X線吸收少，照片上呈黑影。

X線穿透低密度組織時，被吸收少，剩餘X線多，使X線膠片感光多，經光化學反應還原的金屬銀也多，故X線膠片呈黑影；使螢光屏所生螢光多，故螢光屏上也就明亮。高密度組織則恰相反

病理變化也可使人體組織密度發生改變。例如，肺結核病變可在原屬低密度的肺組織內產生中等密度的纖維性改變和高密度的鈣化灶。在胸片上，於肺影的背景上出現代表病變的白影。因此，不同組織密度的病理變化可產生相應的病理X線影像。

厚度

人體組織結構和器官形態不同，厚度也不一致。其厚與薄的部分，或分界明確，或逐漸移行。厚的部分，吸收X線多，透過的X線少，薄的部分則相反。在X線片和螢屏上顯示出的黑白對比和明暗差別以及由黑到白和由明到暗，其界線呈比較分明或漸次移行，都是與它們厚度間的差異相關的。

圖像評價

評價X光圖像的標準：X光成像的目的是要讓醫生能夠觀察到被檢者體內的某個病變組織及其狀況，因而醫學影像質量的好壞將直接影響醫生的診斷。

X光影像的質量決定於成像方法、設備的特點、操作者選用的客觀與主觀成像參數以及被檢者的配合等等。影像質量是由對比度、模糊度、噪聲、偽影及畸變等多種因素綜合體現出來的。人體所包含的許多結構和器官，在多數成像方法中它們都同時成像。而臨床上經常考慮的是某一組織器官及其周圍的組織的關係。事實上，多數成像方法對某一組織器官的可見度取決於這個關係而不是整個影像的總體特徵。每一種成像系統的任務是將具體的組織特徵轉換為影像的灰度梯度和顏色。如果有足夠的對比度，這些組織器官將成為可見。影像中的對比度的高低取決於組織器官本身及成像系統兩方面的特性。

對比度與對比度分辨力

對比度就是有差異的程度，客觀對比度即物體本身的物理對比度，由構成被檢者組織器官的密度、原子序數和厚度的差異形成。圖像對比度是在可見圖像中出現的對比度。對比度是圖像的最基本特徵。X射線影像的對比度是以圖像內各不同點的光密度差異表示的。其圖像對比度與客觀對比度及X射線影像設備的特性有關。

人體的某一組織器官要在圖像上看出來，至少它與周圍的組織相比要有足夠的客觀對比度。但是當圖像對比度大大超過組織器官的客觀對比度是意義不大。某一組織器官的客觀對比度應在一個或更多的組織特性方面體現差異，人們感興趣的是圖像中某一具體結構和器官與圍繞它的區域背景之間的對比度。對比度分辨力是當圖像中觀察細節與背景部分之間對比度較低時，將一定大小的細節部分從背景中鑑別出來的能力。通常用能分辨的最小對比度的數值表示，是

衡量影像質量的主要參數之一。

模糊與細節的可見度

理想情況下，物體內每一個小物點的像應為一個邊緣清晰的小點。然而在實際的圖像中，每個小物點的像均有不同程度的擴展，或者說變模糊（失銳）了。通常用小物點的模糊圖像的線度表示物點圖像的模糊程度，也稱模糊度。小物點圖像的模糊形狀取決於模糊源。

圖像模糊主要影響是降低了小物體和細節的對比度，從而影響了細節的可見度（空間分辨力）。空間分辨力（Spatialresolutino）為圖像中可辨認得微小細節的最小極限，即對影像中細微結構的分辨能力，是衡量影像質量的重要參數之一。

噪聲

圖像噪聲（noise）是圖像中可觀察到的光密度的隨機出現的變化，也是各種醫學圖像的一個特徵，在圖像中的存在可表現為斑點、細粒、網紋或雪花等。圖像噪聲的主要來源是放射性粒子在空間或時間上的隨機分布和存在於視頻系統中的電子噪聲，其大小則取決於成像方法的不同。噪聲對可見與不可見結構間的邊界有影響。圖像噪聲增大，會減小結構的可見度。.在大多數X光成像系統中，噪聲對低對比度結構的影響最明顯。

偽影

偽影也稱偽像，它是在圖像中出現的並不表示真實解剖形態的圖像。偽影並不一定影響結構可見度，但會使一幅圖像部分模糊或者被誤認為有用的信息，造成誤診。

畸變

一幅圖像中有用信息的結構、大小、形狀和相對位置有不同程度的失真，這就是畸變（distortion）。

此外還有圖像的均勻度等衡量圖像質量的參數。

因此，在很多情況下，被檢者所接受的輻射劑量包括檢查時間的多少會直接影響圖像質量的各參數。某一個參數的改變可以改善圖像質量的一個特徵，但又常常相反地影響另一個特徵。要獲取高質量的X光圖像，需要很好的消除噪聲，同時又要保持良好的圖像細節。

繪畫上的套用

用X光揭開N.C.懷斯一副畫下隱藏著的另一副畫，N.C.懷斯是美國著名畫家安德魯·懷斯的父親，他同時也是一位知名的插畫家。

一種新的X光成像技術展示了美國著名藝術家N.C.懷斯的一幅畫中的另一幅畫的彩色細節。這些遺失的圖案印刷在1919年《人人雜誌》(Everybody’s Magazine)的一篇文章里，是以《最溫和禮貌的人》(The Mildest Mannered Man)為標題的，描寫了一次戲劇性的拳擊。之前，科學家已經用X光展示過這件藝術品，這些拳擊的場面被另一張取名為《家庭肖像》的畫所覆蓋。但是那次工作僅僅是將隱藏的場面用黑白的形式表現出來，那時科學家也不知道那些隱藏的畫面實際上是彩色的。

Mass和她的同事們用強烈的X光束照射這幅畫，並使用了叫做聚焦透視(confocal X-ray)的螢光顯微鏡。接著，儀器就蒐集到了畫上不同的天然顏料不同化學元素所發出的X光。每種元素都發出了特定強度的X光。這些元素被用來做顏料，研究者可以將這些X光轉換成相應的顏色。例如，鈷(cobalt)能表示藍色的顏料，而鉻(chromium)能表示黃和綠的顏色。

結果是這幅畫完全是用彩色的方式來創作的。

許多著名的藝術家都會重複使用它們的畫布，有些時候會在一張著名畫作上覆蓋另一張畫作，以節約開銷或者是達到藝術創作的目的——讓一副畫作的顏色和形態影響到另一副畫作。

比如，文森特·梵谷（Vincent van Gogh）就曾經在他的一塊畫布中畫了超過三次。實際上，被稱為X光線照相術的技術已揭開了梵谷畫作《一塊綠草地》下的女性肖像畫。

技術使著名藝術家的作品更加具有生命力。比如，雖然大家都知道莫奈（Claude Monet）患有弱視，不過，人們使用計算機發現，他卻能夠看見他自己的藝術品。

即使是蒙娜麗莎都依靠技術得到了新的認識，科學家使用了13種波長（從紫外線到紅外線之間的）的光照射蒙娜麗莎，並用攝像機掃描畫面。撥開幾世紀前的顏料和其他改變，得出了結果：達·文西實際上給蒙娜·麗莎畫了眉毛。

醫學上的套用與前景

X光成像在醫學中有著極其廣泛的套用，可以看到目前X光成像技術發展的總體趨勢是成像速度更快、圖像更為清晰、劑量逐漸減少、操作越發方便，我們有理由相信，在不久的將來，X光成像將會越來越普及，精度也會越來越高，終有一天，人體所有的部分都將暴露於成像技術之下，即使是最精微的結構，最細小的病變也無法逃脫我們的雙眼，X光成像，將成為醫學發展，乃至整個科學發展的開路者。