射线照相术是什么?关于射线照相术的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:12:30

射线照相术是一种利用X射线、γ射线或类似的辐射来观察物体内部形态的成像技术。 为了创建图像,X射线发生器产生一束X射线或其他形式的电磁辐射,并将其投射到物体上。根据物体的密度和结构组成,一定量的X射线或其他辐射被物体吸收。穿过物体的X射线被其后面探测器(感光胶片或数字探测器)捕捉。通过这种技术产生平面二维图像被称为投影射线照相术。在计算机断层扫描(CT扫描)中,一个X射线源及其相关的探测器绕着被扫描对象旋转,对象本身在产生的锥形X射线束中移动。对象内的任何给定点在不同的时间被许多不同的光束从许多方向穿过。整理关于这些光束衰减的信息并进行计算,以在三个平面(轴向、冠状和矢状)上生成二维图像,这些图像可以被进一步处理以生成三维图像。

射线照相术的应用包括医学(或“诊断”)射线照相术和工业射线照相术。类似的技术也用于机场安检(其中“人体扫描仪”通常使用反向散射X射线)。

医疗用途

Radiography
诊断技术
ICD-9-CM 87, 88.0-88.6
MeSH D011859
OPS-301 code 3-10...3-13, 3-20...3-26

由于身体是由不同密度的各种物质组成的,所以X射线可以用来在胶片上揭示身体的内部结构,方法是利用衰减或密度较大的物质(如富含钙的骨骼)对X射线光子的吸收来突出这些差异。通过使用射线照相胶片来研究解剖学的学科称为射线照相解剖学。医学射线照相采集通常由放射技师进行,而图像分析通常由放射科医生进行。医学射线照相术包括一系列产生许多不同类型图像的形式,每一种方法都有不同的临床应用。

投影射线照相术

用X射线发生器和探测器进行采集的投影射线照相术。

通过将物体在X射线或其他高能形式的电磁辐射下曝光,捕获产生的剩余光束(或“阴影”)作为潜影从而产生图像,这种方法被称为“投影射线照相术”。“阴影”可以用荧光屏转换成光,然后光被感光胶片捕获,此外光也可被发光板捕获,然后通过激光“读取”其上的信息(CR),或者它可以直接激活固态探测器矩阵(DR——类似于数码相机中大型CCD相机)。骨骼和一些器官(如肺)特别适合投影射线照相术。这是一项成本相对较低、诊断率较高的研究。身体软硬部位之间的区别主要是因为碳的X射线横截面比钙的低。

计算机断层扫描

由计算机断层扫描生成的图像,包括左上角的3D渲染图像。

计算机断层扫描或CT扫描(以前称为CAT扫描,“A”代表“轴向”)使用电离辐射(X射线辐射)与计算机结合来创建软组织和硬组织的图像。这些图像看起来病人像面包一样被切片(因此,“tomography”——“tomo”意思是“切片”)。尽管CT使用的电离X射线辐射量高于诊断X射线辐射量(两者都使用X射线辐射),但随着技术的进步,CT辐射剂量等级和扫描时间降低了。CT检查的时间通常很短,最持久的也只有一次屏息的时间一样长,造影剂也经常被使用,这取决于需要观察的组织。放射技师有时与放射科医师一起执行这些检查(例如,当放射科医师执行CT引导活检时)。

双能x光吸收法

DEXA,或骨密度测定,主要用于骨质疏松症测试。这不是投影射线照相术,因为X射线是以两个窄光束发射的,这两个光束在病人身上扫描,彼此成90度角。通常对髋部(股骨头)、下背部(腰椎)或脚后跟(跟骨)进行成像,确定骨密度(钙量)并给出一个数字(T评分)。它不用于骨骼成像,因为图像质量不足以对骨折、炎症等做出准确的诊断图像。它也可以用来测量全身脂肪,尽管这并不常见。从DEXA扫描获得的辐射剂量非常低,远远低于投影射线照相检查。

荧光透视

荧光透视是托马斯·爱迪生在早期的X射线研究中发明的一个术语。这个名字指的是当他看着被X射线轰击的发光板时看到的荧光。

该技术提供移动投影射线照片。荧光透视主要用于观察(组织或造影剂)的运动,或指导医疗干预,如血管成形术、起搏器植入或关节修复/更换。后者通常可以在手术室进行,使用一种称座C形臂的便携式荧光透视机。它可以在手术台周围移动,为外科医生制作数字图像。双平面荧光透视的工作原理与单平面荧光透视相同,只是同时显示两个平面。在两个平面上工作的能力对于整形外科和脊柱外科手术很重要,并且可以通过消除重新定位来减少手术时间。

血管造影术

血管造影显示椎基底动脉和大脑后循环的横向投影。

血管造影术是利用荧光透视来观察心血管系统。一种碘基造影剂被注射到血液中,观察它在血液中流动情况。由于液体血液和血管密度不是很大,所以在X射线下用高密度的对比物质(像大的碘原子)来观察血管。血管造影术用于发现动脉瘤、渗漏、堵塞(血栓)、新血管生长以及导管和支架的放置。球囊血管成形术通常是通过血管造影术完成的。

对比射线照相术

对比射线照相术使用一种放射对比剂,是一种造影剂,使感兴趣的结构在视觉上从背景中脱颖而出。造影剂在常规血管造影术中是必需的,并且可以用于投影射线照相术和计算机断层扫描术(称为“对比CT”)。

其他医学成像

虽然由于不使用X射线从而从技术上来说不算是射线照相技术,但是像PET(正电子发射断层扫描)和MRI(核磁共振成像)这样的照相方式有时也归为射线照相技术这一组,因为医院的放射科处理所有形式的照相。使用辐射的治疗方法被称为放射疗法。

工业射线照相术

工业射线照相术是一种无损检测方法,许多类型的制造部件可以通过这种方法进行检查,以验证样品的内部结构和完整性。工业射线照相术可以利用X射线或γ射线进行。两者都是电磁辐射的形式。各种形式的电磁能量之间的差异与波长有关。X射线和γ射线的波长最短,这种特性使得它们能够穿透、穿过和离开各种材料,如碳钢和其他金属。具体方法包括工业计算机断层扫描。

射线照相术也可以用于古生物学,例如达尔文(Radiography )化石伊达(Ida)的射线照片。

图像质量

射线照相图像的清晰度很大程度上取决于X射线源的大小。这是由电子束撞击阳极的面积决定的。一个大的光子源会导致最终图像更加模糊,并且由于成像距离的增加而使得图像质量更差。这种模糊可被测量为对成像系统的调制传递函数的贡献。

辐射剂量

射线照相术中使用的辐射剂量因操作程序而异。例如,胸部X射线的有效剂量是0.1 mSv,而腹部CT是10 mSv。 美国医学物理学家协会(AAPM)指出,“患者单次手术剂量低于50 mSv或短时间内多次手术总剂量低于100 mSv的医学成像风险很低以至于无法检测,风险可能不存在。”分享这一结论的其他科学机构包括国际医学物理学家组织、联合国原子辐射影响科学委员会和国际辐射防护委员会。尽管如此,包括北美放射学会(RSNA)和美国放射学会(美国放射学会)在内的放射组织以及多个政府机构都制定了安全标准,以确保辐射剂量尽可能低。

屏蔽

铅是最常见的X射线屏蔽物质,因为它的密度高(11340 kg/m)、阻止功率高、易于安装和成本低。物质中高能光子如X射线的最大范围是无限的;在光子穿过的物质中的每一点,都有相互作用的可能性。因此,在很远的距离上没有相互作用的可能性非常小。光子束的屏蔽因此是指数级的(衰减长度接近材料的辐射长度);两倍的屏蔽厚度将使屏蔽效果变平方。

低于峰值电压产生的X射线 铅的最小厚度
75 kV 1.0mm
100 kV 1.5mm
125 kV 2.0mm
150 kV 2.5mm
175 kV 3.0mm
200 kV 4.0mm
225 kV 5.0mm
300 kV 9.0mm
400 kV 15.0mm
500 kV 22.0mm
600 kV 34.0mm
900 kV 51.0mm

下表显示了第二届国际放射学大会推荐的铅屏蔽厚度与X射线能量的关系。

运动

为了回应公众对辐射剂量的日益关注和最佳实践的持续进展,儿科影像辐射安全联盟在儿科放射学协会内成立。儿科放射学协会与美国放射学技术专家协会、美国放射学学院和美国医学物理学家协会合作,发展并推动了温和成像运动,旨在保持高质量的成像研究的同时,对儿科患者采用最低剂量和最佳辐射安全实践。 这一倡议得到了世界各地越来越多专业医疗组织的认可和应用,并得到了制造放射设备公司的支持和援助。

继温和成像运动成功之后,美国放射学院、北美放射学会、美国医学物理学家协会和美国放射技术专家协会发起了一项类似的运动,旨在解决成人群体中的这一问题,称为明智成像。 世界卫生组织和联合国国际原子能机构(IAEA)也一直在这一领域开展工作,正在实施的项目旨在扩大最佳实践和降低患者辐射剂量。

供方支付

与只强调在符合患者利益的情况下进行X射线片检查的建议相反,最近的证据表明,当牙医按照服务收费的时候,X射线检查的使用频率更高。

仪器

肘部的普通X射线照片。

腰椎的射线照片。

射线源

在医学和牙科中,投影射线照相术和计算机断层扫描成像通常使用由X射线发生器产生的X射线,X射线从X射线管中产生。(X射线发生器/机器)拍摄的射线照片合成的图像或CT扫描仪产生的图像分别被正确地称为“射线照片”/“X光照片”和“断层照片”。

许多其他X射线光子源是可能的,并可用于工业射线照相或研究;这些包括β加速器、直线性加速器(linacs)和同步加速器。对于γ射线,使用诸如Ir、Co或Cs的放射源。

网格

一个巴克-波特(Bucky-Potter)网格可以放置在病人和探测器之间,以减少到达探测器的散射X射线的数量。这可提高图像的对比度分辨率,但也会增加患者的辐射暴露。

探测器

探测器可分为两大类:成像探测器(如感光板和X射线胶片(感光胶片),现在大多被各种数字化设备(如成像板或平板探测器)代替)和剂量测量设备(如电离室、盖革计数器和剂量计,用于测量局部辐射暴露、剂量和/或剂量率,例如,用于验证辐射防护设备和程序是否持续有效)。

图像增强器和阵列探测器

作为X射线探测器的替代物,图像增强器是一种模拟设备,可以很容易地将采集到的X射线图像转换成视频屏幕上可见的图像。该装置由真空管制成,内部有一个宽输入表面,涂有碘化铯(CsI)。当被X射线击中时,材料的荧光粉会使邻近的光电阴极发出电子。然后使用增强器内电子透镜将这些电子聚焦到涂有磷光材料的输出屏幕上。然后,输出的图像可以通过摄像机记录并显示。

被称为阵列探测器的数字设备在荧光透视中变得越来越普遍。这些器件由称为薄膜晶体管(TFT)的离散像素探测器构成。薄膜晶体管可以通过使用光电探测器间接工作,以检测类似CsI的闪烁体材料发出的光,也可以直接捕获X射线击中检测器时产生的电子。由于直接探测器是由X射线光子直接激活的,因此不会出现薄膜屏的磷光闪烁所引起的模糊或扩散效应。

双能

双能射线照相术是使用两个独立的管电压获取图像的方法。这是骨密度测定的标准方法。它也用于肺部CT血管造影术,以减少碘化造影剂的所需剂量。

历史

19世纪末,用早期克鲁克斯(Crookes)管装置拍摄X射线图像。

射线照相术的起源和荧光透视法的起源都可以追溯到1895年11月8日,当时德国物理学教授威廉·康拉德·伦琴(Wilhelm Conrad Röntgen)发现了X射线,并指出,虽然X射线可以穿过人体组织,但不能穿过骨头或金属。 伦琴将辐射称为“X”,表示这是一种未知类型的辐射。他因自己的发现获得了第一个诺贝尔物理学奖。

关于他的发现有相互矛盾的说法,因为伦琴死后他的实验室笔记被烧掉了,但这可能是他的传记作者重建的: 伦琴正在使用涂有氰化铂钡的荧光屏和用黑色纸板包裹着以遮挡住其荧光的克鲁克斯管来研究阴极射线。他注意到大约1米远的屏幕上发出微弱的绿色光芒。伦琴意识到一些来自克鲁克斯管的不可见光线穿过纸板使屏幕发光:它们正穿过一个不透明的物体来影响它后面的胶片。

第一张X射线照片

伦琴发现了X射线的医疗用途,当他用X射线为妻子的手在感光板上拍了一张照片。他妻子手的照片是有史以来第一张用X射线拍摄的人体部位的照片。当她看到这幅画时,她说,“我看到了我的死亡。”

约翰·霍尔·爱德华兹(John Hall-Edwards)于1896年1月11日在英国伯明翰首次在临床条件下使用X射线,当时他给一名助手手里的针头拍了X射线照片。 1896年2月14日,霍尔·爱德华兹也成为第一个在外科手术中使用X射线的人。

美国第一次看到了使用伊凡·普鲁伊(Ivan Pulyui)设计的放电管获得的医用X射线片。1896年1月,在阅读伦琴的发现后,达特茅斯学院的弗兰克·奥斯汀(Frank Austin)在物理实验室测试了所有放电管,发现只有普鲁伊(Pulyui)管产生X射线。这是因为普鲁伊的管中包含了一个倾斜的云母“靶”,用于保存荧光材料样品。1896年2月3日,该学院的医学教授吉尔曼·弗罗斯特(Gilman Frost)和他的兄弟物理学教授埃德温·弗罗斯特(Edwin Frost)将吉尔曼几周前治疗过的埃迪·麦卡锡(Eddie McCarthy)的骨折手腕暴露在X射线下,并在明胶感光板上收集了骨折的图像,这些图像是从霍华德·兰吉尔(Howard Langill)那里获得的,他是一位对伦琴的工作也感兴趣的当地摄影师。

X射线很早就被用于诊断;例如,艾伦·阿奇博尔德·坎贝尔-斯温顿(Alan Archibald Campbell-Swinton)在电离辐射的危险被发现之前,于1896年在英国开设了一个射线照相实验室。事实上,玛丽·居里(Marie Curie)在第一次世界大战中推动射线照相术被用于治疗受伤的士兵。最初,医院里有许多工作人员进行射线照相,包括物理学家、摄影师、医生、护士和工程师。放射医学专业围绕新技术发展了多年。当新的诊断测试被开发出来时,放射技师很自然地接受培训并采用这种新技术。放射技师现在也进行荧光透视、计算机断层扫描、乳房X线照相、超声波、核医学和磁共振成像。尽管非专业词典可能会将射线照相术定义为“拍摄X射线图像”,但长期以来,这只是“X射线部门”、射线照相师和放射科医生工作的一部分。最初,radiographs(射线照片)被称为roentgenograms, 而斯基格拉弗(Skiagrapher)(古希腊词中意思为“影子”和“作家”)直到1918年才使用Radiographer(射线技师)一词。