醫學影像學/X線成像的基本原理與設備
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一、X線的產生特性
（一）X線的產生 1895年，德國科學家倫琴發現了具有很高能量，肉眼看不見，但能穿透不同物質，能使熒光物質發光的射線。因為當時對這個射線的性質還不了解，因此稱之為X射線。為紀念發現者，後來也稱為倫琴射線，現簡稱X線（X-ray）。
一般說，高速行進的電子流被物質阻擋即可產生X線。具體說，X線是在真空管內高速行進成束的電子流撞擊鎢（或鉬）靶時而產生的。因此，X線發生裝置，主要包括X線管、變壓器和操作台。
X線管為一高真空的二極體，杯狀的陰極內裝著燈絲；陽極由呈斜面的鎢靶和附屬散熱裝置組成。
變壓器為提供X線管燈絲電源和高電壓而設置。一般前者僅需12V以下，為一降壓變壓器；後者需40～150kV（常用為45～90kV）為一升壓變壓器。
操作台主要為調節電壓、電流和曝光時間而設置，包括電壓表、電流表、時計、調節旋鈕和開關等。
在X線管、變壓器和操作台之間以電纜相連。X線機主要部件及線路見圖1-1-1。
圖1-1-1 X線機主要部件示意圖
X線的發生程序是接通電源，經過降壓變壓器，供X線管燈絲加熱，產生自由電子並雲集在陰極附近。當升壓變壓器向X線管兩極提供高壓電時，陰極與陽極間的電勢差陡增，處於活躍狀態的自由電子，受強有力的吸引，使成束的電子，以高速由陰極向陽極行進，撞擊陽極鎢靶原子結構。此時發生了能量轉換，其中約1%以下的能量形成了X線，其餘99%以上則轉換為熱能。前者主要由X線管窗口發射，後者由散熱設施散發。
（二）X線的特性 X線是一種波長很短的電磁波。波長範圍為0.0006～50nm。目前X線診斷常用的X線波長範圍為0.008～0.031nm（相當於40～150kV時）。在電磁輻射譜中，居γ射線與紫外線之間，比可見光的波長要短得多，肉眼看不見。
除上述一般物理性質外，X線還具有以下幾方面與X線成像相關的特性：
穿透性：X線波長很短，具有很強的穿透力，能穿透一般可見光不能穿透的各種不同密度的物質，並在穿透過程中受到一定程度的吸收即衰減。X線的穿透力與X線管電壓密切相關，電壓愈高，所產生的X線的波長愈短，穿透力也愈強；反之，電壓低，所產生的X線波長愈長，其穿透力也弱。另一方面，X線的穿透力還與被照體的密度和厚度相關。X線穿透性是X線成像的基礎。
熒光效應：X線能激發熒光物質（如硫化鋅鎘及鎢酸鈣等），使產生肉眼可見的熒光。即X線作用於熒光物質，使波長短的X線轉換成波長長的熒光，這種轉換叫做熒光效應。這個特性是進行透視檢查的基礎。
攝影效應：塗有溴化銀的膠片，經X線照射後，可以感光，產生潛影，經顯、定影處理，感光的溴化銀中的銀離子（Ag+）被還原成金屬銀（Ag），並沉澱於膠片的膠膜內。此金屬銀的微粒，在膠片上呈黑色。而未感光的溴化銀，在定影及沖洗過程中，從X線膠片上被洗掉，因而顯出膠片片基的透明本色。依金屬銀沉澱的多少，便產生了黑和白的影像。所以，攝影效應是X線成像的基礎。
電離效應：X線通過任何物質都可產生電離效應。空氣的電離程度與空氣所吸收X線的量成正比，因而通過測量空氣電離的程度可計算出X線的量。X線進入人體，也產生電離作用，使人體產生生物學方面的改變，即生物效應。它是放射防護學和放射治療學的基礎。
二、X線成像的基本原理
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、熒光效應和攝影效應；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。
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，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，因此將出現如圖1-1-2所示的情況。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。
圖1-1-2 不同密度組織（厚度相同）與X線成像的關係
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；使熒光屏所生熒光多，故熒光屏上也就明亮。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。
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，因此，X線投影可有圖1-1-3所示不同表現。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1-1-3中的幾種情況，在正常結構和病理改變中都有這種例子。
圖1-1-3 不同厚度組織（密度相同）與X線成像的關係
A.X線透過梯形體時，厚的部分，X線吸收多，透過的少，照片上呈白影，薄的部分相反，呈黑影。白影與黑影間界限分明。熒光屏上，則恰好相反 B.X線透過三角形體時，其吸收及成影與梯形體情況相似，但黑白影是逐步過渡的，無清楚界限。熒光屏所見相反 C.X線透過管狀體時，其外周部分，X線吸收多，透過的少，呈白影，其中間部分呈黑影，白影與黑影間分界較為清楚。熒光屏所見相反
由此可見，密度和厚度的差別是產生影像對比的基礎，是X線成像的基本條件。應當指出，密度與厚度在成像中所起的作用要看哪一個佔優勢。例如，在胸部，肋骨密度高但厚度小，而心臟大血管密度雖低，但厚度大，因而心臟大血管的影像反而比肋骨影像白。同樣，胸腔大量積液的密度為中等，但因厚度大，所以其影像也比肋骨影像為白。需要指出，人體組織結構的密度與X線片上的影像密度是兩個不同的概念。前者是指人體組織中單位體積內物質的質量，而後者則指X線片上所示影像的黑白。但是物質密度與其本身的比重成正比，物質的密度高，比重大，吸收的X線量多，影像在照片上呈白影。反之，物質的密度低，比重小，吸收的X線量少，影像在照片上呈黑影。因此，照片上的白影與黑影，雖然也與物體的厚度有關，但卻可反映物質密度的高低。在術語中，通常用密度的高與低表達影像的白與黑。例如用高密度、中等密度和低密度分別表達白影、灰影和黑影，並表示物質密度。人體組織密度發生改變時，則用密度增高或密度減低來表達影像的白影與黑影。
三、X線成像設備
X線機包括X線管及支架、變壓器、操作台以及檢查床等基本部件。60年代以來，影像增強和電視系統技術的應用，使它們逐漸成為新型X線機的主要部件之一。為了保證X線攝影質量，新型X線機在攝影技術參數的選擇、攝影位置的校正方面，都更加計算機化、數字化、自動化。為適應影像診斷學專業的發展，近30多年來，除通用型X線機以外，又開發了適用於心血管、胃腸道、泌尿系統、乳腺及介入放射、兒科、手術室等專用的X線機。
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