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X线管电压对物质CT值影响的研究
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百科分类：[CT-基础术语]
&&& CT 的特点是能够分辨人体组织密度的轻微差别，所采用的标准是根据各种组织对X 线的线性吸收系数（&值） 来决定的。为了计算与论述方便，Hounsfield 将线性衰减系数划分为2000 个单位，称为CT 值，以水为0 值，最上界骨的CT 值为1000 ；最下界空气的CT 值为-1000 。目前绝大多数的CT 扫描机均具有1000 或2000 以上的变化范围。
&&& 实际上CT 值是CT 图像中各组织与X 线衰减系数相当的对应值。无论是矩阵图像或矩阵数字都是CT 值的代表，而CT 值又是从人体组织、器官的&值换算而来的。&值可以通过I＝I0e-&d公式算出。则CT 值＝(&-&&/&&)*a 公式中&和&&分别为受测物和水的衰减系数。a 为各厂商所选定的标定因素。a为500 时标出的CT 值为EMI 单位；a 为1000 时标出的CT 值为Hounsfield单位（HU）。正常人体不同组织、器官的CT 值见表1-1 。
表1-1 　正常人体组织的CT 值
CT 值（HU）
50～ 65 或略低
－20～－80
－200HU 以上
＋400HU 以上
&&& CT 值不是绝对不变的数值，它不仅与人体内在因素如呼吸、血流等有关，而且与X 线管电压、CT 装置、室内温度等外界因素有关，应经常校正，否则将导致误诊。
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赞助商链接CT 技师上岗证考试---X 线成像技术考点及其解析-1 【考点 1】 X 线的发现与产生 1．X 线的发现： 时间：1895 年 11 月 8 日； 发现者：德国物理学家威廉?康拉德?伦琴； 背景：用高真空玻璃管做阴极射线放电试验时偶然发现； 获奖：1901 年伦琴被授予诺贝尔物理学奖； 世上第一张 X 线照片：1895 年 11 月 22 日，伦琴夫人手的照片； 伦琴逝世时间：1023 年 2 月 10 日。 2．X 线的产生： X 线的产生是能量转换的结果：电能转换为阴极电子的动能；在阳极的阻止下，阴 极电子的动能 99%以上转换为热能，不到 1%的动能转换为 X 线。 X 线产生必须具备的 3 个条件： （1）电子源：通过 X 线管灯丝通电加热而获得在灯丝周围形成的空间电荷。 （2）电子高速运动：必须使电子高速运动具有动能。通过球管两端施以定向直流高 压和维持 X 线管内高真空来满足。 （3）高速电子骤然减速：是阳极阻止的结果；阳极的作用：一是阻止高速电子产生 X 线，二是形成高压电路的回路。阳极上接受电子撞击的范围称为靶面；阳极靶一般用高原 子序数、高熔点的钨制成。 自测题-1 X 线的发现者是（ ） A．德国物理学家威廉?康拉德?伦琴 B．英国工程师豪斯菲尔德 C．美国医生达曼迪恩 D．波兰裔法国放射学家居里夫人 E．美国物理学家爱因斯坦 答：A 自测题-2 关于 X 线的发现，错误的是（ ） A．X 线是 1895 年 11 月 8 日被发现的 B．第一张 X 线照片是 1895 年 11 月 22 日拍摄的伦琴夫人手的照片 C．1901 年伦琴被授予诺贝尔医学生理学奖 D．伦琴提议将自己发现的射线命名为 X 线 E．伦琴用一个高真空玻璃管和一台能产生高压的小型机器做实验 答：C 自测题-3 与在 X 线产生应具备的条件无关的是（ ） A．电子源 B．高真空 C．旋转阳极 D．高速电子的产生 E．电子的骤然减速 答：C 自测题-4 X 线产生中，电子从阴极射向阳极所获得的能量，决定于（ ） A．X 线管灯丝加热电压 B．两极间的管电压 C．靶物质的原子序数D．管电流 E. 阴极灯丝焦点大小 答：B 考点 2】X 线产生的原理 X 线的产生是高速电子和阳极靶物质的原子相互作用中能量转换的结果，利用了靶物质的 3 个特性：核电场、轨道电子结合能、原子存在有处于最低能级的需要。（自然法则―能量最 小法则：一切物质总是趋向于保持能量最低的状态。） 阴极电子从静止到产生高速运动具备强大的动能， 需要电场力对电子做功。 带电粒子在电场 2 中产生的电势能等于：eV 。这个电势能做功全部转变为电子的动能：1/2mv 。电子的能量 大小等于它的电荷量乘以 X 线管两端的电压。 靶物质的原子结构：处于原子中心的集中了原子绝大部分质量的体积很小的带正电荷原子 核；分布在原子核周围很大半径范围里不同轨道上的质量忽略不计的带负电荷的电子。X 线 管阳极靶物质是钨，其原子序数为 74，就是说，钨的原子结构为：原子核内有 74 个质子， 核外轨道上一共有 74 个电子。原子核与轨道电子之间存在结合能，半径小的内层电子结合 能大，外层轨道电子的结合能比较小；电子在内层轨道运动时，原子的能量状态低，处于稳 定状态；电子在外层轨道运动时，原子的能量状态高，处于不稳定的受激发状态。 当阴极电子高速撞击阳极靶面与靶物质的原子相互作用时， 将会以两种方式把动能转变为 X 线能量。一种方式是高速电子受到靶物质原子核正电场的作用做急剧的减速运动辐射出能 量； 另一种方式是靶物质的原子发光机制， 即高速电子击脱靶物质的原子核外内层轨道电子 而激发原子发光。前者叫做连续放射，后者叫做特征放射。 1．连续放射 连续放射又称为韧致放射， 是高速电子与靶物质原子核相互作用的结果。 阴极电子受原子核 正电场的影响而失去能量急剧减速， 失去的能量直接以光子的形式放射出来； 连续放射产生 出来的 X 线是一束波长不等的混合射线，其能量（波长）取决于：电子接近原子核的情况、 电子的能量、原子核的电荷。 （1）阴极电子正撞到原子核，速度急剧减为零，电子的全部动能转变为 X 线能放射出来， 这时的 X 线光子能量最大，波长最短。λ min=hc / kVp=1.24/kVp(nm) 当施与 X 线管两端管 电压为 l00kVp 时，电子所获得的最大能量就是 l00keV，它所产生的 X 线光子的最短波长就 是 0.0124nm。 （2）阴极电子没有正撞到原子核而是从原子核旁经过时，离核越近受到的影响就越大，放 射出来的光子的波长就越短；离核越远受到的影响就越小，放射出来的光子能量就越小，波 长越长。 （3）阴极电子的能量大小因为整流方式不同也不一样。 （4）连续射线的最强波长是最短波长的 1.3~1.5 倍。 （5）连续射线的波谱随管电压升高而变化： 管电压升高时：最短波长向短波一侧移动；强度曲线向短波一侧移动；最强波长向短波一侧 移动；产生的 X 线总能量将以管电压二次方比例增大。 （6）阳极靶物质的原子序数大时，X 线总能量增大。 （7）X 线的总能量将随管电流的增大而提高。 2．特征放射 这是高速电子击脱靶物质原子的内层轨道电子， 而产生的一种放射方式。 一个常态的原子经 常处于最低能级状态， 它永远保持其内层轨道电子是满员的。 当靶物质原子的 K 层电子被高 速电子击脱时，K 层电子的空缺将要由外层电子补充，此时外层电子将把多余的能量作为 X 线光子释放出来，此即 K 系特征放射；若 L 层电子的空缺，则由其外层电子补充，即产生 L系特征放射。 特征放射是在靶物质原子壳层电子的跃迁中产生的。特征放射的 X 线光子能量与冲击靶物 质的高速电子能量无关。它只服从于靶物质的原子特性。 X 线管钨靶的 K 层电子结合能为 69.5keV，具有 70keV 以上能量的冲击电子都可以击脱 K 层 电子，产生特征 X 线。 70kVp 以下，不产生 K 特征 X 线；80~150kVp，K 特征 X 线占 10%~28%；150kVp 以上，特征 X 线减少。 总之， X 线管发出的 X 线是一束由连续 X 线和特征 X 线组成的混合射线， 从 特征 X 线是叠加 在连续 X 线能谱内的。 自测题-5 有关连续 X 线的解释，正确的是（ ） A．连续 X 线是高速电子与靶物质的轨道电子相互作用的结果 B．连续 X 线与高速电子的能量无关 C. 连续 X 线的质取决于管电流 D．连续 X 线是高速电子与靶物质的原子核相互作用的结果 E．连续 X 线的放射中，高速电子的能量没有丢失 答：D 自测题-6 关于连续 X 线的波谱特点，错误的是（ ） A．管电压升高时，最短波长向短波一侧移动 B．管电压升高时，强度曲线向长波一侧移动 C．管电压升高时，最强波长向短波一侧移动 D．管电压升高时，X 线能量以管电压二次方比例增大 E. 阳极靶物质的原子序数大时，X 线能量增大 答：B 自测题-7 有关特征 X 线的解释，错误的是（ ） A．特征 X 线是高速电子与靶物质原子的轨道电子相互作用的结果 B．特征 X 线产生的 X 线的质与高速电子的能量有关 C．特征 X 线的波长，由跃迁的电子能量差所决定 D．靶物质原子序数较高时，特征 X 线的能量就大 E．管电压 70kVp 以下，不产生 K 系特征 X 线 答：B 自测题-8 与连续 X 线波长无关的是（ ） A．阴极电子是否正撞到靶物质的原子核 B．阴极电子从靶物质原子核旁经过时离原子核的距离 C．阴极电子本身的能量大小 D．原子核的核电场强度大小 E．靶物质原子核外电子的结合能大小 答：E 考点 3】X 线的本质与特性 1．X 线的本质 X 线本质是一种电磁波，与无线电波、可见光、γ 射线一样都具有一定的波长和频 率。由于 X 线光子能量大，可使物质产生电离，故又属于电磁波中的电离辐射。X 线与其他 电磁波一样具有波粒二象性，这就是 X 线的本质。 电磁波谱： 5 无线电等 3?10 ～1cm红外线 0.01～0.0008cm 可见光 750～390nm 紫外线 390～2nm 诊断用 X 线 0.01～0.008nm 9 注： 1m ＝ 10 nm （1）X 线的微粒性 把 X 线看成是一个个的微粒―光子组成的， 光子具有一定的能量和一定的动质量， 但无静止 质量。X 线与物质相互作用时表现出微粒性：每个光子具有一定能量，能产生光电效应，能 激发荧光物质发出荧光等现象。 （2）X 线的波动性 X 线具有波动特有的现象―波的干涉和衍射等。它以波动方式传播，是一种横波。X 线在传 播时表现了它的波动性，具有频率和波长，具有干涉、衍射、反射和折射现象。 2．X 线的特性 X 线特性指的是 X 线本身的性能，它具有以下特性： （1）物理效应 穿透作用： 由于 X 线波长很短，光子能量大，故具有很强的穿透力。X 线的穿透作用除与 X 线波长（能量）有关外，还与被穿透物质的原子序数、密度和厚度等因素有关。 荧光作用：荧光物质（如钨酸钙、氰化铂钡等）的原子，在 X 线照射下被激发或电离，当恢 复原有基态时，便释放出可见的荧光。 电离作用：具有足够能量的 X 线光子，不仅能击脱原子轨道的电子，产生一次电离，击脱的 电子又与其它原子撞击，产生二次电离。电离作用是 X 线剂量测量、X 线治疗、X 线损伤的 基础。 干涉、衍射、反射与折射作用：X 线与可见光一样具有这些重要的光学特性。它可在 X 线显 微镜、波长测定和物质结构分析中得到应用。 （2）化学效应 感光作用：X 线具有光化学作用，可使摄影胶片感光。 着色作用： 某些物质经 X 线长期照射后， 其结晶脱水变色。 如铅玻璃经 X 线长期照射后着色。 （3）生物效应 X 线是电离辐射， 它对生物细胞特别是增殖性强的细胞有抑制、 损伤， 甚至使其坏死的作用。 它是 X 线治疗的基础；是放射卫生防护的根据。 3．X 线产生的效率 在 X 线管中产生 X 线能量与加速电子所消耗电能的比值叫 X 线的产生效率， 用符号 η 表示。 2 η = 产生的 X 线总能量 / 阴极高速电子流的总能量= k?（V ZI / VI）= kVZ（%） 式中，V：管电压，Z：靶物质原子序数，I：管电流，k：系数 -9 在 X 线诊断范围内：k=1.1?10 。 例题：管电压为 100kV，靶物质为钨（W），原子序数 74 时，X 线的产生效率为： -9 5 η = 1.1?10 ?74?10 ≈0.% 从上例可见，加速阴极电子所消耗的电能只有 0.81%作为 X 线能量被利用，其余都转换为热 能。X 线的产生效率是很低的。 自测题-9 关于 X 线性质的叙述，错误的是（ ） A．X 线与红外线和紫外线一样，均为电磁波 B．X 线具有波动和微粒的二象性 C．康普顿效应可证明它的微粒性 D．光电效应可证明它的波动性E．X 线不具有静止质量和电荷 答：D 自测题-10 不属于 X 线物理效应的作用是（ ） A．穿透作用 B．电离作用 C．荧光作用 D．着色作用 E．干射与衍射作用 答：D 自测题-11 关于 X 线的本质，正确的叙述是（ ） A．X 线属于电磁波中的电离辐射，具有波粒二象性 B．X 线的微粒性表明 X 光子具有一定的能量和静止质量 C．X 线在传播时表现出微粒性 D．X 线的波动性表明 X 线能激发荧光物质发出荧光 E．X 线在与物质相互作用时表现出波动性 答：A 自测题-12 对 X 线产生效率的说法，正确的是（ ） A．X 线管产生 X 线的效率很高 B．X 线管产生 X 线的效率很低 C．X 线管产生 X 线的效率可能很高也可能很低 D．X 线管产生 X 线的效率一般 E．X 线管产生 X 线的效率为 100% 答：B 自测题-13 关于 X 线的穿透作用，下述说法错误的是（ ） A．X 线具有一定的穿透能力 B．X 线的穿透力与 X 线的频率成反比 C．X 线的穿透力与被穿透物质的原子序数成反比 D．X 线的穿透力与被穿透物质的密度成反比 E．X 线的穿透力与被穿透物质的厚度成反比 答：B 自测题-14 X 线的荧光作用不能用于（ ） A．X 线透视荧光屏 B．X 线摄影增感屏 C．CT 机的晶体探测器 D．X 线治疗 E．影像增强管 答：D 自测题-15 X 线在医学影像检查技术中被应用的最基本的特性是（ A．穿透作用 B．荧光作用 C．电离作用 D．感光作用 E．生物效应 答：A）自测题-16 X 线的哪项特性是 X 线剂量、X 线治疗、X 线损伤的基础（ ） A．穿透作用 B．荧光作用 C．电离作用 D．感光作用 E．生物效应 答：C 【考点 4】X 线强度 1．X 线强度的定义 X 线强度是垂直于 X 线束的单位面积上，在单位时间内通过的 X 线光子数量与能量之总 和，即 X 线束中的光子数量乘以每个光子的能量。在实际应用中，常以 X 线量与质的乘积表 示 X 线强度。量是指线束中的光子数，质则是光子的能量（也称穿透力）。连续 X 线波谱中 每条曲线下的面积表示连续 X 线的总强度。 2．影响 X 线强度的因素 （1）靶物质 在一定的管电压和管电流下，X 线量的多少决定于靶物质：靶物质的原子序数越高，产生的 X 线效率就越高。对于连续 X 线而言，靶物质的原子序数决定 X 线量的产生；而对于特征 X 线而言，靶物质的原子序数决定所产生的特征 X 线波长的性质。 （2）管电压 管电压决定产生 X 线最大能量的性质； 另外增加管电压也将增加产生 X 线的量。 所以 X 线强 度与管电压的平方成正比。 （3）管电流 管电流的大小并不决定 X 线的质。但是在管电压一定的前提下，X 线强度决定于管电流。管 电流越大，撞击阳极靶面的电子数就越多，产生的 X 线光子数就越多。 （4）高压波形 X 线发生器产生的高压都是脉动式的，由于不同的整流方式，所产生的高压波形的脉动率有 很大区别。X 线光子能量取决于 X 线的最短波长，即决定于管电压的峰值，整流后的脉动电 压越接近峰值，其 X 线强度越大。 3．X 线质的表示方法 （1）半值层（HVL）：X 线强度衰减到初始值的一半时所需的标准吸收物质的厚度。 （2）电子的加速电压（管电压）。 （3）有效能量：在连续 X 线情况下使用这一概念。 （4）硬度：低能量 X 线称为软射线，高能量 X 线称为硬射线。 （5）X 线波谱分布：它表示 X 线的波长分布或能量分布。 4．X 线的不均等性 诊断用 X 线为连续 X 线与特征 X 线的混合， 主要为连续 X 线。 连续 X 线的波长由最短波长(λ min) 到长波长领域有一个很广的范围。 这种 X 线称为不均等 X 线。 不均等 X 线由于滤过板的使用， 长波长领域的 X 线被吸收，成为近似均等 X 线。这种均等度以不均等度 h 或 ω 表示。 h=H2／H1 (H1：第 1 半值层，H2：第 2 半值层) 或 ω =λ eff / λ 0 (λ 0 ：最短波长，λ eff ：有效波长) 均等 X 线场合下，h=1，ω =1，不均等 X 线 h&1，ω &1。 ?有效波长：单一能量波长的半值层等于连续 x 线的半值层时，此波长称作有效波长 (λ eff)。 ?有效电压：产生有效波长的最短波长的管电压，称作有效电压。λ eff = 1.24／Veff (kV)(nm) ?有效能量：将有效电压用能量单位(keV)表示时，此能量为有效能量（或等效能量）。 自测题-17 关于 X 线强度的叙述，错误的是（ ） A．X 线强度指的是管电压的高低 B．kVp 代表 X 线的质，mAs 代表 X 线的量 C．阳极靶物质的原子序数越高，X 线强度越大 D．X 线强度与管电压平方成正比 E．整流后的脉动电压越接近峰值，其 X 线强度越大 答：A 自测题-18 关于 X 线质的表示，正确的是（ ） A．X 线管的滤过 B．X 线管电压和半值层 C．X 线管电流 D．高速电子的数量 E．阳极靶物质的原子序数 答：B 自测题-19 影响 X 线强度的因素不包括（ ） A．X 线管电压 B．X 线管电流 C．靶物质的原子序数 D．阳极柄的材料 E．高压的脉动率 答：D 自测题-20 不能表示 X 线质的概念是（ ） A．半值层 B．X 线管电压 C．有效能量 D．X 线波长 E．X 线的不均等度 答：E 自测题-21 关于 X 线强度的定义，错误的说法是（ ） A．是指垂直于 X 线束的单位面积上在单位时间内通过的光子数和能量的总和 B．也即是 X 线束中的光子数乘以每个光子的能量 C．在实际应用中常用管电压的高低来表示 D．量是指 X 线束中的光子数，质则是光子的能量 E．连续 X 线波谱中每条曲线下的面积表示连续 X 线的总强度 答：C 自测题-22 下列与 X 线的质和量有关的叙述中，错误的是（ ） A．X 线强度受管电压、管电流、靶物质及高压波形的影响 B．X 线强度与管电压的平方成正比 C．管电流越大，产生的 X 线光子数就越多 D．对特征 X 线来说，靶物质的原子序数决定产生特征 X 线的量 E．整流后的脉动电压越接近峰值，其 X 线强度越大 【考点 5】X 线与物质的相互作用相互作用形式：相干散射、光电效应、康普顿效应、电子对效应和光核反应五种。 1．相干散射 它是一个低能量的光子冲击到物质的原子上， 形成原子的激发状态。 原子在恢复其常态 时，放出一个与原入射光子同样波长、方向不同的光子，此即相干散射。相干散射在 X 线与 物质相互作用时所占几率很小，不超过 5％，实际作用不大。 2．光电效应 （1）光电效应的定义 X 线与物质相互作用时， 线光子能量(hυ )全部给予了物质原子的壳层电子， X 获得能量 的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子(即光电子)。而 X 线光子本身则被物质的原子吸收， 这一过程称为光电效应。 （2）光电效应的产物 光电效应， 在摄影用 X 线能量范围内是和物质相互作用的主要形式之一。 它是以光子击 脱原子的内层轨道电子而发生。有如特征放射的发生过程。但又不完全一样，其主要差别是 击脱电子的方式不同。光电效应可产生三种东西：特征放射、光电子(也叫负离子)和正离子 (即缺少电子的原子)。 在产生光电效应的过程中， 当一个光子在击脱电子时， 其大部分能量是用于克服电子的 结合能，多余能量作为被击脱电子(光电子、负离子)的动能。由于带电粒子穿透力很小，当 这个电子进入空间后，很快就被吸收掉。失掉电子的原子轨道上的电子空位，很快就有电子 来补充。 这个电子经常是来自同原子的 L 层或 M 层轨道上的电子， 有时也可来自其他原子的 自由电子。在电子落入 K 层时放出能量，产生特性放射。但因其能量很低，在很近的距离内 则又被吸收掉。例如，钙是人体内最高原子序数的元素，它的最大能量的特性光子也只有 4kev。这样小的光子能量，从它的发生点几个毫米内即可被吸收。但必须注意，常用造影剂 碘和钡，所产生的特性放射，会有足够的能量离开人体，而使胶片产生灰雾。 （3）光电效应产生的条件 ①光子能量与电子结合能，必须“接近相等”才容易产生光电效应。就是说，光子的能量要 稍大于电子的结合能或等于电子的结合能。例如，碘的 K 层电子结合能为 33.2 kev，若光 子能量为 33.0kev，就不能击脱该层电子。另一方面，一个有 34kev 能量的光子，又比一个 具有 100kev 能量的光子更容易和碘 K 层电子发生作用。这就是说，光子能量的增加，反而 会使光电作用的几率下降。实际上，光电效应大约和能量的三次方成反比。 在实际摄影中，我们通过调整管电压的数值就可以达到调制影像的目的。 ②轨道电子结合得越紧越容易产生光电效应。高原子序数元素比低原子序数元素的 轨道电子结合的紧。在低原子序数元素中，光电效应都产生在 K 层，因为这一类元素只有 K 层电子结合的比较紧。对高原子序数的元素，光子能量不足以击脱它的 K 层电子，光电效应 常发生在 L 层、M 层，因为这两层轨道电子结合的都比较紧，容易产生光电效应。所以说， 光电效应的几率，随原子序数的增高而很快增加。其发生几率和原子序数的三次方成正比。 光电效应≈(原子序数)3。它说明摄影中的 3 个实际问题：不同密度物质的影像，所以能产 生明显对比影像的原因；密度的变化可明显影响到摄影条件；要根据不同密度的物质，选择 适当的射线能量。 （4）光电效应在 X 线摄影中的实际意义 ①光电效应不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾。 ②光电效应可增加射线对比度。X 线影像的对比，产生于不同组织的吸收差异，这 种吸收差别愈大， 则对比度愈高。 因为， 光电效应的几率和原子序数的三次方成正比。 所以， 光电效应可扩大不同元素所构成的组织的影像对比。例如，肌肉和脂肪间的对比度很小，如 果选用低 kVp 摄影，就可以利用肌肉和脂肪在光电效应中所产生的较大吸收差别来获得影像。 ③光电效应中，因光子的能量全部被吸收，这就使患者接受的照射量比任何其他作 用都多。为了减少对患者的照射，在适当的情况下，要采用高能量的射线。 3．康普顿效应 康普顿效应也称散射效应或康普顿散射。它是 X 线诊断能量范围内，X 线与物质相互作 用的另一种主要形式。 当一个光子在击脱原子外层轨道上的电子时， 入射光子就被偏转以新 的方向散射出去，成为散射光子。而被击脱的电子从原子中以与入射光子方向呈 υ 角方向 射出，成为反冲电子。其间 X 线光子的能量一部分作为反跳电子的动能，而绝大部分是作为 光子散射。 一个光子被偏转以后，能保留多大能量，由它的原始能量和偏转的角度来决定。偏转的 角度愈大，能量的损失就愈多。 散射光子的方向是任意的，光子的能量愈大，它的偏转角度就愈小。但是，低能量的光 子，在散射效应中，向后散射的多。在 X 线摄影所用能量(40~150kVp)范围内，散射光子仍 保留大部分能量，而只有很少的能量传给电子。 在摄影中所遇到的散射线，几乎都是来自这种散射。因为，散射吸收是光子和物质相互 作用中的主要形式之一。所以，在实际工作中无法避免散射线的产生，而只能想办法消除或 减少它的影响。 4．电子对效应与光核反应 电子对效应与光核反应， 在诊断 X 线能量范围内不会产生。 因为电子对效应产生所需要 的光子能量是 1.02MeV，而光核反应所需光子能量要求在 7 MeV 以上。所以，这两种作用形 式对 X 线摄影无实际意义。 5．相互作用效应产生的几率 在诊断 X 线能量范围内，相干散射占 5％，光电效应占 70％，康普顿效应占 25％。 ①对低能量射线和高原子序数的物质，光电效应是主要的，它不产生有效的散射，对胶 片不产生灰雾，因而可产生高对比度的 X 线影像。但会增加被检者的 X 线接收剂量。 ②散射效应是 X 线和人体组织之间最常发生的一种作用， 几乎所有散射线都是由此产生 的。它可使影像质量下降，严重时可使我们看不到影像的存在。但它与光电效应相比可减少 患者的照射量。 ③它们之间的相互比率将随能量、物质原子序数等因素的改变而变化。就人体而言，脂 肪和肌肉的原子序数要低于骨骼。 常用造影剂碘和钡属于高原子序数的元素。 脂肪和肌肉除 在很低的光子能量而外，散射作用是主要的；造影剂的原子序数高，以光电效应为主；骨骼 的作用形式，在低能量的主要是光电作用，而在高能量时则变为散射作用是主要的。 总之， 线和物质的各种相互作用都有它的重要性， X 线摄影而言， X 就 各种作用的结果， 都造成了 X 线强度的衰减，这是 X 线影像形成的基本因素。 自测题-23 在 X 线诊断能量范围内，利用了 X 线与物质相互作用的形式是（ ） A．相干散射和光电效应 B．光电效应和康普顿效应 C．康普顿效应和电子对效应 D．电子对效应和光核反应 E．光核反应和相干散射 答：B 自测题-24 关于 X 线与物质相互作用几率的解释，错误的是（ ） A．X 线诊断能量范围内，光电效应占 30％ B．对低能量射线和高原子序数物质相互作用时，光电效应为主C．X 线摄影中的散射线，几乎都是康普顿效应产生的 D．康普顿效应与光电效应的相互比率，常随能量而变化 E．脂肪、肌肉，除了在很低的光子能量(20～30kev)之外，康普顿散射作用是主要的。 答：A 自测题-25 下列有关光电效应的叙述，错误的是（ ） A．诊断用 X 线与铅的相互作用形式，主要是光电效应 B．光电效应的结果是，入射光子能量的一部分以散射光子释放 C．光电效应可产生特征放射、光电子和正离子 D．光电效应中，X 线光子能量全部给予了物质原子的壳层电子 E．光电效应以光子击脱原子的内层轨道电子而发生 答：B 自测题-26 关于光电效应在 X 线摄影中的实际意义，错误的是（ ） A．光电效应不产生散射线 B．光电效应可扩大射线对比度 C．光电效应下患者接受的照射量小 D．光电效应下，不同组织密度能产生明显的影像对比 E．选用低 kVp 摄影，可以扩大脂肪与肌肉的影像对比。 答：C 【考点 6】 X 线的吸收与衰减 1．X 线的吸收与衰减 X 线强度在其传播过程中，将以与距离平方成反比的规律衰减。此即 X 线强度衰减的反 平方法则（反平方法则：X 线强度与距离的平方成反比）；反平方法则在 X 线管点焦点及 X 线在真空传播的条件下成立。严格地讲，X 线在空气中传播会出现衰减，但是，这种因空气 衰减的 X 线强度很微弱，在 X 线摄影中可以忽略不计。 X 线除距离衰减外，还有物质导致的衰减。在诊断 X 线能量范围内，X 线与物质相互作 用形式主要是光电效应和康普顿效应。因此，X 线强度由于吸收和散射而衰减。在光电效应 下，X 线光子被吸收；在康普顿效应下，X 线光子被散射。X 线与物质相互作用中的衰减， 反应出来的是物质吸收 X 线能量的差异，这也正是 X 线影像形成的基础。 2．连续 X 线在物质中的衰减特点 （1）连续 x 线波长范围广，是一束包含各种能量光子的混合射线。连续 X 线最短波长 决定于管电压，即 λ min=1.24/kVp(nm)。最强波长等于 1.2~1.5λ min。而它的平均能量的 波长范围，则是 2.5λ min。一般而言，平均光子能量是最高能量的 1／3~1／2。如 100kev 的射线，平均能量约是 40 kev。当然，由于过滤不同有所改变。 （2）X 线通过物质之后，在质与量上都会有所改变。这是由于低能量光子比高能量光 子更多地被吸收，使透过被照体后的射线平均能量提高。如此继续下去，通过物质之后的平 均能量，将接近于它的最高能量。连续 X 线的这一衰减特点，可以用于通过改变 X 线管窗口 过滤来调节 X 线束的线质。 （3）X 线在通过被照体时，绝大部分能量被吸收，较少的能量透过。如何把这种衰减 信号利用起来，将取决于有效地使用影像的转换介质。 （4）X 线在物质中的衰减规律是进行屏蔽防护设计的依据。 3．X 线的滤过 诊断用 X 线是一束连续能谱的混合射线。 X 线透过人体时， 当 绝大部分的低能射线被组 织吸收， 增加了皮肤照射量。 为此， 需要预先把 X 线束中的低能成分吸收掉， 此即 X 线滤过。 X 线滤过包括固有滤过和附加滤过。（1）固有滤过 指 X 线机本身的滤过，包括 x 线管的管壁、绝缘油层、窗口的滤过板。固有滤过一般用 铝当量表示。 即一定厚度的铝板和其他物质对 X 线具有同等量的衰减时， 此铝板厚度称为滤 过物质的铝当量。 （2）附加滤过 广义上讲，从 X 线管窗口至检查床之间，所通过材料的滤过总和为附加滤过。 在 X 线摄影中，附加滤过指 X 线管窗口到被检体之间，所附加的滤过板。一般对低能量 射线采用铝滤过板；高能射线采用铜与铝的复合滤过板。使用时铜面朝向 X 线管。 4．X 线在物质中的指数衰减规律 当 X 线强度为 I，通过厚度为 Δ X 的吸收物质时，其衰减 Δ I 遵循下列公式 Δ I= -μ IΔ X 假设 X= 0(厚度)，I=I0 (X 线强度)，将上式加以积分后，可得公式 -μ X I= I0 e I0 ：X 线到达物体表面的强度，I：X 线到达（穿过）厚度为 X 时的强度，X：吸收物质厚度 (m)。此公式即为 X 线衰减的指数函数法则。此一法则成立的条件有两个，一是 X 线为单一 能量射线；一是 X 线为窄束 X 线。所谓窄束 X 线是指不包括散射线的射线束，通过物质后的 X 线光子，仅由未经相互作用或者是说未经碰撞的原射线光子所组成的 X 线。 单能窄束 X 线与物质相互作用时，其衰减可由以下两种坐标形式描述： 在半对数的坐标中，X 线强度的改变与吸收层厚度的关系变为直线，其直线的斜率就是 线性衰减系数的 μ 值。 在普通坐标中，X 线强度随吸收体厚度的增加而衰减的规律呈指数曲线。 单能窄束 X 线在通过物体时，只有 X 线光子数量的减少，而无能量的变化，其指数衰减 规律是 X 线强度在物质层中都以相同的比率衰减。 然而，在 X 线诊断能量范围内的 X 线发生，不是单能窄束，而是宽束的混合射线。宽束 与窄束 X 线的主要区别是， 宽束考虑了散射的影响， 它把散射光子当作被物质吸收的光子来 处理。 显然， 若用窄束的衰减规律来处理宽束的问题是不恰当的， 特别是对屏蔽防护的设计。 宽束的衰减与吸收物质种类和厚度、X 线能量、X 线源与探测器的几何学的配置等因素 有关。 在此情况下，可在窄束的指数衰减规律的基础上，引入积累因子 B 加以修正。 -μ X I= BI0 e 不同的辐射有不同的积累因子(也称积累系数)，如光子数积累因子、能量积累因子、吸 收剂量积累因子及照射量积累因子等。 大体上讲，μ X≤1 时，按 B≈1；μ X &1 时，按 B≈μ X 计算。在射线防护的情况下， 为增加其安全度，一般以 B≈μ X+1 计算。 5．衰减系数 衰减系数有吸收系数和散射系数。它是线衰减系数、质量衰减系数、原子衰减系数和电 子衰减系数的简称。 （1）线衰减系数 将 X 线透过物质的量以长度(m)为单位时，X 线的衰减系数，称作线衰减系数，也即 X -1 线透过单位厚度(m)的物质层时，其强度减少的分数值。单位为 m 。 （2）质量衰减系数 -2 将 X 线透过物质的量以质量厚度（千克?米 ）为单位时的 x 线衰减系数，称作质量衰 -2 减系数（μ / ρ )，也即 X 线在透过质量厚度为 1 千克?米 的物质层后，X 线强度减少的分 2 数值。单位为（m ／kg）。质量衰减系数不受吸收物质的密度和物理状态的影响。 它与 X 线的波长和吸收物质的原 子序数有如下的近似关系： 3 4 μ m=Kλ Z 它说明了波长愈短， 线的衰减愈少， X 也即穿透力愈强； 同时吸收物质的原子序数愈高， X 线的衰减愈大。 （3）总衰减系数 总衰减系数即是光电衰减系数 τ 、 相干散射衰减系数 σ t、 康普顿衰减系数 σ c 和电子 对效应衰减系数 χ 的总和。 μ =τ +σ t +σ c +χ 若用物质密度 ρ 去除以上线衰减系数，则得到质量衰减系数。总质量衰减系数等于各 相互作用过程的质量衰减系数之和。 μ /ρ =τ /ρ +σ t /ρ +σ c /ρ +χ /ρ 至于每一项在总衰减系数中所占的比例，则随光子能量和吸收物质的原子序数而变化。 （4）能量转移系数 在 X 线与物质的三个主要作用过程中，X 线光子能量都有一部分转化为电子(光电子、反冲 电子和正负电子对)的功能， 另一部分则被一些次级光子(特性 X 线光子、 康普顿散射光子及 湮灭辐射光子)带走。如此总的衰减系数 μ 可以表示为上述两部分的总和，即 μ = μ tr + μ p μ tr ：X 线能量的电子转移部分；μ p：X 线能量的辐射转移部分。 对于辐射剂量学而言，重要的是确定 X 线光子能量的电子转移部分。因为，最后在物质 中被吸收的正是这一部分能量。 6．影响 X 线衰减的因素 （1）射线能量和原子序数对衰减的影响 在 X 线诊断能量范围内，当 X 线能量增加时，光电作用的百分数下降。当原子序数提高 时， 则光电作用增加。 对高原子序数的物质(如碘化钠)在整个 X 线诊断能量范围内主要是光 电作用。作为水和骨骼，则随 X 线能量增加，康普顿散射占了主要地位。随着 X 线能量的增 加，透过光子的百分数增加。对低原子序数的物质，当 X 线能量增加时，透过量增加，而衰 减减少；对高原子序数物质，当 X 线能量增加时，透过量有可能下降。因为，当 X 线能量等 于或稍大于吸收物质 K 层电子结合能时，光电作用的几率发生突变(表 1-1-2)。 X 线检查中使用的造影剂钡和碘，因为有很理想的 K 结合能，更多的光电作用发生在 K 层。所以，可产生更高的影像对比度。 （2）密度对衰减的影响 在一定厚度中，组织密度决定着电子的数量，也就决定了组织阻止射线的能力。组织密度对 X 线的衰减是直接关系，如果一种物质的密度加倍，则它对 X 线的衰减也加倍。 （3）每克电子数对衰减的影响 电子数多的物质比电子数少的更容易衰减射线。 一定厚度的电子数决定于密度， 也就是 3 决定于 cm 的电子数。这是临床放射学中影响 X 线衰减的主要因素。 7．X 线诊断能量中的 X 线衰减 人体各组织对 X 线的衰减按骨、肌肉、脂肪、空气的顺序由大变小。这一差别即形成了 X 线影像的对比度。为了增加组织间的对比度，还可借用造影剂扩大 X 线的诊断范围。 在 X 线诊断能量范围内，如果把 X 线的总衰减作为 100，在 42kVp 下，对肌肉来说光电 作用的康普顿散射作用所占比例相同；在 90kVp 下，散射作用占 90％；由于骨的原子序数 高，其光电作用是肌肉的 2 倍，骨对 X 线的衰减，在 73 kVp 下光电作用与散射作用相同。 对于密度差很小的软组织摄影，必须采用低电压技术，用以扩大光电作用所产生的对比度。自测题-27 下列概念与单位的组合，错误的是（ ） A．X 线能量―kev B．半值层―mm C．直线减弱系数―m 2 D．质量减弱系数―m /kg E．波长―nm 答：C 自测题-28 与影响 X 线减弱的因素无关的是（ ） A．X 线能量 B．原子序数 C．密度 D．每克电子数 E．X 线管灯丝温度 答：E 自测题-29 吸收 X 射线能力最强的组织结构是 A．肌肉 B．脂肪 C．骨骼 D．肺组织 E．肝脏 答：C 自测题-30 对 X 线在物质中的衰减，下面描述错误的是（ ） A．当 X 线穿过物体时，高原子序数的物质对 X 线有较强的衰减 B．当 X 线穿过物体时，密度大的物质对 X 线的衰减能力强 C．当 X 线穿过物体时，电子数目越多的物质更易使 X 线衰减 D．当 X 线穿过物体时，厚度大的物质对 X 线的衰减能力强 E．当 X 线穿过物体时，低原子序数的物质对 X 射线有较强的衰减 答：E 自测题-31 X 线衰减的反平方法则是指（ ） A．X 线强度与管电压的平方成反比 B．X 线强度与距离的平方成反比 C．X 线强度与管电流的平方成反比 D．X 线强度与原子序数的平方成反比 E．X 线强度与每克电子数的平方成反比 答：B 自测题-32 关于距离所致的 X 线衰减，错误的说法是（ ） A．X 线在其传播时将按照反平方法则衰减 B．X 线强度衰减的反平方法则是指 X 线强度与距离的平方成反比 C．反平方法则是在 X 线管点焦点、X 线在真空中传播的条件下严格成立 D．X 线在空气中传播时会出现因空气吸收所致的衰减 E．考虑到空气吸收所致的衰减，反平方法则在 X 线摄影中没有应用价值 答：E 自测题-33 下列不属于连续 X 线衰减特点的是（ ） A．通过物质以后，在质和量上都会有所改变B．低能光子比高能光子更多地被吸收 C．透过被照体后的平均能量降低 D．通过物质之后的平均能量将接近于它的最高能量 E．改变 X 线管窗口的过滤可以调节 X 线束的线质 答：C 自测题-34 关于 X 线的滤过，错误的叙述是（ ） A．X 线滤过是指预先把 X 线束中的低能成分吸收掉 B．X 线滤过是为了减少高能射线对皮肤的照射量 C．X 线滤过包括固有滤过和附加滤过 D．固有滤过包括 X 线管壁、绝缘油层、窗口 E．附加滤过是指从窗口到检查床之间 X 线通过的所有材料的滤过总和 答：B 【考点 7】X 线信息影像的形成与传递 1．摄影的基本概念 摄影： 是应用光或其他能量来表现被照体信息状态， 并以可见光学影像加以记录的一种 技术。 像：是用能量或物性量，把被照体信息表现出来的图案。在此把能量或物性量，称作信 息载体。 信息信号：由载体表现出来的单位信息量。 成像系统：将载体表现出来的信息、信号加以配列，就形成了表现信息的影像。此配列 称为成像系统。 摄影程序：光或能量→信号→检测→图像形成。 2．X 线信息影像的形成与传递 X 线在到达被照体之前不具有任何的医学信号，只有当 X 线透过被照体(三维空间分布) 时，受到被照体各组织的吸收和散射而衰减，使透过后的 X 线强度分布呈现差异，从而形成 X 线的信息影像。X 线随之到达影像接收器(如屏／片系统)的受光面，转换成可见光强度的 分布，并传递给胶片，形成银颗粒的空间分布，再经显影处理成为二维光学密度分布，形成 光密度 X 线照片影像。 如果把被照体作为信息源，X 线作为信息载体，那么 X 线诊断的过程就是一个信息传递 与转换的过程。此过程分为五个阶段(图 1-2-1)。 第一阶段：X 线对三维空间的被照体进行照射，取得载有被照体信息成分的强度不均匀 分布。 此阶段信息形成的质与量， 取决于被照体因素(原子序数、 密度、 厚度)和射线因素(线 质、线量、散射线)等。 第二阶段：将不均匀的 X 线强度分布，通过接受介质(屏／片系统Ⅱ、CR、DR 系统等) 转换为二维的光强度分布。 若以屏／片系统作为接受介质， 那么这个荧光强度分布传递给胶 片形成银颗粒的分布(潜影形成)， 再经显影加工处理成为二维光学密度的分布。 此阶段的信 息传递转换功能取决于荧光体特性、 胶片特性及显影加工条件。 此阶段是把不可见的 X 线信 息影像转换成可见密度影像的中心环节。 第三阶段：借助看片灯(或显示器)，将密度分布转换成可见光的空间分布，然后投影到 人的视网膜。此阶段信息的质量取决于看片灯(或显示器)亮度、色光、观察环境以及视力。 第四阶段：通过视网膜上明暗相间的图案，形成视觉的影像。 第五阶段：最后通过识别、判断做出评价或诊断。此阶段信息传递取决于医师的学历、 知识、经验、记忆和鉴别能力。 我们之所以介绍“X 线影像信息的形成与传递”的目的，是要了解 X 线影像形成中每一个阶段的要素以及建立一个“影像链”的概念。 X 线摄影目的，就是掌握和控制 X 线影像形成的条件，准确大量地从被照体中取得有用 的信息。 并真实地转换成可见影像。 或者说， 在允许的辐射剂量内， 获得最有效的影像信息， 其中有两个关键， 一是当 X 线通过被照体时， 究竟以多大程度把客观的信息准确地传递出来； 二是从信息接受介质来讲， 又以何种程度把信息真实地再现成可见影像。 前者取决于 X 线机 的性能、X 线的特性及摄影条件的选择；后者取决于接受介质的转换功能及显影加工技术。 这些也正是推行影像质量保证(QA)与质量控制(QC)的目的。 3．X 线照片影像的形成 作为放射诊断影像的主体――X 线照片影像，仍占影像检查总数的 70％。1995 年美国 放射学院(ACR)一项调研表明，120 家被调研的临床机构中，有 48％认为常规 X 线摄影是最 适宜首选的诊断方法。 所谓 X 线照片影像， 就是以增感屏／胶片体系作为信息的接受介质， 而形成的 X 线影像。 X 线透过被照体时，由于被照体的吸收、散射而衰减，透射线仍按原方向直地(散射线不形 成影像)， 作用于屏／片系统， 经显影加工后， 则形成了密度不等的 X 线照片影像(图 1-2-2)。 X 线照片影像的形成，一是利用了 X 线具有的穿透、荧光、感光等特性，以及被照体对 X 线 吸收差异的存在。所以，X 线照片影像可以看作是 X 线通过被照体内部所产生的吸收现象的 记录。 X 线照片影像是 X 线诊断的依据，医生通过对照片的观察，对构成这幅影像的点、线赋 予一定的内容，并理解其中的含义，这就是诊断。对此重要的是，什么样的点和线可以在 X 线照片上显示出来， 并能为人眼所识别， 这也就是医生最关心的影像细节的微小变化。 因为， 它是疾病早期诊断的征象。X 线照片影像的质量实质上指的就是微小细节的信息传递问题， 即影像的清晰度。 概括地讲，影像细节的表现主要取决于构成照片影像的五大要素：密度、对比度、锐利 度、 颗粒度及失真度。 前四者为构成照片影像的物理因素， 后者为构成照片影像的几何因素。 自测题-35 X 线信息影像形成的阶段是（ ） A．X 线透过被照体之后 B．X 线照片冲洗之后 C．X 线到达被照体之前 D．视觉影像就是 X 线信息影像 E．在大脑判断之后 答：A 自测题-36 关于 X 线信息影像的形成与传递过程的叙述，错误的是（ ） A．自 X 线管发射出来的 X 线强度分布是不均匀的 B．X 线透过被照体之后就已形成了 X 线信息影像 C．被照体是信息源，X 线是信息载体 D．不均匀分布的 X 线强度照射到屏／片体系，经显影加工后形成光学密度影像 E．照片密度影像通过看片灯，在视网膜形成视觉影像，再经大脑判断，最后形成诊断 答：A 自测题-37 X 线透过被照体之后形成的 X 线强度的差异称为（ ） A．人工对比 B．天然对比 C．射线对比度 D．胶片对比度 E．照片对比度答：C 自测题-38 关于 X 线照片影像形成的叙述，错误的是（ ） A．X 线透过被照体之后的透射线和散射线，照射到胶片上形成照片影像 B．X 线照片影像是 X 线被被照体吸收与散射后形成的 C．X 线照片影像是利用了 X 线透射线的直进性 D．照片接受的散射线不形成影像 E．常规 X 线照片与 CT 片的影像均利用了 X 线的穿透性 答：A 自测题-39 X 线照片影像的形成要素，不包括（ ） A．照片密度 B．照片的感度 C．照片的对比度 D．照片的锐利度 E．照片的放大与变形 答：B 自测题-40 X 线照片影像的质量实质上指的是（ ） A．影像密度 B．影像对比度 C．影像清晰度 D．影像失真度 E．胶片感光度 答：C 自测题-41 X 线照片上微小细节的信息传递问题，就是（ ） A．影像密度 B．天然对比度 C．影像失真度 D．影像清晰度 E．胶片感光度 答：D 自测题-42 下列哪项是构成 X 线照片影像的几何因素（ ） A．影像密度 B．影像对比度 C．影像锐利度 D．影像颗粒度 E．影像失真度 答：E 【考点 8】X 线照片影像质量的分析基础 1．影响影像质量的基本因素 （1）X 线影像质量的评价 X 线影像质量的评价经历了一个逐渐完善的过程，从主观评价到客观评价，目前又进入 了一个新的领域――综合评价阶段。 ①主观评价： 通过人的视觉在检出识别过程中根据心理学规律， 以心理学水平进行的评 价，称为主观评价或视觉评价。以往，主观评价方法主要有金属网法、Burger 法、并列细 线法等。目前，主要应用 ROC(receiver operating characteristic，ROC)曲线，它是一种以信号检出概率方式，对成像系统在背景噪声中微小信号的检出能力进行解析与评价的方 法，也称观测者操作特性曲线。这一概念是对主观评价的最新发展。 ②客观评价：对导致 x 线照片影像形成的密度、模糊度、对比度、颗粒度以及信息传递 功能，以物理量水平进行的评价，称为客观评价。主要通过特性曲线、响应函数等方法予以 测定、评价。 ③综合评价：它是以诊断学要求为依据，以物理参数为客观手段，再以能满足诊断要求 的技术条件为保证，同时充分考虑减少辐射量的评价方法。 无论是主观评价、 客观评价还是综合评价， 其评价的前提是必须了解影响影像质量的基 本因素。 （2）影响 X 线影像质量的基本因素 从医疗角度讲，评价影像质量的第一要素，是看影像质量是否符合诊断学要求。在这里 我们仅从技术角度对影像质量加以分析。 X 线照片影像，从 X 线的发生到在胶片上形成一幅固定的影像，其间要发生许多改变， 这是一个复杂的信息形成与传递的过程。因此，一幅照片影像的质量的评价、分析与控制应 当是全过程的、全面的、全员的，即全面质量管理(total quality management，TQM)的模 式，也就是说，要提高一幅照片影像的质量，必须对所包含的每个步骤、过程加以测试、评 估方可得到改善。 在上述影响影像质量的诸多因素中， 最重要的影响因素是对比度、 清晰度和颗粒度三大 因素。这三大因素存在着相关性，相互之间又存在着许多方式的影响。但是，从总体来看也 存在着随机的相关性。据此，这些因素也可以认为具有一定的独立性。 （3）X 线影像质量的视觉评价 当人们用肉眼对 X 线照片影像质量进行评价时， 很难对上述三大因素做出十分清楚的区 分，所看到的影像是三个因素相互作用的结果。因此，人们要对照片影像进行更加科学的分 析、 评价， 这就需要有使用物理参量的对“总体影像质量”或“诊断价值”进行表达的一些 方式。 目前对此评价的最新视觉评价方法是借助统计学的 ROC 曲线。 当所有三大因素完全满意、 完全不满意、 一种因素相对于另外两种因素具有悬殊很大的 影响时，对总体的影像质量评价会十分容易。但是，实际上有些照片显示出高清晰度，而颗 粒性差的影像；也可以是低清晰度，而有良好的颗粒性影像。此外，照片影像质量的评价还 受其他因素的影响，如医生的“偏爱”和所检查器官、组织的类型等。总之，有一条基本的 结论，目前还没有制定出一个具有概括性的结论和方法。结果，对肉眼观察与物理参量之间 还没有建立一个完全的统一。这也是为什么“综合评价”观点出现的原因。然而，在当前以 数学方式表达影像质量的应用方法， 即客观评价方法， 毫无疑问地说它可以提供影像质量提 高的有价值数据。 2．对比度 （1）对比度的概念 X 线摄影学中对比度的概念十分重要，它是形成 X 线照片影像的基础。这中间涉及了三 个基本概念，即射线对比度、胶片对比度、X 线照片对比度。 ①射线对比度：X 线到达被照体之前不具有任何的医学信号，它是强度分布均匀的一束 射线。当 X 线透过被照体时，由于被照体对 X 线的吸收、散射而衰减，透射线则形成了强度 的不均匀分布，这种强度的差异称为射线对比度。此时即形成了 X 线信息影像。 ②胶片对比度： 射线对比度所表示的 X 线信息影像不能为肉眼所识别， 只有通过某种介 质的转换才能形成可见的影像， X 线照片影像。 如 那么， 线胶片对射线对比度的放大能力， X 即称为胶片对比度。它取决于胶片的最大斜率(γ 值)或平均斜率(C)。③X 线照片对比度：X 线照片上相邻组织影像的密度差，称为照片对比度。照片对比度 依存于被照体不同组织吸收所产生的射线对比度，以及胶片对射线对比度的放大结果。 （2）影响影像对比度的因素 X 线影像形成的实质， 是被照体对 X 线的吸收差异。 X 线照片影像形成的物理因素为密度、 而 对比度、锐利度、颗粒度。其几何因素为失真度(影像的放大与变形)。所有这些因素的基础 是密度的存在，而对比度是密度影像形成的根本。 图 1-2-3 表示了在 X 线照片影像形成过程中， 其对比度的影响因素。 胶片对比度在更大 范围内影响着影像质量的评价， 同时胶片对比度也与影像锐利度和宽容度(信息量)有关。 当 胶片对比度大时， 组织影像之间的密度分辨就容易， 边缘也就趋向锐利； 当胶片对比度小时， 密度的区分范围就大，涵盖的信息量也就越大。图 1-2-4 表明，密度的差别在高对比度胶片 A 中容易识别到。但是，在可分辨密度范围上与胶片 B 相比，则比较窄。据此，影像质量的 评价会随特性曲线密度范围的选择变化而变化。 3．清晰度 从摄影学意义上讲， 清晰度是在不同密度区域内线对的分辨能力， 以及胶片重建组织影 像细节的能力。 （1）影响影像清晰度的因素 图 1-2-5 反映出了影像分辨能力的高低，涉及了从 X 线设备、X 线胶片的成像到观片者 的心理等诸多因素。 在这些因素中， 对照片影像清晰度产生较大影响的是增感屏清晰度和胶 片对比度。 图 1-2-5 所涉及的因素中任何一个的变化都会使清晰度受损。 例如， 当光线进入胶片乳 剂层时会受到卤化银晶体颗粒的散射，此称散射(irradiation)，见图 1-2-6。当光线穿过 片基反射，而又一次进入到乳剂层时，此称光晕(halation)，又如荧光交迭效应等。所有这 些因素都会使影像清晰度下降。因此，入射光的信息形态与透射光影像形态有很大的差异。 如果 X 线信息影像(输入信息)与照片影像在形态、大小上完全相同，分辨力没有损失的话， 那么信息记录与传递就是 100％。然而，这在实际上是不可能的，任何一种成像系统必然在 信息的转换、传递中损失一部分，而信息损失的多少就涉及到了影像的清晰度。 （2）分辨力与清晰度的关系 分辨力与清晰度是两个不同的概念。 分辨力也称解像力， 虽然能表示某一个介质还原被 照体细部的能力。但是，它是一个极限值，不能反映全部情况。事实上分辨力主要在高空间 频率(高频部分)与清晰度有相应的关系， 而在低频部分分辨力与清晰度不一定统一。 在正常 的观察条件下，肉眼一般能看到对应于 2~4 LP／mm 之间的结构。因此，对于一般 X 线摄影 来说，要求低频部分有更高的信息传递能力，以此对诊断有更大的价值。当我们需要采用放 大摄影把高频信息变为低频来加以记录时，我们希望在高频部分有更高的信息传递能力。 （3）信息量在增感屏传递中的损失 从图 1-2-7 荧光照射(使用增感屏)与 X 线直接照射(无屏)下的 MTF 测定中看到， 尽管空 间频率在加大，不使用增感屏的胶片的信息传递几乎没有损失。然而，一旦使用了增感屏， MTF 曲线有大幅度地跌落。 乳腺 X 线摄影的屏／片组合与常规 X 线摄影屏／片组合的 MTF 曲 线相比，在同一个空间频率下，乳腺摄影屏／片组合的 MTF 远远高于常规摄影。且乳腺摄影 屏／片组合的极限分辨力可达 15～20Lp／mm。 从中我们得到了一个重要的启示， 屏／片系统信息传递的损失， 在于增感屏的使用对影 像清晰度的影响，信息是损失在增感屏的散射与交迭效应上。因此，提高屏／片系统信息传 递功能的关键是增感屏 MTF 的提高，这一结论对生产厂家有指导意义。 直接曝光(direct exposure)，不使用增感屏的胶片信息传递几乎是 100％，它的分辨 力最高可达 35 LP／mm 以上。Min-R 乳腺摄影专用中速单面增感屏与乳腺摄影专用胶片 Min-R 组合下的一组 MTF 的信 息传递功能次之； Min-RFast 乳腺摄影专用高速单面增感屏与乳腺摄影专用胶片 Min-RT(T 颗粒)一组的信 息传递功能在上述四组屏／片系统中最低。 以上三组组合的不同，主要因为使用了不同感度的增感屏。增感屏速度越高，信息传递 损失也越大，如此可见增感屏在信息传递中的作用。 Lanex regular 稀土标准感度的双面增感屏与 T 颗粒 TMG 胶片的一组，在五组中信息传 递最低，其原因是使用了前后两张增感屏，与单面增感屏相比又大有逊色，尽管它使用了 T 颗粒的胶片。 以上最终说明了一个结论， 屏／片系统中的 MTF 高低的决定因素， 在于所使用的增感屏。 当然， 在实际摄影技术中， 要根据不同的摄影部位和诊断要求来选择恰当的屏／片系统的感 度，以取得最大限度的信息传递，这也是为什么增感屏与胶片的生产要系列化的原因之一。 （4）清晰度的测定 在 X 线影像清晰度评价的测定方法中，主要应用的是分辨力和响应函数。 ①分辨力定义：某种成像介质(如胶片、增感屏、IP、平板探测器等)区分两个相邻组织影像 的能力，称为分辨力。分辨力决定于在感光材料上重建的平行线对影像变化的分离程度，以 每毫米可以分辨出多少线对表示。 确定分辨力的最直接方式是使用特定的屏／片系统来记录 被照体，然后对其影像进行观察判断。然而，由于被照体复杂和经常的变化，每次记录时需 要改变曝光条件，这样一来就不可能做出有价值的比较。因此，人们是利用测试卡来代替被 照体，这样可使测试条件趋向一致，所得结果有较好的重复性和可比性。 图 1-2-8 为线对测试卡的实例。 通常测试卡由许多黑白相间、 且分隔宽度相同的线所组 成。例如每毫米 4 个线对时，黑线和白线分隔的总数为 8 条，每一条宽度为 1／8 mm 或 125 μ m。黑白部分的分离程度是建立在所决定的分辨力的极限基础上。也就是说分辨力指的是 X 线的接收、转换介质(胶片、屏／片系统、影像增强器等)的极限分辨力。从表 1-2-1 列出 的主要转换介质的分辨力看到，胶片的分辨力远远高于增感屏。换句话说，分辨力很高的胶 片一旦放到增感屏中使用时，其分辨力迅速下降。由此可见，影像清晰度在很大程度上受增 感屏清晰度的影响。X 线照片影像总体的分辨力，是由 X 线管焦点、屏／片系统、被照体等 等各单元系统的分辨力的合成。 ②调制传递函数(modulation transfer function，MTF)：目前，作为屏／片系统影像 质量的评价方法，主要是以调制传递函数为中心。调制传递函数作为一种表达数值的方式， 已应用于通讯工程领域和光学领域。 总地来讲， 特定的能量形式的输入与相同形式能量输出 之间的关系，可以由输入和输出响应位置之间的比较而决定。那么，调制传递函数就可以表 达获得影像重建的水平。 如果将“调制传递函数”的概念应用到摄影或光学系统中的话， 就必须制作出正弦波模 板。对光线来说，与通讯工程学中声音频率的等价物是黑与亮的密度的重复，这些重复被指 定为空间频率。亮度或光强度(振幅)仅是通过密度的改变来重复。这些变化输入后，此时随 着空间频率的增加， 输出值的重复响应受到的限制也在增加， 尤其是在高频信息下限制更大。 因此，以横坐标为空间频率，计算出光线对应于不同频率下的振幅，沿纵坐标绘制出调制传 递函数曲线。 纵坐标上的调制传递函数的数值表达了输入信号与输出信号的比值。 故信息(灰 度)从 100％完全的重建(记录)到 0％的绝对不能重建的范围内存在。 取代这种百分数的表示 方法是指定 100％为 1.0。 ③相位移动：相位移动是有关响应函数的另一个因素，也必须引起重视。在我们用星型 测试卡来测试 X 线管焦点的成像质量时发现， X 线管焦点面积大于被照体的径线或被照体 当 放大率超过限定数值时， 星卡影像就变成了图 1-2-9 右侧的交错影像。 这在血管造影或放大摄影时，会出现引起误诊的伪解像，此即相位移动。当单独测试感光材料的响应函数时，常 规的相位移动不会发生，此时的响应函数被指为 MTF――调制传递函数。 ④正弦波与方波间的关系： 由于任何一种被照体均具有利用正弦波分布所测到的光强度 的分布特性，所以从理论上讲，用正弦波测试模板测量响应函数是最合适的。然而，用于 X 线透射成像系统中的正弦波模板制作十分困难。 为此， 人们改用方波(或矩形波)测试卡来取 代正弦波测试卡。 无论是来自普通摄影照片，还是 X 线照片，由产生影像密度的光亮度(强度)的分布波 形十分复杂。然而，这些分布曲线具有多种空间频率、振幅和相位，它可以分割成多个单一 的正弦波。从另一角度解释，如果空间频率、振幅和相位组合在一起，它也可以形成任何一 种波形。这种数学综合和分析叫做傅里叶变换。如图 1-2-10 所示，多个正弦波叠加在一起， 最后便形成方波。 由于它们之间存在着互易的数学关系， 利用此法可以进行相互转换。 因此， 正弦波测试卡可以由方波测试卡取代来获得同样有效的结果。 ④分辨力与 MTF：当调制传递函数曲线绘制出来以后，分辨力与 MTF 的测量实际上十分 简单。图 1-2-11 显示，随着空间频率的提高，MTF 曲线下降，最终与横坐标相交，则信息 输出为 0。 此时的空间频率即是该成像系统的极限分辨力(如图所示 15Lp／mm)。 人眼不能识 别 MTF 值 0.1 以下的密度差异(低于 10％)。因此，对于人眼来讲，图 1-2-11 表示的成像系 统的最终分辨力应为 MTF 值 0.1 下的空间分辨力(如图所示 12Lp／mm)。 分辨力与 MTF 之间不一定总是统一的。实际上，影像的清晰度决定于适宜人眼辨别能 力(即低空间频率)的 MTF 值。如图 1-2-12 所示，胶片 A 可能具有高分辩率，但在低频部分 具有增强特性值的胶片 B，会产生人眼所能识别的更加清晰的影像。 此外，MTF 测定的优点，还在于可以测试 X 线成像系统中每一个单元对影像质量的影响 的比率。如 X 线管、增感屏、X 线胶片、影像增强器等等。同时，也可以简化其 MTF 的分析 过程。 假定 X 线管的 MTF 值为 50％， 这就意味着输入到屏／片系统之前信息已损失了 50％。 假定所用屏／片系统的信息传递功能(MTF)值为 0.3，这就意味着相对于原有输入的信息量 来说，当通过屏／片系统输出时，其 MTF 值为 0.15(15％)，也即仅有 15％的信息被屏／片 系统记录和传递(图 1-2-13)。 4．颗粒度 当靠近照片观看时，人们会发现整幅图像是由许许多多的小的密度区域(颗粒)组成的。 由于它们的组合便形成了影像。这种粗糙或砂砾状效果叫颗粒性。 （1）影响颗粒性的因素 影响影像颗粒性的因素如图 1-2-14 所示， 其中最为重要的有四种因素： 线量子斑点(噪 X 声)；胶片卤化银颗粒的尺寸和分布；胶片对比度；增感屏荧光体尺寸和分布。 （2）斑点(噪声) 当人们用肉眼观察 X 线照片时， 会看到一定量的颗粒， 它们不是乳剂中单个银颗粒或增 感屏荧光体颗粒组成， 而是一些在一定区域内大量集中的不规则的颗粒。 这些有颗粒聚集的 区域，称做斑点(噪声)。 卤化银颗粒尺寸大约 1~2 μ m。因此，肉眼是看不到的，除非它们的对比度十分高。人 们所看到的 X 线照片斑点，通常被认为主要是量子斑点形成的(或称量子噪声)，占整个 X 线照片斑点的 92％。 所谓量子斑点就是 X 线量子的统计涨落在照片上记录的反映。 线量子 X 冲击到某种介质的受光面时， 会像雨点一样激起一个随机的图案， 没有任保力量可以使它们 均匀地分布在这个表面上。 假若 X 线量子数无限多， 单位面积内的量子数就可以看成处处相 等；若 X 线量子数很少，则单位面积里的量子数就会因位置不同而不同。这种量子密度的波 动(涨落)遵循统计学的规律，故称之为 X 线量子的“统计涨落”。 5．影响影像质量因素间的相互关系影像质量因素间的相互关系甚为复杂， 它涉及着主观视觉评价与物理客观评价之间的不 一致因素。 （1）清晰度与颗粒度间的相互关系 在各种照片影像的清晰度与颗粒度或颗粒性之间存在着许多复杂的关系。 如果我们暂且 忽略其他全部因素， 仅把注意力集中在清晰度和颗粒度相互关系的评价的话， 影像信息传递 功能(MTF)，将随颗粒尺寸的变大而下降。换句话说，影像清晰度会因影像颗粒性的提高(影 粒度变小)而提高。例如，在通常情况下，增感屏使用的荧光体颗粒尺寸变小时，产生的影 像清晰度会得到提高。这种关系同时也存在于胶片之中，即乳剂颗粒尺寸变小时，影像清晰 度提高。然而，当使用高感度增感屏时，即使颗粒度和信息传递功能都变得很差，上述这种 关系也不见得在所有情况下都出现。换句话说，当实际颗粒尺寸较大时，自然观察到的颗粒 也应较大。但是，由于颗粒感度较高，虽然影像锐利度不好，有时看上去影像质量却有所改 善；或者是说在这里微粒尺寸的作用不十分重要。 图 1-2-16 表示增感屏、胶片感度与清晰度的关系。从此图可以看出，既使胶片(这里指 不加增感屏的单纯胶片的情况)感度逐渐提高，其信息传递功能(MTP)几乎无变化。然而，随 着增感屏感度的增加，影像清晰度明显下降。 （2）清晰度与对比度的关系 这两个因素间的关系相对较为简单。 在同样使用增感屏的情况下比较， 如果胶片对比度 逐渐提高，其清晰度也会提高。相反亦然，胶片对比度降低，其清晰度也下降。 （3）颗粒度与对比度的关系 当影像对比度提高时，颗粒质量下降。图 1-2-17 表示以显影温度为参量，给出了胶片 对比度和颗粒度(RMS)的关系。 如图所示， 当单纯胶片状态仅受 X 线量子斑点的影响下(下方 曲线)，由于显影温度升高，影像对比度(γ 值最大反差)增高，颗粒度加大，影像的颗粒性 下降；图上方曲线为胶片与增感屏组合下，受到 X 线量子斑点和增感屏斑点的双重影响时， 颗粒性下降幅度随显影温度的升高(对比度增大)而加大。 （4）高感度的屏／片系统与影像质量 增感屏荧光体和胶片乳剂都在不断地得到改进，以提高其系统的感度。从理论上讲，要 获得系统的高感度，必然会在一定程度上牺牲影像的清晰度和颗粒质量。 当然， 最大限度的曝光量的减少都是人们所期望的， 但是， 如果以牺牲影像质量为代价， 那么影像也就失去了自身的价值。 有幸的是， 稀土增感屏由于采用了 X 线吸收效率比传统钨 酸钙增感屏高得多的荧光体。因此，在很大程度上减少了高感度屏／片系统下影像清晰度、 颗粒质量下降的制约。 现在，让我们做一组试验，将具有相同颗粒度和对比度等级的 8 种胶片设计成不同的 感度，并测量其 RMS 颗粒度。从图 1-2-18 可以清楚地看到，当屏／片系统的相对感度达到 特定值时，颗粒度开始急剧上升。而这种上升部分是由 X 线量子斑点构成的。因为，这 8 种胶片特性、增感屏特性和 kV 值均未变动。此时，影像颗粒性除 X 线量子斑点之外不受任 何因素影响。 在图像工学上，常用以下等式来计算整体颗粒性： 照片影像整体颗粒性=(胶片对比度)?(X 线量子斑点)?(增感屏 MTF)(1)+(胶片对比 度)?(增感屏斑点)(2)+(胶片颗粒性)(3) 由等式可以看出：(1)表达出的 X 线量子斑点因素的重要作用，以至于(2)和(3)表达出 的屏斑点和胶片颗粒性的轻微提高对整体颗粒性都不会产生明显的改善。然而，X 线量子斑 点的反作用可以通过(1)式中胶片对比度和屏 MTF 等协同因素的降低而下降。换言之，可通 过设计产生稍低对比度照片的胶片结构来达到预期的目的。 自测题-43 关于 X 线影像质量的评价，错误的说法是（ ）A．X 线影像质量的评价经历了一个逐步完善的过程 B．在检出识别过程中以心理学水平进行的评价称为视觉评价 C．主要通过特性曲线、响应函数等方法予以测定评价的方法叫主观评价 D．客观评价是以物理量水平进行的评价 E．目前 X 线影像质量进入综合评价阶段 答：C 自测题-44 下列不属于主观评价方法的是（ ） A．金属网法 B．Burger 法 C．并列细线法 D．ROC 曲线 E．特性曲线 答：E 自测题-45 下列哪项不是综合评价的内涵（ ） A．以诊断学要求为依据 B．以物理参数为客观手段 C．以能满足诊断要求的技术条件为保证 D．突出强调特性曲线 E．充分考虑减少辐射量 答：D 自测题-46 下列关于对比度的概念错误的是（ ） A．穿过被照体后的 X 线强度差异叫做射线对比度 B．X 线达到被照体之前不具有任何的医学信号 C．X 线胶片对射线对比度的放大能力叫做影像对比度 D．X 线照片上相邻组织影像之间的密度差称为照片对比度 E．X 线照片上如果没有对比度就没有影像存在 答：C 自测题-47 X 线影像形成的实质是（ ） A．被照体对 X 线的吸收差异 B．影像密度 C．影像失真度 D．照片颗粒度 E．影像清晰度 答：A 自测题-48 关于清晰度的叙述下列哪项是错误的（ ） A．清晰度是在不同密度区域内线对的分辨能力 B．清晰度是胶片重建组织影像细节的能力 C．影像清晰度的影响因素涉及 X 线设备、胶片成像到观片者心理诸多因素 D．对照片影像清晰度产生较小影响的是增感屏清晰度 E．对照片影像清晰度产生较大影响的是胶片对比度 答：D 自测题-49 分辨力与清晰度的关系正确的是（ ） A．分辨力与清晰度是两个不同的概念 B．分辨力是一个极限值可以反映全部情况C．分辨力主要在低频部分与清晰度有相应的关系 D．分辨力在高频部分与清晰度不一定统一 E．对一般 X 线摄影来说，希望在高频部分有更高的信息传递能力 答：A 自测题-50 关于分辨力的概念错误的是（ ） A．某种成像介质区分两个相邻组织影像的能力 B．决定于在感光材料上重建的平行线对影像变化的分离程度 C．以每毫米内可以分辨出多少线对表示 D．在测定中常用测试卡代替被照体 E．从测试结果看，增感屏的分辨力远远高于胶片 答：E 自测题-51 MTF 是指（ ） A．胶片特性曲线 B．调制传递函数 C．分辨力测试卡 D．影像对比度 E．傅里叶变换 答：B 自测题-52 调制传递函数表示（ ） A．输入信号与输出信号的比值 B．输出信号与输入信号的比值 C．某种成像介质区分两个相邻组织影像的能力 D．感光材料上重建的平行线对影像变化的分离程度 E．每毫米内可以分辨出多少线对 答：B 自测题-53 下列哪项不是影响影像颗粒性的因素（ ） A．X 线量子斑点(噪声) B．胶片卤化银颗粒的尺寸和分布； C．胶片对比度 D．胶片尺寸 E．增感屏荧光体尺寸和分布 答：D 自测题-54 关于照片斑点（噪声）的说法错误的是（ ） A．照片肉眼能见到有颗粒聚集的区域，称做斑点(噪声) B．卤化银颗粒尺寸大约 1~2 μ m，肉眼是看不到的 C．X 线照片斑点主要是量子斑点形成的 D．量子斑点就是 X 线量子的统计涨落在照片上记录的反映 E．假若 X 线量子数无限多，单位面积里的量子数就会因位置不同而不同 答：E 【考点 9】影像质量的主观评价 1．ROC 曲线的概念 通过人的视觉在检出、识别过程中，根据心理学规律以心理学水平进行的评价，称为心 理学评价，又称主观评价或视觉评价。以前，主观评价方法主要有金属网法、Bureger 法、 并列细线法等。既然是主观评价必然受到心理学因素的影响， 且会因人而异。 如何在主观视觉评价中建 立一个统一的标准， 这就可能使主观评价趋向客观化。 1970 年美国芝加哥大学完成了用 ROC 曲线评价影像质量的方法。 所谓 ROC 曲线就是以通讯工程学中的信号检出理论(signal detection theory，SDT) 为基础， 以心理临床评价的观测者操作特性曲线的解析和数理统计处理为手段的评价法， 人 们称之为 ROC 曲线。 它是一种以信号检出概率方式， 对成像系统在背景噪声中微小信号的检 出能力进行解析与评价的方法，也就是用数量来表示对影像中微细信号的识别能力。 2．ROC 曲线的应用 ROC 是一种以信号检出概率方式， 对成像系统在背景噪声中微小信号的检出能力进行解析与 评价的方法。它可以对主观评价以定量的方式进行表述。因此，ROC 解析方法被广泛应用于 医学影像中各个系统的成像性能的评价。 自测题-55 关于 ROC 曲线的叙述，下列哪项是错误的（ ） A．1970 年由美国芝加哥大学完成 B．以通讯工程学中的信号检出理论为基础 C．以心理临床评价的观测者操作特性曲线的解析和数理统计处理为手段 D．可以对主观评价以定性的方式进行表述 E．以信号检出概率方式，对成像系统在背景噪声中微小信号的检出能力进行解析与评价 答：D 自测题-56 关于 ROC 曲线的应用错误的说法是（ ） A．ROC 曲线属于影像质量的主观评价 B．可以对主观评价以定量的方式进行表述 C．主要应用于对评价者的主观评价能力的评估 D．可能使主观评价趋向客观化 E．用数量来表示对影像中微细信号的识别能力 答：C 考点 10】影像质量的客观评价 1．影像质量的客观评价 在评价影像质量时，必须首先考虑以下两个问题： (1)当 X 线透过被照体时， 不论正常与病变部分， 究竟以多大程度把客观的信息准确传 递出来。 (2)从信息接受介质来讲，又以何种程序把信息真实地再现成可见影像。前者取决于 X 线机的特性及摄影条件的选择；后者取决于接受介质的成像能力。 所谓客观评价就是对导致医学影像形成的密度、锐利度(模糊度)、对比度、颗粒度以及 整个成像系统的信息传递功能，以物理量水平进行的评价，称为客观评价。主要是通过摄影 条件(X 线摄影三参量 kV?mA?s 的输出)、特性曲线、响应函数(MTF)、颗粒度的 RMS、维纳 频谱(Ws)，以及近年导入的量子检出率(detective quantum efficiency，DQE)和等效噪声 量子数(noise-equivalent number of quanta，NEQ)等参数的测量方法作影像客观评价的手 段。 从临床影像诊断的角度讲，医生更关心的是影像细节的微小变化，即早期诊断的确定。 这些都涉及影像清晰度的评价。最初，清晰度是通过分辨率和锐利度的测定来判断的。但这 些方法都各有其缺欠，不能对影像质量做综合评价。而调制传递函数的测定，可以客观地对 影像质量做综合评价。 1962 年国际放射界“模仿”了通讯工程学信息论的“频率调制”概念，将其以时间频 率为自变量的频率响应函数，换成以空间频率(LP／mm)为变量的调制传递函数。所谓调制传递函数(MTF)即“响应函数”， 简单理解就是记录(输出)信息量与有效(输入) 信息量之比。这一概念引自电子学，输入称为激励，输出称为响应，它们之间存在着函数关 系， 频率响应就是对于接受介质在某一频率下响应特性的定量表示， 其理论基础是傅立叶变 换。 它广泛应用于通讯工程和光学领域。 同样这一概念也适用于 x 线成像系统的检测与评价。 X 线摄影学将其频率定义为空间频率，以每毫米长度上的线对数表示(LP／mm)。调制指的是 改变一个信号的幅度或强度或量， 传递指的是接受介质(如屏／片系统)将输入信息存储和转 换输出的过程， 两者之间存在着一个函数关系。 信息接受介质在某一频率下响应特性的定量 表示，即为频率响应函数。我们把不同空间频率的响应函数统称为调制传递函数。 上面的 MTF、RMS、WS 等物理评价参数对于成像系统性能的客观评价是十分重要的。但 是，它们之间是相互独立的评价，缺少综合的概念。而量子检出率(DQE)和等效噪声量子数 (NEQ)却能将这些参数联系起来。因此，在数字成像系统性能的客观评价上更具有其价值。 所谓 DQE 是指成像系统中输出信号(信噪比平方)与输入信号(信噪比平方)之比。 可以解 释为成像系统中有效量子的利用率。当然，DQE 值越高(最高值为 1，即 100％利用)，有效 量子利用率高，输出信息也就越高。所谓 NEQ 是指成像系统中输出侧的信噪比的平方，可以 解释为该量子数在理想的成像系统(记录 100％的输入信号)中产生的噪声与实际输入信号 在真实的成像系统中产生的噪声一样。显然，NEQ 越大，成像系统的信噪比就越大，提供的 影像信息也就越多。 在数字 X 线摄影发展的今天，DQE 和 NEQ 这两个概念已称为成像系统客观评价中的重 要参数。 2．客观评价在屏／片系统成像质量分析中的价值 （1）分辨率与清晰度的关系 分辨率与清晰度是两个不同的概念。 分辨率也称解像力， 虽然能表示某一个介质还原被 照体细节的能力。但它是一个极限值，不能反映全部情况。事实上分辨率主要在高空间频率 (高频部分)与清晰度有相应的关系，而在低频部分分辨率与清晰度不一定统一，如图 1-3-4 的 MTF 曲线所示， 屏／片系统的分辨率要大于 A 屏／片系统。 B 但是， 在低频部分(2LP／mm)B 系统的 MTF 小于 A。在正常的观察条件下，肉眼一般能看到对应于 2~4 LP／mm 之间的结构。 因此，对于一般 X 线摄影来讲，A 系统信息传递能力比 B 有更大的诊断价值。当然在需要记 录高频信息时，就应采用放大摄影把高频信息变为低频来加以记录，选用 B 系统为好。 （2）信息量在增感屏传递中的损失 从图 1-3-5 使用增感屏与不使用增感屏的 X 线照射下的 MTF 测定中看到，不使用增感 屏的胶片的信息传递几乎没有损失，尽管空间频率在加大。然而，一旦使用了增感屏，MTF 曲线有大幅度地跌落。从中我们得到了一个重要的启示，屏／片系统信息传递的损失，在于 增感屏的使用对影像清晰度的影响，信息是损失在增感屏的散射与交迭效应上。因此，提高 屏／片系统信息传递功能的关键是增感屏 MTF 的提高，这一结论对生产厂家有指导意义。 不同屏／片组合下的 MTF： ①整个体系的信息传递功能将随屏／片系统相对感度的增加而下降。 ②信息传递功能随空间频率(相当于解剖结构的细微程度)的增加而下降。 ③在低空间频率(如 0.5 LP／mm)或高空间频率(如 10LP／mm)，几组屏／片系统的传递函数 相对接近。 而在肉眼识别(诊断时所用的)能力最强的 1~2LP／mm 空间频率下， 几组屏／片系 统的传递函数被拉开。这意味着，X 线摄影技术应根据临床诊断部位的不同需要，采用不同 相对感度的屏／片系统，即应用系列化选用屏／片系统。如四肢远端关节，应取 Fine 屏／ 片系统，相对感度较低，但诊断最需要显示的骨纹理特别清晰；血管造影因曝光次数多，拍 片量大，而血管造影对比度强。因此，选用高速屏(Fast)屏／片系统为宜。虽然，它的信息 传递衰减一些，但是，照射剂量大幅度降低。一般情况下，选用常规或中速的屏／片系统为宜。 人们会说，今天我们已进入医学影像数字化，X 线摄影使用的是 CR、DR 了，这些内容 还有什么意义?不错，我们是进入了影像数字化时代。但是，其成像系统质量的评价概念、 思路、方法依然有它的实用性。 3．客观评价在焦点成像质量分析中的价值 （1）X 线管焦点形状对成像质量的影响 ①同一焦点， 在照片的不同方位上出现的变形， 是由于 X 线管焦点线量分布的不均匀造成的。 这一情况， 我们可以通过一个星卡测试的方法来验证。 1-3-6 为标称 0.2mm 焦点拍摄 图 的星卡放大影像。我们发现沿其影像与 X 线管长轴平行的方位，自外向内观察时，黑白相间 的星条影像出现了模糊， 继之就是黑条影移到了原来白条影的位置上， 影像呈现了双峰状的 反转交错；而在短轴方位上影像虽未出现反转，但也呈现了单峰状的扭曲。这就是说，星卡 在一定放大率下的实际成像位置，并不始终在理想的、连续的位置上，而是沿着一定方位移 动了一段距离，这种现象叫相位移动。其出现的反转与扭曲影像，在放射线图像工学上称为 伪解像(sparious resolution)或对比度逆转。 在同一空间频率(被照体相同径线的组织结构)下， 单峰要比双峰分布的信息传递功能要 高得多，特别表现在高频部分。例如空间频率为 4 LP／mm(即径线为 0.125 mm 的组织结构) 时，单峰分布下可将其信息传递出 40％，而双峰分布只能传递出 21％，几乎相差一倍。 (2)伪解像产生条件的分析：X 线管不规则的线量分布，特别是双峰分布下的伪解像的 出现，不仅降低了焦点成像质量，而且会给放大摄影的诊断带来困难。这种伪解像的形成能 够在微细结构的成像中，模拟出分叉或血管阻断等假象。因此，了解放大摄影中伪解像出现 的具体情况是至关重要的。 伪解像出现的原因， 从几何学角度来分析更为直观易懂。 1-3-7 表示星卡像面上的线 图 量分布情况。很明显在 A、B 两个像面上，能够分辨出相邻两铅条的影像。但在 C 像面上， 由于相邻两铅条被放大的影像恰好等于 X 线管焦点的大小。致使平面 C 上原成像的区域内， 线量分布值处处相等，从而导致了相邻两铅条影像完全消失，呈模糊像面。而在越过 C 平面 的像面 D 上，由于相邻两铅条的本影与半影的叠加，又出现了可分辨的相邻两铅条的影像， 但其影像的位置却发生了改变，恰好在 A、B 两像面上所显示的原来可分辨的相邻两铅条之 间的位置上，即原影像的黑线条变成了白线条，白线条变成了边境线条，这就是我们所说的 伪解像。 为此，我们对 0.2mm、0.3mm 微焦点在不同倍率下伪解像出现的频率进行了测试。伪解 像不是在任何情况下都会出现，它需要具备一定条件： ?焦点尺寸大于被照体微细结构的径线。 ?被照体放大到一定倍率时，相邻组织半影叠加大于组织径线。 这种情况在被照体紧贴胶片的平片摄影中是不会出现的。但在放大率较大的放大摄影 中，伪解像出现的频率大为增加。为避免这一情况，必须选用微焦点或超微焦点 X 线管，并 把被照体的放大控制在该焦点可能产生伪解像的放大率以下，才能获得一张清晰的放大影 像。 （2）焦点尺寸对成像质量的影响 在焦点线量分布形状相同的情况下，焦点越小，成像质量越高。实际成像的等效焦点尺 寸，并不等于标称焦点面积。实测出的焦点尺寸，表示的是由焦点大小及其线量分布等总体 成像量的等效焦点尺寸。 4．客观评价在体位设计的质量分析中的价值 （1）体位设计的意义 以往， 一个摄影位置的摆法是从解剖学的角度设计的， 这已经是几十年沿用下来的常规。现在，我们认为在新的成像原理指导下，应赋予体位设计更深刻的含义，即根据临床诊断要 求，在能够发现、显示病变成目的部位的同时，还必须以最高像质反映在照片上。 体位设计与影像质量之间的关系，受下列因素影响： ①投影学因素：焦点、被照体、胶片三者间位置与距离的关系。 ②X 线管焦点的成像质量。 ③X 线中心线投射屏／片系统的状态。 （2）X 线中心线投射状态与成像质量关系的分析 ①X 线中心线垂直射入屏―片系统的影像质量：在中心线垂直射入屏／片系统的体位设 计中，最重要的原则之一，是病变部位紧靠胶片，以缩小物――片距，从而获得一个几何模 糊度很小的清晰影像。但是，患侧靠片与健侧靠片二者在影像质量上究竟有多大区别，还需 要定量分析，对此最有力的手段就是测定该成像系统的调制传递函数。 现在，通过一个横径 18 cm 的头颅侧位摄影(右侧颅骨骨折)的信息传递功能的测定，看 患侧靠片与健侧靠片所呈现的影像质量区别。如图 1-3-8 所示，在同一空间频率下(2LP／ mm)，患侧靠片时的调制传递函数为 0.5，而在健侧靠片时的调制传递函数为 0.35，可见患 侧靠片较健侧靠片时的信息传递功能高出 15％，这一差别在高频信息(微细结构)下尤为显 著。 ②X 线中心线倾斜射入屏／片系统的影像质量 ?斜射效应的产生：在 X 线摄影中，为使病变和目的部位显示出来，常常采取中心线倾 斜角度的方法， 特别是对于结构复杂的头颅部位的摄影。 中心线倾斜射入屏／片系统将产生 怎样的影像质量，没有引起人们更多注意，只是从解剖学的角度出发，着眼于避免病变或目 的部位过多的重叠上。现在，当我们掌握了影像质量评价的物理手段时，就可以对此做出定 量分析，了解斜射效应对影像质量的影响，以采取必要措施来获得最佳像质。 一般医用 X 线胶片涂有两面乳剂层，夹在前后两张增感屏中使用。当 X 线倾斜射入时， 被胶片记录下来的前后屏发光分布难以吻合， 则在胶片两面乳剂膜上分别产生了两个错开的 影像。这就是使影像出现很大模糊的斜射效应。 已知胶片厚度 T，中心线倾斜角度 θ 即可计算出前后屏发光峰值错开的幅度 D： D=T?tanθ 由此可知，胶片越厚、中心线倾斜角度越大，胶片两面乳剂所记录下来的影像模糊度也就越 大。 ?斜射效应下伪解像的产生：将线对卡置于暗盒上，中心线分别倾斜 0°，10°，20°， 30°照射，将其影像用微密度计扫描、测算，并绘制成 MTF 曲线。如图 1-3-9 所示，中心线 倾斜角度越大，影像质量越差，特别是在高频部分(微细结构)。在中心线倾斜 20°时，就 开始出现了伪解像。 伪影像的产生是中心线斜射效应的结果，即 X 线倾斜使前后屏发光峰值的错开幅度增 大，X 线片两面乳剂合成密度分布出现双峰状的移行，造成影像在原有位置上出现黑白交替 的反转现象――伪解像。总之，由于斜射效应，中心线倾斜射入屏／片系统时的影像质量， 较垂直射入屏／片系统时有明显恶化。 （3）最高像质的体位设计 对于需要中心线倾斜角度的摄影部位， 都会因斜射效应而使影像质量下降， 对此情况又 将如何设计体位呢? 我们知道，X 线影像是被照体在胶片上的平面投影，其形态、大小将依 X 线管焦点、被 照体、胶片三者间的位置关系而变化。对于需要倾斜中心线的摄影部位，均可用被照体倾斜 而中心线垂直射入的方法来获得同一影像。但是，这必然带来物-片距加大，而产生放大模 糊。究竟哪一种是最佳方案，不能一概而论，必须具体加以比较。对此最能发挥鉴别能力的就是调制传递函数的测定方法。 一般来说， 照片影像的总体 MTF， 可以从 X 线管焦点 MTF 与屏／片系统的 MTF 乘积求得。 Rω =Tω ?Cω Rω ：摄影体系的总体 MTF，Tω ：X 线管焦点的 MTF，Cω ：屏／片系统的 MTF。 在这里，Tω 可以通过星卡测试手段、Cω 可以通过方波测试卡测试手段获得，将测试 数据代入上述公式，即可获得所设计体位下的总体成像质量。 现在，我们具体以某患者内听道 Towne 氏位摄影为实例，比较一下不同体位设计下的 成像质量。 中心线倾斜 30°： 患者取 Towne 位， 前后向， 实测患者蝶鞍距片 12.5 cm、 焦-片距 100cm， 放大率 M=100／(100－12.5)≈1.15，中心线向足侧倾斜 30°(图 1-3-10)。 Rω =放大率 1.15 时的 Tω ?中心线 30°斜射效应下的 Cω 被照体倾斜 30 法：同一患者取前后向，头颅下垫起 30°，实测蝶鞍距片 20.6 cm，焦―片 距 100 cm，放大率 M=100／(100－20.6)≈1.26，中心线垂直射入屏／片系统。 Rω =放大率 1.26 时的 Tω ?中心线垂直下的 Cω 两种摄影方法均使用 0.3mm 焦点的 X 线管。 测试结果表明(图 1-3-11)， 以被照体倾斜 30°、 而中心线垂直射入屏／片系统的方法 为佳。但是，还应指出影像的几何模糊随 x 线管焦点的大小而变化。因此，在下不同体位设 计下的成像 X 线管不同焦点尺寸下，上述两种设计方案也就会有不同结果。我们对 0.3 mm、 1．0 mm、2.0mm 三种焦点在上述条件下做了测试，并在同一空间频率(1.5 LP／mm 同一组织 径线粗细下)下作了比较，发现： ?使用 1.0mm 以下焦点尺寸时， 取被照体倾斜， 中心线垂直射入屏／片系统的设计方案 为佳； ?使用 2.0mm 以上焦点尺寸时，以中心线倾斜 30°的原 Towne 氏位方案为佳； ?中心线倾斜角度时焦点下的 MTF 比较体位设计方案， 几乎不依赖于焦点尺寸， 而只依赖于 屏／片系统的 MTF。这是因为物-片距小，相对来说，焦点尺寸的增加不致带来过分的几何 模糊。 在 X 线摄影的体位设计中，类似上述的体位变换是很多的，如胸骨、乳突摄影等，都存 在一个最高像质的体位选择问题， 对此必须做具体的测试评价， 才能获得一个最佳的体位设 计方案。 （4）结语 ①对于 x 线摄影中的摆位， 应赋予新的广义概念， 即应该以最高像质把病变或欲照部位显示 出来为目的进行体位设计。 ②在掌握了影像评价手段的今天， 应该从上述概念出发， 来检验历史沿用下来的体位设 计。 ③当前由于高感度屏／片系统的开发， 小焦点大功率高速旋转阳极 X 线管的使用， 使我 们有可能在一个更优越的几何投影条件下进行 X 线摄影。 在这种形势下， 使用被照体倾斜而 中心线垂直入射屏／片系统的体位设计方案能显示出更高的影像质量。 因此，上述讨论给我们提出了一个共同的问题，考虑到 X 线机的进展，传统的体位设计 方案的再讨论是必要的。 ④由于上述讨论的启发， 我们设想使用单层高速(稀土)增感屏与单面高感度 X 线片的组 合，而仍采用中心线倾斜入射的体位设计方案，一定能取得一个像质更高的图像。因为在单 层屏／片组合下， 中心线的倾斜不再出现斜射效应下的影像模糊， 而且此时的被照体放大率 又小于被照体倾斜、 中心线垂直射入时的体位设计方案。 可以预言单层高速屏／片组合的使 用，一定会给 X 线摄影质量的提高带来新的局面。自测题-57 客观评价的测量方法的参数不包括（ ） A．X 线摄影三参量 B．ROC 曲线 C．响应函数 D．特性曲线 E．量子检出率 答：B 自测题-58 可以客观地对影像质量做综合评价的是（ ） A．调制传递函数的测定 B．ROC 曲线的测定 C．特性曲线的测定 D．维纳频谱测定 E．X 线摄影三参量测定 答：A 自测题-59 在数字成像系统性能的客观评价上更具有价值的参量是（ ） A．MTF B．RMS C．WS D．kV?mA?s E．DQE 答：E 自测题-60 关于量子检出率(DQE)的叙述错误的是（ ） A．指成像系统中输出信号(信噪比平方)与输入信号(