射线如何形成透视图像

二、X射线如何形成透视图像

X射线究竟是什么东西？应该说X射线具有人们所常见的可见光的某些特性，它既具有电磁波的能量特性，也具有光子的粒子特性，而光子既有一定的能量，又有一定的辐射波长。

人类的眼睛只能看到可见光波。而X射线的波长比可见光更短，所以我们用肉眼无法看到；同样，波长比可见光更长的无线电波，我们肉眼也是看不到的。

可见光的光子和X射线的光子都是由于原子中的电子运动所产生的。电子处于不同的能级状态（或者说绕着原子核旋转），当电子自高能级的旋转轨道跌落到低能级的旋转轨道时，它就会以光子的形式（将高能旋转轨道到低能旋转轨道的能量差）释放出能量来。原子吸收光子能量而处于较高的能级态，这样的原子就可能释放能量到邻近的光子。

透视是人们较早用来直观人体内部器官的方法，它是利用了可见光以外具有很强穿透力的射线来观察物体，因而它的图像就不可能与人眼看到的物体一样具有各样的颜色。透视图像的形成过程如下：从X光机发出的X光透过人体，由于人体各部分组织的密度不同，因而最后在X光机的荧光屏或照相底片上得到的X光强弱不同，它反映出了人体组织的密度不同，这种不同密度的图形就是透视图像（如图2-3）。

人体密度越大的器官挡住的X光就越多，最后到达荧光屏或照相底片上的X光能量也就越少。如对于人体组织密度最大的牙齿来说，则有很少的X光透到荧光屏上或照相底片上，这样就会显出牙齿与其周围组织有区别的图像。

图2-3　X射线胸部透视图像

图2-4　X-射线管构造

设备中最重要的器件是X射线管（如图2-4）。至今人们用以得到较强X射线的方法都是利用高速电子撞击在金属板上来产生X射线。而要想得到高速电子，首先就需要产生电子。目前是利用灯丝加热，使电子容易脱离金属表面成为空间自由的电子，然后在灯丝与阳极之间加很高的电压（从几万伏到12.5千伏）；而灯丝（阴极）与阳极之间距离很近，在通常的空气中、20℃、一个大气压、相对湿度<80％的条件下，若距离为1cm，那么两极之间只要加3.5千伏的电压就会出现击穿放电现象。为了让由阴极发射出来的电子有足够的能量，从而使其到达阳极时能够打出X射线来，需要将阴阳极都置于真空中，且在不到1cm的距离之间加上好几万伏的电压。这样在真空中不但不会被击穿，还能形成强电场。由阴极发射出来的电子受到电场的作用（就像子弹在枪管中受到加速一样）射到阳极时，因电子获得足够的能量而使阳极发出X射线。

一般X光机产生的X光照射次数多为每秒50次或100次，也就是说，医生看透视图像就像人们看黑白电影一样，影像也是断续的，但由于人们视觉的残留效应，所以不觉得电影的图像是闪烁的。而CT机每秒钟照射几百上千次，不过这样的图像还不能直接观察，而是需要经过计算机处理才能成为断层图像。

为了获得一定能量的X射线，人们首先研究什么强度的X射线适合做透视，什么强度的X射线又适合做治疗，然后再研究什么参数会影响X射线的强度以及怎样产生该强度下的X射线。研究证明，低于35kV的X射线穿透力达不到做透射的目的，并且对人体有害，所以在X射线的出口处放置一片材料来滤掉这部分X射线。一般X光机透视及CT机用的高压都在125kV之下，而由于X光机用于透视的电流较大，故所需电压略低，45kV就可以了。若要照片的话，则需要70～90kV。而CT机通常要用95kV或125kV两档才能使图像看得清楚。其次，为了提高X射线的产生率（出光率），即在同样的电流电压下要产生更多的X射线并向一定方向发出去，就需要考虑阳极旋转盘的材料。虽然高速电子打在金属面时都会发出X射线，但人们首先考虑是钨，因为它是耐高温的材料。为了获得更多的X射线，所以还得镀上合金；而为了定向发射X射线，则又需将盘面做成一定的斜面，并且使其表面非常规则而光亮（如图2-5）。

1895年德国物理学家伦琴（如图2-6）发现这种神秘的射线不仅可以穿透原来很多可见光不能透过的物体，而且还会撞击原子而释放出电子。几年之后X射线就被医学和自然科学中原子核方面的研究所利用。

图2-5　数字化X射线图像技术

图2-6　伦琴

图2-7　设备

物质是在不断地运动的。你看到桌子板凳几乎是不动的东西，但倘若你能看到其中的原子分子，那么你就会发现其中的分子原子在以每秒钟几千兆亿（hundred so ftrillions）次的频率相互碰撞和振动，而电子则以每小时25 000英里的速度做螺旋运动。当带电微粒相撞时就会产生一束具有很大能量的光子，以光的速度飞出，并形成光，或称此为电磁辐射。而电子是非常轻的带电粒子，它围绕原子核旋转。当它受到外来粒子的撞击（图2-7中1）时，该电子就会获得能量而跳到外层的轨道（图2-7中2）；由于它是不稳定的状态，因而又会返回到原来的内层轨道（图2-7中3）；外层轨道与内层轨道的电子能级是不同的，威廉·伦琴发现了人们尚未认识的东西，把它称为X射线。

“差”就是产生光子的源泉，也就是说当电子从距原子核较远的轨道跳回到距原子核较近的轨道时就会放出光子。

如果自由电子撞击金属钨原子中低层（近原子核）轨道电子，并让该电子跑出低层的轨道，那么在外层旋转的电子就会跳到低层补充低层跑掉的电子，同时放出光子。可见此光子能量也是外层电子到内层电子的能级差（如图2-8、图2-9）。

图2-8　原子怎样发射光

图2-9　自由电子撞击金属钨原子

如果自由电子把它的运动速度的能量加到钨原子上，钨原子也会把自由电子给它的运动能量转变成X射线的光能（如图2-10）。

图2-10　自由电子把运动能量给钨原子并转换成X射线

光有很多种形式，如无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等，只是它们辐射的形式不同而已。如果用光子能量的大小来划分光的形式，那么无线电波的光子能量非常之低，可见光的光子能量比无线电波的光子能量大百万倍，上而X射线的光子能量则比可见光的光子能量又大几百到几千万倍。