第一章 X线成像
第一节 X线成像的基本原理与设备
一、X线的产生特性
（一）X线的产生 1895年，德国科学家伦琴发现了具有很高能量，肉眼看不见，但能穿透不同物质，能使荧光物质发光的射线。因为当时对这个射线的性质还不了解，因此称之为X射线。为纪念发现者，后来也称为伦琴射线，现简称X线（X-ray）。
一般说，高速行进的电子流被物质阻挡即可产生X线。具体说，X线是在真空管内高速行进成束的电子流撞击钨（或钼）靶时而产生的。因此，X线发生装置，主要包括X线管、变压器和操作台。
X线管为一高真空的二极管，杯状的阴极内装着灯丝；阳极由呈斜面的钨靶和附属散热装置组成。
变压器为提供X线管灯丝电源和高电压而设置。一般前者仅需12V以下，为一降压变压器；后者需40～150kV（常用为45～90kV）为一升压变压器。
操作台主要为调节电压、电流和曝光时间而设置，包括电压表、电流表、时计、调节旋钮和开关等。
在X线管、变压器和操作台之间以电缆相连。X线机主要部件及线路见图1-1-1。
图1-1-1 X线机主要部件示意图
X线的发生程序是接通电源，经过降压变压器，供X线管灯丝加热，产生自由电子并云集在阴极附近。当升压变压器向X线管两极提供高压电时，阴极与阳极间的电势差陡增，处于活跃状态的自由电子，受强有力的吸引，使成束的电子，以高速由阴极向阳极行进，撞击阳极钨靶原子结构。此时发生了能量转换，其中约1%以下的能量形成了X线，其余99%以上则转换为热能。前者主要由X线管窗口发射，后者由散热设施散发。
（二）X线的特性 X线是一种波长很短的电磁波。波长范围为0.0006～50nm。目前X线诊断常用的X线波长范围为0.008～0.031nm（相当于40～150kV时）。在电磁辐射谱中，居γ射线与紫外线之间，比可见光的波长要短得多，肉眼看不见。
除上述一般物理性质外，X线还具有以下几方面与X线成像相关的特性：
穿透性：X线波长很短，具有很强的穿透力，能穿透一般可见光不能穿透的各种不同密度的物质，并在穿透过程中受到一定程度的吸收即衰减。X线的穿透力与X线管电压密切相关，电压愈高，所产生的X线的波长愈短，穿透力也愈强；反之，电压低，所产生的X线波长愈长，其穿透力也弱。另一方面，X线的穿透力还与被照体的密度和厚度相关。X线穿透性是X线成像的基础。
荧光效应：X线能激发荧光物质（如硫化锌镉及钨酸钙等），使产生肉眼可见的荧光。即X线作用于荧光物质，使波长短的X线转换成波长长的荧光，这种转换叫做荧光效应。这个特性是进行透视检查的基础。
摄影效应：涂有溴化银的胶片，经X线照射后，可以感光，产生潜影，经显、定影处理，感光的溴化银中的银离子（Ag+）被还原成金属银（Ag），并沉淀于胶片的胶膜内。此金属银的微粒，在胶片上呈黑色。而未感光的溴化银，在定影及冲洗过程中，从X线胶片上被洗掉，因而显出胶片片基的透明本色。依金属银沉淀的多少，便产生了黑和白的影像。所以，摄影效应是X线成像的基础。
电离效应：X线通过任何物质都可产生电离效应。空气的电离程度与空气所吸收X线的量成正比，因而通过测量空气电离的程度可计算出X线的量。X线进入人体，也产生电离作用，使人体产生生物学方面的改变，即生物效应。它是放射防护学和放射治疗学的基础。
二、X线成像的基本原理
X线之所以能使人体在荧屏上或胶片上形成影像，一方面是基于X线的特性，即其穿透性、荧光效应和摄影效应；另一方面是基于人体组织有密度和厚度的差别。由于存在这种差别，当X线透过人体各种不同组织结构时，它被吸收的程度不同，所以到达荧屏或胶片上的X线量即有差异。这样，在荧屏或X线上就形成黑白对比不同的影像。
因此，X线影像的形成，应具备以下三个基本条件：首先，X线应具有一定的穿透力，这样才能穿透照射的组织结构；第二，被穿透的组织结构，必须存在着密度和厚度的差异，这样，在穿透过程中被吸收后剩余下来的X线量，才会是有差别的；第三，这个有差别的剩余X线，仍是不可见的，还必须经过显像这一过程，例如经X线片、荧屏或电视屏显示才能获得具有黑白对比、层次差异的X线影像。
人体组织结构，是由不同元素所组成，依各种组织单位体积内各元素量总和的大小而有不同的密度。人体组织结构的密度可归纳为三类：属于高密度的有骨组织和钙化灶等；中等密度的有软骨、肌肉、神经、实质器官、结缔组织以及体内液体等；低密度的有脂肪组织以及存在于呼吸道、胃肠道、鼻窦和乳突内的气体等。
当强度均匀的X线穿透厚度相等的不同密度组织结构时，由于吸收程度不同，因此将出现如图1-1-2所示的情况。在X线片上或荧屏上显出具有黑白（或明暗）对比、层次差异的X线影像。
在人体结构中，胸部的肋骨密度高，对X线吸收多，照片上呈白影；肺部含气体密度低，X线吸收少，照片上呈黑影。
图1-1-2 不同密度组织（厚度相同）与X线成像的关系
X线穿透低密度组织时，被吸收少，剩余X线多，使X线胶片感光多，经光化学反应还原的金属银也多，故X线胶片呈黑影；使荧光屏所生荧光多，故荧光屏上也就明亮。高密度组织则恰相反
病理变化也可使人体组织密度发生改变。例如，肺结核病变可在原属低密度的肺组织内产生中等密度的纤维性改变和高密度的钙化灶。在胸片上，于肺影的背景上出现代表病变的白影。因此，不同组织密度的病理变化可产生相应的病理X线影像。
人体组织结构和器官形态不同，厚度也不一致。其厚与薄的部分，或分界明确，或逐渐移行。厚的部分，吸收X线多，透过的X线少，薄的部分则相反，因此，X线投影可有图1-1-3所示不同表现。在X线片和荧屏上显示出的黑白对比和明暗差别以及由黑到白和由明到暗，其界线呈比较分明或渐次移行，都是与它们厚度间的差异相关的。图1-1-3中的几种情况，在正常结构和病理改变中都有这种例子。
图1-1-3 不同厚度组织（密度相同）与X线成像的关系
A.X线透过梯形体时，厚的部分，X线吸收多，透过的少，照片上呈白影，薄的部分相反，呈黑影。白影与黑影间界限分明。荧光屏上，则恰好相反 B.X线透过三角形体时，其吸收及成影与梯形体情况相似，但黑白影是逐步过渡的，无清楚界限。荧光屏所见相反 C.X线透过管状体时，其外周部分，X线吸收多，透过的少，呈白影，其中间部分呈黑影，白影与黑影间分界较为清楚。荧光屏所见相反
由此可见，密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是X线成像的基本条件。应当指出，密度与厚度在成像中所起的作用要看哪一个占优势。例如，在胸部，肋骨密度高但厚度小，而心脏大血管密度虽低，但厚度大，因而心脏大血管的影像反而比肋骨影像白。同样，胸腔大量积液的密度为中等，但因厚度大，所以其影像也比肋骨影像为白。需要指出，人体组织结构的密度与X线片上的影像密度是两个不同的概念。前者是指人体组织中单位体积内物质的质量，而后者则指X线片上所示影像的黑白。但是物质密度与其本身的比重成正比，物质的密度高，比重大，吸收的X线量多，影像在照片上呈白影。反之，物质的密度低，比重小，吸收的X线量少，影像在照片上呈黑影。因此，照片上的白影与黑影，虽然也与物体的厚度有关，但却可反映物质密度的高低。在术语中，通常用密度的高与低表达影像的白与黑。例如用高密度、中等密度和低密度分别表达白影、灰影和黑影，并表示物质密度。人体组织密度发生改变时，则用密度增高或密度减低来表达影像的白影与黑影。
三、X线成像设备
X线机包括X线管及支架、变压器、操作台以及检查床等基本部件。60年代以来，影像增强和电视系统技术的应用，使它们逐渐成为新型X线机的主要部件之一。为了保证X线摄影质量，新型X线机在摄影技术参数的选择、摄影位置的校正方面，都更加计算机化、数字化、自动化。为适应影像诊断学专业的发展，近30多年来，除通用型X线机以外，又开发了适用于心血管、胃肠道、泌尿系统、乳腺及介入放射、儿科、手术室等专用的X线机。
第二节 X线图像特点
X线图像是X线束穿透某一部位的不同密度和厚度组织结构后的投影总和，是该穿透路径上各层投影相互叠加在一起的影像。正位X线投影中，它既包括有前部，又有中部和总后的组织结构。重叠的结果，能使体内某些组织结构的投影因累积增益而得到很好的显示，也可使体内另一些组织结构的投影因减弱抵消而较难或不能显示。
由于X线束是从X线管向人体作锥形投射，因此，将使X线影像有一定程度放大并产生伴影（图1-1-4）。伴影使X线影像的清晰度减低。
锥形投射还可能对X线影像产生如图1-1-5所示的影响。处于中心射线部位的X线影像，虽有放大，但仍保持被照体原来的形状，并无图像歪曲或失真；而边缘射线部位的X线影像，由于倾斜投射，对被照体则既有放大，又有歪曲。
图1-1-4 X线管阳极靶对X线投影的（放大与晕影）焦点面使X线投影放
大并产生伴影。当荧屏或胶片（F）由A移至B时，投影将更放大，伴影也增大
图1-1-5 斜射投照对X线投影的影响（歪曲失真）
同样的球体，由于倾斜投射，使投影变形，呈蛋形(S[XB]2[/XB])；中心射线部分的投影（S[XB]1[/XB]），有放大，但仍呈球形
第三节 X线检查技术
X线图像是由从黑到白不同灰度的影像所组成。这些不同灰度的影像反映了人体组织结构的解剖及病理状态。这就是赖以进行X线检查的自然对比。对于缺乏自然对比的组织或器官，可人为地引入一定量的在密度上高于或低于它的物质，便产生人工对比。因此，自然对比和人工对比是X线检查的基础。
一、普通检查
包括荧光透视和摄影。
荧光透视（fluoroscopy）：简称透视。为常用X线检查方法。由于荧光亮度较低，因此透视一般须在暗室内进行。透视前须对视力行暗适应。采用影像增强电视系统，影像亮度明显增强，效果更好。透视的主要优点是可转动患者体位，改变方向进行观察；了解器官的动态变化，如心、大血管搏动、膈运动及胃肠蠕动等；透视的设备简单，操作方便，费用较低，可立即得出结论等。主要缺点是荧屏亮度较低，影像对比度及清晰度较差，难于观察密度与厚度差别较少的器官以及密度与厚度较大的部位。例如头颅、腹部、脊柱、骨盆等部位均不适宜透视。另外，缺乏客观记录也是一个重要缺点。
X线摄影（radiography）：所得照片常称平片（plain film）。这是应用最广泛的检查方法。优点是成像清晰，对比度及清晰度均较好；不难使密度、厚度较大或密度、厚度差异较小部位的病变显影；可作为客观记录，便于复查时对照和会诊。缺点是每一照片仅是一个方位和一瞬间的X线影像，为建立立体概念，常需作互相垂直的两个方位摄影，例如正位及侧位；对功能方面的观察，不及透视方便和直接；费用比透视稍高。
这两种方法各具优缺点，互相配合，取长补短，可提高诊断的正确性。
二、特殊检查
体层摄影（tomography）：普通X线片是X线投照路径上所有影像重迭在一起的总和投影。一部分影像因与其前、后影像重迭，而不能显示。体层摄影则可通过特殊的装置和操作获得某一选定层面上组织结构的影像，而不属于选定层面的结构则在投影过程中被模糊掉。其原理如图1-1-6所示。体层摄影常用以明确平片难于显示、重迭较多和处于较深部位的病变。多用于了解病变内部结构有无破坏、空洞或钙化，边缘是否锐利以及病变的确切部位和范围；显示气管、支气管腔有无狭窄、堵塞或扩张；配合造影检查以观察选定层面的结构与病变。
软线摄影：采用能发射软X线的钼靶管球，用以检查软组织，特别是乳腺的检查。
其他：特殊检查方法尚有①放大摄影，采用微焦点和增大人体与照片距离以显示较细微的病变；②荧光摄影，荧光成像基础上进行缩微摄片，主要用于集体体检；③记波摄影，采用特殊装置以波形的方式记录心、大血管搏动，膈运动和胃肠蠕动等。
图1-1-6 体层摄影原理示意图
在曝光时，X线管与胶片作相反方向移动，而移动的轴心即在选定层面的平面上。结果，在被检查的部位内，只有选定的一层结构始终投影在胶片上的固定位置（A＇），从而使该层面的结构清楚的显影，而其前后各层结构则因曝光时，在胶片上投影的位置不断移动而成模糊影像（B＇）
三、造影检查
人体组织结构中，有相当一部分，只依靠它们本身的密度与厚度差异不能在普通检查中显示。此时，可以将高于或低于该组织结构的物质引入器官内或周围间隙，使之产生对比以显影，此即造影检查。引入的物质称为造影剂（contrast media）。造影检查的应用，显著扩大了X线检查的范围。
（一）造影剂 按密度高低分为高密度造影和低密度造影剂两类。
1.高密度造影剂 为原子序数高、比重大的物质。常用的有钡剂和碘剂。
钡剂为医用硫酸钡粉末，加水和胶配成。根据检查部位及目的，按粉末微粒大小、均匀性以及用水和胶的量配成不同类型的钡混悬液，通常以重量/体积比来表示浓度。硫酸钡混悬液主要用于食管及胃肠造影，并可采用钡气双重对比检查，以提高诊断质量。
碘剂种类繁多，应用很广，分有机碘和无机碘制剂两类。
有机碘水剂类造影剂注入血管内以显示器官和大血管，已有数十年历史，且成为常规方法。它主要经肝或肾从胆道或泌尿道排出，因而广泛用于胆管及胆囊、肾盂及尿路、动脉及静脉的造影以及作CT增强检查等。70年代以前均采用离子型造影剂。这类高渗性离子型造影剂，可引起血管内液体增多和血管扩张，肺静脉压升高，血管内皮损伤及神经毒性较大等缺点，使用中可出现毒副反应。70年代开发出非离子型造影剂，它具有相对低渗性、低粘度、低毒性等优点，大大降低了毒副反应，适用于血管、神经系统及造影增强CT扫描。惜费用较高，目前尚难于普遍使用。
上述水溶性碘造影剂有以下类型：①离子型，以泛影葡胺（urografin）为代表；②非离子型以碘苯六醇（iohexol）、碘普罗胺（iopromide）碘必乐（iopamidol）为代表；③非离子型二聚体，以碘曲仑（iotrolan）为代表。
无机制碘剂当中，布什化油（lipoidol）含碘40%，常用于支气管、瘘管子官输入卵管造影等。碘化油造影后吸收极慢，故造影完毕应尽可能吸出。
脂肪酸碘化物的碘苯酯（pantopaque），可注入椎管内作脊髓造影，但近来已用非离子型二聚体碘水剂。
2.低密度造影剂 为原子序数低、比重小的物质。目前应用于临床的有二氧化碳、氧气、空气等。在人体内二氧化碳吸收最快，空气吸收最慢。空气与氧气均不能注入正在出血的器官，以免发生气栓。可用于蛛网膜下腔、关节囊、腹腔、胸腔及软组织间隙的造影。
（二）造影方式 有以下两种方式。
1．直接引入 包括以下几种方式；①口服法：食管及胃肠钡餐检查；②灌注法：钡剂灌肠，支气管造影，逆行胆道造影，逆行泌尿道造影，瘘管、脓腔造影及子宫输卵管造影等；③穿剌注入法：可直接或经导管注入器官或组织内，如心血管造影，关节造影和脊髓造影等。
2．间接引入 造影剂先被引入某一特定组织或器官内，后经吸收并聚集于欲造影的某一器官内，从而使之显影。包括吸收性与排泄性两类。吸收性如淋巴管造影。排泄性如静脉胆道造影或静脉肾盂造影和口服法胆襄造影等。前二者是经静脉注入造影剂后，造影剂聚集于肝、肾，再排泄入胆管或泌尿道内。后者是口服造影剂后，造影剂经肠道吸收进入血循环，再到肝胆并排入胆襄内，即在蓄积过程中摄影，现已少用。
（三）检查前准备造影反应的处理 各种造影检查都有相应的检查前准备和注意事项。必须严格执行，认真准备，以保证检查效果和患者的安全。应备好抢救药品和器械，以备急需。
在造影剂中，钡剂较安全，气体造影时应防止气栓的发生。静脉内气栓发生后应立即将患者置于左侧卧位，以免气体进入肺动脉。造影反应中，以碘造影剂过敏较常见并较严重。在选用碘造影剂行造影时，以下几点值得注意：①了解患者有无造影的禁忌证，如严重心、肾疾病和过敏体质等；②作好解释工作，争取患者合作；③造影剂过敏试验，一般用1ml30%的造影剂静脉注射，观察15分钟，如出现胸闷、咳嗽、气促、恶心、呕吐和荨麻疹等，则为阳性，不宜造影检查。但应指出，尽管无上述症状，造影中也可发生反应。因此，关键在于应有抢救过敏反应的准备与能力；④作好抢救准备，严重反应包括周围循环衰竭和心脏停搏、惊厥、喉水肿、肺水肿和哮喘发作等。遇此情况，应立即终止造影并进行抗休克、抗过敏和对症治疗。呼吸困难应给氧，周围循环衰竭应给去甲肾上腺素，心脏停搏则需立即进行心脏按摩。
四、X线检查方法的选择原则
X线检查方法的选择，应该在了解各种X线检查方法的适应证、禁忌证和优缺点的基础上，根据临床初步诊断，提出一个X线检查方案。一般应当选择安全、准确、简便而又经济的方法。因此，原则上应首先考虑透视或拍平片，必要时才考虑造影检查。但也不是绝对的，例如不易为X线穿透的部位，如颅骨就不宜选择透视，而应摄平片。有时两三种检查方法都是必须的，例如对于某些先天性心脏病，准备手术治疗的患者，不仅需要胸部透视与平片，还必须作心管造影。对于可能产生一定反应和有一定危险的检查方法，选择时更应严格掌握适应证，不可视作常规检查加以滥用，以免给患者带痛苦和损失。
第四节 X线分析与诊断
X线诊断是重要的临床诊断方法之一。诊断以X线影像为基础，因此需要对X线影像进行认真、细致的观察，分辨正常与异常，产节解X线影像所反映的正常与病理的解剖特点。综合X线各种病理表现，联系临床资料，包括病史、症状、体征及其他临床检查资料进行分析推理，才可能提出比较正确的X线诊断。因此，X线诊断的准确性，在相当程度上，取决于对X线影像的特点及其解剖、病理基础的认识和诊断思维方法的正确与否。为了作出正确的X线诊断，在分析和诊断中应遵循一定的原则和步骤。
观察分析X线片时，首先应注意投照技术条件。例如，摄影位置是否准确，摄影条件是否恰当，即照片质量是否满足X线诊断需要。
为了不致于遗漏重要X线征像，应按一定顺序，全面而系统地进行观察。例如，分析胸片时，应注意胸廓、肺、纵隔、膈及胸膜，并应结合临床，着重对其中某一方面的观察。在分析肺片时，应从肺尖到肺底，从肺门到肺周依次进行观察。在分析骨关节片时，应依次观察骨骼、关节及软组织。在分析骨骼时，则应注意骨皮质、骨松质及骨髓腔等。否则很易被引入人注目的部分所吸引，忘记或忽略观察其他部分，而这部分恰好是更重要而必需阅读的部分。
在观察分析过程中，应注意区分正常与异常。为此，应熟悉正常解剖和变异情况以及它们的X线表现。这是判断病变X线表现的基础。
观察异常X线表现，应注意观察它的部位和分布、数目、形状、大小、边缘、密度及其均匀性与器官本身的功能变化和病变的邻近器官组织的改变。因为分析这些X线表现，才可能推断该异常影像的病理基础。在分析判断时，还需找出一个或一些有关键意义的X线表现，以便提出一个或几个疾病来解释这些表现。也就是提出初步的X线诊断。
前述初步考虑的X线诊断是否正确，还必须用其他临床资料和影像诊断检查结果加以验证。临床资料中的年龄、性别、职业史、接触史、生活史、体征及重要检查发现和治疗经过等，对确定X线诊断都具有重要意义。如初步考虑的X线诊断与其他临床资料是吻合的，则诊断的准确性就比较大；如不吻合，则需复核照片的观察与分析是否准确，推理是否符合逻辑，初步X线诊断是否妥当，临床资料是否齐全与准确。
应当指出，X线诊断是有价值的，但也有一定限制。一些疾病的早期或病变很小，则可以没有异常X线表现，以致不能作出诊断。
X线诊断结果基本上有三种情况：①肯定性诊断，即经过X线检查，可以确诊。②否定性诊断，即经过X线检查，排除了某些疾病。但应注意它有一定限制，因病变从发生到出现X线表现需要一定时间，在该时间内X线检查可以呈阴性；病变与其所在器官组织间的自然对比好坏也会影响X线征象的显示。因此，要正确评价否定性诊断的意义。③可能性诊断，即经过X线检查，发现了某些X线征象，但不能确定病变性质，因而列出几个可能性。
第五节 X线诊断的临床应用
X线诊断用于临床已有百年历史。尽管其他一些先进的影像检查技术，例如CT和MRI等对一部分疾病的诊断，显示出了很大的优越性，但它们并不能取代X线检查。一些部位的检查，例如胃肠道，骨关节及心血管，仍主要使用X线检查。X线还具有成像清晰、经济、简便等特点，因此，在国内外，X诊断仍然是影像诊断中使用最广泛和最基本的方法。
第六节 X线检查中的防护
X线检查应用很广，接触X线的人也越来越多。因此，应该重视X线检查中的防护问题。应了解放射防护的意义、方法和措施。
一、放射防护的意义
X线穿透人体将产生一定的生物效应。若接触的X线量过多，超过容许曝射量，就可能产生放射反应，甚至产生一定程度的放射损害。但是，如X线曝射量在容许范围内，一般则少有影响。因此，不应对X线检查产生疑虑或恐惧，而应强调和重视防护，如控制X线检查中的曝射量并采取有效的防护措施，安全合理的使用X线检查，尽可能避免不必要的X线曝射，以保护患者和工作人员的健康。
近二三十年来，由于X线设备的改进，高千伏技术、影像增强技术、高速增感屏和快速X线感光胶片的使用，使X线曝时量已显著减少，放射损害的可能性也越来越小。但是仍不能掉以轻心，尤其应重视孕妇、小儿和长期接触射线的工作人员。近年来介入放射学开展越来越多，射线防护问题应予注意。
二、放射防护的方法和措施
技术方面，可以采取屏蔽防护和距离防护原则。前者使用原子序数较高的物质，常用铅或含铅的物质，作为屏障以吸收不必要的X线。后者利用X线曝射量与距离平方成反比这一原理，通过增加X线源与人体间距离以减少曝射量。
从X线管到达人体的X线，有原发射线和继发射线两类，后者是前者照射穿透其他物质过程中发生的，其能量较前者小，便影响较大。通常采用X线管壳、遮光筒和光圈、滤过板、荧屏后铅玻璃、铅屏、铅橡皮围裙、铅手套以及墙壁等，进行屏蔽防护。增加人体与X线源的距离以进行距离防护，是简易的防护措施。
患者方面，为了避免不必要的X线曝射和超过容许量的曝射，应选择恰当的X线检查方法，设计正确的检查程序。每次X线检查的曝射次数不宜过多，也不宜在短期内作多次重复检查（这对体层摄影和造影检查尤为重要）。在投照时，应当注意投照位置、范围及曝射条件的准确性。对照射野相邻的性腺，应用铅橡皮加以遮盖。
放射线工作者方面：应遵照国家有关放射护卫生标准的规定制定必要的防护措施，正确进行X线检查的操作，认真执行保健条例，定期监测射线工作者所接受的剂量。透视时要戴铅橡皮围裙和铅手套，并利用距离防护原则，加强自我防护。
在介入放射学操作中，应避免不必要的X线透视与摄影。应采用数字减影血管造影（digital subtraction angiography,DSA）设备，USG和CT等进行监视。