X光成像技术
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X光成像技术
- 中文名
- X光成像技术
- 外文名
- Xray imaging technology
1895年德国物理学家伦琴发现X射线后，首先被用到医学诊断上，第二年就提出了用于治疗的设想。在这一百多年当中，X射线在医学、安检、无损检测、工业探伤等领域中发挥了巨大作用。相关的技术有：CT、DSA、MR。此外，X光成像技术还可用于对画作的鉴定，例如，科学家通过该技术发现：达·芬奇实际上给蒙娜丽莎画了眉毛。
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线的量有差异。在荧屏或X射线片上形成黑白对比不同的影像。因此，X射线一发现就在医疗上显示了巨大的应用价值，几个星期后，医学家就应用X射线准确地显示了人体断骨的位置。随着时间的推移，X射线已经成为现代医疗中不可缺少的设备。
随着科技的进步，X线摄影经历了从最早的摄影干板到胶片/增感屏组合，到目前数字化X射线图像的各阶段的进步。二十世纪60年代末至70年代初以来，随着计算机与微电子技术的飞速发展，席卷全球的数字化技术和计算机网络与通信技术已经对X光影像设备产生广泛而深远的影响。
影像设备的数字化和网络化以及占医学信息比例最重的医学影像信息的资源共享是大势所趋。1981年日本富士公司推出数字化X射线成像技术（ComputedRadiograph，即CR）。CR技术采用影像板代替传统的胶片/增感屏来记录X射线，再用激光激励影像板，通过专用的读出设备读出影像板存储的数字信号，之后再用计算机进行处理和成像。到1997年，又出现了直接数字化X射线成像技术（DierCtRadiogrPahy，即DR），DR技术的探测器可以迅速将探测到的X射线信号直接转化为数字信号输出，而不需要CR中的激光扫描和专用的读出设备。
X光成像技术在医疗、安检、工业探伤、无损检测等领域中具有举足轻重的地位。传统的X光成像技术采用的是模拟技术，X光影像一旦产生，其图像质量就不能再进一步改善，且其信息为模拟量，不便于图像的储存、管理和传输，限制了它的发展。
X光图像的数字化不仅可利用各种图像处理技术对图像进行处理，改善图像质量，并能将各种诊断技术所获得的图像同时显示，进行互参互补，增加诊断信息。同时数字化X光图像可利用大容量的磁、光盘存贮技术，使临床医学可以更为高效、低耗及省时省地、省力地观察、存贮和回溯，甚至可通过电话网络或internet把X光图像远距离传送，进行遥诊或会诊。
随着计算机与微电子技术的飞速发展，席卷全球的数字化技术、计算机网络和通信技术已经对影像领域产生广泛而深远的影响。一大批全新的成像技术进入医学领域，如超声、CT、DAS、MR、SPETC和PTE等等。这些技术不仅改变了X光屏幕/ 胶片成像的传统面貌，极大地丰富了形态学诊断信息的领域和层次，提高了形态学的诊断水平，同时实现了诊断信息的数字化。
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，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。
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。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。
评价X光图像的标准：X光成像的目的是要让医生能够观察到被检者体内的某个病变组织及其状况，因而医学影像质量的好坏将直接影响医生的诊断。
X光影像的质量决定于成像方法、设备的特点、操作者选用的客观与主观成像参数以及被检者的配合等等。影像质量是由对比度、模糊度、噪声、伪影及畸变等多种因素综合体现出来的。人体所包含的许多结构和器官，在多数成像方法中它们都同时成像。而临床上经常考虑的是某一组织器官及其周围的组织的关系。事实上，多数成像方法对某一组织器官的可见度取决于这个关系而不是整个影像的总体特征。每一种成像系统的任务是将具体的组织特征转换为影像的灰度梯度和颜色。如果有足够的对比度，这些组织器官将成为可见。影像中的对比度的高低取决于组织器官本身及成像系统两方面的特性。
对比度就是有差异的程度，客观对比度即物体本身的物理对比度，由构成被检者组织器官的密度、原子序数和厚度的差异形成。图像对比度是在可见图像中出现的对比度。对比度是图像的最基本特征。X射线影像的对比度是以图像内各不同点的光密度差异表示的。其图像对比度与客观对比度及X射线影像设备的特性有关。
人体的某一组织器官要在图像上看出来，至少它与周围的组织相比要有足够的客观对比度。但是当图像对比度大大超过组织器官的客观对比度是意义不大。某一组织器官的客观对比度应在一个或更多的组织特性方面体现差异，人们感兴趣的是图像中某一具体结构和器官与围绕它的区域背景之间的对比度。对比度分辨力是当图像中观察细节与背景部分之间对比度较低时，将一定大小的细节部分从背景中鉴别出来的能力。通常用能分辨的最小对比度的数值表示，是
衡量影像质量的主要参数之一。
理想情况下，物体内每一个小物点的像应为一个边缘清晰的小点。然而在实际的图像中，每个小物点的像均有不同程度的扩展，或者说变模糊（失锐）了。通常用小物点的模糊图像的线度表示物点图像的模糊程度，也称模糊度。小物点图像的模糊形状取决于模糊源。
图像模糊主要影响是降低了小物体和细节的对比度，从而影响了细节的可见度（空间分辨力）。空间分辨力（Spatialresolutino）为图像中可辨认得微小细节的最小极限，即对影像中细微结构的分辨能力，是衡量影像质量的重要参数之一。
图像噪声（noise）是图像中可观察到的光密度的随机出现的变化，也是各种医学图像的一个特征，在图像中的存在可表现为斑点、细粒、网纹或雪花等。图像噪声的主要来源是放射性粒子在空间或时间上的随机分布和存在于视频系统中的电子噪声，其大小则取决于成像方法的不同。噪声对可见与不可见结构间的边界有影响。图像噪声增大，会减小结构的可见度。.在大多数X光成像系统中，噪声对低对比度结构的影响最明显。
一幅图像中有用信息的结构、大小、形状和相对位置有不同程度的失真，这就是畸变（distortion）。
此外还有图像的均匀度等衡量图像质量的参数。
因此，在很多情况下，被检者所接受的辐射剂量包括检查时间的多少会直接影响图像质量的各参数。某一个参数的改变可以改善图像质量的一个特征，但又常常相反地影响另一个特征。要获取高质量的X光图像，需要很好的消除噪声，同时又要保持良好的图像细节。
一种新的X光成像技术展示了美国著名艺术家N.C.怀斯的一幅画中的另一幅画的彩色细节。这些遗失的图案印刷在1919年《人人杂志》(Everybody’s Magazine)的一篇文章里，是以《最温和礼貌的人》(The Mildest Mannered Man)为标题的，描写了一次戏剧性的拳击。之前，科学家已经用X光展示过这件艺术品，这些拳击的场面被另一张取名为《家庭肖像》的画所覆盖。但是那次工作仅仅是将隐藏的场面用黑白的形式表现出来，那时科学家也不知道那些隐藏的画面实际上是彩色的。
Mass和她的同事们用强烈的X光束照射这幅画，并使用了叫做聚焦透视(confocal X-ray)的荧光显微镜。接着，仪器就搜集到了画上不同的天然颜料不同化学元素所发出的X光。每种元素都发出了特定强度的X光。这些元素被用来做颜料，研究者可以将这些X光转换成相应的颜色。例如，钴(cobalt)能表示蓝色的颜料，而铬(chromium)能表示黄和绿的颜色。
结果是这幅画完全是用彩色的方式来创作的。
许多著名的艺术家都会重复使用它们的画布，有些时候会在一张著名画作上覆盖另一张画作，以节约开销或者是达到艺术创作的目的——让一副画作的颜色和形态影响到另一副画作。
即使是蒙娜丽莎都依靠技术得到了新的认识，科学家使用了13种波长（从紫外线到红外线之间的）的光照射蒙娜丽莎，并用摄像机扫描画面。拨开几世纪前的颜料和其他改变，得出了结果：达·芬奇实际上给蒙娜·丽莎画了眉毛。
X光成像在医学中有着极其广泛的应用，可以看到目前X光成像技术发展的总体趋势是成像速度更快、图像更为清晰、剂量逐渐减少、操作越发方便，我们有理由相信，在不久的将来，X光成像将会越来越普及，精度也会越来越高，终有一天，人体所有的部分都将暴露于成像技术之下，即使是最精微的结构，最细小的病变也无法逃脱我们的双眼，X光成像，将成为医学发展，乃至整个科学发展的开路者。
