X射线检查的基本原理和方法

章　绪论　　临床放射学（Clinical Radiology）含X线诊断学及放射治疗学。X线诊断学（Diagnostic Roentgenology）是应用X线特性，通过人体后在透视荧光屏或照片上显示正常和异常的影像，结合基础医学和临床医学的知识，加以分析、归纳，作出诊断的一种科学。它不仅用以诊断疾病，还可以观察临床的治疗效果，亦可以用于预防医学，如体检、防痨、肿瘤、职业病和地方病等的普查防治。X线诊断学是本门课程的主要内容。放射治疗学（Radiotherapeutics）包括X射线、60钴及电子加速器等治疗机，应用其物理特性对身体各部位的肿瘤进行治疗的一种科学，将在本讲义第八章进行简要介绍。　　近十年来由于电子科学进展，显像手段多样化，临床放射学的诊断部分得到许多扩充，影像诊断不只限于X线诊断，还包括超声，γ闪烁摄影、CT、MRI等，综合称为影像诊断（Imagediagnosis），亦称医学影像学（Medical imagiology）。节　X线检查的基本原理和方法　　一、X线的特性　　X线是一种波长很短的电磁波，是一种光子，诊断上使用的X线波长为0.08－0.31埃（埃A=10-8cm），X线有下列持性（主要应用于医学方面）：　　（一）穿透性　　X线能穿透一般可见光所不能透过的物质，包括人体在内。其穿透能力的强X线的波长以及被穿透物质的密度与厚度有关。X线波长愈短，穿透力就愈大；特质密度愈低，厚度愈薄，则X线愈易穿透。在实际工作中，常以通过球管的电压伏值（Kilovolt,KV）的大小代表X线的穿透性（即X线的质），而以单位时间内通过X线的电流（milliampere,mA）与时间的乘积代表X线的量。　　（二）荧光作用　　X线波长很短，肉眼看不见，但照射在某些化合物（如钨酸钙，硫氧化钆等）被其吸收后，就可发生波长较长且肉眼可见的荧光，荧光的强弱和所接受的X线量多少成正比，与被穿透物体的密度及厚度成反比。根据X线的荧光作用，利用以上化合物制成透视荧光屏或照相暗匣里的增感纸，供透视或照片用。　　（三）感光作用　　X线和日光一样，对摄影胶片有感光作用。感光强弱和胱片接受的X线量成正比。胶片涂有溴化银乳剂，感光后放出银离子（Ag+）,经暗室显影定影处理后，胶片感光部分因银离子沉着而显黑色，其余未感光部分的溴化银被清除而显出胶出本色，亦即白色。由于身体各部位组织密度不同，胶片出现黑—灰—白不同层次的图像，这就是X线照相的原理。　　（四）电离作用及生物效应　　X线或其它射线（例如γ线）通过物质被吸收时，可使组成物质的分子分解成为正负离子，称为电离作用，离子的多少和物质吸收的X线量成正比。通过空气或其它物质产生电离作用，利用仪表测量电离的程度就可以计算X线的量。同样，X线通过人体被吸收，也产生电离作用，并引起体液和细胞内一系列生物化学作用，使组织细胞的机能形态受到不同程度的影响，这种作用称为生物效应。X线对人体的生物效应是应用X线作放射治疗的基础。另外，在实施X线检查时，对检查者与被检查者进行防护措施亦基于此理。　　二、密度对比概念和影像形成原理　　X线影像形成的基本原理，是由于X线的特性和人体组织器官密度与厚度之差异所致，这种密度与厚度之差异称为密度对比（Contrast），可分为自然对比和人工对比。　　（一）自然对比　　人体各种组织、器官和密度不同；厚度也异，经X线照射，其吸收及透过X线量也不一样。因此，在透视荧光屏上有亮暗之分，在照片上有黑白之别。这是人体自然，亦是固有的密度差别，称为自然对比。　　按照人体组织密度的高低，依次分为骨骼、软组织（包括皮肤、肌肉、内脏、软骨）、液体（血液及体液，密度和软组织相似，X线不能区别），脂肪和存在人体内的气体。各个不同密度的组织相邻排列，吸收及透过X线量不同，才产生透视或照片上影像。在人体内，胸部和骨骼的自然密度对比更好，透视和普通照片上应用最多。凡是密度更大的部份（例如骨骼）吸收X线最多，通过X线量很少，故在照片上显出白色影像；反之，密度较小的部份（例如空气或软组织）在照片上出现黑色影像，此外，还应注意厚度，如心脏的投影，形成明显的白色。　　总结自然对比和影像关系，列为下表人体组织密度差异和X线影象关系表组织密度吸收　　X线量透过的X线量X线影象透视照片骨、钙化灶高多少暗白软组织、液体稍低稍少稍多较暗灰脂肪更低更少更多较亮深灰气体更低最少最多最亮黑　　同样，如器官和组织有病理变化，改变了原有的密度，出现新的密度差异，产生密度高低不等的影像，也属于自然对比的范畴。　　密度分辨率（Density resolution）：使用某种射线设备，能分辩人体同一部位的两种以上不同密度的结构，亦即显出密度差异，从而形成影像。这种能分辨最小的密度差异，称为某种设备的密度分辨率。如CT机就具有高分辨率，在头颅同一层扫描片中，有分辨出灰质与白质、脑室、脑池与脑沟等不同结构，而普通X线的密度分辨率则较低，约为5～10%。　　（二）人工对比　　人体有些部分，如腹部各脏器，密度大致相同，不具备自然对比的条件，可用对人体无害、密度大或密度小的物质，引入被检查的组织器官或其周围，造成密度差异，显出影像，称为人工对比。形成人工对比的方法称为造影检查，引用的物质叫做造影剂（Contrastmedium）。　　三、X线检查方法　　（一）普通检查　　是应用身体的自然对比进行透视或照相。此法简单易行，应用最广，是X线诊断的基本方法。　　1．透视（Fluoroscopy）　使X线透过人体被检查部位并在荧光屏上形成影像，称为透视。透视一般在暗室内进行，检查前必须做好暗适应，带深色眼镜并有暗室内适应一段时间。透视的优点是经济，操作简便，能看到心脏、横膈及胃肠等活动情况，同时还可转动患者体位，作多方面观察，以显示病变及其特征，便于分析病变的性质，多用于胸部及胃肠检查。缺点是荧光影象较暗。细微病变（如粟粒型肺结核等）和密度、厚度较大的部位（如头颅、脊椎等）看不太清楚，而且，透视仅有书写记录，患者下次复查时不易做的比较。　　2．照相（Radiography）　亦称摄影。X线透过人体被检查的部位并在胶片上形成影像，称为X线照相，胶片曝光后须经显影、定影、水洗及晾干（或烤干）等步骤，操作复杂，费用较贵。照片所见影像比透视清楚，适用于头颅、脊椎及腹部等部位检查。照片还可留作记录，便于分析对比、集体讨论和复查比较。但照片不能显示脏器活动状态。一张照片只反映一个体位（体位即照相位置）的X线征象，根据病情和部位，有时需要选定多个投照体位。　　照相体位：X线检查时，患者位于胶片（或荧光板、影像增强器、下同）与球之间，身体位置与胶片、球管的关系，称为体位。　　体位的名称，通常按两种方法命名：　　（1）按X线进行的方向命名：X线玩管位于检查部位的后面，胶片位于其前面，X线由后向前投照，故称为后前位。反之，X线由前向后投照，则称为前后位。　　（2）按接近胶片的部位命名：某些部位检查时（例如心脏、脊椎等），须作斜位检查。以胸部为例，使旋转成右肩前方贴近胶片，则称为右前斜位；反之，如左肩前方贴近胶片，则称为左前斜位。侧位投照亦然，依被检部位的某一侧贴近胶片命名，例如左例位和右侧位等。　　（二）特殊缩影　　1．断层缩影（Photofluorography）是在暗箱装置内，用快速照相机把荧光屏上的影像摄成70mm或100mm的缩小照片。这种照片的工作效率比透视高、费用低，还可减少接受放射线的剂量。机器可装成流动式，直接到部队、工厂、学校、农村，为广大工农兵作胸部体检。　　2．断层缩影（Tomography）又称分层照相或体层照相。是应用一种特殊装置专照某一体层的影像，使该层影像显示清楚，而不在此层的影像模糊不清，这就可以避免普通照片上各层影像彼此重迭混淆的缺点。断层照相常用于检查肺内包块、空洞及大支气管情况；此外，还可用于其它部位的检查。根据照相时X线球管转动的形式（即轨迹），断层照相分为几种。最常用的是直线式断层照相，设备简单，装置容易。另一种是多轨迹断层照相，除直线外，还有大圆、小圆、椭圆和梅花及螺旋形等轨迹，其优点是避免直线断层照片上纵行线条状影，且显示细微结构较好，既能取得薄层又能取得厚层影像，其中薄层照相对复杂微细结构（如中耳、内耳），能获得清晰的影像。　　△3. 钼靶软X线照相（Molybdenum target radiography）　X线束含有不同的波长，线束波在长短决定于X线球管阳极靶面金属材料的原子序数。绝大多数的X线球管都使用钨靶，钨的原子序数为74，能产生短波射线（硬线）多，穿透力强，适用于身体各部位的X线照相，但对于较薄的部位（如手指），特别是软组织，影像效果没有钼靶好。钼的原子序数为42，能产生长波射线（软线）多，穿透力强，适用于软组织X线照相，尤其多用于乳腺疾病的诊断。　　△4. 放大照相（Magnification radiography）摄影时增加照相部位与胶片间的距离，使投照的影像放大，称为放大照相。为着使放大后的影像不致模糊失真，必须使用0.3mm以下的微焦点球管，使X线束窄小，从而获得病变放大后的清晰影像。此法可用于显示矽肺结节，对早期诊断有帮助，亦可用于显示骨骼的细微结构及早期破坏灶。　　△5. 高电压照相　亦称高仟伏相，是指用120KV以上的电压拍照X线照片。1常用120～150KV。其优点是X线穿透力强，以胸部照片而论，如被锁骨、肋骨或纵膈遮蔽的病灶容易显见；胸水或胸膜增厚遮蔽的肺部病灶也能够看到。　　（三）造影检查　　前已述及人体内有些器官与组织缺乏自然对比，须引入造影剂形成密度差异以下扼要叙述常用的造影剂与检查方式。　　1．造影剂及其种类　高密度造影剂含钡剂、碘制剂等。　　钡剂（Barium）：使用医用硫酸钡，作钡餐与钡灌肠检查；或制成钡胶浆用于支气管造影检查。　　碘制剂及分油剂与水剂、片剂（丸剂）等。　　（1）油剂：A、碘化油（Oleum Iodinatum）是碘与植物油结合的机碘化物，无色或淡黄色，不溶于水，能与水分散乳化。浓度40%的碘化油，用于支气管造影、瘘道造影、脓腔造影及子宫输卵管造影。乳化之碘化油可用作肝癌之栓塞剂。碘化油如有游离磺分支，其色变为棕红色，则不可使用。B碘苯酯（Iophendylatum）无色或淡黄色油状液体，不溶于水，粘稠度比碘油低，适用于脊髓造影及脑室造影。　　（2）水剂：又分无机磺化物与有机碘化物（含离子型造影与非离子型造影剂）。　　A、无机碘化物：为磺化钠，有效浓度为12.5%，价格低，易配制，用于逆行肾盂造影、膀胱造影及手术后胆道造影。缺点为刺激性大，不宜多用。目前，几乎不用。　　B、有机碘化物：种类多，用途广。由于其排泄径路不同，又分为两大类。其一，进入体内后经肝细胞分泌至胆管再进入胆囊，故用于胆囊造影或胆管造影。此类有两种造影剂：一是碘番酸（Acidum Iopanoicum）片剂；吡罗勃定（Biloptin）胶囊，用作口服法胆囊造影，另一是50%胆影葡胺（Meglumine iodipamide），用作静脉法胆管造影。其二，有机碘通过肾脏排泄，用于各部位血管造影、心脏造影及静肾盂造影。此类造影剂也有两种：一为离子型造影剂，国内普遍使用，产品为60—70%泛影葡胺（Meglumine diatrizoate）及异泛影葡胺（Meglumine iothalamate），后者又称康锐（Conray）。两者皆含有阳离子（葡甲胺离子或钠离子）与阴离子（有机碘酸离子）。另一为非离子型影剂，不含离子，不带电，其产品有碘笨六醇（Iohexol）、甲泛醣胺（Metrizamide）、以及优维显(Iopromide或Uitravist)。非离子型造影剂较离子型造影剂具有更多的缺点，但由于经济价值高，尚不能普遍应用。　　低密度造影剂含空气、氧气及二氧化碳等。多用于器官腔内或组织间隙内造影，如气腹造影、腹膜后充气造影及关节造影等。气脑造影及脑室造影由于CT检查的开展已很少采用。　　2．引入途径　分直接引入法与生理积聚两种形式。　　（1）直接引入法：又分为两种途径；其一是经自然通道口引入造影剂至相应的某器官，如从口腔或肛门引入钡剂行胃道钡餐或钡灌肠检查；经鼻腔（或口腔）插管至气管注射碘油行支气管造影；经尿道逆行插管注射碘水至尿道或/和膀胱是为尿道或/和膀胱造影，需要时可将导管再引入输尿管作逆行肾盂造影；经阴道插管至子宫腔内注射碘剂称为子宫输卵管造影；还有经病变或手术形砀瘘道引入造影剂，为瘘道造影或术后胆管造影等。其二是经皮肤穿刺，自针管或联结导管注射造影剂，引入与外界隔离的腔道或器官内，如各种血管造影、心脏造影、气脑造影及脑室造影等。　　（2）生理积聚或生理排泄法：经口服或静脉注射造影剂，利用该造影剂具有选择性经某脏器生理聚积或排泄，暂时停留于管道或内腔使之显影，例如口服胆囊造影，静脉肾盂造影等。　　3．造影前准备和造影反应的处理　　为使造影检查顺利进行并获得预期效果，造影前对病人的预先准备工作显得重要。各器官的造影前准备工作在相应地章节介绍，此处着重介绍有关碘制剂造影前应注射事项：（1）查询患者有无造影的禁忌证如碘过敏、心肾严重疾病。（2）向患者解释造影的程度以求得合作。（3）作碘过敏试验，将拟用的造影剂1.0ml经静脉注入,观察15min内有无不良反应—轻者，表现为周身灼热感、恶心、呕吐、荨麻疹等；重者，反应为心血管、中枢神经系统及呼吸功能障碍，如休史、惊厥、喉头水肿及呼吸循环衰竭等。严重反应致死者极其少见，如无上述反应，才能做造影。过敏试验虽有一定的参考意义，但实践中也有作试验时无症状，而在造影时却发生反应。因此，每次注射碘剂时应准备好急救药品以防不测。如果在造影过程中出现严重症状时，应立即终止造影并进行抗过敏、抗休史和其它对症治疗。若有心脏停搏则需立即进行心脏按摩术等。　　△（四）技术设备改进与检查方法的新进展简介　　X线诊断学近30年来，由于物理学、药理学、医学生物工程及电子工业的发展，促进X线诊断机硬件的改善，从而获得新的影像，促进诊断学的发展。　　1．大功率X线机、配备影像增强器及影像转化装置 X线机的基本结构为高压发生器、X线球管及控制台上三大部件。由于高压发生器及X线球管结构改进，使得球管能量（即功率）加大，可达100KV（Kilowatt），同时球管焦点微小（0.1—0.3mm,甚至0.05mm），故摄取照片采用高mA短时间曝光，X线摄像对比好，清晰度强。现在常用1000、1250或2000mA大型X线机作特殊检查及造影检查。　　近代X线机常配备影像增强器（Image intensifier，简称Ⅱ）及电视设备（Television,简称TV）。电视屏幕上影象亮度很大，能显示较小的病灶，比普通透视优越。操作可在比较明亮的机房或传送到其它房间内察看，后者称为隔室遥控检查，工作人员可避免射线的照射。有时还配备荧光缩影、磁带录象（Video-tape）及电影（Cine-radiography）装置，将影像记录留存，及时拍照脏器病变及功能变化，便于分析研究及会诊示教之用。上述荧光缩影、电视技术（包括录相）和电影照相等称为影像转换装置，多用于胃肠检查，观察心脏搏动，特别是在大功率X线机上配备影像转换装置，对于心脏造影及各种血管造影的诊断准确性有明显的提高。　　影像增强器能减少X线用量。未配备Ⅱ的普通透视，X线球管需发射3～5mA才能达到诊断要求；而配备Ⅱ后，X线球管只须发射0.3～0.5mA,不仅合乎诊断要求，而且亮度比普通透视高。因此，Ⅱ既能减少球管损耗，又能降低患者及工作人员所接受的X线辐射剂量。　　2．选择性心、血管造影（1）选择性心脏造影（Selective cardiography）：通过左心或右心导管将高浓度有机碘溶液注入某心腔内，称为选择性心腔造影，由于心脏搏动快及血液稀释作用，这种造影必须配备高压快速注射和快速换片装置。近年来，由于使用大功率双向球管同时投照正侧位照片，并结合电视、录像及电影设备从从而提高影像质量。（2）选择性血管造影（Selective angiography）：采用顶端有不同弯度形状的特异导管，经皮穿刺（多穿刺股动脉），送入特定血管内，注射有机碘溶液（多用泛影葡胺），称为选择性血管造影，这种造影应该范围极其广泛，如冠状动脉造影、经颈动脉脑血管造影、椎动脉造影以及腹主动脉各分支之造影（含腹腔动脉、肠系膜上动脉、肠系膜下动脉、肾动脉等），还有其它血管等。各种造影对诊断脏器肿瘤及血管性病变（如栓塞、出血）皆有明显帮助，亦是开展介入放射学的基础。　　3．数字减影血管造影（Digital subtraction angiography,DSA）DSA强化血管造影的分辨率，显示细小血管，是促进医学影像学发展的手段之一。DSA分为两种：　　（1）静脉数字减影血管造影（Intravenous DSA,IV,DSA）DSA极大地强化动脉内低浓度造影剂的影像，故静脉注射造影剂能使周身大部分动脉较好地显影。此法称为Iv DSA。IV DSA的优点是比动脉插管创伤性大，操作简易。缺点是需要增加造影剂的用量，以增大血管内碘浓度，致使其应用仍有限制，不能取代动脉插管法。　　（2）动脉数字减影血管造影（Intraarterial DSA,IA DSA）；通过动脉插管将导管直接送至特定部位前的动脉（见下述优点③），注射造影剂照相。经数字减影处理后，形成IADSA影像，其优点是，①较清晰地显示动脉小分支。②减少造影剂用量，比常规动脉造影少用50%造影剂。③不需要将导管深入插至特定部位的动脉（如同选择性或超选择性造影那样），例如在锁骨下动脉注射可显出椎动脉，在腹主动脉下部注射可显出肾动脉等等。④数字信息可储存并适时显示，有利于介入放射学的检查。　　DSA的限制：①血管影象重迭，同一部位多血管相互重迭，故需要多体位投照，例如正侧位同时投照。②需要病人密切合作，避免一切随意的运动。③DSA有利于显示小动脉支，但对0.2mm以下的微小血管尚不能显示。④非自主亦即不随意的运动，如吞咽、呼吸、及胃肠蠕动影响图像清晰度。　　4．电子计算机体层摄影（Computed tomography，简称CT）是近十年来发展迅速的电子计算机和X线相结合的一项新颖的诊断新技术。其主要特点是具有高密度分辨率，比普通X线照片高10～20倍。能准确测出某一平面各种不同组织之间的放射衰减特性的微小差异，以图像或数字将其显示，极其精细地分辨出各种软组织的不同密度，从而形成对比。如头颅X线平片不能区分脑组织及脑脊液，而CT不仅能显示出脑室系统、还能分辨出脑实质的灰质与白质；如再引入造影剂以增强对比度，对其分辨率更为提高，故而加宽了疾病的诊断范畴，还提高了诊断正确率。但CT也有其限制，如对血管病变，消化道腔内病变以及某些病变的定性等。（参考第七章CT检查与诊断）。　　5．磁共振（Magnetic resonance,MR）或磁共振成像（Magnetic resonance Image,MRI）是利用原子核在磁场内共振而产生影像的一种新的诊断方法。为非射线成像，亦为无创伤性检查方法之一种，自80年代应用于临床后，其检查技术发展非常迅速且日臻完善，成为影像诊断学中重要的成员之一。　　MRI是利用含奇数质子的原子核（如1H、13C、19F、23Na）自旋运动（Spin）的特点，置于外加的强大均匀磁场（称为主磁场）内，使原排列杂乱的原子核在磁力作用下而按周围磁场方向排列成行，这种原子核围绕主磁场轴旋转的现象，称为旋进（precession）。自旋和旋进是奇数质子原子核的两种特性，不同元素原子核的旋转频率各异。因质子旋进无聚合性，磁化向量是顺主磁场力线方向，无切割磁力线的力，故不产生电压变化，以致不能检测出磁场变化的信号，为测出其磁场变化，必须将顺磁力线的净磁化移位，因而在外加磁场内，又加用射频脉冲，使射频脉冲在质子共振频率上垂直作用于磁场，则净磁化移位，在射频脉冲结束后，可接受到因磁场改变而引起的电压变化。简述之，射频脉冲的频率如接近某元素的原子核的旋进频率，该原子即被激发，并改变原子核磁轴的偏斜方向，这一过程称为MRI。发生射频脉冲是间断的，所产生的电磁（能量）经接受器收集并转换为电信号，再经一系统处理。图像重建等，形成供诊断使用的MRI图像。除影像诊断外，还可利用高磁场（1.5T或2.0T）定域频谱分析（Magnetic Resonance Spectroscopy），显示该区域的代谢过程，利用某些疾病的早期诊断。MRI与CT相比较，其优越性是非射线成像，且可任何方向切层扫描；如冠状面、矢状面、横断面以及斜面等，MRI与CT在成像方面还有不同之处是有多个参数，如质子密度，T1与T2弛豫时间。目前软件的开发，还可不用造影剂而显示血管，称为MRA（Magnetic Resonance Angiography）。MRI也有不足之处，如成像时间长，对钙化不灵敏，费用较昂贵等。