第2章 放射类设备

2.1 概述

放射科作为医院重要的医技部门，是一个集检查、诊断、治疗于一体的综合性科室，许多疾病都需要依靠放射科的放射类设备来达到辅助诊断和明确诊断的目的。放射类设备种类繁多，主要包括CT、DR、C型臂X线机、医用直线加速器、数字减影血管造影设备等。放射类设备结构复杂且精密度高，因此，临床工程师和放射技术人员需要不断学习新知识和新技术，以应对工作中出现的多种挑战。本节将从放射类设备的基本原理、功能模块、临床应用及发展演变等内容分别对其展开介绍。

2.1.1 CT设备

2.1.1.1 基本原理

CT(computed tomography)即计算机体层成像设备，是目前放射科检查中应用较多且较为重要的医疗设备之一。平扫CT和增强CT由于具有检查方便、诊断精确等优点，目前已成为常规的影像学检查方法。根据所采用的射线不同，CT可分为X线CT(X-CT)和γ线CT(γ-CT)，我们通常所说的CT主要指X-CT，这也是临床上应用最广的CT，本书后文中所说的CT即指X-CT。

在CT检查中，被准直器处理过的X线束穿透人体被检查部位具有一定厚度的层面，衰减后再由探测器接收。探测器接收到的信息通过光-电转换器转变为电信号，再经模数转换器转为数字信号，最终输入计算机系统进行储存和处理。计算机系统可以根据图像重建法计算出断层矩阵中每个像素的密度值并组成数字矩阵，再以灰阶形式在监视器上进行显示，即我们看到的CT图像。

2.2.1.2 功能模块

CT主要由以下三部分组成：①数据采集系统，包含X线高压发生器、X线管、准直器、滤过器、探测器、扫描架、扫描床、前置放大器及接口电路等；②计算机及图像重建系统，其可将扫描收集到的信息数据进行储存，并可进行图像重建运算及图像处理等；③图像显示、记录和存储系统，可将计算机处理、重建后的图像显示出来。

2.2.1.3 临床应用

CT图像具有特殊的诊断价值，目前已被广泛地应用于临床。其主要应用包括以下几方面：①胸部病变，对肺部创伤、感染、肿瘤等有较高的诊断价值；②神经系统病变，可用于诊断颅脑损伤、脑肿瘤、脑梗死等；③心血管系统病变，可用于动脉瘤、心包肿瘤、心包积液等的诊断；④腹部器官病变，可清晰显示实质性脏器如肝、胆、胰、脾、肾等；⑤盆腔脏器病变，适合卵巢、宫颈、子宫、膀胱、前列腺等诊断；⑥骨与关节病变，可用于骨折及各种骨关节疾病的诊断；⑦肝脏病变，肝CT检查对早期肝硬化的诊断灵敏度较高。

2.2.1.4 发展演变

1895年，德国科学家威廉·康拉德·伦琴(Wilhelm Conrad Roentgen)发现X线，为CT的诞生打下了基础。1917年，奥地利数学家约翰·拉东(Johann Radon)提出并证明了可以通过不同方向上的投影来重建三维物体图像的理论。1963年，美国物理学家科阿兰·麦克莱德·马克(Allan MacLeod Cormack)找到了用X线投影数据来重建图像的数学方法，并成功地将其应用于简单的CT模拟装置，开启了CT成像技术的研究。1967—1972年，英国工程师戈弗雷·纽波尔德·亨斯菲尔德(Godfrey Newbold Hounsfield)应用投影重建图像理论，成功地研制了第一台CT扫描仪。由于对CT扫描研究的贡献，科马克(Allen Cornack)和亨斯菲尔德(Codfrey Hounsfield)共同获得了1979年的诺贝尔生理学或医学奖。1972年，CT扫描仪在英国EMI公司正式问世，它的问世标志着放射诊断学从此进入CT时代。

由于所使用的X线束的不同及X线管和检测器运动形式的差异，因此，CT主要经历了五次换代：第一代CT，采用单束平移—旋转扫描方式；第二代CT，采用窄扇形束平移—旋转扫描方式；第三代CT，采用扇形束旋转—旋转扫描方式；第四代CT，采用旋转—静止扫描方式；第五代CT，采用静止—静止扫描方式。

2.1.2 DR设备

2.1.2.1 基本原理

随着放射影像技术的发展，以X线平板探测器为代表的数字化X线摄影技术逐渐被应用于临床，常规X线摄影技术跨入数字化时代。DR(digital radiography)，即数字X线摄影系统，是一种直接将X线光子通过平板探测器转换为数字化图像的X线设备，即广义上的直接数字化X线摄影。其工作原理为：X线穿过人体检查部位投射到探测器上，由探测器将其影像信息直接转化为数字影像信息并同步传输到采集工作站上，然后利用工作站的医用专业软件进行图像的后处理。DR可分为直接数字X线摄影(direct DR, DDR)和间接数字X线摄影(indirect DR, IDR)。

2.1.2.2 功能模块

目前，市场普遍使用的DR主要由X线发生器、X线探测器、采集工作站、图像显示器等组成。X线发生器用于生成X线，目前大多数DR采用中高频X线机，其工作频率为20～100kHz，采用自动曝光控制。X线探测器是DR的关键部件，其主要功能是将X线模拟信号转换为数字信号并送至采集工作站，常见的X线探测器有非晶硒平板探测器与非晶硅平板探测器等。采集工作站主要发挥图像处理器的作用，承担着灰阶变换、图像滤波降噪、测量等各种运算处理的任务。图像显示器主要用于呈现图像，再将图像通过显示屏显示。

2.1.2.3 临床应用

DR设备凭借着成像速度快、曝光剂量低、密度分辨率高、图像质量好、动态范围大以及后处理功能强等优势，在骨关节、胸部、腹部及头颈部等部位的摄影成像方面应用广泛。

2.1.2.4 发展演变

自1972年CT成像技术问世以来，关于影像数字化的研究就一直在持续推进。1980年，北美放射学会(Radiological Society of North America, RSNA)首次展出了数字成像的DR系统，自此，关于DR的研究及其相关产品的开发开始大量出现。我国DR设备最早由安健科技研发。安健科技成立于2002年，专注于X线设备的研发和生产，并于2004年成功研制出了第一台国产DR。此后，优秀的国产DR企业如雨后春笋般出现，并逐渐打破了进口设备的垄断，实现了DR行业的国产化。此外，临床实际需求催生了移动DR的出现。移动DR是DR产品的一个子类，是对人体的头部、四肢、胸腔、腰腹部等多部位进行摄影的移动式X线诊断设备，具有可移动性高、操作灵活、摆位方便、占地面积小等优势。它主要由主机、立柱、球管、准直器、高压发生器、驱动电机和成像系统等组成，适用于病房、急诊室、手术室、ICU等床边拍片。

2.1.3 C型臂X线机

2.1.3.1 基本原理

C型臂X线机（简称C臂机）作为常用的手术室设备，普遍应用于各类骨科手术中。C臂机利用其C型机架上的X线球管产生X线，X线首先经滤线栅滤除散射线，随后穿透患者被检查部位到达影像增强器的输入屏，经影像增强器增强及光学系统处理后到达电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)摄像机，转变成视频信号，再经模数转换后送到图像处理系统进行处理。图像处理系统将处理后的图像显示在双屏显示器上。

2.1.3.2 功能模块

C臂机主要由高压发生器、X线电视系统、C型机架、控制台和显示器等部分组成。高压发生器用于控制X线球管，为了方便移动，C臂机的高压发生器多采用组合式高频变压器机头；X线电视系统主要包括X线球管、影像增强器和CCD摄像机等，X线球管负责产生X线，影像增强器用于采集图像，两者分别安装在C型机架的两端，使X线的中心始终对位在影像增强器的中心；C型机架支持各种运动以适应临床的使用；控制台主要用于设置透视和摄影的曝光时间等相关参数；显示器用于显示成像结果。

2.1.3.3 临床应用

C臂机凭借其便携、实时的优势成为手术中不可或缺的图像引导设备，在医院诊疗过程中发挥着十分重要的作用。小型C臂机主要用于骨科、外科等手术，例如在骨科手术中，小型C臂机可为术中定位、手术复位和内固定等方面提供实时的影像资料。大型C臂机（DSA血管机）主要应用于全身血管疾病的诊断和治疗，例如神经外科造影减影、血管外科造影减影等。

2.1.3.4 发展演变

自从伦琴发现X线并于1896年研制出第一支X线管以来，各种X线设备相继出现。C臂机亦经历了半个多世纪的发展。20世纪30年代末至40年代初，早期的C臂机没有图像显示装置，只能采用手持式的荧光透视装置工作。20世纪50年代，影像增强器问世，医用X线电视系统取代了以往的暗室X线透视。20世纪60年代，为了适应不同的X线特殊检查，C型管头支持装置问世。它主要由支架、L臂（横臂）和C臂三部分组成。根据支架结构的不同，C臂可分为落地式C臂和悬吊式C臂。到了20世纪90年代，随着CCD成像技术的发展，国外各大公司开始推出CCD医用X线影像增强器电视设备，该设备逐渐取代传统的真空管式电视摄像技术。2000年以来，数字化成像设备陆续发展，平板探测器取代了传统的屏胶成像模式，有效提高了图像质量。如今， C臂机正逐渐向着低剂量、高分辨率、三维成像等方向发展。

2.1.4 医用直线加速器

2.1.4.1 基本原理

目前，医用直线加速器中使用最为普遍的是医用电子直线加速器，因此，这里将主要讨论医用电子直线加速器的相关维修案例。

医用电子直线加速器是一种为放射治疗提供符合临床治疗要求的X线或E线辐射束的医用治疗装置。该加速器主要利用微波电磁场把电子沿直线轨道加速到较高能量，进而产生电子线或X线。医用电子直线加速器具有足够大的输出量，能够同时满足不同深度肿瘤的治疗需要。医用电子直线加速器的加速方式有两种，分别为行波加速方式和驻波加速方式，因此，医用电子直线加速器可分为行波电子直线加速器和驻波电子直线加速器。

2.1.4.2 功能模块

医用电子直线加速器的主要结构包括加速及束流系统、微波功率源及传输系统、真空系统、温度控制系统、电源及控制系统、辐射系统和剂量监测系统等。

(1)加速及束流系统：加速系统由加速管、电子枪等部件组成。加速管是直线加速器的核心部分，电子在加速管内通过微波电场加速。电子枪为直线加速器提供被加速的电子。行波电子直线加速器的电子枪的阴极由钨或钍钨制成，驻波电子直线加速器的电子枪则由氧化物制成。束流系统由聚焦线圈、偏转线圈等组成。

(2)微波功率源及传输系统：微波功率源有磁控管和速调管两种。行波电子直线加速器和低能驻波电子直线加速器使用磁控管作为微波功率源，中高能驻波电子直线加速器使用速调管作为功率源。微波传输系统主要包括隔离器、波导窗、取样波导、输入输出耦合器、三端或四端环流器、终端吸收负载、频率自动稳频等部分。

(3)真空系统：为了避免被加速的电子与空气中的分子相碰而损失能量，一般使用离子泵作为真空系统保持直线加速器的真空状态。

(4)温度控制系统：主要通过恒温水冷系统带走微波源等发热部件产生的能量，调控加速器内部件的工作温度。为保证系统恒温，需要一定的水流压力和流量。

(5)电源及控制系统：电源主要为加速器供电，而控制系统用于控制设备的运动状态，包括手控盒、键盘、马达等部件。

(6)辐射系统：按照治疗需求对电子束进行X线转换和均整输出，或直接均整后输出电子射线，是加速器的关键部件之一。

(7)剂量监测系统：主要对加速器的辐射剂量进行监测，监测系统的稳定与准确是实现临床治疗效果的重要条件之一。

2.1.4.3 临床应用

目前，放射治疗仍然是肿瘤治疗的主要技术手段之一。医用电子直线加速器具有广泛的放疗适应证，可用于头颈、胸腔、腹腔、盆腔、四肢等部位的原发或者继发肿瘤的放疗，以及手术残留肿瘤的术后或手术前肿瘤的术前放射治疗等。

2.1.4.4 发展演变

放疗技术的发展历程与其他医学技术相比历史较短，但伴随着计算机技术和物理生物技术的进步，放疗技术的发展突飞猛进。1895年伦琴发现X线，1896年贝克勒尔发现放射性核素铀，1898年居里夫人发现放射性核素镭，这些19世纪末20世纪初物理学上的伟大发现为后来放射治疗的发展奠定了基础。1951年，第一台钴60远距离治疗机问世，开创了高能放射线治疗深部恶性肿瘤的新时代。钴60所产生的γ射线具有较强的穿透力，深部剂量高而皮肤剂量低，适用于治疗较深部位的肿瘤。1953年，世界上第一台医用电子直线加速器在英国投入临床使用，并在兼具X线深部治疗机和钴60治疗机优势的同时有更广泛的应用。该直线加速器的临床应用标志着放射治疗已形成一门完全独立的学科。1975年，我国引进了第一台医用电子直线加速器；两年后，第一台国产医用电子直线加速器投入临床试用。从此，我国开始进入放疗技术高速发展的时代。而今，随着影像技术的发展，放射治疗已经全面进入影像引导放射治疗时代。

2.1.5 数字减影血管造影设备

2.1.5.1 基本原理

数字减影血管造影(digital subtraction angiography, DSA)术是医学影像学中，继X线、CT之后的又一项新技术，是一种通过计算机把血管影像上的骨与软组织影像消除以突出血管的成像技术。该技术将常规血管造影术、计算机及图像处理技术相结合，当前已取得突破性的进展。数字减影血管造影设备的基本原理是将注入造影剂前后拍摄的两帧X线图像经数字化输入计算机系统，通过将两幅图像相减和再成像把血管造影影像上的骨与软组织影像消除以获得清晰的纯血管影像。通俗地讲就是将造影剂注入需要检查的血管中，使血管“显露原形”，然后通过系统处理，使血管显示更加清晰，便于医生根据血管图像进行诊断或进行手术。

2.1.5.2 功能模块

DSA的设备主要由以下几部分组成：①X线机部分，包括X线发生器、影像增强器、光学系统、电视摄像机、监视器等；②机械系统，包括机架和病床；③影像数据采集系统；④计算机系统。另外，高压注射器在DSA的应用过程中也是必不可少的辅助设备。

DSA的X线机部分通常具有较大的功率（一般在80kW以上），且多采用逆变高频高压发生器来保证管电压的平稳输出，其目的是使DSA参数设定后的每幅图像感光量均匀一致。同时，这也要求DSA的球管具有较大的输出功率和较高的阳极散热率。

机械系统中的机架通常采用C臂，其通过托架安装在立柱或L臂上。托架的安装方式也有固定和运动两种，根据安装部位又可以分为落地式和悬吊式两种。DSA对机架的要求是在病人不动的情况下，能完成对其身体各部位多个角度的透视、摄影检查及介入操作。由于机架在运动过程中一直围绕着病人且影像增强器还可单独做升降运动，所以影像增强器及相关部件上都安装有安全保护装置。为方便临床使用，机架通常具有角度记忆、体位记忆等功能。而导管床是一张高度可调、具有浮动床面且可透X线的床。

影像数据采集系统主要接收模数转换模块或平板探测器输出的数字信号，并通过一些特殊的算法来实现实时降噪的目的。

计算机系统主要负责控制整个DSA系统和图像处理功能，通过不同的采集方式和不同的算法，可以实现时间减影、能量减影和混合减影等功能。

2.1.5.3 临床应用

DSA设备主要应用于心血管、脑血管及全身各部位血管造影检查及介入治疗。

2.1.5.4 发展演变

DSA在血管相关疾病的临床诊断中具有十分重要的意义。要了解DSA的发展历程，还需了解血管造影术的历史。与其他放射设备一样，DSA的发展离不开X线。1923年，德国医生通过将造影剂注入血管，利用X线实现了人体四肢动静脉造影。此后，随着血管造影技术和电子计算机技术的发展，血管造影术逐渐成为临床有关疾病诊断和鉴别的重要手段。20世纪70年代，美国的查尔斯·米斯特塔(Charles Mistretta)采用模拟存储装置，应用时间和能量的混合减影法，成功从透视影像中分辨出微弱的碘剂信号，显著提高了造影效果。1980年，美国威斯康星大学和亚利桑那大学成功研制出了DSA并将其正式投入临床使用。经过多年的发展，DSA在成像速度、图像清晰度、自动化程度和智能化程度等方面都取得了明显的进步。近年来，DSA宏观的发展趋势逐渐开始向专用化转变，例如单向的C臂系统主要用于全身的血管造影，而双向的C臂系统则主要用于心脏及大血管的造影。

2.1.6 其他放射类设备

除了上述这些常见的放射类设备以外，医院放射科一般还配备其他一些放射设备，比如数字胃肠机。数字胃肠机是检查胃肠道疾病的X线诊疗设备。

本节通过对几大常见放射类设备的论述，旨在使读者对放射类设备有了一定的了解。随着各类放射设备的不断更新，设备更加集成化、智能化，只有了解每类设备的基本原理和结构，才能更好地完成对其的日常使用和维护保养工作。