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[放射诊断学]第一章 绪论——第一节X线检查的基本原理和方法

2007-08-25 11:08 医学教育网
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  第一章 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)。

  第一节 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最好,透视和普通照片上应用最多。凡是密度最大的部份(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
软组织、液体 稍低 稍少 稍多 较暗
脂肪 更低 更少 更多 较亮 深灰
气体 最低 最少 最多 最亮

  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精确的比较。

  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。照片还可留作永久记录,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。医学教育网

  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。

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