X射线衰减与对比度优化解析

由于人体组织对X射线有一定的吸收作用，所以当X射线穿过人体时会出现一定程度的衰减。在诊断X射线的范围内（能量低于200keV），射线的衰减主要是由相干散射、光电吸收和康普顿（Compton）散射引起的^［2］，如图2-3所示。假设点X射线源在无穷远处，因此入射到人体的X射线可以认为是一束平行的射线。I_i和I_o分别表示入射及出射的X射线的强度，入射X射线中的一部分被人体吸收或者由于散射而离开了原来的射线束，其余部分沿直线穿过人体到达检测器。假设检测器平面离人体足够远，以致那些被散射的X射线不能撞击检测器。如果被探查的物体为均匀介质，入射到一个厚度为Δz的薄片上的光子数为N，作用后减少的光子数为ΔN，则可以得出如下公式：^［2］

式中，μ是线性衰减系数；ΔN表示丢失的光子数，是一个负值。

图2-3　X射线的衰减^［2］

图2-4　对比度分析的简单模型^［2］(www.xing528.com)

为了检测出正常组织中的病灶，不仅要求病灶组织结构在X射线照片中有较高的亮度，更重要的是要求它与周围组织间存在较大的反差，这就是对比度的概念。借助图2-4所示的简单模型来讨论投影X射线成像系统中图像的对比度。厚度为l₁、线性衰减系数为μ₁的均匀人体组织中，有一块厚度为l₂、线性衰减系数为μ₂的异性物体作为观察对象。假定入射X射线的强度为I₀，经过均匀人体组织后的射线强度为I₁，经过均匀组织与观察对象后的射线强度为I₂。那么对观察目标而言，其对比度C的定义如下：

在一般意义下，上述关于对比度定义中的强度I₂是指被检测物体在图像中的强度，而I₁则是物体以外的背景在图像中的强度。只有在相邻区域间存在对比度，才有可能检测出两个物体之间的界面。式（2-2）说明，在投影X射线成像系统中，图像对比度仅仅与被探查物体的厚度l₂及被探查物与周围组织间的线性衰减系数之差有关，而与照射对象的总厚度l₁无关。

实践经验表明，对比度一般随着病灶总厚度的增加而减小。这是因为在式（2-2）的计算中，隐含着假定X射线是沿直线传播的，而不考虑射线与人体作用时的散射或二次放射所造成的影响，但实际上散射对图像对比度的影响是很大的。

投影X射线成像系统中，图像的形成大致分为两个阶段：第一阶段是X射线穿过人体，形成肉眼不可见的X射线图像；第二阶段是透射过来的X射线作用于记录器，最终形成可见的图像。在第一阶段中，图像对比度主要取决于被探查物本身对X射线衰减的差异，此外X射线散射对图像对比度的影响也是比较大的。在第二阶段中，胶片的性能以及在处理过程中各种参数的选择将直接影响图像的对比度。

为了提高图像的对比度，可在投影X射线成像系统中施加一些措施^［3］，例如：采用一些高衰减系数的材料作为造影剂，将造影剂引入体内后，可获得较大对比度的图像。如利用口服钡化合物进行消化道疾病的检查，在血管中注入碘化合物可作血管造影检查；散射对图像对比度的影响与病人厚度、X射线视野大小及射线光子能量等复杂因素有关。采用二次射线滤线栅或遮线器，可滤除那些对成像不利的散射线，克服或减小散射对图像对比度的影响。