第2章 放射類設備

2.1 概述

放射科作為醫院重要的醫技部門，是一個集檢查、診斷、治療于一體的綜合性科室，許多疾病都需要依靠放射科的放射類設備來達到輔助診斷和明確診斷的目的。放射類設備種類繁多，主要包括CT、DR、C型臂X線機、醫用直線加速器、數字減影血管造影設備等。放射類設備結構復雜且精密度高，因此，臨床工程師和放射技術人員需要不斷學習新知識和新技術，以應對工作中出現的多種挑戰。本節將從放射類設備的基本原理、功能模塊、臨床應用及發展演變等內容分別對其展開介紹。

2.1.1 CT設備

2.1.1.1 基本原理

CT(computed tomography)即計算機體層成像設備，是目前放射科檢查中應用較多且較為重要的醫療設備之一。平掃CT和增強CT由于具有檢查方便、診斷精確等優點，目前已成為常規的影像學檢查方法。根據所采用的射線不同，CT可分為X線CT(X-CT)和γ線CT(γ-CT)，我們通常所說的CT主要指X-CT，這也是臨床上應用最廣的CT，本書后文中所說的CT即指X-CT。

在CT檢查中，被準直器處理過的X線束穿透人體被檢查部位具有一定厚度的層面，衰減后再由探測器接收。探測器接收到的信息通過光-電轉換器轉變為電信號，再經模數轉換器轉為數字信號，最終輸入計算機系統進行儲存和處理。計算機系統可以根據圖像重建法計算出斷層矩陣中每個像素的密度值并組成數字矩陣，再以灰階形式在監視器上進行顯示，即我們看到的CT圖像。

2.2.1.2 功能模塊

CT主要由以下三部分組成：①數據采集系統，包含X線高壓發生器、X線管、準直器、濾過器、探測器、掃描架、掃描床、前置放大器及接口電路等；②計算機及圖像重建系統，其可將掃描收集到的信息數據進行儲存，并可進行圖像重建運算及圖像處理等；③圖像顯示、記錄和存儲系統，可將計算機處理、重建后的圖像顯示出來。

2.2.1.3 臨床應用

CT圖像具有特殊的診斷價值，目前已被廣泛地應用于臨床。其主要應用包括以下幾方面：①胸部病變，對肺部創傷、感染、腫瘤等有較高的診斷價值；②神經系統病變，可用于診斷顱腦損傷、腦腫瘤、腦梗死等；③心血管系統病變，可用于動脈瘤、心包腫瘤、心包積液等的診斷；④腹部器官病變，可清晰顯示實質性臟器如肝、膽、胰、脾、腎等；⑤盆腔臟器病變，適合卵巢、宮頸、子宮、膀胱、前列腺等診斷；⑥骨與關節病變，可用于骨折及各種骨關節疾病的診斷；⑦肝臟病變，肝CT檢查對早期肝硬化的診斷靈敏度較高。

2.2.1.4 發展演變

1895年，德國科學家威廉·康拉德·倫琴(Wilhelm Conrad Roentgen)發現X線，為CT的誕生打下了基礎。1917年，奧地利數學家約翰·拉東(Johann Radon)提出并證明了可以通過不同方向上的投影來重建三維物體圖像的理論。1963年，美國物理學家科阿蘭·麥克萊德·馬克(Allan MacLeod Cormack)找到了用X線投影數據來重建圖像的數學方法，并成功地將其應用于簡單的CT模擬裝置，開啟了CT成像技術的研究。1967—1972年，英國工程師戈弗雷·紐波爾德·亨斯菲爾德(Godfrey Newbold Hounsfield)應用投影重建圖像理論，成功地研制了第一臺CT掃描儀。由于對CT掃描研究的貢獻，科馬克(Allen Cornack)和亨斯菲爾德(Codfrey Hounsfield)共同獲得了1979年的諾貝爾生理學或醫學獎。1972年，CT掃描儀在英國EMI公司正式問世，它的問世標志著放射診斷學從此進入CT時代。

由于所使用的X線束的不同及X線管和檢測器運動形式的差異，因此，CT主要經歷了五次換代：第一代CT，采用單束平移—旋轉掃描方式；第二代CT，采用窄扇形束平移—旋轉掃描方式；第三代CT，采用扇形束旋轉—旋轉掃描方式；第四代CT，采用旋轉—靜止掃描方式；第五代CT，采用靜止—靜止掃描方式。

2.1.2 DR設備

2.1.2.1 基本原理

隨著放射影像技術的發展，以X線平板探測器為代表的數字化X線攝影技術逐漸被應用于臨床，常規X線攝影技術跨入數字化時代。DR(digital radiography)，即數字X線攝影系統，是一種直接將X線光子通過平板探測器轉換為數字化圖像的X線設備，即廣義上的直接數字化X線攝影。其工作原理為：X線穿過人體檢查部位投射到探測器上，由探測器將其影像信息直接轉化為數字影像信息并同步傳輸到采集工作站上，然后利用工作站的醫用專業軟件進行圖像的后處理。DR可分為直接數字X線攝影(direct DR, DDR)和間接數字X線攝影(indirect DR, IDR)。

2.1.2.2 功能模塊

目前，市場普遍使用的DR主要由X線發生器、X線探測器、采集工作站、圖像顯示器等組成。X線發生器用于生成X線，目前大多數DR采用中高頻X線機，其工作頻率為20～100kHz，采用自動曝光控制。X線探測器是DR的關鍵部件，其主要功能是將X線模擬信號轉換為數字信號并送至采集工作站，常見的X線探測器有非晶硒平板探測器與非晶硅平板探測器等。采集工作站主要發揮圖像處理器的作用，承擔著灰階變換、圖像濾波降噪、測量等各種運算處理的任務。圖像顯示器主要用于呈現圖像，再將圖像通過顯示屏顯示。

2.1.2.3 臨床應用

DR設備憑借著成像速度快、曝光劑量低、密度分辨率高、圖像質量好、動態范圍大以及后處理功能強等優勢，在骨關節、胸部、腹部及頭頸部等部位的攝影成像方面應用廣泛。

2.1.2.4 發展演變

自1972年CT成像技術問世以來，關于影像數字化的研究就一直在持續推進。1980年，北美放射學會(Radiological Society of North America, RSNA)首次展出了數字成像的DR系統，自此，關于DR的研究及其相關產品的開發開始大量出現。我國DR設備最早由安健科技研發。安健科技成立于2002年，專注于X線設備的研發和生產，并于2004年成功研制出了第一臺國產DR。此后，優秀的國產DR企業如雨后春筍般出現，并逐漸打破了進口設備的壟斷，實現了DR行業的國產化。此外，臨床實際需求催生了移動DR的出現。移動DR是DR產品的一個子類，是對人體的頭部、四肢、胸腔、腰腹部等多部位進行攝影的移動式X線診斷設備，具有可移動性高、操作靈活、擺位方便、占地面積小等優勢。它主要由主機、立柱、球管、準直器、高壓發生器、驅動電機和成像系統等組成，適用于病房、急診室、手術室、ICU等床邊拍片。

2.1.3 C型臂X線機

2.1.3.1 基本原理

C型臂X線機（簡稱C臂機）作為常用的手術室設備，普遍應用于各類骨科手術中。C臂機利用其C型機架上的X線球管產生X線，X線首先經濾線柵濾除散射線，隨后穿透患者被檢查部位到達影像增強器的輸入屏，經影像增強器增強及光學系統處理后到達電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)攝像機，轉變成視頻信號，再經模數轉換后送到圖像處理系統進行處理。圖像處理系統將處理后的圖像顯示在雙屏顯示器上。

2.1.3.2 功能模塊

C臂機主要由高壓發生器、X線電視系統、C型機架、控制臺和顯示器等部分組成。高壓發生器用于控制X線球管，為了方便移動，C臂機的高壓發生器多采用組合式高頻變壓器機頭；X線電視系統主要包括X線球管、影像增強器和CCD攝像機等，X線球管負責產生X線，影像增強器用于采集圖像，兩者分別安裝在C型機架的兩端，使X線的中心始終對位在影像增強器的中心；C型機架支持各種運動以適應臨床的使用；控制臺主要用于設置透視和攝影的曝光時間等相關參數；顯示器用于顯示成像結果。

2.1.3.3 臨床應用

C臂機憑借其便攜、實時的優勢成為手術中不可或缺的圖像引導設備，在醫院診療過程中發揮著十分重要的作用。小型C臂機主要用于骨科、外科等手術，例如在骨科手術中，小型C臂機可為術中定位、手術復位和內固定等方面提供實時的影像資料。大型C臂機（DSA血管機）主要應用于全身血管疾病的診斷和治療，例如神經外科造影減影、血管外科造影減影等。

2.1.3.4 發展演變

自從倫琴發現X線并于1896年研制出第一支X線管以來，各種X線設備相繼出現。C臂機亦經歷了半個多世紀的發展。20世紀30年代末至40年代初，早期的C臂機沒有圖像顯示裝置，只能采用手持式的熒光透視裝置工作。20世紀50年代，影像增強器問世，醫用X線電視系統取代了以往的暗室X線透視。20世紀60年代，為了適應不同的X線特殊檢查，C型管頭支持裝置問世。它主要由支架、L臂（橫臂）和C臂三部分組成。根據支架結構的不同，C臂可分為落地式C臂和懸吊式C臂。到了20世紀90年代，隨著CCD成像技術的發展，國外各大公司開始推出CCD醫用X線影像增強器電視設備，該設備逐漸取代傳統的真空管式電視攝像技術。2000年以來，數字化成像設備陸續發展，平板探測器取代了傳統的屏膠成像模式，有效提高了圖像質量。如今， C臂機正逐漸向著低劑量、高分辨率、三維成像等方向發展。

2.1.4 醫用直線加速器

2.1.4.1 基本原理

目前，醫用直線加速器中使用最為普遍的是醫用電子直線加速器，因此，這里將主要討論醫用電子直線加速器的相關維修案例。

醫用電子直線加速器是一種為放射治療提供符合臨床治療要求的X線或E線輻射束的醫用治療裝置。該加速器主要利用微波電磁場把電子沿直線軌道加速到較高能量，進而產生電子線或X線。醫用電子直線加速器具有足夠大的輸出量，能夠同時滿足不同深度腫瘤的治療需要。醫用電子直線加速器的加速方式有兩種，分別為行波加速方式和駐波加速方式，因此，醫用電子直線加速器可分為行波電子直線加速器和駐波電子直線加速器。

2.1.4.2 功能模塊

醫用電子直線加速器的主要結構包括加速及束流系統、微波功率源及傳輸系統、真空系統、溫度控制系統、電源及控制系統、輻射系統和劑量監測系統等。

(1)加速及束流系統：加速系統由加速管、電子槍等部件組成。加速管是直線加速器的核心部分，電子在加速管內通過微波電場加速。電子槍為直線加速器提供被加速的電子。行波電子直線加速器的電子槍的陰極由鎢或釷鎢制成，駐波電子直線加速器的電子槍則由氧化物制成。束流系統由聚焦線圈、偏轉線圈等組成。

(2)微波功率源及傳輸系統：微波功率源有磁控管和速調管兩種。行波電子直線加速器和低能駐波電子直線加速器使用磁控管作為微波功率源，中高能駐波電子直線加速器使用速調管作為功率源。微波傳輸系統主要包括隔離器、波導窗、取樣波導、輸入輸出耦合器、三端或四端環流器、終端吸收負載、頻率自動穩頻等部分。

(3)真空系統：為了避免被加速的電子與空氣中的分子相碰而損失能量，一般使用離子泵作為真空系統保持直線加速器的真空狀態。

(4)溫度控制系統：主要通過恒溫水冷系統帶走微波源等發熱部件產生的能量，調控加速器內部件的工作溫度。為保證系統恒溫，需要一定的水流壓力和流量。

(5)電源及控制系統：電源主要為加速器供電，而控制系統用于控制設備的運動狀態，包括手控盒、鍵盤、馬達等部件。

(6)輻射系統：按照治療需求對電子束進行X線轉換和均整輸出，或直接均整后輸出電子射線，是加速器的關鍵部件之一。

(7)劑量監測系統：主要對加速器的輻射劑量進行監測，監測系統的穩定與準確是實現臨床治療效果的重要條件之一。

2.1.4.3 臨床應用

目前，放射治療仍然是腫瘤治療的主要技術手段之一。醫用電子直線加速器具有廣泛的放療適應證，可用于頭頸、胸腔、腹腔、盆腔、四肢等部位的原發或者繼發腫瘤的放療，以及手術殘留腫瘤的術后或手術前腫瘤的術前放射治療等。

2.1.4.4 發展演變

放療技術的發展歷程與其他醫學技術相比歷史較短，但伴隨著計算機技術和物理生物技術的進步，放療技術的發展突飛猛進。1895年倫琴發現X線，1896年貝克勒爾發現放射性核素鈾，1898年居里夫人發現放射性核素鐳，這些19世紀末20世紀初物理學上的偉大發現為后來放射治療的發展奠定了基礎。1951年，第一臺鈷60遠距離治療機問世，開創了高能放射線治療深部惡性腫瘤的新時代。鈷60所產生的γ射線具有較強的穿透力，深部劑量高而皮膚劑量低，適用于治療較深部位的腫瘤。1953年，世界上第一臺醫用電子直線加速器在英國投入臨床使用，并在兼具X線深部治療機和鈷60治療機優勢的同時有更廣泛的應用。該直線加速器的臨床應用標志著放射治療已形成一門完全獨立的學科。1975年，我國引進了第一臺醫用電子直線加速器；兩年后，第一臺國產醫用電子直線加速器投入臨床試用。從此，我國開始進入放療技術高速發展的時代。而今，隨著影像技術的發展，放射治療已經全面進入影像引導放射治療時代。

2.1.5 數字減影血管造影設備

2.1.5.1 基本原理

數字減影血管造影(digital subtraction angiography, DSA)術是醫學影像學中，繼X線、CT之后的又一項新技術，是一種通過計算機把血管影像上的骨與軟組織影像消除以突出血管的成像技術。該技術將常規血管造影術、計算機及圖像處理技術相結合，當前已取得突破性的進展。數字減影血管造影設備的基本原理是將注入造影劑前后拍攝的兩幀X線圖像經數字化輸入計算機系統，通過將兩幅圖像相減和再成像把血管造影影像上的骨與軟組織影像消除以獲得清晰的純血管影像。通俗地講就是將造影劑注入需要檢查的血管中，使血管“顯露原形”，然后通過系統處理，使血管顯示更加清晰，便于醫生根據血管圖像進行診斷或進行手術。

2.1.5.2 功能模塊

DSA的設備主要由以下幾部分組成：①X線機部分，包括X線發生器、影像增強器、光學系統、電視攝像機、監視器等；②機械系統，包括機架和病床；③影像數據采集系統；④計算機系統。另外，高壓注射器在DSA的應用過程中也是必不可少的輔助設備。

DSA的X線機部分通常具有較大的功率（一般在80kW以上），且多采用逆變高頻高壓發生器來保證管電壓的平穩輸出，其目的是使DSA參數設定后的每幅圖像感光量均勻一致。同時，這也要求DSA的球管具有較大的輸出功率和較高的陽極散熱率。

機械系統中的機架通常采用C臂，其通過托架安裝在立柱或L臂上。托架的安裝方式也有固定和運動兩種，根據安裝部位又可以分為落地式和懸吊式兩種。DSA對機架的要求是在病人不動的情況下，能完成對其身體各部位多個角度的透視、攝影檢查及介入操作。由于機架在運動過程中一直圍繞著病人且影像增強器還可單獨做升降運動，所以影像增強器及相關部件上都安裝有安全保護裝置。為方便臨床使用，機架通常具有角度記憶、體位記憶等功能。而導管床是一張高度可調、具有浮動床面且可透X線的床。

影像數據采集系統主要接收模數轉換模塊或平板探測器輸出的數字信號，并通過一些特殊的算法來實現實時降噪的目的。

計算機系統主要負責控制整個DSA系統和圖像處理功能，通過不同的采集方式和不同的算法，可以實現時間減影、能量減影和混合減影等功能。

2.1.5.3 臨床應用

DSA設備主要應用于心血管、腦血管及全身各部位血管造影檢查及介入治療。

2.1.5.4 發展演變

DSA在血管相關疾病的臨床診斷中具有十分重要的意義。要了解DSA的發展歷程，還需了解血管造影術的歷史。與其他放射設備一樣，DSA的發展離不開X線。1923年，德國醫生通過將造影劑注入血管，利用X線實現了人體四肢動靜脈造影。此后，隨著血管造影技術和電子計算機技術的發展，血管造影術逐漸成為臨床有關疾病診斷和鑒別的重要手段。20世紀70年代，美國的查爾斯·米斯特塔(Charles Mistretta)采用模擬存儲裝置，應用時間和能量的混合減影法，成功從透視影像中分辨出微弱的碘劑信號，顯著提高了造影效果。1980年，美國威斯康星大學和亞利桑那大學成功研制出了DSA并將其正式投入臨床使用。經過多年的發展，DSA在成像速度、圖像清晰度、自動化程度和智能化程度等方面都取得了明顯的進步。近年來，DSA宏觀的發展趨勢逐漸開始向專用化轉變，例如單向的C臂系統主要用于全身的血管造影，而雙向的C臂系統則主要用于心臟及大血管的造影。

2.1.6 其他放射類設備

除了上述這些常見的放射類設備以外，醫院放射科一般還配備其他一些放射設備，比如數字胃腸機。數字胃腸機是檢查胃腸道疾病的X線診療設備。

本節通過對幾大常見放射類設備的論述，旨在使讀者對放射類設備有了一定的了解。隨著各類放射設備的不斷更新，設備更加集成化、智能化，只有了解每類設備的基本原理和結構，才能更好地完成對其的日常使用和維護保養工作。