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XCT mastery Monthly - 精通X射線CT月刊是由Francesco Iacoviello博士發(fā)起、撰寫并發(fā)布的，旨在給大家分享X射線CT相關(guān)的使用技巧、潛在竅門及經(jīng)驗見解。每期都會深入探討 XCT實(shí)踐中面臨的挑戰(zhàn)和解決方案，涵蓋以下主題：

圖像優(yōu)化：學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)清晰CT 掃描的技巧。

故障排除：掌握克服常見 CT 問題和偽影的策略。

高級技術(shù)：探索前沿方法和軟件功能。

工作流程效率：探索簡化 CT 流程并節(jié)省時間的方法。

社區(qū)討論：加入討論，分享您的經(jīng)驗和疑問。

揭開隱形的面紗：

計算機(jī)斷層掃描中X射線產(chǎn)生的奇跡

1. 偶然的觀察：X 射線的發(fā)現(xiàn)

X 射線的發(fā)現(xiàn)故事是觀察力與科學(xué)好奇心的見證。1895 年 11 月 8 日那個決定性的夜晚，德國物理學(xué)家威廉?康拉德?倫琴（1845 年 3 月 27 日出生 —— 恰好是 180 年前的今天:-)）在德國維爾茨堡的實(shí)驗室里進(jìn)行陰極射線實(shí)驗時，注意到附近一塊氰鉑酸鋇屏發(fā)出了異常的熒光。這種能夠穿透普通光無法透過的材料的神秘輻射引起了他的興趣，倫琴將其命名為 “X 射線”，象征著其未知的本質(zhì)，這為探索未知世界打開了新窗口，深遠(yuǎn)的改變了科學(xué)和醫(yī)學(xué)的格局。

圖1：威廉?倫琴（左）—— 倫琴夫人的手（右）

2. 從真空管到 X 射線束：產(chǎn)生過程

X 射線的產(chǎn)生雖然基于復(fù)雜的物理學(xué)原理，卻可以通過一系列邏輯步驟來理解。其核心在于高速電子的快速減速原理。這種減速過程將電子的動能轉(zhuǎn)化為電磁輻射，其中一小部分（約 1%）表現(xiàn)為 X 射線。讓我們詳細(xì)拆解這一過程：

a) 系統(tǒng)的核心：X 射線管

X 射線產(chǎn)生的核心部件是 X 射線管，這是一種專門設(shè)計的真空管，用于促進(jìn) X 射線的可控產(chǎn)生。該管通常由堅固的玻璃或陶瓷制成，在真空環(huán)境中包含兩個主要部件：陰極和陽極。

• 陰極

  電子源：陰極是電子的來源。在大多數(shù) X 射線管中，這通過熱電子發(fā)射實(shí)現(xiàn)。陰極組件內(nèi)的一根鎢絲細(xì)線通過電流加熱到極高溫度，就像加熱水會產(chǎn)生蒸汽一樣，加熱鎢絲會提供足夠的能量使電子從金屬表面 “沸騰” 逸出。這團(tuán)準(zhǔn)備好被加速的電子云圍繞著加熱的燈絲。

• 陽極（靶）

  X 射線發(fā)生器：與陰極相對的是陽極，也稱為靶。陽極有兩個關(guān)鍵功能：它作為電子突然停止的靶材料，并幫助散逸 X 射線產(chǎn)生過程中產(chǎn)生的大量熱量。陽極通常由高原子序數(shù)的材料制成，如鎢（W）、鉬（Mo）或銅（Cu），具體取決于特定應(yīng)用。由于鎢的高熔點(diǎn)、高原子序數(shù)（Z=74）和高效的 X 射線產(chǎn)生能力，它特別適合用于常規(guī)放射學(xué)和 XCT。

  
  

一些 X 射線掃描儀，如尼康 XTH 225，可以更換靶材。在特定的反射模式下，該系統(tǒng)可使用 4 種不同的靶材：鎢（W，Z=74）、銀（Ag，Z=47）、鉬（Mo，Z=42）和銅（Cu，Z=29）。通過這種方式，可以調(diào)整連續(xù)輻射的平均能量，并采用更復(fù)雜的濾波策略。

其他一些 X 射線顯微鏡，如蔡司 Xradia 810 Ultra，其配置允許利用軟 X 射線窗口（Cr 旋轉(zhuǎn)陽極靶的 5.4 keV）（見視頻1）。

視頻1

這種配置比傳統(tǒng) XCT 系統(tǒng)復(fù)雜得多，并且可以實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率：“Ultra” 可達(dá)到 50 nm 的最大空間分辨率，堪比高端同步輻射光束線。

眾所周知，X 射線產(chǎn)生的效率很低，這是由 X 射線產(chǎn)生的物理原理帶來的根本限制。在典型的 X 射線管中，一束高能電子被加速射向靶陽極，通常由鎢制成。撞擊時，這些電子迅速減速，其動能轉(zhuǎn)化為其他形式，主要是熱量。這種動能中只有極小一部分轉(zhuǎn)化為 X 射線光子。

這種效率（以產(chǎn)生的 X 射線能量與輸入電子能量的比率表示）可以通過以下公式近似：

效率（η）≈ Z × V × 10^-9

其中：

• Z 是靶材料的原子序數(shù)（例如，W 的 Z=74）。

• V 是施加的電勢（電壓），單位為千伏（kV）。

該公式表明，效率隨著靶材料的原子序數(shù)和加速電壓的增加而提高。然而，即使使用高 Z 數(shù)靶材和高電壓，效率仍然很低。

視頻2：反射式X射線管結(jié)構(gòu)動畫（左）

轉(zhuǎn)陽極X射線管結(jié)構(gòu)配置（右）

b) 加速電子：高壓博弈

為了產(chǎn)生 X 射線，從陰極發(fā)射的電子需要被加速到極高的速度。這通過在陰極和陽極之間施加高電壓差來實(shí)現(xiàn)。通常，該電壓范圍從數(shù)十千伏（kV）到兆伏（MV），具體取決于所需的 X 射線能量和應(yīng)用。

帶負(fù)電的陰極和帶正電的陽極產(chǎn)生強(qiáng)電場。從陰極釋放的電子被強(qiáng)烈吸引到帶正電的陽極，在它們之間的真空間隙中加速。施加的電壓越高，加速度越大，因此電子到達(dá)陽極時獲得的動能越高。

c) 電子相互作用與 X 射線發(fā)射：軔致輻射和特征 X 射線

當(dāng)高速電子撞擊陽極靶材料時，它們會經(jīng)歷快速減速。這種突然的制動過程正是 X 射線產(chǎn)生的神奇之處。入射電子與靶原子之間的相互作用通過兩種主要機(jī)制導(dǎo)致 X 射線的產(chǎn)生：軔致輻射和特征輻射。我們稍后將詳細(xì)探討這兩種機(jī)制的區(qū)別。

值得注意的是，X 射線產(chǎn)生本質(zhì)上是一個低效的過程。入射電子的絕大多數(shù)動能（超過 99%）在與靶材料相互作用時轉(zhuǎn)化為熱量，只有一小部分（通常小于 1%）轉(zhuǎn)化為 X 射線。這種強(qiáng)烈的熱量產(chǎn)生需要 X 射線管中有效的冷卻機(jī)制，通常涉及循環(huán)油或水，以防止陽極損壞并維持高效運(yùn)行。

d) 控制 X 射線束

X 射線管組件還包含用于塑形和控制發(fā)射 X 射線束的功能。準(zhǔn)直器（通常由鉛制成）用于將 X 射線束限制在所需的尺寸和形狀，減少散射輻射并提高圖像質(zhì)量。此外，X 射線束的強(qiáng)度和能譜可以通過調(diào)整管電流（mA，調(diào)節(jié)從陰極發(fā)射的電子數(shù)量）和管電壓（kVp，控制加速電勢（電壓），從而控制電子的能量）來控制。

3. 解碼 X 射線的本質(zhì)：定義其用途的特性

X 射線作為電磁輻射的一種形式，與可見光、無線電波和伽馬射線共享一些特性，但也具有獨(dú)特的特征，使其在 XCT 和廣泛的應(yīng)用中具有不可估量的價值。理解這些特性是理解其用途和 XCT 成像原理的關(guān)鍵。

a) 電磁輻射

X 射線是電磁波譜的一部分，電磁波譜是一個廣泛的能量范圍，包括低能量端的無線電波和高能量端的伽馬射線。與所有電磁輻射一樣，X 射線表現(xiàn)出波粒二象性，即它們既表現(xiàn)為波又表現(xiàn)為粒子（光子）。它們在真空中以光速傳播，并以其波長和頻率為特征。X 射線占據(jù)電磁光譜中波長極短（通常在 0.01 到 10 納米之間）和高頻率的區(qū)域，對應(yīng)高能量。波長越短，X 射線光子的能量越高，穿透能力越強(qiáng)。

b) 穿透能力

也許 X 射線最具決定性的特性是其穿透可見光無法透過的材料的能力。這種穿透能力直接與其高能量和短波長相關(guān)。穿透程度取決于幾個因素：

• X 射線能量：由更高管電壓產(chǎn)生的更高能量 X 射線具有更強(qiáng)的穿透能力。

• 材料密度：密度較高的材料比密度較低的材料更有效地衰減 X 射線。這種差異衰減是 X 射線成像中對比度的基礎(chǔ)。

• 材料的原子序數(shù)：原子序數(shù)較高的材料（如骨骼或金屬）比原子序數(shù)較低的材料（如軟組織或空氣）更容易吸收 X 射線。

這種差異穿透使我們能夠可視化物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從人體骨骼到工業(yè)部件的缺陷，構(gòu)成了 XCT 和其他 X 射線成像技術(shù)的基礎(chǔ)。

c) 電離輻射

X 射線被歸類為電離輻射，因為它們具有足夠的能量從原子中移除電子，這一過程稱為電離。當(dāng) X 射線光子與原子相互作用時，它可以轉(zhuǎn)移足夠的能量以逐出一個電子，形成離子對（帶正電的離子和帶負(fù)電的電子）。這種電離效應(yīng)是生物組織輻射損傷的基礎(chǔ)，也是 XCT 和其他 X 射線應(yīng)用中輻射安全協(xié)議的關(guān)鍵考慮因素。然而，這種電離特性也被用于放射治療中破壞癌細(xì)胞。

d) 直線傳播

X 射線從其源沿直線傳播。這種直線傳播對于在 XCT 中形成清晰且無失真的圖像至關(guān)重要。X 射線的直線路徑允許收集準(zhǔn)確的投影數(shù)據(jù)，然后通過計算重建創(chuàng)建橫截面圖像。

e) 不可見但可檢測

X 射線是人眼不可見的，但其存在可以通過它們與物質(zhì)的相互作用來檢測。有幾種方法用于檢測 X 射線：

• 熒光屏：某些材料，如氰鉑酸鋇（倫琴著名使用的材料）和現(xiàn)代磷光材料，在暴露于 X 射線時會發(fā)出熒光（發(fā)射可見光）。這種熒光在歷史上用于熒光透視，至今仍在一些專業(yè)應(yīng)用中使用。

• 照相膠片：X 射線可以使照相膠片曝光，引起化學(xué)變化，顯影后產(chǎn)生可見圖像。這是早期放射學(xué)的基礎(chǔ)，至今仍在一些特定應(yīng)用中使用。

• 數(shù)字探測器：現(xiàn)代 XCT 系統(tǒng)主要使用數(shù)字探測器，將 X 射線能量直接轉(zhuǎn)換為電信號。這些探測器可分為幾類，包括電離室、固態(tài)探測器和平板探測器，每種在靈敏度、速度和分辨率方面都有特定特性。

  
  

f) 誘導(dǎo)熒光

如上所述，X 射線可使某些材料發(fā)出熒光，發(fā)射可見光或電磁光譜其他區(qū)域的光。這種現(xiàn)象不僅用于檢測，還用于專門的 XCT 技術(shù)，如 X 射線熒光計算機(jī)斷層掃描（XFCT），它可以繪制樣品的元素組成。

圖2：X 射線特性總結(jié)

4. 產(chǎn)生的雙重性：軔致輻射與特征 X 射線

如前所述，在 X 射線管中產(chǎn)生的 X 射線并非單一來源，而是來自兩種不同的機(jī)制，每種機(jī)制都以獨(dú)特的特征為整體 X 射線譜做出貢獻(xiàn)：軔致輻射和特征輻射。

a) 軔致輻射：制動輻射連續(xù)譜

• 機(jī)制：軔致輻射（Bremsstrahlung）（德語意為 “制動輻射”（ Bremsstrahlung））是當(dāng)入射電子穿過靶材料時，靠近靶原子的原子核通過時產(chǎn)生的。由于原子核的強(qiáng)正電荷，電子被偏轉(zhuǎn)并減速（減速）。當(dāng)電子減速時，它失去動能，這部分損失的能量以 X 射線光子的形式發(fā)射。損失的能量（即發(fā)射的 X 射線光子的能量）取決于電子與原子核的接近程度和減速程度。

• 光譜：軔致輻射產(chǎn)生連續(xù)的 X 射線能量譜，這意味著產(chǎn)生了從低到高的所有能量的 X 射線，最高能量對應(yīng)于入射電子的初始動能（由 kVp 決定）。該光譜的特征是能量的廣泛分布，強(qiáng)度通常在低能量處達(dá)到峰值，并向高能量逐漸降低。軔致輻射光譜的最大能量直接由施加的管電壓（kVp）決定。

• 主導(dǎo)地位：在大多數(shù)通用 X 射線管中，軔致輻射是 X 射線產(chǎn)生的主要機(jī)制，尤其是在醫(yī)學(xué)和工業(yè) XCT 中使用的典型診斷能量范圍內(nèi)。

  
  

b) 特征 X 射線：原子指紋

• 機(jī)制：特征 X 射線通過不同的過程產(chǎn)生，涉及靶原子內(nèi)殼層電子的躍遷。當(dāng)高能入射電子與靶原子碰撞時，它可以從內(nèi)層電子殼層（通常是 K 殼層或 L 殼層）中逐出一個電子，產(chǎn)生空位，使原子變得不穩(wěn)定。為了恢復(fù)穩(wěn)定，外層（如 L 殼層、M 殼層）的電子會躍遷以填補(bǔ)內(nèi)層的空位。在這個躍遷過程中，電子從較高能級移動到較低能級，這兩個電子殼層之間的能量差以特征 X 射線光子的形式發(fā)射。

• 光譜：特征 X 射線產(chǎn)生離散光譜，意味著它們以特定的、明確定義的能量水平發(fā)射。這些能量水平是靶材料原子結(jié)構(gòu)和電子殼層能級的特征。對于給定的靶材料，特征 X 射線光譜由特定能量的不同峰組成，疊加在連續(xù)的軔致輻射光譜上。對于鎢，突出的特征 X 射線線包括 K-α 和 K-β 線，分別對應(yīng)于從 L 殼層和 M 殼層到 K 殼層的電子躍遷。

• 能量依賴性：特征 X 射線的能量特定于靶材料，并且只要電壓足夠高以引起內(nèi)殼層電離，就與加速電壓無關(guān)。然而，特征 X 射線發(fā)射的強(qiáng)度隨著管電壓的增加而增加，因為更多的電子有足夠的能量引起內(nèi)殼層電離。

  
  

c) 區(qū)分雙胞胎：軔致輻射與特征輻射

圖3：軔致輻射（左）與特征 X 射線產(chǎn)生（右）

表1：軔致輻射和特征輻射的主要特征

d) 在 XCT 中的實(shí)際意義

理解軔致輻射和特征輻射之間的相互作用對于優(yōu)化 XCT 成像至關(guān)重要。連續(xù)的軔致輻射光譜提供了廣泛的能量范圍，這對于基于差異衰減實(shí)現(xiàn)圖像對比度非常有用。具有離散能量的特征 X 射線可用于特定應(yīng)用。例如，在某些專門的 XCT 技術(shù)中，濾光片（我們將在本系列的另一期中深入探討）用于選擇性增強(qiáng)或抑制 X 射線譜中的特定能量范圍，有可能調(diào)整光束以優(yōu)化特定材料或成像特征的對比度或減少劑量。此外，X 射線管中靶材料的選擇會影響特征 X 射線譜，從而影響整體 X 射線束特性和圖像質(zhì)量。

結(jié)論

Francesco Iacoviello 是倫敦大學(xué)學(xué)院 (UCL) 化學(xué)工程系 EIL X 射線設(shè)施的實(shí)驗經(jīng)理。他于 2012 年在意大利錫耶納大學(xué)獲得礦物學(xué)和地球科學(xué)博士學(xué)位，之后前往巴西圣保羅大學(xué)，擔(dān)任該校海洋研究所的 X 射線衍射專家和實(shí)驗室經(jīng)理。Francesco 于 2015 年加入 EIL，他的研究領(lǐng)域廣泛，涵蓋從電化學(xué)裝置到頁巖氣巖石、碳捕獲和儲能系統(tǒng)以及微隕石等地質(zhì)材料的多尺度 X 射線計算機(jī)斷層掃描表征。

眾星聯(lián)恒在Francesco Iacoviello博士的授權(quán)下將其XCT Mastery Monthly系列翻譯為中文并傳播，旨在讓更多的人了解X射線CT相關(guān)的使用技巧、潛在竅門及經(jīng)驗見解，及打造一個專業(yè)的交流社區(qū)。

科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)的交流互動，是推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要動力。眾星聯(lián)恒作為EUV-X射線核心部件及解決方案供應(yīng)商，我們秉承著“技術(shù)無界·產(chǎn)業(yè)共生”為核心理念，一直致力于打造開放包容的交流平臺，不僅希望將優(yōu)秀成果引入中國，也致力于把中國的科研成果推向世界。