【第二期】揭开隐形的面纱：计算机断层扫描中X射线产生的奇迹

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XCT mastery Monthly - 精通X射线CT月刊是由Francesco Iacoviello博士发起、撰写并发布的，旨在给大家分享X射线CT相关的使用技巧、潜在窍门及经验见解。每期都会深入探讨 XCT实践中面临的挑战和解决方案，涵盖以下主题：

图像优化：学习实现清晰CT 扫描的技巧。

故障排除：掌握克服常见 CT 问题和伪影的策略。

高级技术：探索前沿方法和软件功能。

工作流程效率：探索简化 CT 流程并节省时间的方法。

社区讨论：加入讨论，分享您的经验和疑问。

揭开隐形的面纱：

计算机断层扫描中X射线产生的奇迹

1. 偶然的观察：X 射线的发现

X 射线的发现故事是观察力与科学好奇心的见证。1895 年 11 月 8 日那个决定性的夜晚，德国物理学家威廉・康拉德・伦琴（1845 年 3 月 27 日出生 —— 恰好是 180 年前的今天:-)）在德国维尔茨堡的实验室里进行阴极射线实验时，注意到附近一块氰铂酸钡屏发出了异常的荧光。这种能够穿透普通光无法透过的材料的神秘辐射引起了他的兴趣，伦琴将其命名为 “X 射线”，象征着其未知的本质，这为探索未知世界打开了新窗口，深远的改变了科学和医学的格局。

图1：威廉・伦琴（左）—— 伦琴夫人的手（右）

2. 从真空管到 X 射线束：产生过程

X 射线的产生虽然基于复杂的物理学原理，却可以通过一系列逻辑步骤来理解。其核心在于高速电子的快速减速原理。这种减速过程将电子的动能转化为电磁辐射，其中一小部分（约 1%）表现为 X 射线。让我们详细拆解这一过程：

a) 系统的核心：X 射线管

X 射线产生的核心部件是 X 射线管，这是一种专门设计的真空管，用于促进 X 射线的可控产生。该管通常由坚固的玻璃或陶瓷制成，在真空环境中包含两个主要部件：阴极和阳极。

• 阴极

  电子源：阴极是电子的来源。在大多数 X 射线管中，这通过热电子发射实现。阴极组件内的一根钨丝细线通过电流加热到极高温度，就像加热水会产生蒸汽一样，加热钨丝会提供足够的能量使电子从金属表面 “沸腾” 逸出。这团准备好被加速的电子云围绕着加热的灯丝。

• 阳极（靶）

  X 射线发生器：与阴极相对的是阳极，也称为靶。阳极有两个关键功能：它作为电子突然停止的靶材料，并帮助散逸 X 射线产生过程中产生的大量热量。阳极通常由高原子序数的材料制成，如钨（W）、钼（Mo）或铜（Cu），具体取决于特定应用。由于钨的高熔点、高原子序数（Z=74）和高效的 X 射线产生能力，它特别适合用于常规放射学和 XCT。

  
  

一些 X 射线扫描仪，如尼康 XTH 225，可以更换靶材。在特定的反射模式下，该系统可使用 4 种不同的靶材：钨（W，Z=74）、银（Ag，Z=47）、钼（Mo，Z=42）和铜（Cu，Z=29）。通过这种方式，可以调整连续辐射的平均能量，并采用更复杂的滤波策略。

其他一些 X 射线显微镜，如蔡司 Xradia 810 Ultra，其配置允许利用软 X 射线窗口（Cr 旋转阳极靶的 5.4 keV）（见视频1）。

视频1

这种配置比传统 XCT 系统复杂得多，并且可以实现更高的空间分辨率：“Ultra” 可达到 50 nm 的最大空间分辨率，堪比高端同步辐射光束线。

众所周知，X 射线产生的效率很低，这是由 X 射线产生的物理原理带来的根本限制。在典型的 X 射线管中，一束高能电子被加速射向靶阳极，通常由钨制成。撞击时，这些电子迅速减速，其动能转化为其他形式，主要是热量。这种动能中只有极小一部分转化为 X 射线光子。

这种效率（以产生的 X 射线能量与输入电子能量的比率表示）可以通过以下公式近似：

效率（η）≈ Z × V × 10^-9

其中：

• Z 是靶材料的原子序数（例如，W 的 Z=74）。

• V 是施加的电势（电压），单位为千伏（kV）。

该公式表明，效率随着靶材料的原子序数和加速电压的增加而提高。然而，即使使用高 Z 数靶材和高电压，效率仍然很低。

视频2：反射式X射线管结构动画（左）

转阳极X射线管结构配置（右）

b) 加速电子：高压博弈

为了产生 X 射线，从阴极发射的电子需要被加速到极高的速度。这通过在阴极和阳极之间施加高电压差来实现。通常，该电压范围从数十千伏（kV）到兆伏（MV），具体取决于所需的 X 射线能量和应用。

带负电的阴极和带正电的阳极产生强电场。从阴极释放的电子被强烈吸引到带正电的阳极，在它们之间的真空间隙中加速。施加的电压越高，加速度越大，因此电子到达阳极时获得的动能越高。

c) 电子相互作用与 X 射线发射：轫致辐射和特征 X 射线

当高速电子撞击阳极靶材料时，它们会经历快速减速。这种突然的制动过程正是 X 射线产生的神奇之处。入射电子与靶原子之间的相互作用通过两种主要机制导致 X 射线的产生：轫致辐射和特征辐射。我们稍后将详细探讨这两种机制的区别。

值得注意的是，X 射线产生本质上是一个低效的过程。入射电子的绝大多数动能（超过 99%）在与靶材料相互作用时转化为热量，只有一小部分（通常小于 1%）转化为 X 射线。这种强烈的热量产生需要 X 射线管中有效的冷却机制，通常涉及循环油或水，以防止阳极损坏并维持高效运行。

d) 控制 X 射线束

X 射线管组件还包含用于塑形和控制发射 X 射线束的功能。准直器（通常由铅制成）用于将 X 射线束限制在所需的尺寸和形状，减少散射辐射并提高图像质量。此外，X 射线束的强度和能谱可以通过调整管电流（mA，调节从阴极发射的电子数量）和管电压（kVp，控制加速电势（电压），从而控制电子的能量）来控制。

3. 解码 X 射线的本质：定义其用途的特性

X 射线作为电磁辐射的一种形式，与可见光、无线电波和伽马射线共享一些特性，但也具有独特的特征，使其在 XCT 和广泛的应用中具有不可估量的价值。理解这些特性是理解其用途和 XCT 成像原理的关键。

a) 电磁辐射

X 射线是电磁波谱的一部分，电磁波谱是一个广泛的能量范围，包括低能量端的无线电波和高能量端的伽马射线。与所有电磁辐射一样，X 射线表现出波粒二象性，即它们既表现为波又表现为粒子（光子）。它们在真空中以光速传播，并以其波长和频率为特征。X 射线占据电磁光谱中波长极短（通常在 0.01 到 10 纳米之间）和高频率的区域，对应高能量。波长越短，X 射线光子的能量越高，穿透能力越强。

b) 穿透能力

也许 X 射线最具决定性的特性是其穿透可见光无法透过的材料的能力。这种穿透能力直接与其高能量和短波长相关。穿透程度取决于几个因素：

• X 射线能量：由更高管电压产生的更高能量 X 射线具有更强的穿透能力。

• 材料密度：密度较高的材料比密度较低的材料更有效地衰减 X 射线。这种差异衰减是 X 射线成像中对比度的基础。

• 材料的原子序数：原子序数较高的材料（如骨骼或金属）比原子序数较低的材料（如软组织或空气）更容易吸收 X 射线。

这种差异穿透使我们能够可视化物体的内部结构，从人体骨骼到工业部件的缺陷，构成了 XCT 和其他 X 射线成像技术的基础。

c) 电离辐射

X 射线被归类为电离辐射，因为它们具有足够的能量从原子中移除电子，这一过程称为电离。当 X 射线光子与原子相互作用时，它可以转移足够的能量以逐出一个电子，形成离子对（带正电的离子和带负电的电子）。这种电离效应是生物组织辐射损伤的基础，也是 XCT 和其他 X 射线应用中辐射安全协议的关键考虑因素。然而，这种电离特性也被用于放射治疗中破坏癌细胞。

d) 直线传播

X 射线从其源沿直线传播。这种直线传播对于在 XCT 中形成清晰且无失真的图像至关重要。X 射线的直线路径允许收集准确的投影数据，然后通过计算重建创建横截面图像。

e) 不可见但可检测

X 射线是人眼不可见的，但其存在可以通过它们与物质的相互作用来检测。有几种方法用于检测 X 射线：

• 荧光屏：某些材料，如氰铂酸钡（伦琴著名使用的材料）和现代磷光材料，在暴露于 X 射线时会发出荧光（发射可见光）。这种荧光在历史上用于荧光透视，至今仍在一些专业应用中使用。

• 照相胶片：X 射线可以使照相胶片曝光，引起化学变化，显影后产生可见图像。这是早期放射学的基础，至今仍在一些特定应用中使用。

• 数字探测器：现代 XCT 系统主要使用数字探测器，将 X 射线能量直接转换为电信号。这些探测器可分为几类，包括电离室、固态探测器和平板探测器，每种在灵敏度、速度和分辨率方面都有特定特性。

  
  

f) 诱导荧光

如上所述，X 射线可使某些材料发出荧光，发射可见光或电磁光谱其他区域的光。这种现象不仅用于检测，还用于专门的 XCT 技术，如 X 射线荧光计算机断层扫描（XFCT），它可以绘制样品的元素组成。

图2：X 射线特性总结

4. 产生的双重性：轫致辐射与特征 X 射线

如前所述，在 X 射线管中产生的 X 射线并非单一来源，而是来自两种不同的机制，每种机制都以独特的特征为整体 X 射线谱做出贡献：轫致辐射和特征辐射。

a) 轫致辐射：制动辐射连续谱

• 机制：轫致辐射（Bremsstrahlung）（德语意为 “制动辐射”（ Bremsstrahlung））是当入射电子穿过靶材料时，靠近靶原子的原子核通过时产生的。由于原子核的强正电荷，电子被偏转并减速（减速）。当电子减速时，它失去动能，这部分损失的能量以 X 射线光子的形式发射。损失的能量（即发射的 X 射线光子的能量）取决于电子与原子核的接近程度和减速程度。

• 光谱：轫致辐射产生连续的 X 射线能量谱，这意味着产生了从低到高的所有能量的 X 射线，最高能量对应于入射电子的初始动能（由 kVp 决定）。该光谱的特征是能量的广泛分布，强度通常在低能量处达到峰值，并向高能量逐渐降低。轫致辐射光谱的最大能量直接由施加的管电压（kVp）决定。

• 主导地位：在大多数通用 X 射线管中，轫致辐射是 X 射线产生的主要机制，尤其是在医学和工业 XCT 中使用的典型诊断能量范围内。

  
  

b) 特征 X 射线：原子指纹

• 机制：特征 X 射线通过不同的过程产生，涉及靶原子内壳层电子的跃迁。当高能入射电子与靶原子碰撞时，它可以从内层电子壳层（通常是 K 壳层或 L 壳层）中逐出一个电子，产生空位，使原子变得不稳定。为了恢复稳定，外层（如 L 壳层、M 壳层）的电子会跃迁以填补内层的空位。在这个跃迁过程中，电子从较高能级移动到较低能级，这两个电子壳层之间的能量差以特征 X 射线光子的形式发射。

• 光谱：特征 X 射线产生离散光谱，意味着它们以特定的、明确定义的能量水平发射。这些能量水平是靶材料原子结构和电子壳层能级的特征。对于给定的靶材料，特征 X 射线光谱由特定能量的不同峰组成，叠加在连续的轫致辐射光谱上。对于钨，突出的特征 X 射线线包括 K-α 和 K-β 线，分别对应于从 L 壳层和 M 壳层到 K 壳层的电子跃迁。

• 能量依赖性：特征 X 射线的能量特定于靶材料，并且只要电压足够高以引起内壳层电离，就与加速电压无关。然而，特征 X 射线发射的强度随着管电压的增加而增加，因为更多的电子有足够的能量引起内壳层电离。

  
  

c) 区分双胞胎：轫致辐射与特征辐射

图3：轫致辐射（左）与特征 X 射线产生（右）

表1：轫致辐射和特征辐射的主要特征

d) 在 XCT 中的实际意义

理解轫致辐射和特征辐射之间的相互作用对于优化 XCT 成像至关重要。连续的轫致辐射光谱提供了广泛的能量范围，这对于基于差异衰减实现图像对比度非常有用。具有离散能量的特征 X 射线可用于特定应用。例如，在某些专门的 XCT 技术中，滤光片（我们将在本系列的另一期中深入探讨）用于选择性增强或抑制 X 射线谱中的特定能量范围，有可能调整光束以优化特定材料或成像特征的对比度或减少剂量。此外，X 射线管中靶材料的选择会影响特征 X 射线谱，从而影响整体 X 射线束特性和图像质量。

结论

Francesco Iacoviello 是伦敦大学学院 (UCL) 化学工程系 EIL X 射线设施的实验经理。他于 2012 年在意大利锡耶纳大学获得矿物学和地球科学博士学位，之后前往巴西圣保罗大学，担任该校海洋研究所的 X 射线衍射专家和实验室经理。Francesco 于 2015 年加入 EIL，他的研究领域广泛，涵盖从电化学装置到页岩气岩石、碳捕获和储能系统以及微陨石等地质材料的多尺度 X 射线计算机断层扫描表征。

众星联恒在Francesco Iacoviello博士的授权下将其XCT Mastery Monthly系列翻译为中文并传播，旨在让更多的人了解X射线CT相关的使用技巧、潜在窍门及经验见解，及打造一个专业的交流社区。

科学研究与产业的交流互动，是推动产业发展的重要动力。众星联恒作为EUV-X射线核心部件及解决方案供应商，我们秉承着“技术无界·产业共生”为核心理念，一直致力于打造开放包容的交流平台，不仅希望将优秀成果引入中国，也致力于把中国的科研成果推向世界。