如何获得一张满意的X射线图像

X射线成像早已是一个大家熟知的应用了。在光谱上来看，X射线是指波长从1 pm~10 nm的光，不过在这个领域一般不会谈波长，而是讲能量（单位：eV），对应范围大致在124 eV~1.24 MeV（相应的换算公式见下图）。因为有着极强的穿透力，以及不同物质各异的吸收特性，在医学影像、安检、工业无损检查等诸多领域发挥着核心作用。

怎样才能得到更好的成像？

进一步说：如何在更短的时间内获得更高质量的成像？ 

这是整个X射线成像应用family都会想要搞清楚的一个问题。其门道儿很多，但就像天下武功也都讲一个“要义”一样，搞懂关键的“知识点”，才是攻下问题的第 一步，正所谓“先战略，后战术”。

从射线源到探测端，滨松有着多类针对相关应用的产品。近年还于上海建立了X射线成像实验室，为用户提供打样、测试、本地维修等服务。在解决X射线成像应用中一些底层的光电问题方面，积累了大量的经验。接下来要展开的内容，就是滨松工程师小哥儿们从中划出的重 点，希望能够在获取满意的X射线图像这件事上，对大家有所帮助。

X射线的产生

X射线产生有很多方法，但无论是在医疗还是在工业领域，X射线管是人为来制造X射线的重要工具：

高速运动的电子在与物质相互作用下会产生X射线。通过施加几十千伏或上百千伏的高压，X射线管阴极里电子材料的电子会被“拉”出来，在电场加速下飞奔向阳极（一般叫做阳极靶，Target，用钨、钼等金属材料制成），轰击在上面，将其动能传递给靶上的原子释放出能量。其中，大部分的能量变成了热量，但有大概1%左右转化为了X射线，并从X射线照射窗（Output Window）中射出。就是这样一个最基本的原理。 

X射线源基本原理

滨松微焦点X射线源（MFX）外观图 

电子要从阴极飞到阳极，那这个环境就得是真空的。如果有空气，电子可能会跟其中的氧分子、氮气分子发生反应。所以，对于这一类X射线发生器来说，必须有一个真空管，根据各自密封方式的不一样，产品又可分为两类：开放管和封闭管。 

开放管：很好理解，就是可以打开的，方便的是可以自己更换里面的阴极、阳极/靶，麻烦的是使用时得抽真空，操作相对比较繁琐。它的里面也带有真空泵、真空阀，像排气设备一样。

封闭管：就是出厂的时候阴极、阳极/靶都已经封在了真空管内，也直接连着真空一并抽好，使用起来方便，基本上可以认为是免维护的。但代价是，无法更换阴极和阳极/靶。

滨松微焦点X射线源（MFX）开放管&封闭管产品一览

要注意的是，电子轰击阳极/靶产生的X射线，并不是单一波长。类比我们熟悉的可见光， 这是一个所谓的“白光”，或者叫“混合光”。X射线源里有一个重要参数，叫“管电压（Tube Voltage）”，是指在阴极、阳极/靶之间加多大的电压。而管电压决定的，是产生的这个“混合X射线光”中，能量最 高的那些射线大概有多少。继续用可见光来类比的话，即决定了“颜色”、“波长”。 

打个比方，对于100 KV的管电压，虽然产生的是“混合”的X射线，但能量最 高的只可能到100 KeV，而且强度也不是最 大的。咱们先在这里划个重 点，管电压对后续要讲到的成像效果有着非常大的关联。因为其越高，所产生的X射线的能量越高，波长越短，穿透物质的能力也越强。

100 KeV管电压下MFX所发出的X射线谱

除了“能量”或者说“波长”之外，还有一个比较重要的问题是：我这管子能发出多少个X射线光子。用可见光的“话”来说，就是这灯到底有多亮。 

与之相关的关键参数是“管电流（Tube Current）”，即单位时间内，有多少个电子一股脑从阴极跑到阳极/靶上去了。管电流越大，产生的X射线剂量就越大，光“亮度”就越强，对应图像的亮度也会增加。

把X射线源想象成灯泡的话，管电流管的就是亮度（图片来源于网络）

X射线的探测

说完产生，再来说说探测。 

X射线的探测方法各式各样，如今产业上用得最 多的还是将X射线转化为可见光再进行探测的方法。 

所谓探测，肯定都要把光信号转换成电信号，一般先是转换成电压这样的模拟信号，然后再转换成数字信号显示在我们的屏幕上。

X射线的探测就在此基础上增加了使用闪烁体将X射线转换为可见光的步骤。闪烁体的种类、薄厚都会对探测产生很大的影响，后面在讲图像质量部分会说到。市面上，包括滨松在内，有着一些“闪烁体+可见光探测器”的模块产品，比如二极管阵列耦合闪烁体，这样使用起来会更加方便。

X射线探测基本原理示意（左），及北京滨松自主研制的闪烁体及探测模块产品（右）

X射线成像的基本特点

 我们来看看X射线成像的一些基本光路，以及与之相关的放大原理和畸变问题。 

在可见光领域，光路设计中有一个很重要的小玩意儿，就是“透镜”。但在X射线领域基本没有透镜这个东西，这也决定了它和可见光的光路会变得完全不一样。这里有个简单的比喻，可以用来理解X射线成像的原理：

相信大家小时候都玩儿过手影游戏吧，把手放在灯光前比划出小狗、老鹰的影子什么的。X射线成像就跟这个游戏的原理特别相似：有一盏灯，你的手放在墙和灯的中间，灯的光照射在你的手上，挡住的部分投射出阴影，没挡住的部分光就透过去了。还原到X射线上，灯就是点光源，手就是样品，墙则是探测器。大概是这样的原理。

X射线成像原理及手影游戏的原理类比

可见光成像放大倍数多是采取调节透镜来实现的，而X射线的话比较简单粗暴，就是样品离X射线源和探测器的距离：离X射线源近，放大倍数越大；离探测器近，放大倍数越小。这是一个简单的相似三角形的几何原理，也是X射线成像基本光路的放大原理。

样品离X射线源近，放大倍数越大；离探测器近，放大倍数越小 

这样的光路有什么特点呢？首先要来说个不好的，有时候会给我们的成像造成一定困扰的——畸变。 

以圆柱结构的样品为例，其截面是环形，如果X射线正好在截面上方，成像将接近一根线；随着线源移动离开其正上方，X射线从边上再打过去时，它的成像将不再是一条线，而变成了一个椭圆。

左图为畸变原理的展现；右图为某器件产品X射线成像产生的畸变：蓝色箭头和红色箭头所指都是同一个产品，但在不同位置，图像产生了畸变

以上说的这些是X射线成像光路相关的一些特点，但大家之所以使用X射线去成像，根本原因，是它的穿透性。而这一特性也与诸多因素相关。 

首先，样品的薄厚、密度会对其有影响，这很好理解，不再赘述。最重要的，是材料本身，与组成其原子系数相关很大。大致说来，原子序数越大的材料，对X射线的吸收是越强烈的。 

下面这张19世纪伦琴夫人手的图想必大家都不陌生，这是人类第 一次拍出的X射线图像。其实在这张图上，可以看到很多信息：

首先，我们能看到骨头看不到肉，为什么？因为骨头主要含有大量的钙，但是肉里基本只有碳氢氧，没有钙的原子系数高，对X射线的吸收较少，穿透性就更大，这是第 一点。第二点，大家可以看到伦琴夫人手上戴着一枚戒指，一般的戒指基本都会比骨头薄，但图像上戒指更明显，它“挡”住了更多的X射线，这说明，这种材料比骨头（钙）的吸收性更强，虽然不知道是金是银，但至少肯定是金属制品。

下面这张图上，呈现了一些材料的X射线透过率情况，而这张图在具体讲到提高成像效果的部分会反复使用，此处可以划一个重 点，敲一下黑板。 

X射线成像的应用

利用X射线的基本特点，历代科学家、工程师们充分转动他们聪明的小脑瓜，发明出了大量基于X射线成像的应用。单滨松涉及的产业来说，就覆盖了人体CT、牙科影像、安检、无损检测等等，还有诸多科研方面的应用。

不过这些应用技术，最常见的基本可以分为两大类：DR（Digital Radiography）和CT（Computed Tomography）。

DR其实就是二维成像。简单来说，一个X射线源，一个探测器，样品放在其间，线源发出锥形X射线束，透过样品，在探测器上成像并咔嚓拍下来。

DR成像效果示意图

CT就比较复杂了，但依然要“简单来说”的话，就是拍了好多张图片（获得很多数据）后输入电脑，电脑自己再一顿猛虎操作后算出一个三维的图像来。 

CT成像效果、原理示意及滨松相关产品

但无论是DR还是CT，都面临着同一个问题：如何在更短的时间内获得更高质量的成像。

两张X射线成像图，孰好孰差，一眼可知道。