第四节　X线散射线的产生与减少

一、X线散射线的产生

X线与人体相互作用的主要形式是光电吸收和康普顿散射吸收，其中康普顿散射吸收会伴有散射线的产生，而散射线对周围其他物体也有穿透、被吸收和再次产生散射等作用。散射线量的多少与原发射线的能量，被照体的厚度、密度、原子序数以及照射面积有关。人体是一个散射体，当X线管发出的原发射线穿过人体后，由于组织厚度与密度差异，骨骼和软组织对X射线的康普顿吸收，产生了部分波长较长，而方向不确定的散射线。X线波长越短，强度越大，产生的散射线就越多，被照体受照面积越大，体层越厚，产生的散射线量也越多，散射线是影响图像质量的主要因素。

为了提高摄影质量，减少不必要的散射线，用多层滤线器组成的缩光器来控制照射野，使成像区域限制在照射野内，这样可以控制不必要的原发射线，从而降低散射线。另一种方法是直接吸收散射线的滤线栅，它是置于成像区域与接受探测器之间来消除散射线，改善图像质量。

二、减少X线散射线的方法

为了提高影像质量，尽量减少散射线对图像的影响，可以使用多种方法减少散射线。从球管窗口发出的是波长不等的X线束，其中波长较长的原发射线可产生较多的散射线，用铝板或薄铜板滤过板等放置于窗口处，可吸收波长较长的原发射线，从而减少散射线的产生。在摄影时，使用遮线器尽量缩小照射野的面积，减少不必要的原发射线，从而减少散射线。目前滤线器是消除散射线的主要设备。

（一）滤线器的构造和工作原理

滤线器一般有三个部分，两个面附加铅或合成树脂起保护作用，中间是用重金属的材料做成的薄铅条，如用宽0.05～0.1mm的薄铅条，嵌入在间隔为0.15～0.35mm的铅或胶木板之中，互相平行或按一定斜率固定而成。

根据滤线栅的基本构造特点分为聚焦式，平行式和交叉式。聚焦式是滤线栅的铅条延长线聚焦于一条直线；平行式滤线栅是铅条相互平行；交叉式滤线栅的铅条是相互垂直斜交组成，又根据滤线栅有无运动功能分为固定滤线栅和运动滤线栅。

1.滤线器的结构

滤线器的结构是排列一系列很薄的X线穿不过去的铅条物质与X线易穿过去的中间物质交替组合而成。

（1）铅条的性质：

它对滤线器的设计和性能起着很重要的作用，要求高吸收性能、高密度、高原子序数。铅的原子序数是82，它的密度是11.34g/cm3，这个性能使铅能有效地吸收散射线。铅的价格相对便宜，并易拉成薄层片条状，具有制成滤线器的重要特点。为达到有效地衰减散射线，铅薄片的厚度应该等于0.1mm（100μm），但大多数滤线器一般厚度等于0.05mm（50μm）。然而，高密度滤线器用的是0.045mm（45μm）厚铅薄片，铅薄片的高是3mm左右。

（2）铅薄层片的设计：

为了使初级线束最大限度的穿过滤线器，铅薄片的滤线器有如下几种形式。

1）平行型滤线器：

铅薄层片相互平行安排，这样设计的滤线器称为平行型滤线器。平行型滤线器的缺点是在一定范围上吸收初始线束，这种现象称为滤线器截断（grid cutoff）。另一个缺点是在使用中射线源至探测器距离（source imager distance，SID）不能变，必须在指定的SID中使用，否则就会发生滤线器截断。

2）聚焦型滤线器：

为了克服平行型滤线器的缺点，又设计出聚焦型滤线器，它的铅薄片按一定规律向滤线器中心倾斜，使每个铅薄片都倾斜在一条聚焦线上，这样设计的铅薄片的滤线器称为聚焦型滤线器（focused grid），铅薄片的设计与初级线束斜射线完全一致。

焦点范围是指调节聚集距离不会引起探测器上的X线的截断现象，聚集距离在滤线器上有标志。用聚焦型滤线器，X线管组件只能沿铅薄片的长轴成角度，绝不能与铅薄片交叉，X线束的中心线必须在滤线器中心才能得到最佳结果。

3）交叉型滤线器：

是两块平行型滤线器互相重叠，铅薄片互相垂直的滤线器，称为交叉型滤线器（crossing-hatched或crossing grid）。交叉型滤线器比平行型滤线器或聚焦型滤线器更能滤过较多的散射线，因为它在两个方向上吸收散射线。

（3）中间物质：

中间物质又称间隔物质，用于支撑铅薄片并牢固的保持铅薄片的位置，这种物质是很薄的（约0.350mm），并且X线易穿过。这种物质不吸收水分，铝和塑料纤维是最常使用的物质。

铝具有不吸收水分，可减少照片上出现的滤线器线条影，比塑料纤维更能吸收散射线的优点。塑料纤维的滤线器成像时比铅制的滤线器要求的射线量少，因为铝有吸收初级线束的能力，故铝制滤线器要求增加曝光因素。特别是在低电压时，如用铝制滤线器，患者剂量要高出20%。因此，塑料纤维物质制的滤线器比铝物质制成的滤线器更为普及。

铅薄片和间隔物质封装在外包装壳内，通常用铅外包装壳，铅机械性能坚硬。乳腺摄影的滤线器是包装在碳纤维和松香物质中，能让较多的初始线束穿过。

2.滤线器原理

滤线器放在患者和探测器之间，照射的X线经过人体后到达滤线器，与滤线器铅条呈平行方向的射线经过滤线器到达探测器，与滤线器呈角度的散射线，则被铅条吸收，不能到达探测器，从而保证了影像的清晰度。但是，部分X线束因滤线器的倾斜度原因而被滤线器的铅条吸收，引起滤过器截止现象，这就是使用滤线器时必须增加曝光条件的原因。

散射线比初始线束倾斜角度大，散射线在通过滤线器时就落入铅薄片上而被吸收。如果铅薄片之间靠的比较紧，允许散射线穿过铅薄片的角度减少，这个角度称为固体角度效应。这个固体角度效应因素影响滤线器滤掉散射线的量，这个滤掉的散射线称为滤线器的滤过效率。设计的好的滤线器可达到80%～90%的滤过效率。不同比率的滤线器，其散射线穿过滤线器的穿过效率也不同，6∶1交叉型最好，8∶1线性型最好，10∶1线性型较好，12∶1线性型优良。

3.滤线器的类型

在滤线器设计上，铅薄片和中间物质安排成平行型、聚集型和交叉型滤线器。这些滤线器既可静止使用，又可在运动中使用。

（1）静止滤线器：

静止滤线器不论平行型、聚集型还是交叉型都是固定放在探测器的前面，X线曝光中间滤线器不运动。所谓静止滤线器就是一块静止滤线器，栅密度要在4.0cm铅条/mm以上，否则在图像上会出现铅薄片（铅条）影，形成滤线器线，这是初始线束被铅条吸收的结果。中间物质处出现淡淡的黑线影，这也会影响图像质量。为使X线图像上看不到明显的铅条影，铅薄片制作得很薄，排列密度大，目前静止滤线器的栅条采用铝条或铝合金条代替铅条，栅密度很高。

（2）运动式滤线器：

移动式滤线器是为了消除静止滤线器的栅条影，也可以用在曝光时滤线器移动的方法消除滤线器的栅条影。它用一个驱动机械，在曝光中间滤线器成直角移动铅条，曝光终止时移动停止。由于滤线器的移动使图像上不留下铅条影，因而完全消除了滤线器留下的铅条影。

运动式滤线器被称为Potter-Bucky滤线器，或简称滤线器。滤线器是一个完整的部件，装在摄影床床面下或摄影/透视床床面下，或立式摄影架面板后。如装在摄影床的床面下并有纵形轨道，技术人员可沿床的长轴移动它。

移动滤线器的主要构成部件是：抗散射线滤线器，拖动滤线器移动的电动机，控制滤线器移动的机构及探测器托架等。

滤线器运动不是一个简单动作，因为要保证最佳效果，所以必须考虑运动起始、终止的时间和运动匀速等如运动平滑、运动自由，才能不留下铅体影子，在整个曝光过程中，滤线器运行比率必须均匀。必须很精细的使滤线器移动于曝光开始之前，并运行至最大匀速才开始曝光。运行速度开始降低时曝光终止，之后逐渐降速至零。

4.驱动滤线器的运动方式

滤线器的运动方式是利用机械的往复运动，是电动机和偏心凸轮与X线曝光限时相结合，滤线器用快速和常速运动在暗盒上面，慢速运动带滤线器返回至原位。

振荡机械比往复运动的滤线器机械简单，在曝光中间，滤线器以来回方式运动。此种滤线器运动机构是由支撑滤线器框架、滤线器和弹簧构成，借助弹簧舒张和伸缩带动滤线器震荡运动。当X线曝光开关被按下时，螺旋管型电磁铁吸动衔铁，并瞬间自动切断电源，螺旋管型电磁铁线圈无电，滤线器靠弹簧力量开始振荡，一开始振荡很快、幅度大，约30s后慢下来，最后停止振荡，就在滤线器慢下来之前30s内进行X线曝光。现在有专用微处理控制器控制直流永磁电动机驱动滤线器往复运动滤线器。

5.滤线器的技术参数

（1）栅比（grid ratio，R）：

是指滤线器的铅条高度与铅条之间的间隔物质的距离比。栅比 R值有5∶1、6∶1、8∶1、12∶1、16∶1、34∶1等多种规格，该值越大，表示滤线栅吸收散射线的能力越强。实际使用中，管电压越高，散射线越多，选用的栅比值越大。所以在X线高千伏摄影时常采用滤线栅栅比大和交叉滤线栅设备。

（2）栅密度（number of strips）：

是指滤线器上单位距离中的铅条数，常用lp/mm表示。栅密度越大，滤过的散射线越多，图像上铅条影越少，栅密度正常范围在2.4～4.3lp/mm。

（3）铅容积（lead content）：

是指在滤线栅表面上单位平方厘米中铅的体积（cm3），它是栅密度、铅条厚度与铅板高度的积。

（4）滤线栅焦距f0和焦栅距离界限f1-f2：

f0 是指在聚焦滤线栅中铅条延长线的聚焦直线到滤线栅表平面的垂直距离。当将X线管焦点置于滤线栅的焦距上时，除碰到铅条本身吸收外，与铅条成角的散射线都被吸收掉，其他射线均沿着与铅条倾角相平行而通过到达探测器。有关研究表明在聚焦滤线栅有效边缘处，当原射线透射值为聚焦距离上透射值的60%以上，就可以满足临床诊断要求。这样X线管焦点位置就有了一定的范围，而并不一定恰好在聚焦距离上，此限定范围就称为焦栅距离界限f1-f2，f1表示焦栅距离下限，f2表示焦栅距离上限，它与栅比和栅焦距有关。

（二）物理特性

理想的滤线器应该是100%消除散射线，而原发射线又能全部通过，这样既不增加患者的X线剂量，又能使图像具有良好的对比度。栅比大的滤线栅虽然消除射线效率高，但同时吸收了原发射线，此时只有增加曝光条件，才能满足图像的辐射剂量的需要，这样会增加受检者的X线剂量。

1.一次X线透过率（primary transmission，Tp）

一次X线透过率测试方法是，在X线管与测试水模之间有铅屏蔽，将X线束控制为狭长X线束，水模散射体远离滤线栅，这样可以近似认为到达探测器的散射线几乎没有，用这装置将用滤线栅时测得的X线强度与去掉滤线栅后测得的X线强度之比，即为一次X线的透过率。

2.全X线透过率

全X线是指原发射线和散射线之和，方法是去掉水模上方的铅遮蔽板，测得强度，去掉滤线栅测得强度，两者之比即为全X线透过率，全X线透过率越小，表示滤线栅吸收散射线能力越强。

3.散射线透过率

用测试全X线透过率的装置，测得散射线强度，去除滤线器测得的X线强度，两者之比即为散射线透过率，散射线透过率值越小，表示滤线栅吸收射线能力强，它是表征滤线栅吸收射线本领的物理量。

4.选择能（selectivity）

用一次X线透过率与散射线透过率之比来表示，选择能值越大，滤线栅性能越好。

5.对比度改善系数（contrast improvement factor）

又称为对比度因子，是指用滤线器设备的图像对比度与不用滤线器设备的图像对比度之比，是衡量滤线栅性能最重要的指标。

6.曝光量倍数（bucky factor）

X线曝光时，在X线束中未插入滤线栅测得的X线强度与插入滤线栅时测得的X线强度之比，即为曝光量倍数。在影像上获得相同密度值的X线曝光倍数，也叫滤线栅因子。它是以宽X线束为条件的，其值随着管电压而变化，一般在2～6之间。曝光量倍数值是随着栅比值增加而增加，曝光量倍数值越小滤线栅的质量越好。另外，管电压高时其值也大，特别是栅比大时，曝光量倍数值增加得更大。原因是管电压增加时，散射线所占比例增加，栅比高时滤线栅去除散射线效率高。

（三）使用滤线栅的注意事项

1.使用聚焦滤线栅时，不要将滤线栅倒置，这样会因铅条与照射角不相适应而吸收大量的原发X线，使曝光量不足，造成影像噪声增加。

2.X线中心线和滤线栅中心线不要偏移，最大幅度不超过3cm，否则将会使有用的X线信息吸收掉。

3.使用聚焦滤线栅时候，焦点到滤线栅的距离要在允许范围内，否则边缘区域X线会被吸收掉，产生栅切割效应。

4.使用调速滤线栅时，要调好与曝光时间相适应的运动速度，一般运动时间应稍长于曝光时间的五分之一。

5.滤线栅的选择使用，管电压在90kV以下的，可选栅比8∶1以下滤线栅，90kV以上的选用10∶1的滤线栅。聚焦式与交叉式滤线栅性能相似，当交叉式去除散射线效率高，一次X线透过率低。X线球管倾斜摄影时，不能应用交叉式滤线栅，而且倾斜方向只能与铅条排列方向平行，否则X线被大量吸收（图3-9）。

三、虚拟滤线栅

2014年飞利浦公司在北美放射学年会上推出基于大数据的超级栅，即虚拟滤线栅，2016年在北美放射学年会又推出SkyFlow第二代超级滤线栅，开启了无滤线栅摄影的新时代。它是一种对传统滤线栅的革命性变革，是现代数字化X线摄影中减少或消除散射线的新技术。飞利浦率先推出的虚拟滤线栅SkyFlow，是全球首款诊断X线数字化影像辅助软件，它可以在不使用滤线栅的情况下，提供使用滤线栅较高辐射剂量的图像质量，适用于人体所有部位的X线摄影。

（一）结构

虚拟滤线栅SkyFlow是飞利浦发明的一种图像处理技术，利用大数据为基础，采用SkyFlow以物理模型和蒙特卡罗模拟（Monte-Carlo模拟），通过反复计算不使用滤线栅造成的局部散射线的分布，在图像上对于散射的信号进行数字化补偿，从而抵消散射辐射的影响，针对每个患者个体化增强图像对比度，使图像获得有使用滤线栅的图像质量效果，而又不因使用滤线栅增加摄影的曝光条件，使受检者辐射剂量大为降低。

虚拟滤线栅在成像单元之前没有任何物理装置，焦点射线和非焦点射线同时到达成像单元，通过对成像单元采集的数据处理来区分焦点射线和散射成分，并对后者加以抑制。

可以调整虚拟滤线栅的格比数，线密度，甚至可以调整铅当量数。不用根据SID（焦点-被照体距离）的变化更换滤线栅，仅仅调整滤波参数即可满足散射线过滤的需要（图3-10）。

表3-7是虚拟滤线栅与普通滤线栅相关性能参数的对照，说明虚拟滤线栅比普通滤线栅具有优越性。

（二）成像机制

虚拟滤线栅SkyFlow以X线通过水层的Monte Carlo模拟为基础，进行校准校正，该步骤能模拟防散射滤线栅的功能。

1.对散射进行测试

受照对象所产生的散射辐射的量取决于其厚度和组成成分。在受照对象的图像中，散射信号可被看作是由纤细的铅笔状X射线束，穿过受照对象所产生的散射累积的叠加，这些散射被称为散射粒。为了推定给定图像的散射，虚拟滤线栅SkyFlow从一个数据库中为每条笔形波束选择散射粒，该步骤已在Monte-Carlo模拟中进行预计算，上述的选择基于局部图像信号和它的空间梯度。

在图像区域中，所有散射粒的叠加产生总散射图像的精确推定值，由于散射图像是由低频成分支配的平滑变化的图像信号。因此，散射的推定过程基于原始图像的低分辨率版本，从而使得计算时间非常短，从推定步骤产生的散射图像会被放大到全分辨率。

然后，进行多个时间段的模拟计算，为SkyFlow技术建立散射粒数据库，使其能针对每个受检者的个体化体质。在实际工作中，不影响图像的总体显示时间。通过这种方式，虚拟滤线栅SkyFlow不但能受益于Monte Carlo模拟技术的精度和准确度，还可针对每个患者进行有效的计算校正（图3-11）。

确定不同厚度的水层和球管电压下的对比度改进因子。实心符号表示：使用滤线栅时，测量出的对比度改进因子。空心符号表示通过虚拟滤线栅SkyFlow所获得的对比度改进因子。

2.滤线栅的校正功能

通过从原始图像探测器中减去一个经过滤线栅校正的散射图像，获得一个对比度增强的散射校正图像。然后，对利用SkyFlow技术所实现的增强对比度进行校准，使其达到使用滤线栅所获得的对比度的水平。校准的流程被用于计算散射图像，以达到使用滤线栅的效果，该图像只包含被滤线栅物理删除的散射总量。需要强调的是，滤线栅不能删除所有的散射辐射，而只是删除部分散射辐射，滤线栅只能在一定程度上恢复主要对比度。

用于虚拟滤线栅SkyFlow技术的算法可用单个参数确定，该参数与选择性Σ值密切相关。原则上，在不同的散射条件下，均可以选择该调整参数与任何给定的硬件滤线栅的对比度增强特性相匹配。通过一个物理校准值来确定适当的参数值。

利用针对床旁胸片的典型防散射滤线栅，以及作为病人等效材料并且可产生散射辐射的水层，对SkyFlow进行校准（比值1∶8）。通过已有的校准数据，计算出经过滤线栅调整后的散射图，该图像提供了被滤线栅物理删除的散射信号的估计值。在校正步骤中，从原始的探测器图像中，减去经过调整后的散射图像，获得散射校正后的图像。

实验已经证实，虚拟滤线栅SkyFlow能通过测定对比度改进因子，提高对比度，获得类似于使用防散射滤线栅的效果。验证实验在不同的散射条件下以及各种球管电压下进行（图3-11）。

跟使用滤线栅获得的图像一样，利用SkyFlow技术所获得的图像也会经飞利浦UNIQUE算法处理，并用于随后的多标量图像处理。SkyFlow技术的图像处理流程图如图3-12所示。

3.虚拟滤线栅原理也可以用下面公式说明：

上述公式表达了散射线生成的退化模型，G（x，y）为最终得到全部图像信息的函数，F（x，y）为初级射线图像信息，S（x，y）为射线透过被测物体后产生的散射线，N（x，y）是量子噪声。

（三）临床应用

采用标准体模对飞利浦的SkyFlow虚拟滤线栅技术进行图像质量的临床研究。设计了曝光指数（EI约500）大致相同条件下，不同kV和mAs组合的12组不同扫描方案，每组方案再根据“放置滤线栅，不放置滤线栅，启用虚拟滤线栅”3种不同的滤线栅方案分别进行3次曝光，最终得出36组实验数据。然后，再进行图像评估以探寻虚拟滤线栅对不同扫描方案下图像质量的影响。从扫描方案设计中可见，在固定管电压情况下，放置滤线栅会导致较高的剂量，大约为不放置滤线栅的2.2倍，而启用虚拟滤线栅与不放置滤线栅剂量一致（图3-13）。

扫描方案（12组），滤线栅方案（3个），虚拟滤线栅与不放置滤线栅辐射剂量一致，放置滤线栅后，辐射剂量显著上升（约2.2倍）（图3-14）。

体模研究的客观图像质量评估，理论上讲，放置滤线栅能够显著降低散射辐射，提高图像对比度，这与实验结果一致。在放置滤线栅后，虽然平均辐射剂量较不放置滤线栅增加约2.2倍，但图像对比度确实较不放置滤线栅有显著上升（1.19 vs 1.01）。值得注意的是，使用虚拟滤线栅后，在与不放置滤线栅相同辐射剂量条件下，图像对比度仍要较放置滤线栅上升（1.27 vs 1.19）。即使用虚拟滤线栅，可在不增加额外辐射的条件下，获取最高的图像对比度。对比度计算公式：

Level1为肺野内ROI平均像素值；Level2为心脏部分ROI平均像素值。

也就是在相同管电压及曝光指数的条件下，对比度放置滤线栅组明显高于不放置滤线栅（1.19 vs 1.01），虚拟滤线栅高于放置滤线栅（1.27 vs 1.19）（图3-15）。

虚拟滤线栅图像质量（图像噪声SD）的体模研究，本研究以肺野ROI内平均像素值的标准差（SD）作为图像噪声，结果：在相同管电压及曝光指数的条件下，图像噪声不放置滤线栅组（83.1）较其他两组低，放置滤线栅（110.4）与虚拟滤线栅组（110.0）间差别无统计学意义。如图3-16。

虚拟滤线栅主观图像质量的体模研究的评分标准：1分=差，伪影噪声严重，对比度、密度及锐利度不足，主要结构层次显示不清，无法满足临床诊断要求；2分=良，伪影噪声存在，对比度、密度及锐利度满足诊断要求，主要结构层次显示可；3分=优，无伪影噪声或轻微伪影噪声，主要结构对比清晰，边缘锐利。评价结果：在相同管电压及曝光指数的条件下，总体图像质量不放置滤线栅组较其他两组低，放置滤线栅与虚拟滤线栅组间差别无统计学意义（图3-17，图3-18）。

在上述模体实验的基础上进行人体的相关部位的摄影。下面是胸部X线的原始图像与使用虚拟滤线栅的胸部图像对比。原始图像含有焦点射线和散射线成分，图像灰雾高，对比度低。射线剂量只用物理滤线栅的40%左右即可达到图像整体密度适中，如图3-19A。经过虚拟滤线栅过滤的图像，抑制了散射线成分，适当提升焦点射线成分，射线剂量与无附加物理滤线栅一致，如图3-19B和图3-20。

通过模体实验和临床应用表明，虚拟滤线栅在一定条件下能够提高X线图像质量，尤其表现在对于图像对比度的提升，可达到使用实体滤线栅的图像质量。相同条件下，使用虚拟滤线栅所需mAs比实体滤线栅低，辐射剂量更低。