現代醫學成像（2）——X射線成像
1. 基本原理
X光相信大家都很熟悉了，醫院中有各種各樣的X光機用於具體不同部位的檢查與應用，比如拍胸片、檢查骨密度、介入治療等等。在醫院中最經常聽到的一句話，「去拍個片子」肯定榜上有名。那麼這個「拍片」，又是怎麼一個拍法呢？
醫用的X光檢查，主要是利用X射線在人體軟組織內極強的穿透力，來達到「看」清體內狀況的目的。X射線的本質，與我們所看到的可見光一樣，都是電磁波。但是可見光波段的波長範圍在380~780nm，而X射線的波長要遠遠小於可見光波段，在10~nm，如圖（來源：百度）：
由於光子的能量定義為，與波長成反比，因此X射線的光子能量是遠大於可見光的，使得其穿透性很高。當可見光連我們薄薄的一層眼瞼都無法透射時，有相當一部分的X射線光子卻能夠輕鬆地穿透我們的身體在另一側被探測器所接收。當然，波長更短的
射線的穿透性更強。可是在
射線前面，我們的身體幾乎就像透明的一樣。就像你本來想看對面人家衣服裡面怎麼樣，結果穿透性太強直接看到後面一棟樓了也是杯具~另外，我們並不能保證你被
射線照過一次之後還能不能從床上下來；如果你還能下來的話，說不定就變成這樣了：
2. 與物質的相互作用
我們在前面提到了，X射線在體內會與不同的物質發生作用，使得一部分能量被人體不同組織所吸收，而另一部分透過人體被另一端的探測器接收（請忽略我的靈魂畫風）：
X射線從發射端出射後，透過不同部位的人體組織，然後在探測器上的相應位置被接收。通過分析探測器上的結果，我們就能獲得對應人體部位的內部信息。那麼X射線在人體裡面都有哪些相互作用，怎麼作用以及跟什麼組織作用，這是我們要研究的問題。
我們知道物質都是由原子組成的。X射線在穿過人體的時候，也是與我們人體內部的原子相互作用而導致衰減。而X射線與原子間的作用形式主要有三種：
1. 光電效應（導致光子被吸收）；
2. 康普頓散射（導致光子散射，這好像是廢話）；
3. 直接穿過不發生反應（這特么好像更是廢話）。
嗯因為在物質當中，原子與原子間的距離很大，不僅原子核只佔了極小的體積，你一個光子想要撞到電子也是很不容易的。所以還是有相當一部分的光子會不受影響地透射過人體來到探測器。具體可以參考盧瑟福的金箔實驗（初中物理，很多科技館裡也有，當然人家並不會真的給你粒子讓你玩，以及盧瑟福的小眼神小鬍子都好萌）：
下面是要重點分析的光電效應與康普頓散射（請不要看到一個外國人名就怕，康普頓很可愛的，不像高斯柯西拉格朗日切比雪夫那些妖艷賤貨）。
2.1 光電效應
光電效應指的是光子與原子的內層電子作用，光子被吸收。電子在吸收了光子能量之後，掙脫原子束縛形成光電子（就是光電效應激發出來的電子）：
光電效應在金屬上表現的較為明顯，光電子甚至能匯聚成光電流。光電效應的發生概率，與光子能量的三次方成反比（），即光子能量越高，越不會被吸收，穿透性高；與介質的原子序數的三次方成正比（
, Z:atomic number），因此鉛（原子序數：82）就常被用於X射線的防護。由於人體與金屬相比，主要由碳、氫、氧、氮等元素構成有機物，原子序數低，且結構複雜原子分布密度也較低，所以不用擔心照X光時被自己產生的電子電死（2333）。
光電效應是臨床上照X射線的主要衰減形式，也是我們需要的衰減形式。由於前面提到，在主要以有機物構成的軟組織中，X射線的衰減很低，絕大部分能直接穿過。但在骨骼部位，由於骨骼主要由磷酸鈣構成，同時還含有鉀、鎂、鈉、鍶等原子，因此X射線在骨骼中的衰減相對較高（如圖）：
所以探查骨骼的情況，是X射線在臨床上最主要的應用之一。這就是為何基本上所有的骨傷患者，都會被要求去拍個片。拍片出來的效果就是這樣：
2.2 康普頓散射
嗯接下來就是康普頓童鞋的散射了。
與光電效應不同，康普頓散射指的是光子與原子的外層電子相互作用，導致光子的能量減弱並改變運動方向（散射），同時將外層電子激發：
當然你們不用慌，散射後的光子能量與散射角度、激發出的電子能量與角度
都不用你們算的，那都是我們這些苦逼的學生要算的。你們嘛，理解一下大致意思就行了，這個知識點我不會考的~
發生康普頓散射的時候，就很討厭了。因為在幾何光學中，我們都認為光是沿直線傳播的。因此在探測器接收的信號及最終在片子上顯示的結果，都應當是與我們人體的解剖結構一一對應的。探測器上的每一個像素點的信號強度，反映的應該就是在這個點到光源之間的連線所穿過的人體對X射線的衰減。但是當一個點發生康普頓散射後，這個散射的光子很可能會隨機地打在探測器的其他像素點是，這不僅會使該點所接收到的光強減弱，還會導致隨機的其他一點光強增強。而且，稍微了解一下原子能級就知道，與光電效應不同，激發外層電子所需要的能量與激發內層電子的能量是不在一個數量級上的：
這就導致入射的X射線光子即使發生了康普頓散射導致能量降低，它依然處於X射線源的頻譜範圍內。作為X光成像的主要光學雜訊，康普頓散射會對圖像的信噪比產生較大的影響。一般為了抑制康普頓散射帶來的雜訊，我們會在探測器前面加上鉛制的格柵，來抑制從其他角度射來的X射線光子：
本章小結：請大家跟我一起念3遍，「光電效應是X射線主要衰減因素，康普頓散射是主要光學雜訊來源」。好了你以後出去跟別人聊X射線，你已經能把好多人唬的一愣一愣了~
3. X射線的產生
知道X射線還不夠，我們還應該像奧特曼那樣能夠放出X射線那才叫酷炫
當然啦你們拍X光的時候並不會有奧特曼躲在哪裡朝你biubiubiu，而是會有一個X射線管：
這個產生光子的原理呢，叫做Bremsstrahlung，德文發音為[?b??ms??t?a?l??]，點這裡可以聽Bremsstrahlung。別看我，我肯定是不會念給你們聽的。它的大致意思是deceleration radiation，差不多就是個「減速輻射」的意思。
以鎢作為陽極為例，加上150kV高壓時，我們所獲得的X射線頻譜是長這樣子的：
除了中間幾個峰為鎢原子的特徵輻射，是由於高能電子轟擊到了內層電子，使得原子處於激發態所產生的自發射；絕大多數產生的X射線光子都是服從Kramers Law的：
其中，為光強，常數K與陽極材質的原子序數成正比，
為Duane_Hunt law中所得到的最小波長。可以看出光強分布與波長成反比，即與光子能量大致成線性關係（在
時）。放心，公式不要求大家掌握，看一眼不明覺厲即可~
那麼問題來了，在我們所獲得的X射線當中，有很大一部分的光子能量是比較低的。在2.1光電效應 中我們已經提到了，光子能量越低，穿透性就越弱。這就意味著這相當大一部分X射線會被人體幾乎完全吸收，不僅對檢測毫無幫助，還會極大地增加患者所照射的輻射劑量。那麼一般而言，我們現在都會在前面加上一個濾波器，將這些低能量的X射線濾掉。這樣你們拍完片子就不用擔心得癌症了。
4. 應用
好了，當我們能發射X射線之後，大家是不是都想
（大霧）
我們在前面提到了，由於骨骼裡面含有較多的磷酸鈣與其他金屬元素，使得其與其他軟組織相比具有較大的衰減率，所以大部分X光的應用場合多為檢查骨折、分析骨密度等等。那麼對於其他沒有什麼金屬元素的部位該怎麼辦呢？
答案很簡單，沒有就加唄~
比如鋇餐。通過胃腸鋇餐造影，或者鋇劑灌腸造影（別問我灌腸什麼滋味，我不會告訴你們的），將硫酸鋇造影劑置於消化道內，再用X射線來檢查消化道的病變。鋇餐主要成分為硫酸鋇，對X射線有明顯的吸收，而且不溶於水不溶於酸，不會被消化道吸收，對人體無害。吃了鋇餐之後，你的消化道看起來就是這個樣子的：
還有血管造影。通過在對應部位的血管中注入含碘的造影劑，來顯示血管的分布與病變情況：
這是一個腦部血管造影結果。箭頭所指部位為血管瘤或囊狀擴張。
除了上述應用之外，X射線還應用於CT成像及其他臨床應用當中。關於CT的基本原理，以及X射線對人體的危害，將會放到下一次的不定期更新當中~
下課啦啦啦啦啦啦啦！
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參考文獻：
[1] Macovski, Albert. Medical imaging systems. Prentice Hall, 1983.
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[5] Cooper M, Mijnarends P, Shiotani N. X-Ray Compton Scattering. Oxford : OUP Oxford, 2004.; 2004.
[6] 高上凱. 《醫學成像系統》.（第2版）清華大學出版社2010年.
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