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图2-1 医用X射线诊断设备的典型系统结构
医用X射线诊断设备由X射线发生部分、X射线成像部分和其他辅助装置等组成，典型的医用X射线诊断设备系统构成如图2-1所示。X射线发生部分包括：X射线球管、高压发生器、控制装置；成像部分包括：X射线探测器、计算机系统和应用软件、显示设备；辅助装置包括：诊断床、制动装置、限束器及其他机械附属装置。这些部件中，X射线球管、高压发生器、X射线探测器，这三个部件又被称为影像链，对X射线成像功能起了决定性的作用，常被视为医用X射线诊断设备的核心部件。
由于临床应用目的不同，X射线机的系统构成会有所差异，如胃肠X射线机除了上述部件外，还配有压迫装置。
X射线管由阳极、阴极、玻璃壳组成，有固定阳极、旋转阳极两种结构，是X射线发生装置的核心部件，其作用是将电能转化为X射线。
在真空的X射线管内，由阴极发射的热电子在两极间强电场的作用下轰击阳极靶面，当高速电子为阳极靶面所阻断时，一部分动能转化为具有相应能量的X射线光子。X射线管放置于能防止X射线辐射和防电击，带有辐射窗口的管套中，旋转阳极X射线管的结构如图2-2所示。
图2-2 X射线管结构
阳极的主要作用是吸引和加速电子轰击靶面产生X射线，传导和辐射因电子轰击靶面而产生的热量。阴极由灯丝及聚焦装置组成，灯丝起电子发射器的作用，一般用0.05～0.5mm直径的钨丝制成。靶面是阳极承受电子轰击的部件，工作温度很高，多由钨制成。靶面被电子撞击的实际位置被称为实际焦点，实际焦点在X射线管长轴垂直方向上的投影被称为有效焦点。实际焦点越大，X射线管的热容量越大；有效焦点尺寸越小，影像清晰度越高。在功率较大的X射线管中，常装有粗细及长短不同的两个灯丝，即双焦点X射线管，以兼顾功率和清晰度。
虽然制作靶面的金属钨能耐受高温，但如果电子束持续轰击在固定位置，仍然会导致靶面受损，造成球管损坏。为了解决这个问题，医用X射线管多采用旋转阳极结构。其靶面形如圆盘，中心微突成薄锥体，圆盘后壁与转子轴相连，能高速旋转，使得电子束不会连续轰击固定位置。该结构较好地解决了散热的问题，有效地减少焦点的尺寸，实现小焦点、大功率。为了有效地提高X射线管的性能，技术人员从选择靶面材料、减小靶面倾斜角、增大靶盘直径以及提高阳极旋转速率等多个角度出发，对X射线球管加以改进。
高压发生装置由高压变压器、灯丝变压器、高压整流器、控制电路等部件构成，主要作用是为X射线管提供直流高压，同时为加热阴极灯丝提供低电压。
医用X射线诊断设备最初使用工频高压发生器，当前以中、高频高压发生器为主。高压发生器的工作过程大致如下：先将工频电压经整流、滤波变成低波纹系数的直流电压，然后通过逆变换产生中、高频电压，再经升压、整流、滤波，输出到X射线管。工作频率在400～20kHz为中频高压发生器，20kHz以上为高频高压发生器。
与工频高压发生器相比，中、高频高压发生器所产生的管电压的波纹系数小，减少了X射线的频谱宽度，提高了成像质量；降低了X射线中软线成分，减少对皮肤的辐射剂量；输出的X射线谱线中高能成分较多，曝光时间相同时，管电流较低；或者使用相同的管电流，缩短曝光时间。
模拟X射线探测器分为两类，一类以荧光屏（增感屏）和X射线胶片系统为影像载体，曝光后经洗片和冲印，医生使用观片灯阅片。其缺点是X照射剂量大，图像宽容度低，胶片存档困难。另一类基于影像增强器，用于X射线透视。影像增强器是一种电真空器件，由输入荧光屏、光电阴极、聚焦电极、阳极和输出荧光屏等组成。通过光电转换，最终可以得到可见光图像。其缺点是图像清晰度较低。
数字化X射线探测器是医用数字X射线诊断设备的关键部件，其特点是输出数字图像，成像过程中不再需要胶片。完整的成像装置包括探测器、控制器和影像监视器等三个部分，其中探测器是核心部件。按照探测器的类型和原理，数字成像装置可以分为影像增强器+电耦合器件（CCD）、X射线影像板（IP板）、X射线平板探测器（FPD）等，随着技术的进步，影像增强器+电耦合器件成像方式的临床应用逐渐减少，数字成像装置多指X射线影像板和X射线平板探测器。
影像板是一种装在特制暗盒中的可携带式的X射线探测器，是计算机X摄影系统，即CR系统的关键部件。影像板由保护层、成像层、支持层和背衬层组成，尺寸规格有14英寸×17英寸、14英寸×14英寸、10英寸×12英寸、10英寸×18英寸等。成像层多采用的氟卤化钡晶体作为荧光材料，受X射线照射激发后形成潜影信息并保存。影像板上的荧光材料可以被激光再次激发，产生荧光，包含了X射线潜影信息的荧光被高效光导器采集和导向，导入光电倍增管，转换为相应强弱的电信号，最后用A/D转换器生成数字化图像。
与模拟成像装置相比，影像板成像所需的X射线剂量显著降低，灵敏度、线性度、空间分辨率和动态范围都较高。影像板可以直接取代模拟X射线线摄影设备中的胶片，放射技师不需特殊训练即可操作，同时由于影像板能被重复使用，节省了胶片费用。
影像板易受散射线的影响，包括X射线和激光束等，使影像变得模糊，表现为图像中可见的光斑、细粒、网纹或雪花状的异常结构，降低了某些影像细节的可见度。此外，影像板的时间分辨率较差、不能满足动态器官的结构的显示，空间分辨率较X线胶片低。
X射线平板探测器将X射线信号直接转换为电信号，是数字X射线诊断设备的关键部件。根据能量转换方式，平板探测器可分为间接转换（非晶硅）和直接转换（非晶硒）两类。
非晶硅平板探测器由闪烁晶体层、非晶硅晶体管、行驱动电路以及图像信号读取电路组成。成像分为三个步骤：X射线照射闪烁晶体（碘化铯或磷），产生可见光；非晶硅薄膜晶体管（thin film transistor）阵列、电荷耦合器（charge coupling device）或CMOS（complementary metal oxide semi-conductor）等非晶硅晶体管将可见光转为电信号；读取电路取得电信号，并转换为图像。由于这一过程中可见光会发生散射，会对图像质量产生一定影响。一般会将闪烁晶体材料制作成“松针”状种植在非晶硅上，以提高对X射线的利用率并减少散射。
非晶硒探测器由非晶硒薄膜晶体管层、行驱动电路以及图像信号读取电路构成。入射的X射线光子使得硒层产生电子空穴对，在外加偏压电场作用下，电子和空穴对背向移动形成电流，电流在薄膜晶体管中形成储存电荷。晶体管的储存电荷量与入射X射线的剂量成正比，通过读取电路取得每一点的电荷量后，可以获取此处入射X射线剂量。由于非晶硒在X射线照射下不产生可见光，而是直接产生电信号，图像质量不受可见光散射因素的影响，因此空间分辨率比较高。
平板探测器成像质量的主要评价指标是量子探测效率（DQE）和空间分辨率，DQE反映了探测器对不同组织密度差异的分辨能力，空间分辨率反映了对细微结构的分辨能力。对于非晶硅探测器而言，闪烁体将X射线转化为可见光的能力，以及非晶硅晶体管将可见光转化为电信号的能力都会影响DQE指标。对于非晶硒探测器而言，DQE的高低取决于非晶硒层产生电荷的能力。常见的平板探测器中，碘化铯闪烁晶体与薄膜晶体管相结合，其DQE性能最强。非晶硒探测器的空间分辨率要好于非晶硅探测器。
除了X射线管、高压发生器、探测器等关键部件之外，限束器、滤线栅、诊断床、操作台和操作控制软件等辅助装置也是X射线机的重要组成部件。
随着数字化X射线机的出现，大大地增强了X射线机的功能，用户和厂商对设备的可用性和易用性日益重视。操作软件可以帮助用户控制高压发生器、设置照射参数、优化影像数据等，实现以较低的剂量获取高质量的影像的目的。图2-3是典型的操作界面，可以完成患者信息数据的输入、获取和传输；设置曝光参数，控制高压发生器，设置拍摄体位等X射线摄影条件；获取、处理、传输和存储影像；优化图像的动态范围和效果，打印图像；设备校准和测试，机器故障自动诊断和提示等功能。
图2-3 医用X射线诊断设备的典型操作界面
限束器是安装于X射线管输出窗口的机电型光学装置，利用可调空隙的活页铅板，遮去由窗口射出的无效原发射线，从而达到控制X射线照射野，并吸收散乱射线，提高影像清晰度的目的。活页铅板的张合程度可以手动调节，或由控制电机通过传动机构调节。限束器还装有照射野指示装置，使用可见光模拟X射线，标示出预定的照射野。
X射线与人体相互作用时产生的散射线会导致影像质量的下降，减少散射线可以提高影像的信噪比。滤线栅由薄铅条与可透X射线的物质（如树脂、纸片），相互间隔粘结压制而成。工作时放置在受试者与探测器之间，吸收散射线，提高影像对比度。
自动曝光控制（automatic exposure control，AEC）也被称为mAs限时器，是指X射线透过被照物体，当达到探测器上所需的曝光剂量后，自动终止曝光，目的是使感兴趣区域曝光准确。AEC通常用两种方式获取曝光剂量，光电管的荧光效应和电离室的电离效应，其原理都是将X射线剂量转换为电流或电压，对电压进行时间积分，当达到预设曝光剂量后，切断高压发生器的供电，停止曝光。
随着数字影像系统的日益普及，医用影像显示器也越来越受到关注。医用影像显示器按照用途可以分为：诊断级、浏览级和教学级。选择显示器时，要考虑亮度、噪声、空间分辨率、灰度分辨率和几何失真等性能参数。