CT部分有关X射线的研究

计算机断层扫描中有关X射线的研究一．X射线的产生原理X射线是由于原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的粒子流，是波长介于紫外线和γ射线之间的电磁辐射。产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能(其中的1%)会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线，此称为特性辐射。二．X射线的产生工具——X射线管2.1X射线管的概况X射线管是工作在高电压下的真空二极管。包含有两个电极:一个是用于发射电子的灯丝，作为阴极，另一个是用于接受电子轰击的靶材，作为阳极。两级均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内。X射线管供电部分至少包含有一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器。当钨丝通过足够的电流使其产生电子云，且有足够的电压(千伏等级)加在阳极和阴极间，使得电子云被拉往阳极。此时电子以高能高速的状态撞击钨靶，高速电子到达靶面，运动突然受到阻止，其动能的一小部分便转化为辐射能，以X射线的形式放出，以这种形式产生的辐射称为轫致辐射。2.2现代技术对X射线管的改进改变灯丝电流的大小可以改变灯丝的温度和电子的发射量，从而改变管电流和X射线强度的大小。改变X光管激发电位或选用不同的靶材可以改变入射X射线的能量或在不同能量处的强度。由于受高能电子轰击，X射线管工作时温度很高，需要对阳极靶材进行强制冷却。对X射线管的要求是焦点小，强度大,以形成较大的功率密度。因此，在阳极上须供给比较大的功率,但X射线管的效率很低，99%以上的电子束功率成为阳极热耗，而使焦斑过热。避免阳极过热的方法是对阳极或管子采取不同方式的冷却，以降低焦斑处的温度，或使靶面倾斜一定角度，以提供较大的散热面积。后又出现旋转阳极X射线管，因靶面高速旋转(达10000转/分)，允许功率密度高、焦点小。现代出现一种在阳极靶面与阴极之间装有控制栅极的X射线管,在控制栅上施加脉冲调制，以控制X射线的输出。改变脉冲宽度及重复频率,即可调整定时重复曝光。虽然X射线管产生X射线的能量效率十分低下，但是在目前，X射线管依然是最实用的X射线发生器件，已经广泛应用于X射线类仪器。目前医疗用途主要分为诊断用X射线管和治疗用X射线管。铅准直器吸收体散射光子探测器源铅准直器窄束射三．X射线衰减3.1研究X射线衰减的原因及衰减规律由于X射线能谱具有多色性,X射线在透射物质时,能量较低的射线优先被吸收,X射线能量越高,衰减系数越低。也即较高能量的X射线的衰减系数比较低能量的X射线的衰减系数小。射线随透射厚度增大,变得更易穿透,也就是发生了能谱硬化现象。由于射线硬化现象使图像重建时出现伪影,因此必须修正。按射线能量分为单色射线(单一波长射线)，多色射线（连续波长射线）：按是否考虑散射线分为窄束射线（一次透射射线），宽束射线（一次透射射线+散射线）其中单一均质材料对X射线的衰减规律符合朗博比尔定律TII，其中TeII0，33Z。单色宽束射线的强度衰减规律，这时透射射线强度应为一次射线和散射射线强度之和，即sDIII，TeInI0)1(。多色、窄束射线衰减规律常引入等效波长或称平均波长，只要认为上式中的I是对应于射线等效波长的线衰减系数，可以近似应用于宽束连续谱射线进行近似计算。对同一连续谱X射线，穿过的厚度不同时，对应的等效波长也会不同。简单地说，随着穿过物体厚度的增加，长波长先衰减掉，等效波长或称平均波长减小，平均能量提高，或等效能量提高，这种变化就称为连续谱射线的硬化。线衰减系数(曲线切线的斜率)随射线穿透物体厚度的增加而不断变化，即射线不断硬化，但当厚度达到一定值之后，线衰减系数就近似为一定值，此后变化很小，说明此时波长较长的成分被吸收掉，也就是连续谱射线近似成为单色射线。以吸收物质的厚度作为横坐标，射线相对强度作为纵坐标，可以得到射线相对强度衰减曲线。3.2吸收体探测器源铅准直器宽束射四．X射线探测器x射线探测器是一种将X射线能量转换为可供记录的电信号的装置。它接收到射线照射，然后产生与辐射强度成正比的电信号。通常探测器所接受到的射线信号的强弱，取决于该部位的人体截面内组织的密度。密度高的组织，例如骨骼吸收x射线较多，探测器接收到的信号较弱;密度较低的组织，例如脂肪等吸收x射线较少，探测器获得的信号较强。这种不同组织对x射线吸收值不同的性质可用组织的吸收系数m来表示，所以探测器所接收到的信号强弱所反CT机种的X射线探测器结构如图所示。位于管套中的真空管为旋转阳极式的射线管。管内设有阳极、阴极、灯丝和转子，在真空管外部对应阳极转子处设有定子线圈。定子线圈通入电流产生旋转磁场，在铜质的转子中产生。一个典型的探测器包括:闪烁体、光电转换阵列和电子学部分。此外还有软件、电源等附件。目CT中常用的探测器类型有两种:(1)是收集荧光的探测器，称闪烁探测器，也叫固体探测器。(2)是收集气体电离电荷的探测器称为气体探测器。它收集电离作用产生的电子和离子，记录由它们的电荷所产生的电压信号。折叠增大z轴的覆盖宽度从发展的角度看，希望X射线管旋转一周就能获得更多的层面，即可完成一个脏器的扫描，实现所谓的容积扫描(VolumeScan)。为此势必要增大探测z轴的覆盖宽度，要想延长z轴的覆盖宽度，不仅取决于增加探测器的排数，建立更多的数据采集通道同样非常重要，这样才能既保证Z轴的覆盖宽度又不降低空间分辨率。由于半导体技术的发展，数据处理芯片具备处理海量数据的能力，极大的提高了采集速度，而且体积更小。折叠提高灵敏度随着技术的发展，CT图像的质量有了明显改善，分辨率也有很大的提高，但这多是以提高X射线能量为代价的。既要获得高质量的图像，又要使患者尽量地少接收x射线辐射，这应该是下一步CT改革的重点之一。因此就要提高探测器的灵敏度，在不增加甚至减少辐射剂量的前提下，提高图像质量。折叠双探测器系统在2005年，西门子公司首次在新SOMATOMDefinition产品上同时使用两个x射线源和两台探测器，它也是世界上第一个双源CT系统。由于它同时使用两个X射线源和两台探测器，现在的CT系统只使用一台射线源和探测器，所以双探测器系统比任何一种现有的CT技术更高效。。、映的是人体组织不同的m值，从而对组织性质做出判断。文中对X射线硬化现象进行了分析,探讨了在均匀物质中,X射线射束和与透射厚度的关系。并根据Beer定律和X射线与物质作用的特点,通过获取X射线射束和数据,拟合出射束和与透射厚度的关系式。然后得出在同一透射厚度时,X射线射束和校正为单色等效射束和的关系及其等效方法。最终得出X射线等效单色射线的衰减系数的拟合值。再对此衰减系数拟合值进行卷积反投影重构,即可有效消除X射线射束硬化的影响。