X射线成像原理..

第八章X射线成像原理28.1引言1895年伦琴发现X射线（也叫伦琴射线）。X射线激发涂有铂青化钡的纸板发出荧光。X射线是波长很短的电磁波，具有波粒二象性。X射线强大的穿透能力使人们很快意识到它在医学成像中的应用前景，1896年英国医生就摄取了一位妇女手指的X射线照片。诊断用的X射线波长一般在0.008～0.031nm。易透射性组织中等透射性组织不易透射性组织气体、脂肪组织结缔组织、肌肉组织、软骨、血液骨骼38.1引言X射线除具有电磁波的共同属性外，还有以下特有性质：X射线在均匀、各向同性的介质中，是直线传播的不可见电磁波。X射线不带电，不受外界磁场和电场的影响。穿透性：X射线对大多数物质是透明或半透明的。荧光效应：透视检查的基础。电离效应：使空气产生正、负离子（测量依据）。摄影效应：可以使涂有卤化银的胶片感光。生物效应：损伤细胞、放射治疗（注意防护）。48.2X射线管的工作原理产生X射线的激发机理是使高速行进的电子流突然受阻。产生定向、实用的X射线应具备四个条件：电子源发射电子（阴极）；受电子轰击而辐射X射线的物体（阳极靶）；加速电子的电位差（管电压）；高真空环境（减小电子能量损耗，避免氧化）。X线发生装置，主要包括X线管、变压器和操作台。58.2X射线管的工作原理玻璃外壳阴极阳极发射电子的电子源，且能使电子聚焦后去撞击阳极，一般由发射电子的灯丝和聚焦电子的凹面阴极体组成。阳极（anode）又称阳靶，功能是产生X射线，分为固定式和旋转式。钨（74）、钼（42）。阴极（cathode）除了初聚焦电子之外，还防止二次电子危害。常用的阴极有圆焦点型和线焦点型。68.2X射线管的工作原理旋转式阳极是将阳极和阳极体做成圆盘状，并用小电机带动旋转（2800～8500转/分），可以使热量均匀分散到整个靶面上，避免局部过热。旋转阳极的X射线管比固定阳极X射线管功率大得多。一般由原子序数较高的耐高温金属钨、钼制成。为了散热，通常将阳极靶镶嵌在铜制衬底上。固定阳极的X射线管仅适用于管电流较小、曝光时间较长的便携式牙科和骨科X光机中。固定式阳极旋转式阳极78.2X射线管的工作原理X射线的转换效率主要由两个因素决定：阳极材料的原子序数Z和自由电子本身的能量（管电压）。91.410ZV（8-1）阳极材料一般选择钨74。转换效率的一般表达式为：X射线管中，阴极发射的热电子，经阴、阳两极间的电场加速后，电子速度非常高。100KV管电压下，速度可达0.55c。这么高速的电子流与靶物质相互作用，能量损失，速度骤减，相互作用十分复杂。88.2X射线管的工作原理一般，可以将电子的能量损失分为碰撞损失和辐射损失。碰撞损失指高速电子与目标物质原子核的外层电子作用而损失的能量，全部转化为热能。辐射损失指高速电子与原子核的内层电子或原子核相互作用而损失的能量，不足电子总能量的百分之一。辐射损失分轫致辐射（产生连续X射线）和标识辐射（产生标识X射线）。98.2X射线管的工作原理经典电磁学理论的解释当一个带电体在外电场中速度变化时，将向外辐射电磁波。轫致辐射：高速电子在进入和离开原子核附近的强电场区域时，向外辐射电磁波而损失能量，电磁波的频率由损失能量决定。电子的这种能量辐射叫轫致辐射。轫致辐射产生能量为hv的电磁波称为光子。不同电子对应的辐射损失不同，大量的X光子组成具有频率连续的X光谱。min12.4()nmU（8-2）短波极限波长对应的X光子能量最大，只与管电压有关。108.2X射线管的工作原理标识辐射：原子核的核外电子处于不同能级：靠近原子核的电子，结合能大，定态能级低；离原子核较远的外层电子，结合能小，定态能级高。当高速电子能量大于内层电子的结合能时，将以一定概率打出内层电子，成为自由电子（光电子），使原子内电子层出现空位。按照能量分布最低原则，处于高能态的外层电子必然向内层跃迁填补空位。在跃迁过程中，释放出的多余能量，以X射线辐射的形式表现出来，称为标识辐射。标识辐射的特点：①标识X射线的波长仅取决于阳极靶物质（与其它因素无关）。每一种元素的标识X射线的波长是固定不变的；②壳层越接近原子核，最低激发电压越大；③对于给定的靶产生的单色X射线，K系标识X射线的强度要比L、M等系的X射线强度大得多。118.2X射线管的工作原理X射线谱相对强度0波长150KV100KV60KV标识辐射轫致辐射128.2X射线管的工作原理管电压（KV）X射线光子相对数标识X射线（％）连续X射线（％）801090100198112024761502872表8.2钨靶X射线固有滤过后产生的两种X射线比例138.2X射线管的工作原理X射线管的焦点实际焦点：指灯丝发射的电子，经聚焦加速后，投射在阳极靶上的面积。有效焦点：指实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投影的面积，即照射在胶片上的有效面积，也称为目视焦点。电子束θbsinθaa阳极体实际焦点有效焦点实际焦点的大小直接影响X射线管的散热和影像的清晰度。面积越大，对散热有利，但是，会降低影像的清晰度。148.2X射线管的工作原理实际应用中，两方面都需考虑：一般将阳极倾角选取在15o～19o左右。两个焦点都具有面积量纲，通过靶角θ建立关系。靶角越小，有效焦点的长度越小，有效焦点的面积也越小。可以通过缩短灯丝长度或减小θ角来缩小有效焦点，但是，温度又会快速上升。焦点的面积焦点的方位特性在X射线管中，投影方向不同，有效焦点尺寸也不一样。一般，靠近阴极方向的焦点大，而靠近阳极方向的焦点小。158.2X射线管的工作原理焦点的X射线强度指单位时间X射线的量，由光子数和光子的平均能量决定。由于抵达靶面各处的电子密度不尽相同，而且靶面各处的单个X光子的能量千差万别，所以，X射线强度在焦点处的分布是不均匀的。X射线管的焦点面积、焦点面上强度分布，以及被摄部位与胶片间的距离，都对X射线影像的清晰度有影响。焦点面积越小、强度分布接近高斯分布（矩形分布次之）、被摄体与胶片距离越近，图像越清晰。168.2X射线管的工作原理指大量速度极高的电子打在阳极靶上将产生很多热量，允许产热（或能承受热量）的最大负荷量叫做X射线管的容量。X射线管的容量通常用其最高管电压与管电流的乘积来表示：1000eUIPX射线管的容量Ue为管电压有效值，单位为kV，I单位为mA，P为容量，单位为kW。（8-3）178.2X射线管的工作原理X射线管容量的影响因素：实际焦点的大小：焦点大，容量大。管电压的高低：电压小，容量大。管电流的大小：电流小，容量大；X射线管的连续使用时间：时间短，容量大。焦点上电子分布的情况：分布均匀，容量大。阳极的构造方式及冷却方式：倾角大，油冷却。188.2X射线管的工作原理指X射线在空间某一点的强度，是单位时间内通过单位横截面积的辐射能量，由每一个光子具有的能量大小和光子数的多少决定。X射线的强度在医学应用中，常用X射线的量和质来表示X射线的强度。1）对于单色X射线，强度为：INhv（8-4）2）对于复色X射线，强度为：totaliiINhv（8-5）198.2X射线管的工作原理3）连续X射线的总强度为：mtotalIKZiU（8-6）K为常数，约为1.1~1.4×10-9，m约等于2，Z为原子序数，i为管电流，U为管电压。在X射线诊断中，常用一种简便的近似方法表示强度：在管电压固定时，用X射线管的管电流与照射时间的乘积来间接反映X射线的量，以毫安秒为单位。用毫安数表示X射线的强度。目前测量X射线强度的较好方法是测定空气中产生电离电荷的多少，以此来反映X射线强度的大小。208.2X射线管的工作原理X射线的质一般用于表示X射线的硬度，即穿透物质的能力，与管电压与滤过有关。X射线的质医学上，把X射线的硬度分为四类：极软、软、硬、极硬。不同硬度的X射线用途各异，X射线影像使用前两种较软的X射线。表8.3X射线的硬度分类名称管电压（kV）最短波长（nm）主要用途极软X射线5~200.25~20.062软组织摄影、表皮治疗软X射线20~1000.062~20.012透视和摄影硬X射线100~2500.012~20.005较深组织治疗极硬X射线250以上0.005以下较深组织治疗218.2X射线管的工作原理X射线的滤过与硬化对于单色X射线，X光子能量相同，有相同的穿透本领，波长均匀，无须滤过。医用X射线束是连续谱，光子能量不同，频率也不同，需要滤过。滤过作用有管壁的固有滤过和照射前的附加滤过。附加滤过提高了X射线的有效能量，使线质变硬。管电压较低时，采用铝滤波板；管电压较高时，采用铜铝滤波板。半价层指使X射线束的强度减弱为原来的一半时所需要的吸收层的厚度。半价层越厚，表示X射线越硬。硬X射线：高的管电压、选用原子序数较大的材料做阳极靶、选择原子序数较大和厚度较大的滤过板。228.2X射线的产生与传播在阳极靶不同方位角，X射线的辐射强度是不同的，主要取决于入射电子能量、靶物质及靶厚度。X射线辐射场的角分布对于薄靶，低能电子束产生的X射线强度分布，主要集中在与电子束垂直的方向上；而高能电子束产生的X射线集中向前方，X射线束变窄。对于厚靶（医疗诊断用），愈靠近阳极一侧，X射线辐射强度下降得越多。而且，靶角越小，下降程度越大，产生所谓阳极效应。238.3X射线与物体的相互作用X射线与物体相互作用时表现的衰减、穿透和滤过作用是X射线影像技术中需要考虑的因素。8.3.1微观作用机制目前，在X射线诊断技术中，其能量范围是10KeV～300KeV，属于低能范畴。在低能范围时，X射线与物质相互作用的主要形式为光电效应和康普顿散射。通常光子能量在0.01~10MeV范围内，光子与物质作用的三种形式都存在。当能量在0.8~4.0MeV时，康普顿散射占主导地位；光子能量在0.01～0.8MeV时，光电效应占主导地位；在4.0～10MeV时，电子对效应占优势。24指入射光子的能量完全被原子吸收：一部分用来克服电子的结合能；一部分转化为电子的动能。新的光电子的动能等于入射光电子的能量减去该出射光电子在原来原子壳层中的结合能。入射光子能量若低于该结合能时，不会发生（内）光电效应。光电效应（光电子吸收）8.3X射线与物体的相互作用生物组织中，多数原子K层电子的结合能为0.5KeV，而X射线影像技术中X射线的能量为10~100keV之间，完全可以发生光电效应。入射光子原子电子光子光电子吸收示意图强结合能25指入射光子在自由电子上的非弹性碰撞，一般发生于入射光子的能量比电子在原子核中的结合能大得多情况。入射光子与电子碰撞后，将产生散射。康普顿散射的发生概率与单位面积内的电子总数成正比。康普顿散射在原子序数高的物质中发生的可能性大。康普顿散射8.3X射线与物体的相互作用康普顿散射示意图入射光子原子核电子弱结合能散射光子动能26理想情况下（在均匀介质中），单能窄束X射线在物质中的衰减可以表示为：0xIIe（8-7）X射线的衰减I0是入射X射线强度，I是穿透厚度为x的均匀物质后X射线的强度，µ为线性衰减系数，与物质的密度成正比。X射线在物质内传播过程中的强度减弱，由扩散衰减（能量的分散）和吸收衰减（与物质的相互作用）引起。8.3X射线与物体的相互作用如果用质量衰减系数表示，也可以表示为：0mmXIIe（8-8）式中，µm=µ/ρ为质量衰减系数，Xm=X·ρ是质量厚度。27各部分的元素组成也不尽相同，比如：软组织中的水占75％，蛋白质和脂肪、碳水化合物占23％，K、Na、Cl、Fe等元素占2％，所以，人体中物质与X射线的相互作用比较复杂。实际情况中，医用X射线不是单能窄束，人体也不是单一物质。骨骼软组织肺消化道腔体内气体8.3X射线与物体的相互作用这样，混合物的衰减系数为：mmiip（8-9）式中，µmi是组成混合物各元素的质量衰减系数，Pi表示第i种元素在混合物中的质量比例。高原子序数的物质对X射线有较强的衰减，对于混合物，常用有效原子序数来描述对X射线的衰减。28混合物的有效原子序数为