第二章 放射物理基础(医学影像成像理论)

2020/5/21医学影像成像理论第二章放射物理基础主要内容第一节X线的产生和性质第二节X线与物质的相互作用第三节X线的衰减规律2020/5/22第一节X线的产生和性质1.1X线的发现1.2X线的本质和特性1.3X线的产生1.4X线的产生原理1.5X线的量与质1.6影响X线量与质的因素1.7X线产生效率1.8X线强度空间分布2020/5/23一、X线的发现1895年11月8日，德国物理学家W．C．Rontgen做阴极射线管(cathoderaytube，CRT)实验时，出乎意料地发现了一种肉眼看不见的“光线”，它能穿透许多物质，并能使铂氰化钡发出荧光。叫X射线，简称X线或X光，又称伦琴射线。1901年，伦琴为此获得诺贝尔奖。发现X线三个月后，维也纳一家医院首先用它协助外科手术。使用的是充气X线管，产生的X线量甚微，拍摄一张头颅片需要曝光20min。是X线在医学中应用的初始阶段。从伦琴发现X线到现在的100多年里，X线日益广泛地应用在医学诊断和治疗上，而且在物质结构分析、工业探伤、科研等方面都发挥了巨大作用。2020/5/24二、X线的本质和特性2020/5/25（一）X线的本质是一种电磁波。波长很短，大约与晶体内呈周期排列的原子间距同一数量级，在1×10-10m左右。与可见光、红外线、紫外线、γ射线一样，属于电磁辐射(electromagneticradiation)，是电磁波；这些电磁波的本质完全相同，波长或频率有差别。2020/5/26X线波长很短，介于紫外线和射线之间，约为10-8～10-12m；频率很高，约在3×1016～3×1020Hz。由于光子能量不同，电磁辐射分为电离辐射和非电离辐射。1.非电离辐射：微波、红外线、可见光等，由于光子能量小，不能引起物质电离的辐射；2.电离辐射：紫外线、X线、γ射线等，于光子能量大，能使物质产生电离的辐射。1.X线具有波动性X线与其它电磁波一样具有波动和微粒性；与可见光一样具有衍射、偏振、反射、折射等现象。波动性表现在以一定的波长和频率在空间传播；是一种横波，传播速度在真空中与光速相同，可以用波长、频率(frequency)描述。2.X线具有微粒性波动性不能解释它的光电效应、荧光作用、电离作用等；只能用爱因斯坦的光量子理论，即把X线束看做是由一个个微粒--X光子组成的来解释。与物质相互作用发生能量交换时，突出表现了它的粒子性。微粒性主要表现为X线光子在辐射和吸收时具有能量、质量和动量。X线的波长、频率、波速c和能量E、质量m关系：E=hνλ=c/ν(2-1)h为普朗克常数，h=6.626×10-34J·s。2020/5/27（二）X线的特性1、物理特性：穿透性、荧光作用、电离作用、热作用①穿透性：X线的能量很大，波长很短，穿透力很强。穿透性与其波长、物质的性质、结构有关。Z高、ρ大的物质，吸收X线多，穿透性差。不透过性组织：骨骼系统，含有大量的钙质，钙的Z(20)较高，骨吸收X线最多；中等透过性组织：软组织(结缔组织、肌肉、软骨等)及体液都是由氢、碳、氮、氧等低Z原子组成，ρ与水相近；可透性组织：脂肪组织成分与软组织相似，但排列稀疏，ρ比软组织小，X线的透过性较好；肺部、胃肠道、副鼻窦及乳突内等均含有气体，也是由氢、氮、氧等组成，但分布非常稀疏，密度很小，透过性能很好。2020/5/28②荧光作用：X线照射某些物质时，物质的原子被激发或电离；当恢复到基态时，放射出可见荧光的物质，如CaWO4、铂氰化钡、银激活的硫化锌等。透视用的荧光屏，摄影用的增感屏，影像增强器中的输入屏和输出屏，测定辐射量的闪烁晶体、荧光玻璃等是利用X线的荧光作用制造的。③电离作用：具有足够能量的X光子能击脱物质原子的轨道电子产生一次电离，脱离原子的电子再与其它原子碰撞，还会产生二次电离。在固体和液体中，电离后的正、负离子能很快地复合不易收集；气体中的电离电荷却很容易收集起来。根据电离电荷的多少来测定X线的照射(exposure)量。多种测定照射量仪器的探头，如电离室、正比计数管、盖革-弥勒计数管等都是利用这个原理制成。电离作用是X线对于肌体损伤和治疗的基础，但同时对人体也有伤害。2020/5/29④热作用：物质吸收X线能量，最终绝大部分都便成热能，使物体升温。物质吸收X线能量，最终绝大部分都将变为热能，使物体产生温升。测定吸收剂量的量热法是利用X线的热作用。2020/5/2102、化学特性①感光作用：当X线照射到胶片上的时候，溴化银药膜起化学变化，出现银粒沉淀。②着色作用：某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经X线长期照射后，其结晶体脱水而改变颜色。3、生物效应特性①X线在生物体内能产生电离和激发作用，使生物体产生生物效应。生物细胞特别是增殖性强的细胞，经一定量的X线照射后，可以产生抑制、损伤、甚至坏死。②人体组织吸收一定量X线后，因其对X线敏感程度的不同而出现种种反应，这一作用可在放射治疗中得到充分应用。③X线对人体的正常组织有一定的损伤作用，必须注意非受检部位和非治疗部位的屏蔽防护，放射工作者应注意自身防护。2020/5/211三、X线的产生在发现X线之后，人们在研制产生X线设备的过程中，发现每当高速带电粒子撞击物质而突然受阻减速时能产生X线的规律。因此现在所使用的人工辐射源，都是利用高速带电粒子撞击靶物质而产生的。（一）X线产生条件1、电子源：阴极2、高速电子流：有两个方面，其一是高压电场，使电子获得高速动能；其二是高真空度环境，使电子在高速运动中免遭气体分子的阻挡而降低能量，同时也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁。3、适当障碍物---靶：阳极2020/5/212(二)X线产生装置医用X线机分为诊断机和治疗机两大类。用于透视、摄影和特殊检查的X线机统称为诊断用X线机；诊断用X线机的管电压一般在40～150kV。用于疾病治疗的统称为治疗用X线机。由主机、机械装置及辅助设备等几部分组成。主机：是产生X线的最基本组成部件，由X线管、高压发生器、控制台组成。(二)X线产生装置(二)X线产生装置1．X线管X线机的心脏。是高真空度的热电子式X线管。X线管是在特制的玻璃管内插入两个电极，一个是产生和发射热电子的阴极(负极)（cathode）；一个是阳极(anode)，也叫阳极靶面(anodetarget)，是高速电子撞击的目标。管内真空度高达10-6mm汞柱。图2-1阴极由灯丝和集射罩组成。灯丝电压愈高，温度愈高，每秒钟蒸发出的电子数愈多。在阴极和阳极间加上高电压时，从灯丝中蒸发出来的热电子在强电场的作用下奔向阳极形成管电流。阳极主体是铜圆柱体，对着阴极的端面上镶嵌着一块钨板(钨靶)；是高速电子撞击的目标，产生X线的地方。从阴极飞来的高速电子的动能，99%以上都在阳极上变为热能，不到1％的能量变为X线能。阳极材料既要熔点高、导热性能好；又要Z高，可提高X线的产生效率。图2-1(二)X线产生装置实际焦点(actualfocalspot)：阴极灯丝射向阳极的高速电子流，经聚焦后撞击在阳极靶面上的面积(焦点)。X线管的灯丝是螺管状，理想的实际焦点在靶面上形成的是一近似矩形。实际焦点的大小取决于聚焦槽的形状、宽度和深度。聚焦槽与灯丝位置及其电位分布影响阴极电子流的分布，形成主焦点与副焦点。图2-2(二)X线产生装置有效焦点(effectivefocalspot)：实际焦点在X线投射方向上的投影面积。一般为长方形。阳极角：阳极面与X线投射方向之间的夹角。一般在10°～20°。管壳的作用是维持一个高真空度的空间，并起着固定阳极和阴极的作用。主焦点与副焦点：图2-2(二)X线产生装置2．高压发生器X线管需要的电能应满足：一个是使X线管灯丝加热放射出电子；另一个是使这些电子加速奔向阳极。X线发生器中设有灯丝电路和高压电路，还有限时电路控制X线的照射时间。(二)X线产生装置3．控制台是X线机的控制中心。有多个开关和选择键(旋扭)，如电源开关、工作方式选择键、mA选择键、kV选择键、照射时间选择键等。4．机械装置和辅助设备检查床、立柱、支架、轨道等四、X线的产生原理(一)电子与物质相互作用高速电子被靶物质阻止的过程复杂。高速电子带负电荷，在物质中主要与原子核的正电场及轨道电子的负电场发生作用。高速电子被靶物质阻止的过程是很复杂的，所谓碰撞是带电粒子之间的经典库仑力之间的相互作用，电子在碰撞过程中的能量损失可分为碰撞损失和辐射损失。碰撞损失只涉及原子的外层电子，这部分能量将全部变为热；辐射损失涉及内层电子和原子核。电子与靶原子因碰撞而损失能量过程，就是发生能量转换的过程。2020/5/222这两种产生的机制是：韧致辐射（连续放射）和标识辐射（特征辐射）。总之，运动电子在物质中碰撞的结果，导致能量的转换，电子的动能变为热能、电离能和辐射能。即辐射电离热EEEE(二)X线产生原理X线是在能量转换中产生的。X线组成：连续X线、特征X线。是这两种成分组成的混合射线。1．连续X线连续辐射又称轫致辐射(bremsstrahlung)。它是高速电子与靶原子核相互作用时产生的、具有连续波长的X线。连续辐射构成连续X线谱(continuousX-rayspectrum)，与可见光的白光相似，是包括多种能量光子的混合射线。(1)连续X线产生的物理过程：轫致辐射是辐射损失的一种，是产生连续X线的机制。当一个带电体在外电场中速度变化时，带电体将向外辐射电磁波。高速电子进入到原子核附近的强电场区域、然后飞离强电场区域完成一次电子与原子核的相互作用时，电子的速度大小和方向必然发生变化。电子向外辐射电磁波损失能量△E，电磁波的频率由△E=hν确定。电子的这种能量辐射叫轫致辐射，这种辐射所产生能量为hν的电磁波称为X线光子。由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用对应的辐射损失也不同，因而发出的X线光子频率也互不相同。大量的X线光子组成了具有频率连续的X线光谱。图2-3图2-4(2)连续X线的最短波长：X线强度是随波长的变化而连续变化的。每条曲线都有一个峰值；曲线在波长增加的方向上都无限延展，强度越来越弱；在短波方向上，曲线都存在一个波长极限，称为最短波长(λmin)。随着kV升高，辐射强度均相应地增强；同时，各曲线所对应的强度峰值和λmin的位置均向短波方向移动。光子能量(E)与频率(v)成正比，与波长(λ)成反比，如果波长最短(λmin)，则频率最高(νmax)，光子能量最大。图2-4(2)连续X线的最短波长：mincheUminhceUmin12.4()nmUkVmaxheU图2-3(3)影响连续X线的因素：原子序数、管电流、管电压①原子序数Z：kV(U)、mA(i)一定时，与阳极靶面的Z成正比，即I连∝Z。阳极靶面的原子序数Z越高，X线的强度越大。②管电流(mA)：在管电压U、靶材料(Z)一定时，X线的强度取决于管电流。mA越大，在X线管中被加速的电子数量越多，产生的X线强度也就越大，即I连∝mA。③管电压(UorkV)：X线束中光子的最大能量等于被加速电子的动能，电子的动能E＝eU，改变U，光子的最大能量也改变了，整个X线谱曲线的形状将发生变化。图2-5最大强度对应的波长值称为最强波长。X线诊断中，以λ最强为中心，邻近两侧的波段起主要作用。连续X线的总强度：=nIKiZkV连min=1.5最强连续X线谱中每条曲线下的面积表示连续X线的总强度，即：由于滤过不同，连续X线的平均能量，一般为最大能量的1/3～1/2，如最高能量为100keV的连续X线，其平均能量在40keV左右。平均波长约为最短波长的2.5倍。即：minIId总min=2.5平均[例]管电压为100kV时，产生连续X线的最短波长、最强波长、平均波长和最大光子能量。解：产生连续X线的最短波长为：最强波长：平均波长：最大光子