医学成像原理

BMIE08TOPLIHan1第1页共35页Healthcare1.医学影像使得Healthcare发生了什么变化？2.诊断方法的发展？3.五大类医学成像技术（X-ray,CT,MRI,UltrasoundandNuclearmedicineimaging）?4.Medicalimagingemploysavarietyofenergysourcesandtissuepropertiestoproduceusefulimages.能量源是什么？组织特性是什么？X-rayI1.产生X射线的四个要素P21*电子源；高压电场；合适的靶和真空环境能产生适合临床应用的X射线的X射线管一般包含四个要素：一个能发射电子的电子源；一个能加速电子的电场（电位差）；一个在受到高速电子撞击后能辐射X射线的靶物质；一个能将上述部件放入的近似于真空的环境；2.什么是管电流和灯丝电流？管电流、灯丝电流和管电压三者间的关系。P24已知1安培=1库伦/秒，l个电子的电荷是1.6*10e-19库伦，如果某X线管的在管电压60Kv、管电流200mA时曝光0.1s，计算射线管轰击到阳极靶的电子数为。计算：电子个电子；电子数（电子个电子）管电流：加速电子电场的电位差称为管电压，被加速的电子流称为管电流；灯丝电流：通过灯丝的电流；三者之间关系：BMIE08TOPLIHan2第2页共35页在灯丝电流一定时，随着管电压的升高，管电流在一定范围内也增加。但管电流在升高到一个临界值时，就不再随着管电压而变化，而是保持一个恒定值，这个状态称为“电压饱和”，表明灯丝溢出的所有电子都已经到达阳极。使X射线管进入电压饱和状态的管电压称为饱和电压。在饱和电压作用下，管电流仅受电子从灯丝逸出多少的限制，即管电流的大小决定于灯丝电流的大小。为了增加电子逸出的数量，只有通过提高灯丝的温度即增加灯丝的电流才能使管电流得到提高。3.对于某种特定材料的灯丝（钨），逸出电子的电流密度可以表示为kTWeT2aJ，其中a、k和W均为常数，若灯丝温度为2000K时，J=10A/cm2，计算3000K时，J为22.5A/cm2;4.使用旋转阳极靶而非固定阳极异同由于高速电子动能的99%以上在撞击阳极后转变为热，只有不到1%用于产生X射线，靶上轰击点的温度可达2600~2700°C，阳极靶散热问题在实际问题中很重要。为帮助固定阳极散热，通常的做法是把靶材料嵌在导热性很好的铜质阳极体上。即使这样，采用固定阳极的X射线管也仅适合管电流较小、曝光时间较长的便携式X光设备；旋转阳极是将阳极和阳极体做成圆盘状，在电机的带动下旋转。电机的旋转速率可为2800~8500r/min，电子撞击阳极产生的热量可均匀分布在整个靶面上，避免局部的过热。大功率X射线机都采用了旋转阳极的X射线管。5.焦点的大小对散热性和分辨率的影响。焦点大小由谁决定（阳极形状和灯丝）？6.下列X光球管中，最可能采用固定阳极靶的是7.X射线的强度正比于靶材料的原子序数和撞击靶的电子数。8.什么是韧致辐射和特征辐射（标示辐射），韧致辐射的X线能谱为什么是连续的？示意图：BMIE08TOPLIHan3第3页共35页韧致辐射：又称刹车辐射，泛指高能带电粒子与靶原子或原子核发生碰撞时突然减速损失能量发生的能量辐射。但在大多数情况下特指高速电子撞击阳极靶目标后辐射X射线的现象；标志辐射：又称为特征辐射，是高能电子与阳极靶壳层电子的作用结果。如果与阳极靶原子作用的电子能量大于阳极原子壳层电子结合能，则可能使内壳电子吸收电子能量而脱离原子的束缚称为自由电子。阳极靶原子电离后留出的空位由较高能级上的电子来填充。较高能级上的壳层电子跃迁至较低的能级时，会以电磁辐射的形式释放能量，这个电磁辐射就是标志辐射。说明：○1.标示辐射发生的前提是入射电子的动能大于原子壳层电子的结合能；○2辐射光子的能量仅仅取决于电子能级差；○3标示X线光子能量仅决定于阳极靶材料；○4标识辐射可以表征阳极材料化学元素的性质；9.已知chheVE，且一个电子电荷1.6e-19库伦，h=6.63e-34Js，计算管电压为120kV时，产生的X射线的极限波长（最短）。10.管电压和韧致辐射效率间的关系！11.影响X射线生产效率的主要因素是：阳极靶材料和管电压影响X射线生成效率的主要因素是阳极靶材料和管电压。相同条件下管电压越高，X射线管的效率越高。而在管电压、管电流等因素不变的条件下，阳极靶材料的原子序数越高，一定时间内灯丝热电子的能量转化为X射线的效率越高。12.射线束硬化（光子数减少，但平均能量增加），在轫致辐射图上表现为？在CT图像上表现为？13.实际焦点和有效焦点，阳极角越小，有效焦点越小。实际焦点：X射线管中灯丝逸出的电子经管电压加速后撞击阳极靶。电子撞击阳极靶的面积大小称为X射线产生时的实际焦点。有效焦点：X射线从阳极靶以阳极角为的方向射向目标，实际焦点在X射线的主射出方向的投影称X射线产生时的有效焦点。关系：设实际焦点的面积为A，有效焦点的面积为a，考虑到阳极角的存在，有14.什么是足跟效应？主要的两个原因是？如何来消除或减弱足跟效应的影响？阳极角对其有和影响？足跟效应：从靶体一定深度处辐射出的X射线，愈是靠近阳极侧，衰减愈甚，这个现象叫做足跟效BMIE08TOPLIHan4第4页共35页应；原因：○1高能电子在撞击阳极靶的过程中，除了与靶表面原子发生作用，还会深入到靶内一定深度。这样除了靶的表面可以辐射出X射线，从靶的内部一定深度也可以辐射出X射线来。○2贴近阳极侧的射线比贴近阴极侧的射线在阳极靶内穿越的距离长，所以能量与强度衰减的更多消除足跟效应：○1为了减弱足跟效应对图像的影响，常在管壳里接近X射线束出口的地方安装一个滤过装置来过滤低能的X射线光子。为了增强过滤效果，这个滤过装置的厚度从阳极侧到阴极侧室逐步增加的。○2同理，将患者身体较厚的部分放在阴极侧，将较薄的部分放在阳极侧，一定程度上也可以起到补偿足跟效应的作用；阳极角的影响：越小，足跟效应越显著15.热容量的图的使用，可或者不可？16.照射剂量和吸收剂量，1Gy=1J/kg，0.05Gy的剂量在腹部X线检查中均匀地辐射到膀胱，那么每一克膀胱组织吸收的剂量为5e-5J。17.比较不同辐射源（射线）引起某种特定生物学效应时的剂量关系，使用相对生物能RBE。18.三种特殊的X线管（三极、场发射和钼靶用于乳腺）X-rayII1.X射线与物质作用的机制主要有：光电效应；康普顿效应；汤姆逊效应；瑞利散射和电子对效应，主要是前两种。类别定义电子对效应当入射光子的能量大于两个电子的静止能量时，入射光子会与介质原子核周围电场发生某种作用，使入射光子的能量转化为一个正电子和一个负电子形成的电子对，这种现象称为电子对效应。康普顿效应能量较高的辐射光子在于介质相互作用时，光子方向发生偏离，能量（频率、波长）也发生变化光电效应光电效应的作用过程是光致电离的过程，一个辐射光子使原子的一个壳层电子脱离原子，变成自由电子，光子的能量用来克服电子的结合能使原子电离，剩余的部分能量变为光电子的动能。这种现象叫做光电效应2.射线衰减规律为郎伯-比耳（Lambert-Beer）定律，其表述为deII0BMIE08TOPLIHan5第5页共35页3.Halfvaluelayer,2lnHVL定义，两个例子（ppt）4.什么是光电效应？对成像有利，而对人体辐射量大，331EZK，光电效应的概率与介质密度成正比，与原子序数的三次方成正比，与光子的能量三次方成正比；采用高千伏摄影技术，可以达到降低剂量的目的。5.康普顿效应？随入射光子能量的增加，光电效应减弱，康普顿效应重要；对于整个检查室的防护很重要。6.电子对效用，三种效应的总结。总结：在光子能量较低时，除极低原子序数的介质外，其他介质发生的交互作用都是以光电效应为主；而在0.8~4MeV能量范围的光子，无论介质的原子序数是多少，发生的几乎都是康普顿散射；光子能量超过5MeV后电子对效应开始占主导，超过50MeV的光子就几乎都是电子对效应了。7.图3.14说明射线束硬化，射线束硬化的原因是什么？8.随光子能量的增加，脂肪的质量衰减系数逐渐减小图3.16。9.为什么碘和钡可以作为造影剂？CR/DR/DSA1.根据探测器不同，X线成像可以分为：X线摄影；CR和DR。2.CR的工作流程3.像素和空间分辨率（线对）、储存空间计算4.双能减影的计算方法简介：双能剪影应用于两种不同衰减系数组织的分离成像时，可以剔除一种组织的影像而留下另一种组织的影像，如剔除软组织只留下骨骼，或剔除骨只留下软组织，为临床诊断提供更多选择。另外，由于两种不同能量的射线投射成像间隔极短，人体的体动（自主与不自主的）对图像剪影造成的伪像基本可以消除；PPT定义：双能减影，基于DR采集数据快的特点，使用自动曝光控制（AEC）技术，在同一位置上连续进行两次不同能量（120~150kVp，60~80kVp）的X线曝光，间隔200ms，从而获得高低能量的2幅图像。然后利用计算机技术去除骨组织或软组织，可以显示3幅图像（高kVP图像，软组织图像，骨组织图像）。公式：BMIE08TOPLIHan6第6页共35页5.MTF和DQE，空间分辨率提高，则MTF和DQE都降低；电压越高，MTF和DQE也都降低；量子检测效率（detectivequantumefficiency，DQE）是描述数字影像系统输入射线转化为输出影像的效率与能力指标，该参数有机结合了影像对比度、噪声、空间分辨率和入射X射线剂量的几个重要参数，对数字影像系统的对比度检测能力进行定量表达；6.Varina平板探测器作业7.DSA原理；数字剪影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）是电子技术、计算机技术与常规X射线血管造影相结合的一种新的血管成像方法。数字剪影血管造影时利用影像增强器将透过人体后已衰减的未造影图像的X射线信号增强，再用高分辨率的数字摄像机对增强后的图像进行扫描存储，所得到的数字图像称为mask像；8.DSA的几种模式；常规模式；连续模式；脉冲模式BMIE08TOPLIHan7第7页共35页9.DSA的优缺点优点：○1DSA的图像叠加精度，血管影像的对比度大，用稀释到很淡的造影剂就可以显示出被充盈的毛细血管；○2对图伪影进行快速校正；缺点：○1运动伪影；○2造影剂浓度对图像质量的限制；CT1.CT的四代基本特征；TypeSpec.PerformanceStatusFirst-gen.单细束平移-旋转方式；1个探测器;扫描完一个特定断层后，系统旋转一个小的角度（一般为1°），然后再对该断层进行同步平移扫描。反复进行平移-旋转扫描操作，直到旋转的角度达到180°为止；一个体扫描的数据采集需要约4~5min只适用于无体动器官的成像；淘汰Sec-gen.窄扇束平移-旋转方式扫描；X射线管发出张角为3°~15°的窄扇形射线束，射线之间的夹角为1°；6~30个探测器同时采样，并仍采用平移-旋转扫描运动方式；一次X射线投射的扇形束同时被多个探测器检测，故一次扫描就能获取多个扫描数据，射线利用率增加；减少每个方向平移投射的次数，增大扫描系统每次旋转的角度，会是数据采样的速度加快；完成一个断层的时间约为20s；成像速度加快，扇形光束扫描由于降低了人体移动对成像的影响，从而在一定程度上业内呢个改善成像质量；存在生理运动伪影Third-gen.宽扇束旋转-旋转方式扫描；扫描装置有一个X射线管和250~700个探测器组成同步扫描系统；X射重量为上百千克的机架的加速和减速过程限制要对每个相邻的探测器的灵敏度和稳定性进行BMIE08TOPLIHan8第8页共35页线管发出30°~40°的宽扇形X射线束，覆盖珍格格受检体；搜秒系统平移运动不再必要，而只需X射线管和探测器做同步旋转运动即可；宽扇束扫描使得X射线的利用率大为提高，同步扫描装置因为只有旋转运动因而可靠性比平移-旋转方式高；时间在2s左右；现在的机型都采用滑环技术传输电源和信号，