成像理論第二章01

1、第二章放射物理學基礎(chǔ)第一節(jié)x線的產(chǎn)生和性質(zhì) 1895年11月8日德國物理學家倫琴做陰極射線管的實驗時意外發(fā)現(xiàn)x射線；1901年，倫琴為此獲得諾貝爾物理學獎。 x線、放射性、電子并稱19世紀末20世紀初三大發(fā)現(xiàn)，是現(xiàn)代物理學發(fā)展的標準一、x線發(fā)現(xiàn) 在發(fā)現(xiàn)x線3個月后，維也納一家醫(yī)院首先用x線協(xié)助外科手術(shù)。 x線發(fā)現(xiàn)已有100多年歷史，x線不僅日益廣泛地應用于醫(yī)學診斷和治療上，而且還用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、工業(yè)探傷、科研等方面。二、x線的本質(zhì)和特征 1912年，德國物理學家勞厄等人利用晶格做衍射光柵實驗時觀察到x線的衍射，證明x線本質(zhì)是一種電磁波。1914年獲得諾貝爾物理學獎(一)x線本質(zhì)電磁波 長波、

2、中波、短波、微波、紅外線、可見光、紫外線、x線、射線都為電磁波。它們本質(zhì)完全相同，只是波長、頻率有所差別。 電磁波性質(zhì)： 1、波動性： 干涉、衍射、偏振、反射、折射、散射 波動性的主要表現(xiàn)：以一定的波長和頻率在空間傳播 電磁波是橫波，其傳播速度在真空中與光速相同，用波長、頻率來描述。 2、粒子性： x線的波動性波能解釋它的光電效應、熒光作用、電離作用等，這些只能用愛因斯坦的光量子理論，即x線看做一個個微粒。 微粒性表現(xiàn)：在輻射、吸收時具有能量、質(zhì)量和動量。 e=hv c=v 波長越短的電磁波，其粒子能力越大 根據(jù)光子能量的大小，電磁輻射分為兩種。 3、具有波、粒二象性 x線即具有波動性又有粒子

3、性，所以有波、粒二象性。 波動性是幾率波 量子力學將波粒二項性統(tǒng)一非電離輻射：可見光以前的電磁波（包括可見光）電磁輻射電離輻射：可見光以后的電磁波 （二）x線特性 1、物理特性 （1）穿透性 ：x線的穿透性不但與其能量有關(guān)，還與物質(zhì)的密度和原子序數(shù)有關(guān)。x線能量越大穿透性越強，反之則弱。 x線對人體不同組織穿透性能的差別，是x線透視、攝像和ct檢查的基礎(chǔ)，也是選擇屏蔽防護材料和濾過板材料的依據(jù)。 （2）熒光作用：x線照射某些物質(zhì)時，物質(zhì)的原子被激發(fā)或電離；當恢復到基態(tài)時，便放射出可見的熒光（自發(fā)輻射）。具有這種特質(zhì)的物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)。 熒光物質(zhì)：鎢酸鈣、鉑氰化鋇、銀激活的硫化鋅 熒光物質(zhì)應用：

4、透視用的熒光屏、攝影用的增感屏 （3）電離作用：具有足夠能量的x光子不僅能擊脫物質(zhì)原子的軌道電子產(chǎn)生一次電離，脫離原子的電子再與其他原子碰撞，還會產(chǎn)生二次電離。 電離作用是x線放射治療的基礎(chǔ)，但對人體也有傷害（4）熱作用：物質(zhì)吸收x線能量，最終絕大部分都將變?yōu)闊崮埽刮矬w溫度升高。 2、化學特性 （1）感光作用：x線具有光化學作用，可使膠片乳膠劑感光，能使很多物質(zhì)發(fā)生光化學反應。 （2）著色作用:某些物質(zhì)經(jīng)x線長期照射后，其結(jié)晶體脫水漸漸改變顏色 3、生物效應特性：x線在生物體內(nèi)能產(chǎn)生電離和激發(fā)作用，使生物體產(chǎn)生生物效應。 生物細胞特別是增殖性強的細胞，經(jīng)一定量的x線照射后，可以產(chǎn)生抑制、損傷

5、甚至壞死。三、x線的產(chǎn)生 （一）x線產(chǎn)生條件 高速帶電粒子撞擊物質(zhì)而突然受阻減速時能產(chǎn)生x線 產(chǎn)生x線必須具備三個基本條件： 1、電子源 2、高速電子流（1）高電壓產(chǎn)生的強電場 （2）高真空度的空間 3、能經(jīng)受高速電子撞擊產(chǎn)生x線靶面 （二）x線產(chǎn)生裝置（診斷機、治療機） x線機:能將電能轉(zhuǎn)變?yōu)閤能的裝置稱為x線機。 能根據(jù)不同需要產(chǎn)生量和質(zhì)能控制的x線束 醫(yī)用x線機：（1）診斷機（2）治療機 x線機：主機、機械裝置、輔助設(shè)備 主機結(jié)構(gòu)：x線管、高壓發(fā)生器、控制臺 1、球管（x線管）： 高真空度的熱電子式 x線管。特制的玻璃管 中插入兩個電極，產(chǎn) 生發(fā)射熱電子的陰極， 接受電子撞擊的陽極 靶面

6、 （1）陰極：由燈絲和集射罩構(gòu)成。燈絲電壓越高，溫度越高，每秒鐘蒸發(fā)出電子數(shù)越多。 （2）陽極：使高速電子突然受阻而產(chǎn)生x線的地方。陽極由靶面和散熱體組成，通常將鎢靶焊接在實心或空心的銅圓主體上。銅導熱性能好，但熔點和原子序數(shù)低；鎢熔點金和原子序數(shù)高，但導熱性能差 （3）管殼：維持真空，固定陰極和陽極。 旋轉(zhuǎn)陽極x線管和固定陽極x線管；鉬靶、金靶、鎢靶 焦點（實際焦點）：從陰極燈絲射向陽極的高速電子流，經(jīng)聚焦后撞擊在陽極靶面上的面積稱為實際焦點。 大小取決于聚焦槽的形狀、寬度和深度 聚焦槽與燈絲位置及其電位分布影響陰極電子流的分布，形成主焦點和副焦點 燈絲正面發(fā)射的電子撞擊靶面形成主焦點 燈絲

7、側(cè)方發(fā)射的電子撞擊靶面形成副焦點 主焦點和副焦點共同形成（實際）焦點，理想的實際焦點在靶面上形成近似矩形 陽極角：陽極面與x線投射方向之間的夾角叫陽極角，一般1020 在聚焦槽中燈絲的深度與焦點大小有關(guān)，當燈絲在聚焦槽內(nèi)的深度越深、聚焦槽的寬度越狹時聚焦作用越大，即燈絲深度大，主焦點變小，副焦點變大。理想的副焦點是處于主焦點內(nèi)側(cè)，此時熱量容易被分散，焦點大小變化不大。 實際焦點在x線投射方向上的投影面積稱為有效焦點。有效焦點約為一矩形，其大小可用 來表示。其中：a為焦點的寬、b為焦點的長、為陽極傾角。 陽極角：陽極面與x線投射方向之間的夾角sinba 有效焦點標稱值 1982年國際電工委員會（

8、iec）336號出版物上闡述了用無量綱的數(shù)字（如1.0、0.3、0.1等）來表示有效焦點的大小，此數(shù)字稱為有效焦點標稱值，其值是指有效焦點或?qū)嶋H焦點寬度上的尺寸。 另外，由于焦點面上的線量分布是不均勻的，故在描寫焦點成像性能時又用“等效焦點”來描述。 2、高壓發(fā)生器 燈絲電路、高壓電路、 限時電路 3、控制臺 電源開關(guān)、工作方式、ma kv、照射時間 4、機械裝置和輔助裝置四、x線產(chǎn)生原理 （一）電子與物質(zhì)相互作用 高速電子帶負電荷，主要與原子核的正電場及軌道電子的負電場發(fā)生作用。 所謂撞擊實際上是帶電粒子間靜電庫侖力的相互作用。 電子碰撞過程中能量損失：碰撞損失、輻射損失 1、碰撞損失：凡電

9、子與原子外層電子作用而損失的能量統(tǒng)稱為碰撞損失，碰撞損失能量最后全變成熱能。可使原子激發(fā)或電離。 激發(fā)所需能量只需幾千電子伏，能量損失小 電離外層原子脫離靶原子并且具有一定的動能 電離出的電子動能100ev，稱為電子。 電子可使原子激發(fā)或電離，也可與原子核和內(nèi)層電子相互作用 2、輻射損失：與原子的內(nèi)層電子或原子核相互作用損失的能量統(tǒng)稱輻射損失。 運動電子與物質(zhì)相互作用，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換： e=e熱+ e電離+e輻射(二) x線產(chǎn)生原理 x線組成：1、與原子核相互作用連續(xù)x線 2、與內(nèi)層軌道電子相互作用特征x線1、連續(xù)x線 連續(xù)輻射又稱軔致輻射。它是高速電子與靶原子核相互作用時產(chǎn)生的、具有連續(xù)波長的

10、x線。 連續(xù)輻射構(gòu)成連續(xù)x線譜，是包含多種能量光子的混合射線 （1）連續(xù)x線產(chǎn)生的物理過程經(jīng)典電磁理論：當一個帶電體在外電場中速度變化時，帶電體將向外輻射電磁波。 電子進入原子核附近的強電場區(qū)域、然后飛離，從而完成一次電子與原子核的相互作用，電子速度大小和方向必然發(fā)生改變。按上述理論向外輻射電磁波。電子這種能量輻射叫軔致輻射，產(chǎn)生能量為h?的電磁波稱為x線光子 產(chǎn)生連續(xù)輻射的原因：每個高速電子與靶原子作用時的相對位置不同，且每個電子與靶原子作用前具有的能量不同，所以各自作用的輻射損失不同，因而發(fā)出的線光子頻率也互不相同。圖2-3（2）連續(xù)輻射的最短波長：圖2-4，連續(xù)x線譜每條曲線都有一個峰；

11、在長波長方向上無限延伸，強度越來越弱；在短波長方向上，曲線存在一個波長極限，稱為最短波長圖2-4鎢在較低管電壓下的連續(xù)x線譜 電子獲得的最大能量e=ev 最大動能 =e=ev,電子所有的動能變?yōu)?輻射能ev=h?,這個頻率就是最大頻率，對應最小波長=c/?。 描述線能量時，經(jīng)常用到kv(kvp)和kev, kv是指球管兩極管電壓的千伏值，kvp是指峰值管電壓的千伏值， kev基本粒子能量的千電子伏值212mvmin1.24()nmu kv （3）影像x線強度的因素：陽極靶面的原子序數(shù)、電流、電壓 以上所涉及的x線管電壓為恒電壓，而實際上x線管電壓是交流電經(jīng)過整流后的脈動電壓。對于脈動電壓，產(chǎn)生

12、的x線最短波長只與管電壓的峰值（kvp）有關(guān)。在x線管中，隨管電壓而能量周期變化的電子群以各種不同的受阻情況與靶原子作用，這也是產(chǎn)生范圍很廣的連續(xù)線譜的一個重要原因。 連續(xù)x線波譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)x線總強度，連續(xù)x線的總強度與管電流、管電壓、靶原子序數(shù)的關(guān)系： 最大強度對應的波長值稱為最強波長：=knii z kv連min=1.5最強 在診斷用x線中，以最強波長為中心，鄰近兩側(cè)的波段起主要作用。 由于濾過不同，連續(xù)x線的平均能量一般為最大能量的1/31/2，其平均波長為最短波長的2.5倍： 課本例題min=2.5平均2、特征x線 特征輻射又稱標識輻射，與連續(xù)輻射的產(chǎn)生機理完全不同 圖

13、2-6 鎢在不同管電壓下的x線譜 在x射線譜中看到，標識譜是疊加在連續(xù)譜上的線狀譜，這些譜線所對應的波長位置與外加電壓無關(guān)(當然v要超過臨界值)，而只決定于靶的材料。 (1)產(chǎn)生機理：高速電子將內(nèi)存電子打出（離開原子）使之成為自由電子（光電子），使原子內(nèi)電子層出現(xiàn)空位，從而處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。這樣按能量分布的原則，處于高能態(tài)的外層電子必然要向內(nèi)層躍遷填補內(nèi)層電子空位，便釋放出能量（hv）等于電子躍遷前(e2)、后(e1)兩能級之差的x光子：21hee 由于每一種元素的特征譜線都不相同，因此可以用這樣的譜線來標識各元素，所以稱為標識譜 （2）特征x線的激發(fā)電壓：當入射高速電子的動能大于內(nèi)層電子結(jié)

14、合能時，才有可能被擊脫造成電子空位，產(chǎn)生特征x線。只要造成空位，則產(chǎn)生的特征x線都是一樣的。產(chǎn)生特征x線必須有一個激發(fā)電壓()khw w是結(jié)合能 標識譜中k線系是第k殼層以外各殼層電子躍遷到k殼層空位上形成的 l線系是l殼層以外電子躍遷到l層空位上形成 m線系是m殼層以外的電子躍遷到m殼層空位上形成的。 可知x射線的標識譜是原子內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生的軔致輻射原理圖特征輻射原理圖 影響特征x線的因素：特征x線的強度與管電流成正比，管電壓大于激發(fā)電壓時才發(fā)生，并隨管電壓的繼續(xù)升高強度迅速增大 連續(xù)光譜的性質(zhì)與陽極的材料無關(guān) 線狀光譜的結(jié)構(gòu)與陽極的材料有關(guān)。 每一元素具有自己特有的x射線線狀光譜五、x線

15、的量和質(zhì) 習慣上常用x線強度來表示x線的量和質(zhì)，這并不能將x線特性表達清楚。 x線強度：指單位時間內(nèi)通過垂直于x線束的方向上單位面積上的x線光子數(shù)量與光子能量乘積的總和?？梢妜線強度由光子數(shù)目和光子能量決定。 在實際中，常用x線量與質(zhì)的乘積表示x線強度 量是指線束中光子數(shù) 質(zhì)是指光子的能量 1、x線的量 就是x線光子的數(shù)目 由相同能量光子組成的單能輻射，其輻射強度： n為單位時間通過單位橫截面積上的x線光子數(shù) 由不同能量，但能量完全確定的光子組成的復合光譜，輻射強度： 光子組成連續(xù)譜，輻射強度：i=nhniii=1=nih總max0(e)eie nde x線強度的si單位: 量（ mas ）：

16、可以用x線管的管電流ma與照射時間s的乘積來反應x線的量，通常以mas為單位 管電壓一定時，管電流大，表明單位時間撞擊陽極靶面的電子數(shù)多，由此激發(fā)的x線光子數(shù)也正比地增加；照射時間長，x線量也正比地增大，所以管電流與照射時間的乘積能反應x線的量。21j ms2、x線的質(zhì)，又叫線質(zhì)（ kv ）,它表示x線的硬度，即穿透物質(zhì)本領(lǐng)的大小。(是指光子的能量，x線的質(zhì)只與光子能量有關(guān)而與光子數(shù)無關(guān)。)在x線的放射應用中，常以x線管的kv值近似描述x線的質(zhì)。kv越高，電子從電場中獲得的能量越大，產(chǎn)生的x線的穿透本領(lǐng)越大。所以kv能反映x線的質(zhì) 一般情況下，并不需要嚴格的能譜分析，通常就用表示射線穿透能力的

17、半價層(half value layer，hvl)來表示x線的質(zhì)。hvl是使一束x線的強度衰減到其初始值一半時所需要的標準物質(zhì)的厚度。 診斷用x線通常有鋁作為表示hvl的物質(zhì)，hvl越厚表示x線的質(zhì)越硬六、影響x線量與質(zhì)的因素 靶物質(zhì)、kv、ma及高壓波形直接影響x線量與質(zhì)。 （一）影像x線量的因素 1、靶物質(zhì) 在kv和ma一定情況下，連續(xù)x線強度與靶物質(zhì)的原子序數(shù)z成正比。 其他條件相同下，錫靶和鎢靶的線譜。曲線兩個端點重回，高能端重回，說明x線譜的最大光子能量只與管電壓有關(guān)與靶物質(zhì)無關(guān)；低能端重回因為x線管固有的過濾的限制，低能成分被管壁吸收 實際上，把錫在任何能量時的強度乘以74/50，

18、則將正好落在鎢的曲線上。因為x線強度與靶原子的z成正比，而74和50分別是鎢和錫的z。 特征x線完全由靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)特性所決定，靶物質(zhì)的z越高，軌道電子的結(jié)合能就越大，特征x線的能量也就越大，所以需要的激發(fā)電壓更高。 2、管電流 在一定的管電壓下，x線的強度決定于ma。 ma越大，說明撞擊陽極靶面的電子數(shù)越多，產(chǎn)生的x線強度也越大。 3、管電壓 x線束中的最大光子能量等于高速電子的最大動能，而電子的最大動能又決定于管電壓的峰值，即x線的質(zhì)取決于管電壓的千伏值。 改變管電壓，整個x線譜的形狀也隨之發(fā)生變化（圖2-5c） 當電流不變，電壓增高時，連續(xù)x線譜的最短波長和最強波長都向短波方向（高能段

19、）移動，可見x線束中的高能成分增多，x線質(zhì)提高。 （二）影像x線質(zhì)的因素 x線的質(zhì)僅取決于管電壓的千伏值。無論何種靶物質(zhì)，在一定的管電壓下所產(chǎn)生的聯(lián)系x線的最短波長和最長波長是相同的。 x線的量與靶物質(zhì)原子序數(shù)、管電壓的n次方、管電流及投照時間成正比。 x線的質(zhì)取決于管電壓的千伏值。七、x線產(chǎn)生效率nk ma z kvk z kvma kvx線的產(chǎn)生效率等于x線功率（x線總強度）與加速電子所消耗電能的比值：x線的產(chǎn)生效率比較低，一般不到1%，約99%轉(zhuǎn)化為熱。表2-2鎢靶線管和加速器產(chǎn)生x線效率八、x線強度空間分布 x線管產(chǎn)生的x線，在空間各個方向上的分布不是均勻的。這種不均勻的分布稱為輻射強度空間分布或輻射場的角分布。 x線輻射強度在空間分布主要取決于入射電子的能量、靶物質(zhì)、靶厚度等因素 1、厚靶周圍x線強度的空間分布 國內(nèi)外用于醫(yī)療診斷方面的線管，其陽極靶較厚，稱為厚靶x線管。 對于厚靶，高能電子不但與靶面原子作用還穿透靶物質(zhì)內(nèi)部的一定深度，與靶原子作用，直至將電子的能量耗盡位置。 如圖，除了靶面輻射線外，在靶的深層