普通射線成像精品課件

1、普通射線成像2022/9/191第1頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三第一章 普通X射線成像X射線的發(fā)現(xiàn)德國科學家(1845-1923)Wilhelm Conrad Roentgen1895年發(fā)現(xiàn)X線X線投照2022/9/192第2頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三1901倫琴 (Roentgen)發(fā)現(xiàn)X射線(1895)1914勞厄（Laue）晶體的X射線衍射1915布拉格父子 (Bragg)分析晶體結構1917 巴克拉 (Barkla)發(fā)現(xiàn)元素的標識X射線1924塞格巴恩 (Siegbahn )X射線光譜學1927康普頓(Compton等六人)

2、 康普頓效應1936德拜 (Debye) 化學1946馬勒 (Muller) 醫(yī)學1964霍奇金 (Hodgkin) 化學1979柯馬克和豪森菲爾德（Cormack/Hounsfield） 醫(yī)學1981 塞格巴恩(Siegbahn)物理 2022/9/193第3頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三X-RaysGamma RaysUltraviolet RaysX RaysLightInfrared (IR)MicrowaveRadio waveUsually detected as particles of energy (photons).Discovered in 1

3、895 by Wilhelm Conrad Roentgen.10-9 m (1 nm)10-11 m (0.01 nm)“soft”“hard”2022/9/194第4頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三第一節(jié)、X射線管的特性1、X射線管的結構2、X射線的產生 3、X射線管的焦點及焦點的性能參量 4、X射線管的容量 2022/9/195第5頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三1.1.1 X射線管的結構X射線產生的必要條件 電子源（陰極） ; 高壓電場;必須有適當的阻擋物(金屬靶面,陽極)來承受高速電子的能量，使高速電子所帶的動能轉變成X射線;高度真

4、空(PV2V32022/9/1919第19頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三1）連續(xù)譜的形狀與靶的材料無關。2）連續(xù)譜存在一最大的能量值，它取決于管電壓。 3）標識輻射的X射線波長是由躍遷的電子能量差決定的，與高速電子的能量（管電壓）無直接關系，主要決定于靶物質的原子序數，原子序數越高，產生的標識輻射的波長越短。 2022/9/1920第20頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三1.1.3 X射線管的焦點及 焦點的性能參量實際焦點 燈絲發(fā)射的電子，經聚焦加速后，透射在陽極靶上的面積。有效焦點 X射線管的實際焦點在垂直于X射線管軸線方向上投 影的面積，

5、即X射線照射在膠片上的有效面積。 兩個焦點都具有面積的量綱，它們之間通過靶角（target angle）建立起一定關系。有效焦點面積實際焦點面積sin 靶角越小，有效焦點的長度越小，即有效焦點的面積也越小。 實際焦點的大小直接影響X射線管的散熱和影像的清晰度。面積越大，對散熱越有利。但有效焦點的面積也將增大，必然引起在膠片上所成影像的清晰度 2022/9/1921第21頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三X射線管焦點性能參量 1）X射線管焦點的方位特性2）焦點的X線量分布 3）管球焦點對成像的影響 2022/9/1922第22頁，共70頁，2022年，5月20日，17點4

6、8分，星期三X射線管焦點的方位特性在X射線管的管軸垂直方向上投影得到有效焦點，投影的方位不同，有效焦點的尺寸也不一樣。越靠近X射線管陰極方向所得到的焦點越大，而越靠向X射線管陽極方向所得焦點越小。 Return2022/9/1923第23頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三焦點的X線量分布1、X光子數目；2、每個X光子的平均能量。 X射線的量就是X射線能量在某一時間內的積累，單位時間的X射線的量就是X射線的強度。 在X射線管中，X射線強度的分布是不均勻分布。原因有兩個：1）抵達靶面各處的電子密度不盡相同 靶面上各處輻射的X光子數密度不盡相同；抵達靶面上各處的電子與靶原子作

7、用的情況千差萬別 靶面上各處輻射的單個X光子的能量千差萬別。 2022/9/1924第24頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三階梯直槽的電位分布及電子軌跡 聚焦槽的形狀及深度對電子集射影響很大?？赏ㄟ^選取適當的槽深及燈絲的相對深度，使主、副焦點重合，形成雙峰分布的焦點。醫(yī)學診斷用X射線管的焦點寬度上X射線強度的分布一般是雙峰分布。Return2022/9/1925第25頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三管球焦點對成像的影響有效焦點大小的影響：有效焦點越小，得到的影像越清晰。當有效焦點為點光源時，膠片上的圖像界線分明，圖像邊界的清晰度高；當有效焦點是

8、面積為S，線度為AB的面光源時，膠片上圖像邊緣區(qū)域P由于線光源AB不能完全投照其上而出現(xiàn)半陰影，這種半陰影在X射線影像中稱為半影，半影的出現(xiàn)影響著影像的清晰度，使影像的邊緣模糊不清，嚴重時甚至造成影像無從辨認。2022/9/1926第26頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三 半影 縮小半影的方法： 縮小有效焦點面積S； 縮短被攝部位與膠片 間的距離。 2022/9/1927第27頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三管球焦點對成像的影響焦點面上X射線強度的分布不均勻產生的影響：若有效焦點的大小相同，但在焦點面上X射線強度的分布不均勻，那么所成影像的分辨

9、率不同，也將使密度分辨率變差。焦點中央X射線強度越強，半影的影響越小，即高斯分布的X射線強度產生的X射線影像具有較高的分辨力。其次是矩形的均勻分布，又稱矩形分布。分辨力最差的是雙峰分布。Return2022/9/1928第28頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三1.1.4 X射線管的容量 大量速度極高的電子打在陽極靶上將產生很多熱量，允許產熱(或能承受熱量)的最大負荷量，稱為X射線管的容量。影響容量的因素有：實際焦點的大小管電壓的高低管電流的大小X射線管連續(xù)使用時間焦點上電子分布的情況 陽極的構造及冷卻方式2022/9/1929第29頁，共70頁，2022年，5月20日，

10、17點48分，星期三X射線管容量的計算 通常用其最高管電壓與管電流的乘積來表示 例：一給定的X射線管，額定管電壓為200kV，額定管電流為20mA，求其容量。 解：容量（單位：kW）管電壓有效值（單位：kV）管電流（單位：mA)2022/9/1930第30頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三小焦點可使影像清晰。但是焦點越小，在焦點上集聚的能量越高，產生的熱量也就越高。因為只有約0.5%的電能轉化為X射線的能量，99.5%以上的能量轉化為熱能。最終將導致焦點面熔化。解決辦法：雙焦點技術、旋轉陽極技術和水或油循環(huán)冷卻技術2022/9/1931第31頁，共70頁，2022年，5

11、月20日，17點48分，星期三在透視時使用小焦點 在攝影時使用大焦點高 壓正KV負KV大焦 燈絲小焦 燈絲大焦燈絲 變壓器小焦燈絲 變壓器CLCCS陽極雙焦點技術2022/9/1932第32頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三旋轉陽極技術 通過陽極旋轉來擴大焦點面積，提高球管的散熱率，從而提高球管的功率。旋轉陽極球管旋轉速率有2700rpm、8500rpm(3倍頻)，甚至16000rpm(6倍頻)。旋轉陽極球管的靶面2022/9/1933第33頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三水或油循環(huán)冷卻技術真空 油在CT中使用油循環(huán)X線管 在心血管造影機X線機

12、中使用水循環(huán)X線球管2022/9/1934第34頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三第二節(jié)、X射線輻射場的空間分布1、X射線的物理特征2、X射線的強度 3、X射線的濾過和硬化 4、輻射場的角分布 2022/9/1935第35頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三 本質與普通光線一樣，都屬電磁波，但波長比可見光更短，介于紫外線與射線之間。與普通光線一樣具有微粒波動二重性，每個X射線光子具有一定的能量E=h，并以光的速度直線傳播。同時服從光的反射、折射、散射和衍射等一般規(guī)律。 X射線不帶電，它不受外界磁場或電場的影響。 1.2.1 X射線的物理特征2022

13、/9/1936第36頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三1、貫穿本領 X射線的波長很短，對各種物質都具有程度不同的穿透能力。 影響因素：與X射線的能量、被穿透物質結構和原子性質有關。 同一X射線，對原子序數較低元素組成的物體貫穿本領較強，對原子序數較高元素組成的物體貫穿本領相對較弱。 X射線對人體不同組織的穿透性不同X射線醫(yī)學影像學的基礎 人體組織對X射線的穿透性 易透射組織 中等透射性組織 不易透射性組織 氣 體 結締組織 骨骼 肌肉組織 脂肪組織 軟骨 血液 2022/9/1937第37頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三2、熒光作用 當射線照射

14、某種物質時，能夠發(fā)出熒光，具有這種光特性的物質稱為熒光物質。 如鎢酸鈣、鉑氰化鋇、銀激活的硫化鋅鎘等熒光物質受X射線照射時，物質原子被激發(fā)或電離，當被激發(fā)的原子恢復到基態(tài)時，便可放出熒光。 X射線熒光作用的應用： X射線透視熒光屏、增感屏、影像增強器、閃爍計數器等。 3、電離作用 具有足夠能量的X射線光子不僅可從原子中擊脫電子產生一次電離，脫離了原子的電子還能與其他原子碰撞產生二次電離。 X射線電離作用的應用： X射線劑量儀器探頭原理及X射線損傷和治療的基礎。 2022/9/1938第38頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三4、X射線的化學和生物特性 1）、感光作用 X射

15、線與可見光一樣，可使膠片感光。 膠片乳劑中的溴化銀受X射線照射感光，經化學顯影，還原出黑色的金屬銀顆粒，其黑度取決于感光程度。X射線攝影即是利用其化學感光作用，使組織影像出現(xiàn)在膠片上。 2）、脫水作用/著色作用 某些物質經X射線長期照射后，因結晶體脫水而逐漸改變顏色。如熒光屏、增感紙、鉛玻璃等經X射線長期照射后都會逐漸變色。 3）、生物效應 X射線在生物體內能產生電離及激發(fā)作用，也就是使生物產生生物效應，它是放射治療的基礎，也是射線工作者應注意防護的原因。 2022/9/1939第39頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三 X射線在空間某點的強度：單位時間內通過單位橫截面積

16、的輻射能量。 在醫(yī)學應用中，常用X射線的量和質表示X射線的強度。 單色X射線強度：I =N h 復色X射線強度：I總=Ni hi=N1 h1+N2 h2+ N3 h1+ X射線束內的光子數目X射線光子的能量1.2.2 X射線的強度（Intensity of X-rays) 2022/9/1940第40頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三影響連續(xù)X射線強度的因素靶物質 IZ 管電流 Ii 管電壓 IU22022/9/1941第41頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三X射線的量與質的表示： X射線的量：管電流曝光時間（mAs） X射線的質：管電壓（kV）

17、 X射線的質/線質一般用于表示X射線的硬度(hardness of X-ray) X射線的三個參量： 管電壓(kVp) 管電流(mA) 曝光時間(s) 在X線管加上 高壓產生X射 線的時間穿透物質的能力X射線陽極陰極燈絲 變壓器高壓 變壓器管電壓管電流2022/9/1942第42頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三X射線質的分類及用途 產生硬X射線，除了選用高的管電壓和選用原子序數較大的材料做陽極靶外，還應選擇原子序數較大和厚度較大的濾過板。產生軟X射線則相反，除選用低的管電壓和用原子序數較小的材料做陽極靶外，還需要采用特殊結構的軟X射線設備，即用鈹制成的X射線輸出窗口。

18、 X射線影像采用的是前兩種較軟的X射線。 名稱 最短波長()管電壓(kV)用途濾過板材料極軟X射線2.50.62520軟組織攝影、表皮治療膠紙板軟X射線0.620.1220100透視與攝影鋁片硬X射線0.120.05100250較深組織治療銅片超硬X射線0.05以下250以上深部組織治療錫、鉛2022/9/1943第43頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三固有濾過：從X射線管陽極發(fā)射出的原級X射線穿過管壁后，被吸收一部分。 附加濾過：在X射線管射出的X射線到達被投照部位前放置一定物質產生的濾過。 附加濾過可使：X射線總強度減小 波長分布均勻 平均硬度提高 半價層：使X射線

19、的強度減弱到其初始值一半時所需的濾過板厚度。反映X射線束的穿透能力。 半價層的單位必須包括濾過板材料和厚度兩部分。 例如：一束X射線穿過2mm厚的標準鋁板后，其強度減弱了一半，則可稱這束X射線的半價層為2mm鋁。1.2.3 X射線的濾過和硬化 2022/9/1944第44頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三從陽極靶上發(fā)射的X射線在不同的方位角上，輻射強度不同。這種不均勻分布稱為輻射強度空間分布或輻射場的角分布。它主要取決于入射電子的能量、靶物質及靶厚度等因素。 薄靶周圍X射線強度的角分布 厚靶產生的X射線空間分布1.2.4 輻射場的角分布 2022/9/1945第45頁，

20、共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三薄靶周圍X射線強度的角分布低能電子束沖擊薄靶產生的X射線強度分布，主要集中在與電子束成垂直的方向上；沿著電子束方向上X射線強度相對較??；與電子束相反方向上X射線強度近似為零。靶越薄，上述結論越正確。 根據薄靶產生X射線的空間分布的特點，在管電壓較低時，利用反射式靶在技術上很有好處；但對使用超高壓X射線管時，管電壓過高，考慮能量分布因素，則需采用穿透式靶，電子從靶的一面射入，X射線從另一面射出。加速器產生的高能X射線用的就是穿透式靶。 Return2022/9/1946第46頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三厚靶產生的

21、X射線空間分布用于醫(yī)療診斷方面的X射線管，其陽極靶較厚。當高能電子轟擊靶面時，不僅與靶面原子相互作用輻射X射線，而且還穿透到靶物質內部的一定深度，因此，除了靶表面輻射X射線外，在靶的深層，也能向外輻射X射線。如圖1-21，越靠近OC方向，穿過靶的厚度越厚，靶本身對它的吸收也越多；越靠近OA方向，靶對它吸收越少。 2022/9/1947第47頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三第三節(jié)、X射線在介質中的衰減1、作用概率與截面2、主要作用形式 3、擴散衰減 4、吸收衰減的規(guī)律2022/9/1948第48頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三1.3.1 作用概

22、率與截面作用概率：表示射線通過物質層時強度的相對減弱，也表示一個粒子與物質相互作用的概率。 I0為入射強度， I為出射強度，I =I-I0，- I/I0表示束流減弱的程度。 作用截面：一個入射粒子與一個靶粒子發(fā)生相互作用的概率。 N為靶物質的靶粒子密度（單位體積內的靶粒子數），X為靶物質的厚度。 2022/9/1949第49頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三射線強度與作用截面之間的關系顯然N就是線性衰減系數，可見作用截面與衰減系數，只是同一物理性質的不同表示方式。 2022/9/1950第50頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三. 光電效應(pho

23、to electric effect) X射線光子的能量全部給予殼層電子，一部分使其克服核的結合能脫離軌道，成為光電子，另一部分則作為光電子動能被帶走。 發(fā)生光電效應時，光電子從原子內殼層出射后，外殼層的電子將填補空穴，隨之輻射出標識X射線。 光電效應的產物：光電子、正離子(產生光電子的原子 )、新的光子（標識輻射光子） +X射線光電效應光電子光電效應的能量供受關系：Ee ：電子的動能 Ex: X射線的能量 Ei:第i層電子結合能51 內光電效應產生幾率與X射線光子能量的三次方成反比，與物質原子序數的四次方成正比。1.3.2 主要作用形式 2022/9/1951第51頁，共70頁，2022年，

24、5月20日，17點48分，星期三光電效應 在光電子出射方向上，光電子的數量與入射X射線的能量有關。 2022/9/1952第52頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三.Compton效應(Compton scattering) 入射X射線與物質原子束縛較弱的電子相碰撞，光子的一部分能量傳給電子，并將它從原子中擊出（反沖電子），能量減小了的光子，波長增大并且改變運動方向，成為散射光子。這種改變波長和方向的散射稱為康普頓散射。 康普頓散射的產物： 散射光子、反沖電子、正離子 康普頓散射是X射線在生物組織內衰減 的主要原因。 +入射X射線Compton效應Compton電子出射X

25、射線Compton效應的能量供受關系：Ee ：電子的動能 E x: X射線的能量 :散射角（如圖） meC2 :電子的靜態(tài)質量能 2022/9/1953第53頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三 康普頓散射原理圖 2022/9/1954第54頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三+X射線正電子電子對效應負電子電子對效應的能量供受關系：Ee ：電子的動能 E x: X射線的能量 meC2 :電子的靜態(tài)質量能.電子對效應(electric pair effect) 入射X射線光子進入吸收物質行近原子核時，受到原子核電場的作用，會突然消失而轉換成一個正電子和

26、一個負電子，這一現(xiàn)象稱為電子對效應。 一個電子的靜止能量為0.511MeV,故電子對效應中的電子總動能為： E2e= h-1.022MeV 如果入射光子能量超過1.022MeV， 則超過部分就將成為所產生的電子 對的動能。2022/9/1955第55頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三各種作用發(fā)生的相對幾率2022/9/1956第56頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三引起X射線在物質內傳播過程中的強度減弱，包括擴散衰減（能量分散）和吸收衰減（與物質相互作用）兩方面。擴散衰減：若不考慮介質的吸收，在半徑不同的球面上，X射線強度的減弱遵守反平方規(guī)律：

27、式中I1、I2分別表示半徑為r1和r2的球面上X射線的強度。應注意此式只適用于點源的球面發(fā)射；故在一般的X射線影像中，改變X射線管焦點到膠片的距離來調節(jié)X射線的強度。1.3.3 擴散衰減 2022/9/1957第57頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三. 吸收衰減的規(guī)律 由能量相同的光子組成的X射線稱為單能X射線。X射線中不存在散射成分時，稱為窄束X射線。 單能窄束X射線在物質中的衰減： 令X01.3.4 吸收衰減的規(guī)律2022/9/1958第58頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三I為穿過某一物質后的X射線強度； I0為射入該物質之前的X射線強度；

28、 為該物質的吸收系數（不同物質的值不同，由物質的物理特性決定）； X為該物質的厚度； I I0 X衰減公式：衰減方程：59 2022/9/1959第59頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三兩個概念： 線性衰減系數 、 質量衰減系數m 線性衰減系數： 或 (單位：m-1) 線性衰減系數的物理意義：X射線穿過單位厚度的物質薄層時，強 度減弱的百分數。 線性衰減系數作用截面靶粒子密度 質量衰減系數： 當入射X射線能量一定，吸收物質一定 （單位： ) 時，線性衰減系數與物質密度成正比。 為消除的相關性，引入質量衰減系數： 質量厚度 2022/9/1960第60頁，共70頁，202

29、2年，5月20日，17點48分，星期三幾種常見物質在不同光子能量時的質量衰減系數:( ) 光子能量 氫 碳 氧 氮 鈉 鎂 碘 氬 鉀 鈣 MeV 0.010 9.92104 0.149 0.560 0.342 1.45 2.09 4.01 6.20 7.70 9.98 0.015 1.10103 0.0517 0.149 0.0916 0.443 0.609 1.19 1.94 2.46 2.89 0.020 1.33103 0.0203 0.0589 0.0360 0.177 0.247 0.50 0.831 1.05 1.25 衰減公式： 質量厚度質量衰減系數2022/9/1961第61

30、頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三Attenuation CoefficientAttenuation coefficients tell you the “x-ray blocking power” of a material.5105010015010.1AttenuationCoefficientPhoton Energy (keV)500BoneMuscleFat2022/9/1962第62頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三Attenuation CoefficientCoefficient depends on the property

31、 of the material.Density (Bone has a high density compared to soft tissues)Chemical Make-up (Lead blocks x-rays; lead screening used to protect patient & technicians)2022/9/1963第63頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三第四節(jié)、X射線在人體組織內的衰減1、混合物和化合物得質量衰減系數2、化合物的有效原子序數3、連續(xù)能譜X射線在物質中的衰減規(guī)律4、X射線在人體組織內的衰減2022/9/1964第64頁

32、，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三1.4.1 混合物和化合物的質量衰減系數 組成人體的物質非單一物質，醫(yī)用X射線也非單能窄束。 例題： 若空氣中各組分的質量百分比為氮75，氧23.7，二氧化碳1.3，試計算在能量為10keV光子作用下，空氣的質量衰減系數是多少？已知氮、氧、二氧化碳的質量衰減系數分別為0.36、0.587、和8.31( ) 解：空氣的質量衰減系數為 0.360.750.5870.2378.310.013 0.270.1390.108 0.515（ ）第i種元素的質量衰減系數第i種元素在化合物或混合物中所占質量的百分比2022/9/1965第65頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三 X射線束的線性衰減系數隨原子序數的增大而增大。 對于混合物或化合物常采用有效原子序數/平均原子序數來描 述其對X射線的衰減性質。 例：求水分子H2O的有效原子序數 解：1.4.2 化合物的有效原子序數2022/9/1966第66頁，共70頁，2022年，5月20日，17點48分，星期三 線性衰減系數與吸收物質的密度成