普通X射線成像課件

第一章

普通X射線成像X射線的發(fā)現(xiàn)德國科學(xué)家(1845-1923)WilhelmConradRoentgen1895年發(fā)現(xiàn)X線X線投照8/22/20231第一章普通X射線成像德國科學(xué)家(1845-1923)Wil1901

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(jié)構(gòu)1917 巴克拉(Barkla) 發(fā)現(xiàn)元素的標(biāo)識(shí)X射線1924

塞格巴恩(Siegbahn) X射線光譜學(xué)1927

康普頓(Compton等六人) 康普頓效應(yīng)1936

德拜(Debye) 化學(xué)1946

馬勒(Muller) 醫(yī)學(xué)1964

霍奇金(Hodgkin) 化學(xué)1979

柯馬克和豪森菲爾德（Cormack/Hounsfield）醫(yī)學(xué)1981 塞格巴恩(Siegbahn) 物理8/22/202321901

倫琴(Roentgen) 發(fā)現(xiàn)XX-RaysGammaRaysUltravioletRaysXRaysLightInfrared(IR)MicrowaveRadiowaveUsuallydetectedasparticlesofenergy(photons).Discoveredin1895byWilhelmConradRoentgen.10-9m(1nm)10-11m(0.01nm)“soft”“hard”8/22/20233X-RaysGammaRaysUltravioletRa第一節(jié)、X射線管的特性1、X射線管的結(jié)構(gòu)2、X射線的產(chǎn)生3、X射線管的焦點(diǎn)及焦點(diǎn)的性能參量4、X射線管的容量8/22/20234第一節(jié)、X射線管的特性1、X射線管的結(jié)構(gòu)8/2/202341.1.1X射線管的結(jié)構(gòu)X射線產(chǎn)生的必要條件

電子源（陰極）

;

高壓電場(chǎng);必須有適當(dāng)?shù)淖钃跷?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(dòng)能轉(zhuǎn)變成X射線;高度真空(P<10-4Pa)的環(huán)境

。

8/22/202351.1.1X射線管的結(jié)構(gòu)8/2/20235陰極。一般由發(fā)射電子的燈絲和聚焦電子的凹面陰極體組成。用低壓電源對(duì)燈絲加熱，引起熱發(fā)射，提供足夠數(shù)量的電子，且使電子聚焦后去撞擊陽極。常用兩種類型，圓焦點(diǎn)型和線焦點(diǎn)型。X-射線管的構(gòu)成8/22/20236陰極。一般由發(fā)射電子的燈絲和聚焦電子的凹面陰極體組成。用低壓電子聚焦

從燈絲發(fā)射出的電子，由于庫侖力的作用而相互排斥，使電子流在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)散。因此實(shí)際中采用凹面陰極體，置于燈絲后，且將燈絲一端與陰極體相連，接在同一電源上，使陰極體具有比燈絲電位更低的電位，使陰極體排斥電子，可起到使電子初聚焦的作用。陰極體可收集二次電子，防止危害發(fā)生。二次電子是由陽極發(fā)射(反射)出來的電子，二次電子可撞擊燈絲使其發(fā)生斷裂，撞在玻璃上可造成玻璃破裂。8/22/20237電子聚焦從燈絲發(fā)射出的電子，由于庫侖力的作用而相互排斥，使陽極。功能是產(chǎn)生X射線,按結(jié)構(gòu)分有固定式和旋轉(zhuǎn)式兩種。

固定式陽極一般為鑲嵌在銅制圓柱柱端斜面上的小鎢塊（靶）,僅適用于管電流小，曝光時(shí)間較長的便攜式牙科和骨科用的X光機(jī)中。旋轉(zhuǎn)陽極是將陽極和陽極體做成圓盤狀，并用小電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，這樣陽極時(shí)刻都以“新的靶面”接受電子束的轟擊，使產(chǎn)生的熱量均勻分散到整個(gè)靶面上，避免了局部過熱。8/22/20238陽極。功能是產(chǎn)生X射線,按結(jié)構(gòu)分有固定式和旋轉(zhuǎn)式兩種。固

特殊X射線管：1）柵控X射線管：在陰極和陽極之間加上控制柵極，控制管電流的截至和導(dǎo)通，從而控制X射線的截至和導(dǎo)通。特點(diǎn)：燈絲發(fā)射特性比一般X線管差，不適用于大容量的X線機(jī)?？色@得微焦點(diǎn)，適用用于放大X射線攝影；可使病人和操作者接受的X線輻射劑量減少，X線管負(fù)載降低；能實(shí)現(xiàn)快速斷續(xù)X線攝影，提高X線影像清晰度。2）軟X射線管：用于對(duì)乳房等軟組織進(jìn)行X射線攝影，以提高X射線影像的反差。軟X射線的能量較低，管壁對(duì)X射線的吸收不容忽視；產(chǎn)生軟X射線的管電壓較低，20～50KV，造成了燈絲發(fā)射電子的困難。軟X射線管采用鉬靶，發(fā)射率雖比鎢靶低(0.57倍)，但具有一19.5KeV標(biāo)識(shí)輻射的優(yōu)點(diǎn)，此輻射經(jīng)具有特征吸收特性的鋯(Zr)的濾過層，可獲得近于單色(0.07mm)的軟X射線，從而可獲得較為理想的攝影效果。

8/22/20239特殊X射線管：8/2/20239X射線管的電特性：1）管電壓與管電流之間的關(guān)系：與飽和二極管類似，即管電流的大小主要決定于燈絲加熱電流或燈絲電壓。隨著管電壓的升高，管電流在一定范圍內(nèi)也增加。但是，隨著管電壓的增大，管電流升高到某一臨界值時(shí)，就不再隨管電壓而變化，且保持一恒定值，即達(dá)到“電壓飽和”。臨界值的大小隨燈絲加熱電流的增加而增大。2）燈絲電流與管電流之間的關(guān)系：當(dāng)管電壓一定，且低于某一較低的臨界值時(shí)，管電流并不隨燈絲電流的繼續(xù)增加而升高。當(dāng)加熱電流低于某i0值時(shí)，燈絲還不能有足夠的熱電子發(fā)射，則管電流為零。當(dāng)燈絲電流大于i0時(shí)，管電流開始緩慢增長，隨著燈絲電流的不斷升高，管電流的增大才顯著起來，曲線也越陡。

8/22/202310X射線管的電特性：8/2/2023101.1.2X射線的產(chǎn)生在X射線管中，從陰極發(fā)射的熱電子，經(jīng)陰、陽兩極間的電場(chǎng)加速后，電子的速度已非常高。此高速電子與靶物質(zhì)相互作用，能量損失，速度驟減。這種相互作用十分復(fù)雜，一般情況下，電子在失去它的全部能量前要經(jīng)受很多次同靶原子的碰撞，其能量損失分為碰撞損失

(collisionloss)和輻射損失(raditionloss)兩種情況。碰撞損失只涉及高速電子與外層電子的作用，碰撞損失的能量將全部轉(zhuǎn)化為熱能。而輻射損失則涉及高速電子與內(nèi)層電子和原子核的作用。通過輻射損失的能量，大部分是以X射線的形式輻射出去的，它不足電子總能量的1％。8/22/2023111.1.2X射線的產(chǎn)生在X射線管中，從陰極發(fā)射的熱電子Theelectrons

arefirstemittedfromaheatedfilament,byaprocesscalledthermionicemission.Theyarethenaccelerated

acrosstheevacuatedX-raytube,undertheactionofalargevoltageacrossthetube,thefilamentformingthenegativecathodeandthetargetbeingpositiveanode.Onstrikingthetarget,theelectronslosemost(about99%)oftheirenergyinlow-energycollisionswithtargetatoms,resultinginasubstantialheatingofthetarget.Therestoftheelectronenergy

(usuallylessthan1%)reappearsasX-rayradiation.

8/22/202312TheelectronsarefirstemitteArapidly-rotatinganodeisgenerallyused.Itsbevellededgeformsthe(tungsten)targetsurfaceontowhichtheelectronbeamisfocused.Thetargetareaunderbombardmentisconstantlychanging,thusreducinglocalheatconcentration.(YoucanoftenhearthewhirringoftheanodemotorduringthetakingofanX-ray.Copper,beinganexcellentheatconductor,isusedfortheanodemountings.Oil,circulatingintheouterhousing,,assistswithconvectivecooling(aswellasprovidingelectricalinsulation).8/22/202313Arapidly-rotatinganodeisge

X射線的產(chǎn)生連續(xù)X射線：高速運(yùn)動(dòng)電子與靶原子核作用。特征X射線：原子核外電子的躍遷。

連續(xù)輻射/韌致輻射：高速帶電粒子在靶物質(zhì)的原子核電場(chǎng)作用下，改變運(yùn)動(dòng)方向和速度，所損失的動(dòng)能中，有一部分轉(zhuǎn)化為能量等于hν的光子輻射出去。由于各帶電粒子與原子核相互作用情況不同，所以輻射出來的X射線光子能量也不一樣，具有連續(xù)的能譜分布。

+連續(xù)X射線14

8/22/202314+連續(xù)X射線148/2/202314連續(xù)X射線譜的特征

連續(xù)譜的X射線強(qiáng)度是隨波長的變化而連續(xù)變化的。每條曲線都有一個(gè)峰值；曲線在波長增加的方向上都無限延伸，但強(qiáng)度越來越弱；在波長減小的方向上，曲線都存在一個(gè)稱為短波極限波長的極限值。隨著管壓的升高，輻射強(qiáng)度均相應(yīng)地增強(qiáng)。同時(shí)，各曲線所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度峰值和短波極限的位置均向短波方向移動(dòng)。

h：普朗克常數(shù)c：光速V：加速電子的電場(chǎng)電壓e：電子電荷量νmax

：X射線的頻率λmin：X射線的波長連續(xù)X射線的能量：8/22/202315連續(xù)X射線譜的特征連續(xù)譜的X射線強(qiáng)度是隨波長的變化而連續(xù)變

X射線的產(chǎn)生

特征輻射/標(biāo)識(shí)輻射（characteristicX-radiation）：當(dāng)高速電子與陽極靶面撞擊時(shí)，也可能與原子的內(nèi)層電子相互作用而將內(nèi)層電子轟出，使原子呈不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)具有較高勢(shì)能的外層電子填補(bǔ)內(nèi)層電子空位時(shí)，即釋放出多余的能量。這種能量的輻射稱為特征輻射。

特征X射線的能量:

h：普朗克常數(shù)ν

：X射線的頻率λ

：X射線的波長c：光速En1：軌道能級(jí)（外）En2：軌道能級(jí)（內(nèi)）+特征X射線8/22/202316X射線的產(chǎn)生

特征X射線的能量:h：普朗克常

特征輻射/標(biāo)識(shí)輻射標(biāo)識(shí)X射線的波長同陽極靶原子的結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，僅取決于陽極靶物質(zhì)，與X射線產(chǎn)生過程中的其它因素?zé)o關(guān)。不同靶材料的輻射光子的能量和波長也不同。每一種元素的標(biāo)識(shí)X射線的波長是固定不變的。產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線的最低激發(fā)電壓U必須滿足

為最低激發(fā)電壓，不同的激發(fā)電壓產(chǎn)生的標(biāo)識(shí)X射線量占總的X射線量的比率是不同的。

X射線譜示意圖W為脫出能。當(dāng)時(shí)8/22/202317

特征輻射/標(biāo)識(shí)輻射W為脫出能。當(dāng)時(shí)8/2/202317X射線強(qiáng)度X射線波長特征X射線管電壓V1>V2>V38/22/202318X射線強(qiáng)度X射線波長特征X射線管電壓V1>V2>V38/2/1）連續(xù)譜的形狀與靶的材料無關(guān)。2）連續(xù)譜存在一最大的能量值，它取決于管電壓。

3）標(biāo)識(shí)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(guān)系，主要決定于靶物質(zhì)的原子序數(shù)，原子序數(shù)越高，產(chǎn)生的標(biāo)識(shí)輻射的波長越短。

8/22/2023191）連續(xù)譜的形狀與靶的材料無關(guān)。8/2/2023191.1.3X射線管的焦點(diǎn)及

焦點(diǎn)的性能參量實(shí)際焦點(diǎn)

燈絲發(fā)射的電子，經(jīng)聚焦加速后，透射在陽極靶上的面積。有效焦點(diǎn)

X射線管的實(shí)際焦點(diǎn)在垂直于X射線管軸線方向上投影的面積，即X射線照射在膠片上的有效面積。兩個(gè)焦點(diǎn)都具有面積的量綱，它們之間通過靶角（targetangle）建立起一定關(guān)系。有效焦點(diǎn)面積＝實(shí)際焦點(diǎn)面積×sinθ

靶角越小，有效焦點(diǎn)的長度越小，即有效焦點(diǎn)的面積也越小。實(shí)際焦點(diǎn)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(duì)散熱越有利。但有效焦點(diǎn)的面積也將增大，必然引起在膠片上所成影像的清晰度8/22/2023201.1.3X射線管的焦點(diǎn)及

焦點(diǎn)的性能參量實(shí)X射線管焦點(diǎn)性能參量

1）X射線管焦點(diǎn)的方位特性2）焦點(diǎn)的X線量分布

3）管球焦點(diǎn)對(duì)成像的影響

8/22/202321X射線管焦點(diǎn)性能參量1）X射線管焦點(diǎn)的方位特性8/2/20X射線管焦點(diǎn)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(diǎn)，投影的方位不同，有效焦點(diǎn)的尺寸也不一樣。越靠近X射線管陰極方向所得到的焦點(diǎn)越大，而越靠向X射線管陽極方向所得焦點(diǎn)越小。

Return8/22/202322X射線管焦點(diǎn)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(diǎn)的X線量分布1、X光子數(shù)目；2、每個(gè)X光子的平均能量。

X射線的量就是X射線能量在某一時(shí)間內(nèi)的積累，單位時(shí)間的X射線的量就是X射線的強(qiáng)度。

在X射線管中，X射線強(qiáng)度的分布是不均勻分布。原因有兩個(gè)：1）抵達(dá)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(shù)密度不盡相同；抵達(dá)靶面上各處的電子與靶原子作用的情況千差萬別－>靶面上各處輻射的單個(gè)X光子的能量千差萬別。

8/22/202323焦點(diǎn)的X線量分布1、X光子數(shù)目；在X射線管中，X射線強(qiáng)度的分階梯直槽的電位分布及電子軌跡

聚焦槽的形狀及深度對(duì)電子集射影響很大?？赏ㄟ^選取適當(dāng)?shù)牟凵罴盁艚z的相對(duì)深度，使主、副焦點(diǎn)重合，形成雙峰分布的焦點(diǎn)。醫(yī)學(xué)診斷用X射線管的焦點(diǎn)寬度上X射線強(qiáng)度的分布一般是雙峰分布。Return8/22/202324階梯直槽的電位分布及電子軌跡聚焦槽的形狀及深度管球焦點(diǎn)對(duì)成像的影響有效焦點(diǎn)大小的影響：有效焦點(diǎn)越小，得到的影像越清晰。當(dāng)有效焦點(diǎn)為點(diǎn)光源時(shí)，膠片上的圖像界線分明，圖像邊界的清晰度高；當(dāng)有效焦點(diǎn)是面積為S，線度為AB的面光源時(shí)，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(yán)重時(shí)甚至造成影像無從辨認(rèn)。8/22/202325管球焦點(diǎn)對(duì)成像的影響有效焦點(diǎn)大小的影響：有效焦點(diǎn)越小，得到的

半影

縮小半影的方法：縮小有效焦點(diǎn)面積S；縮短被攝部位與膠片間的距離。

8/22/2023268/2/202326管球焦點(diǎn)對(duì)成像的影響焦點(diǎn)面上X射線強(qiáng)度的分布不均勻產(chǎn)生的影響：若有效焦點(diǎn)的大小相同，但在焦點(diǎn)面上X射線強(qiáng)度的分布不均勻，那么所成影像的分辨率不同，也將使密度分辨率變差。焦點(diǎn)中央X射線強(qiáng)度越強(qiáng)，半影的影響越小，即高斯分布的X射線強(qiáng)度產(chǎn)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。Return8/22/202327管球焦點(diǎn)對(duì)成像的影響焦點(diǎn)面上X射線強(qiáng)度的分布不均勻產(chǎn)生的影響1.1.4X射線管的容量大量速度極高的電子打在陽極靶上將產(chǎn)生很多熱量，允許產(chǎn)熱(或能承受熱量)的最大負(fù)荷量，稱為X射線管的容量。影響容量的因素有：實(shí)際焦點(diǎn)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(shí)間焦點(diǎn)上電子分布的情況

陽極的構(gòu)造及冷卻方式8/22/2023281.1.4X射線管的容量大量速度極高的電子打在陽極靶上X射線管容量的計(jì)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)＝8/22/202329X射線管容量的計(jì)算容量（單位：kW）管電壓有效值（單位：k小焦點(diǎn)可使影像清晰。

但是焦點(diǎn)越小，在焦點(diǎn)上集聚的能量越高，產(chǎn)生的熱量也就越高。因?yàn)橹挥屑s0.5%的電能轉(zhuǎn)化為X射線的能量，99.5%以上的能量轉(zhuǎn)化為熱能。

最終將導(dǎo)致焦點(diǎn)面熔化。

解決辦法：

雙焦點(diǎn)技術(shù)、旋轉(zhuǎn)陽極技術(shù)和水或油循環(huán)冷卻技術(shù)

8/22/202330小焦點(diǎn)可使影像清晰。

但是焦點(diǎn)越小，在焦點(diǎn)上集聚的能量越高，在透視時(shí)使用小焦點(diǎn)在攝影時(shí)使用大焦點(diǎn)高

壓正KV負(fù)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(diǎn)技術(shù)8/22/202331在透視時(shí)使用小焦點(diǎn)高壓正KV負(fù)KV大焦小焦大焦旋轉(zhuǎn)陽極技術(shù)

通過陽極旋轉(zhuǎn)來擴(kuò)大焦點(diǎn)面積，提高球管的散熱率，從而提高球管的功率。旋轉(zhuǎn)陽極球管旋轉(zhuǎn)速率有2700rpm、8500rpm(3倍頻)，甚至16000rpm(6倍頻)。旋轉(zhuǎn)陽極球管的靶面8/22/202332旋轉(zhuǎn)陽極技術(shù)通過陽極旋轉(zhuǎn)來擴(kuò)大焦點(diǎn)面積，提高球管的水或油循環(huán)冷卻技術(shù)真空

油在CT中使用油循環(huán)X線管在心血管造影機(jī)X線機(jī)中使用水循環(huán)X線球管8/22/202333水或油循環(huán)冷卻技術(shù)真空油在CT中使用油循環(huán)第二節(jié)、X射線輻射場(chǎng)的空間分布1、X射線的物理特征2、X射線的強(qiáng)度3、X射線的濾過和硬化4、輻射場(chǎng)的角分布8/22/202334第二節(jié)、X射線輻射場(chǎng)的空間分布8/2/202334本質(zhì)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γ射線之間。與普通光線一樣具有微?！▌?dòng)二重性，每個(gè)X射線光子具有一定的能量E=hυ，并以光的速度直線傳播。同時(shí)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(chǎng)或電場(chǎng)的影響。

1.2.1X射線的物理特征8/22/2023351.2.1X射線的物理特征8/2/2023351、貫穿本領(lǐng)

X射線的波長很短，對(duì)各種物質(zhì)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(zhì)結(jié)構(gòu)和原子性質(zhì)有關(guān)。同一X射線，對(duì)原子序數(shù)較低元素組成的物體貫穿本領(lǐng)較強(qiáng)，對(duì)原子序數(shù)較高元素組成的物體貫穿本領(lǐng)相對(duì)較弱。

X射線對(duì)人體不同組織的穿透性不同——X射線醫(yī)學(xué)影像學(xué)的基礎(chǔ)

人體組織對(duì)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(jié)締組織骨骼肌肉組織脂肪組織軟骨血液

8/22/2023361、貫穿本領(lǐng)8/2/2023362、熒光作用

當(dāng)射線照射某種物質(zhì)時(shí)，能夠發(fā)出熒光，具有這種光特性的物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)。如鎢酸鈣、鉑氰化鋇、銀激活的硫化鋅鎘等熒光物質(zhì)受X射線照射時(shí)，物質(zhì)原子被激發(fā)或電離，當(dāng)被激發(fā)的原子恢復(fù)到基態(tài)時(shí)，便可放出熒光。X射線熒光作用的應(yīng)用：X射線透視熒光屏、增感屏、影像增強(qiáng)器、閃爍計(jì)數(shù)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(chǎn)生一次電離，脫離了原子的電子還能與其他原子碰撞產(chǎn)生二次電離。X射線電離作用的應(yīng)用：

X射線劑量儀器探頭原理及X射線損傷和治療的基礎(chǔ)。

8/22/2023372、熒光作用8/2/2023374、X射線的化學(xué)和生物特性1）、感光作用X射線與可見光一樣，可使膠片感光。膠片乳劑中的溴化銀受X射線照射感光，經(jīng)化學(xué)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(xué)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(zhì)經(jīng)X射線長期照射后，因結(jié)晶體脫水而逐漸改變顏色。如熒光屏、增感紙、鉛玻璃等經(jīng)X射線長期照射后都會(huì)逐漸變色。3）、生物效應(yīng)

X射線在生物體內(nèi)能產(chǎn)生電離及激發(fā)作用，也就是使生物產(chǎn)生生物效應(yīng)，它是放射治療的基礎(chǔ)，也是射線工作者應(yīng)注意防護(hù)的原因。

8/22/2023384、X射線的化學(xué)和生物特性8/2/202338X射線在空間某點(diǎn)的強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位橫截面積的輻射能量。

在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，常用X射線的量和質(zhì)表示X射線的強(qiáng)度。

單色X射線強(qiáng)度：I=N?hυ

復(fù)色X射線強(qiáng)度：I總=∑Ni?hυi=N1?hυ1+N2?hυ2+N3?hυ1+…

X射線束內(nèi)的光子數(shù)目X射線光子的能量1.2.2X射線的強(qiáng)度（IntensityofX-rays)

8/22/202339X射線在空間某點(diǎn)的強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位橫影響連續(xù)X射線強(qiáng)度的因素①靶物質(zhì)I∝Z

②管電流I∝i

③管電壓I∝U28/22/202340影響連續(xù)X射線強(qiáng)度的因素①靶物質(zhì)I∝Z8/2/20234X射線的量與質(zhì)的表示：

X射線的量：管電流×曝光時(shí)間（mA×s）X射線的質(zhì)：管電壓（kV）X射線的質(zhì)/線質(zhì)一般用于表示X射線的硬度(hardnessofX-ray)

X射線的三個(gè)參量：

管電壓(kVp)

管電流(mA)

曝光時(shí)間(s)

在X線管加上高壓產(chǎn)生X射線的時(shí)間穿透物質(zhì)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8/22/202341X射線的量與質(zhì)的表示：在X線管加上穿透物質(zhì)的能力X射線陽X射線質(zhì)的分類及用途

產(chǎn)生硬X射線，除了選用高的管電壓和選用原子序數(shù)較大的材料做陽極靶外，還應(yīng)選擇原子序數(shù)較大和厚度較大的濾過板。產(chǎn)生軟X射線則相反，除選用低的管電壓和用原子序數(shù)較小的材料做陽極靶外，還需要采用特殊結(jié)構(gòu)的軟X射線設(shè)備，即用鈹制成的X射線輸出窗口。X射線影像采用的是前兩種較軟的X射線。

8/22/202342X射線質(zhì)的分類及用途8/2/202342固有濾過：從X射線管陽極發(fā)射出的原級(jí)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(dá)被投照部位前放置一定物質(zhì)產(chǎn)生的濾過。

附加濾過可使：X射線總強(qiáng)度減小

波長分布均勻

平均硬度提高

半價(jià)層：使X射線的強(qiáng)度減弱到其初始值一半時(shí)所需的濾過板厚度。反映X射線束的穿透能力。

半價(jià)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(biāo)準(zhǔn)鋁板后，其強(qiáng)度減弱了一半，則可稱這束X射線的半價(jià)層為2mm鋁。1.2.3X射線的濾過和硬化

8/22/202343固有濾過：從X射線管陽極發(fā)射出的原級(jí)X射線穿過管壁后，被吸收從陽極靶上發(fā)射的X射線在不同的方位角上，輻射強(qiáng)度不同。這種不均勻分布稱為輻射強(qiáng)度空間分布或輻射場(chǎng)的角分布。它主要取決于入射電子的能量、靶物質(zhì)及靶厚度等因素。

薄靶周圍X射線強(qiáng)度的角分布

厚靶產(chǎn)生的X射線空間分布1.2.4

輻射場(chǎng)的角分布

8/22/202344從陽極靶上發(fā)射的X射線在不同的方位角上，輻射強(qiáng)度不同。這種不薄靶周圍X射線強(qiáng)度的角分布低能電子束沖擊薄靶產(chǎn)生的X射線強(qiáng)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(qiáng)度相對(duì)較小；與電子束相反方向上X射線強(qiáng)度近似為零。靶越薄，上述結(jié)論越正確。

根據(jù)薄靶產(chǎn)生X射線的空間分布的特點(diǎn)，在管電壓較低時(shí)，利用反射式靶在技術(shù)上很有好處；但對(duì)使用超高壓X射線管時(shí)，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(chǎn)生的高能X射線用的就是穿透式靶。Return8/22/202345薄靶周圍X射線強(qiáng)度的角分布低能電子束沖擊薄靶產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度厚靶產(chǎn)生的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(dāng)高能電子轟擊靶面時(shí)，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(zhì)內(nèi)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(duì)它的吸收也越多；越靠近OA方向，靶對(duì)它吸收越少。

8/22/202346厚靶產(chǎn)生的X射線空間分布用于醫(yī)療診斷方面的X射線管，其陽極靶第三節(jié)、X射線在介質(zhì)中的衰減1、作用概率與截面2、主要作用形式3、擴(kuò)散衰減4、吸收衰減的規(guī)律8/22/202347第三節(jié)、X射線在介質(zhì)中的衰減8/2/2023471.3.1作用概率與截面作用概率η：表示射線通過物質(zhì)層時(shí)強(qiáng)度的相對(duì)減弱，也表示一個(gè)粒子與物質(zhì)相互作用的概率。

I0為入射強(qiáng)度，I為出射強(qiáng)度，ΔI=I-I0，-ΔI/I0表示束流減弱的程度。作用截面σ：一個(gè)入射粒子與一個(gè)靶粒子發(fā)生相互作用的概率。N為靶物質(zhì)的靶粒子密度（單位體積內(nèi)的靶粒子數(shù)），ΔX為靶物質(zhì)的厚度。

8/22/2023481.3.1作用概率與截面作用概率η：表示射線通過物質(zhì)層時(shí)射線強(qiáng)度與作用截面之間的關(guān)系顯然σN就是線性衰減系數(shù)μ，可見作用截面與衰減系數(shù)，只是同一物理性質(zhì)的不同表示方式。

8/22/202349射線強(qiáng)度與作用截面之間的關(guān)系顯然σN就是線性衰減系數(shù)μ，可見Ⅰ.光電效應(yīng)(photoelectriceffect)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(jié)合能脫離軌道，成為光電子，另一部分則作為光電子動(dòng)能被帶走。

發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電子從原子內(nèi)殼層出射后，外殼層的電子將填補(bǔ)空穴，隨之輻射出標(biāo)識(shí)X射線。

光電效應(yīng)的產(chǎn)物：光電子、正離子(產(chǎn)生光電子的原子)、新的光子（標(biāo)識(shí)輻射光子）

+X射線光電效應(yīng)光電子光電效應(yīng)的能量供受關(guān)系：Ee：電子的動(dòng)能Ex:X射線的能量Ei:第i層電子結(jié)合能50

內(nèi)光電效應(yīng)產(chǎn)生幾率與X射線光子能量的三次方成反比，與物質(zhì)原子序數(shù)的四次方成正比。1.3.2主要作用形式

8/22/202350Ⅰ.光電效應(yīng)(photoelectriceffect)光電效應(yīng)在光電子出射方向上，光電子的數(shù)量與入射X射線的能量有關(guān)。8/22/202351光電效應(yīng)8/2/202351Ⅱ.Compton效應(yīng)(Comptonscattering)

入射X射線與物質(zhì)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(yùn)動(dòng)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(chǎn)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(nèi)衰減

的主要原因。

+入射X射線Compton效應(yīng)Compton電子出射X射線Compton效應(yīng)的能量供受關(guān)系：Ee：電子的動(dòng)能Ex:X射線的能量θ:散射角（如圖）meC2:電子的靜態(tài)質(zhì)量能θ8/22/202352Ⅱ.Compton效應(yīng)(Comptonscattering

康普頓散射原理圖

8/22/202353康普頓散射原理圖8/2/202353+X射線正電子電子對(duì)效應(yīng)負(fù)電子電子對(duì)效應(yīng)的能量供受關(guān)系：Ee：電子的動(dòng)能Ex:X射線的能量meC2:電子的靜態(tài)質(zhì)量能Ⅲ.電子對(duì)效應(yīng)(electricpaireffect)

入射X射線光子進(jìn)入吸收物質(zhì)行近原子核時(shí)，受到原子核電場(chǎng)的作用，會(huì)突然消失而轉(zhuǎn)換成一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，這一現(xiàn)象稱為電子對(duì)效應(yīng)。

一個(gè)電子的靜止能量為0.511MeV,故電子對(duì)效應(yīng)中的電子總動(dòng)能為：

E2e=hυ-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(chǎn)生的電子對(duì)的動(dòng)能。8/22/202354+X射線正電子電子對(duì)效應(yīng)負(fù)電子電子對(duì)效應(yīng)的能量供受關(guān)系：Ee各種作用發(fā)生的相對(duì)幾率8/22/202355各種作用發(fā)生的相對(duì)幾率8/2/202355引起X射線在物質(zhì)內(nèi)傳播過程中的強(qiáng)度減弱，包括擴(kuò)散衰減（能量分散）和吸收衰減（與物質(zhì)相互作用）兩方面。擴(kuò)散衰減：若不考慮介質(zhì)的吸收，在半徑不同的球面上，X射線強(qiáng)度的減弱遵守反平方規(guī)律：

式中I1、I2分別表示半徑為r1和r2的球面上X射線的強(qiáng)度。應(yīng)注意此式只適用于點(diǎn)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(diǎn)到膠片的距離來調(diào)節(jié)X射線的強(qiáng)度。1.3.3擴(kuò)散衰減

8/22/202356引起X射線在物質(zhì)內(nèi)傳播過程中的強(qiáng)度減弱，包括擴(kuò)散衰減（能量分Ⅰ.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(shí)，稱為窄束X射線。單能窄束X射線在物質(zhì)中的衰減：

令ΔX→01.3.4吸收衰減的規(guī)律8/22/202357令ΔX→01.3.4吸收衰減的規(guī)律8/2I為穿過某一物質(zhì)后的X射線強(qiáng)度；I0為射入該物質(zhì)之前的X射線強(qiáng)度；μ為該物質(zhì)的吸收系數(shù)（不同物質(zhì)的μ值不同，由物質(zhì)的物理特性決定）；X為該物質(zhì)的厚度；

II0

X衰減公式：衰減方程：58

8/22/202358I為穿過某一物質(zhì)后的X射線強(qiáng)度；II0X衰減公式：衰兩個(gè)概念：

線性衰減系數(shù)μ

、

質(zhì)量衰減系數(shù)μm

線性衰減系數(shù)：或(單位：m-1)

線性衰減系數(shù)μ的物理意義：X射線穿過單位厚度的物質(zhì)薄層時(shí)，強(qiáng)度減弱的百分?jǐn)?shù)。

線性衰減系數(shù)＝作用截面×靶粒子密度質(zhì)量衰減系數(shù)：

當(dāng)入射X射線能量一定，吸收物質(zhì)一定（單位：)時(shí)，線性衰減系數(shù)與物質(zhì)密度成正比。

為消除ρ的相關(guān)性，引入質(zhì)量衰減系數(shù)：

——質(zhì)量厚度

8/22/202359兩個(gè)概念：線性衰減系數(shù)μ、質(zhì)量衰減系數(shù)μm8/2

幾種常見物質(zhì)在不同光子能量時(shí)的質(zhì)量衰減系數(shù):()

光子能量

氫

碳

氧

氮

鈉

鎂

碘

氬

鉀

鈣MeV0.0109.92×10－40.1490.5600.3421.452.094.016.207.709.98

0.0151.10×10－30.05170.1490.09160.4430.6091.191.942.462.89

0.0201.33×10－30.02030.05890.03600.1770.2470.500.8311.051.25

衰減公式：

質(zhì)量厚度質(zhì)量衰減系數(shù)8/22/202360

幾種常見物質(zhì)在不同光子能量時(shí)的質(zhì)量衰減系數(shù):(AttenuationCoefficientAttenuationcoefficientstellyouthe“x-rayblockingpower”ofamaterial.5105010015010.1AttenuationCoefficientPhotonEnergy(keV)500BoneMuscleFat8/22/202361AttenuationCoefficientAttenuaAttenuationCoefficientCoefficientdependsonthepropertyofthematerial.Density(Bonehasahighdensitycomparedtosofttissues)ChemicalMake-up(Leadblocksx-rays;leadscreeningusedtoprotectpatient&technicians)8/22/202362AttenuationCoefficientCoeffic第四節(jié)、X射線在人體組織內(nèi)的衰減1、混合物和化合物得質(zhì)量衰減系數(shù)2、化合物的有效原子序數(shù)3、連續(xù)能譜X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律4、X射線在人體組織內(nèi)的衰減8/22/202363第四節(jié)、X射線在人體組織內(nèi)的衰減8/2/2023631.4.1混合物和化合物的質(zhì)量衰減系數(shù)

組成人體的物質(zhì)非單一物質(zhì)，醫(yī)用X射線也非單能窄束。

例題：

若空氣中各組分的質(zhì)量百分比為氮75％，氧23.7％，二氧化碳1.3％，試計(jì)算在能量為10keV光子作用下，空氣的質(zhì)量衰減系數(shù)是多少？已知氮、氧、二氧化碳的質(zhì)量衰減系數(shù)分別為0.36、0.587、和8.31()

解：空氣的質(zhì)量衰減系數(shù)為

＝0.36×0.75＋0.587×0.237＋8.31×0.013

＝0.27＋0.139＋0.108

＝0.515（

）第i種元素的質(zhì)量衰減系數(shù)第i種元素在化合物或混合物中所占質(zhì)量的百分比8/22/2023641.4.1混合物和化合物的質(zhì)量衰減系數(shù)第i種元

X射線束的線性衰減系數(shù)隨原子序數(shù)的增大而增大。對(duì)于混合物或化合物常采用有效原子序數(shù)/平均原子序數(shù)來描述其對(duì)X射線的衰減性質(zhì)。

例：求水分子H2O的有效原子序數(shù)

解：1.4.2化合物的有效原子序數(shù)8/22/202365X射線束的線性衰減系數(shù)隨原子序數(shù)的增大而增大。1.4.2

線性衰減系數(shù)與吸收物質(zhì)的密度成正比，故當(dāng)射線穿過相同物體時(shí)，密度大的物質(zhì)對(duì)X射線的衰減能力強(qiáng)。故實(shí)際中多采用密度大的物質(zhì)做屏蔽材料。但對(duì)復(fù)合材料而言，由于各成分元素的吸收很不相同，可與較大能量范圍的光子共振吸收，所以即使密度較小，對(duì)X射線也有較強(qiáng)的吸收。

例如：XF型防護(hù)材料是由石墨、氧化鋇、三氧化鎢、氧化鋁以及微量的鋅、鈣、鈦、銀、鎂等按一定比例配合而成的復(fù)合材料。其密度

雖小于鐵的密度

，但XF型防護(hù)材料對(duì)X射線的衰減能力，在100kV時(shí)為鐵的1.2倍，在150kV時(shí)為鐵的1.5倍。8/22/202366線性衰減系數(shù)與吸收物質(zhì)的密度成正比，故當(dāng)射線穿過8/2/X射線在物質(zhì)中衰減，主要是X射線光子與物質(zhì)中的電子相互作用，因此，電子數(shù)目越多的物質(zhì)，更易使X射線衰減。某些常見物質(zhì)的密度和電子數(shù)物質(zhì)

密度

每千克電子數(shù)

每立方米電子數(shù)

有效原子序數(shù)

氫0.0899