第一節(jié)x線的產(chǎn)生16

第一章Ｘ射線物理X線影像學(xué)是醫(yī)學(xué)影像學(xué)的重要組成部分。X線成像技術(shù)已經(jīng)走過(guò)一個(gè)世紀(jì)的歷程。它是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像診斷學(xué)中基礎(chǔ)最雄厚、歷史最悠久的一門(mén)影像技術(shù)。一百年來(lái)，它有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，然而真正的所謂革命性的變革是在1972年世界上出現(xiàn)第一臺(tái)X一CT以后才取得的。它是傳統(tǒng)的X線技術(shù)與電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)巧妙結(jié)合的產(chǎn)物。計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅使X線技術(shù)本身獲得了新的生命力，出現(xiàn)了各類X一CT和新穎的數(shù)字減影裝置，而且還為綜合的醫(yī)學(xué)影像診斷學(xué)的形成奠定了基礎(chǔ)。本篇中主要介紹X線的產(chǎn)生、X線的性質(zhì)、X線與物質(zhì)的相互作用、X線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用和x線劑量，并且著重介紹x線影像的質(zhì)量評(píng)價(jià)及保證、x一CT成像的基本原理以及X一CT的影像質(zhì)量評(píng)價(jià)及其控制。X線的發(fā)現(xiàn)及產(chǎn)生第一節(jié)X線的發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)生1895年11月8日,德國(guó)著名物理學(xué)家倫琴(W.Ｃ.Roentgen)在研究稀薄氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)了X線。德國(guó)的物理學(xué)家-倫琴（1845-1923）

倫琴1845年3月27日生于荷蘭。小時(shí)候在荷蘭讀書(shū)，后來(lái)在德國(guó)左林大學(xué)讀書(shū)，大學(xué)畢業(yè)后，在德國(guó)符次堡大學(xué)任助教、教授。23歲時(shí)，他獲得博士學(xué)位。1923年2月10日在幕尼黑逝世。

1895年10月間，倫琴在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究陰極射線管放電現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)用黑紙包得很好的照相底片感光了。他以為是陰極射線造成的，為了避免再次感光，１１月8日晚，他把陰極射線管用厚的黑紙包好，接通陰極射線管的電源，果然看不到陰極射線管壁發(fā)出的熒光，但是他卻發(fā)現(xiàn)了更加奇怪的現(xiàn)象。在漆黑的實(shí)驗(yàn)室里，距陰極射線管兩米以外的一塊涂有鉑氰化鋇的紙板上發(fā)著綠色的熒光。關(guān)閉陰極射線管的高壓電源，涂有鉑氰化鋇的紙板上的熒光消失。這一偶然的發(fā)現(xiàn)引起了倫琴的注意。他認(rèn)為，陰極射線管內(nèi)的陰極射線被玻璃管壁阻止，所以鉑氰化鋇紙板發(fā)出的熒光不是由陰極射線引起，當(dāng)然更不是管內(nèi)發(fā)出的可見(jiàn)光引起(管子用黑紙包著)。因此倫琴斷言，一定是從陰極射線管發(fā)出的一種新的射線，透過(guò)黑紙，照射在鉑氰化鋇紙板上，使其發(fā)出熒光，并能使照相底片感光。

為了證實(shí)他的斷言，倫琴把手伸在陰極射線管和鉑氰化鋇紙板之間，他吃驚地在紙板上看到了自己的手像，而且在很淡的手影之間，還顯出了非常清楚的骨骼的影子。面對(duì)這個(gè)新的發(fā)現(xiàn)，倫琴很激動(dòng)，他用各種各樣的東西放在這看不見(jiàn)的射線中試驗(yàn)，一直搞到天亮。他發(fā)現(xiàn)，紙片以至厚的水板都擋不住這種射線，只有較厚的鉛片才能把它擋住。磁場(chǎng)不能使這種射線偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明它不帶電，不同于陰極射線。射線通過(guò)三棱鏡不發(fā)生折射，說(shuō)明這種射線不同于普通光線。

于是他把這種奇妙的射線采用數(shù)學(xué)上的未知數(shù)“x”，起名為“x射線”(x-ray)。后來(lái)，人們?yōu)榱思o(jì)念倫琴的功績(jī)，又把“X射線”稱為“倫琴射線”.1895年12月28日，倫琴把自己的發(fā)現(xiàn)寫(xiě)成論文，在德國(guó)的科學(xué)雜志上發(fā)表.1896年1月23日，他在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上正式宣布了這一偉大發(fā)現(xiàn)，同時(shí)，初步揭示了X線的一些性質(zhì)，并當(dāng)眾展示了用X線拍攝的第一張照片—倫琴夫人的手骨像。

第一張X照片倫琴的這一重大發(fā)現(xiàn)不僅在科學(xué)界，而且在社會(huì)上也轟動(dòng)了，全世界各種報(bào)紙雜志都在介紹X射線。倫琴的發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了歐美，美國(guó)《生活》雜志于1896年發(fā)表的這幅漫畫(huà)，著實(shí)渲染了一番X射線的穿透一切的威力。X射線的消息傳到美國(guó)的第四天，就有一位醫(yī)生用X線檢查了受槍傷的病人身上有沒(méi)有留下子彈。從那時(shí)起，用X線檢查人體，為臨床放射診斷奠定了基礎(chǔ)。從倫琴發(fā)現(xiàn)X線到現(xiàn)在已經(jīng)整整100年了，X線不僅日益廣泛地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)診斷和治療上，而且在物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、工業(yè)探傷、科學(xué)研究等方面都發(fā)揮了巨大的作用。

科學(xué)上的任何發(fā)現(xiàn)都不是孤立的，X線的發(fā)現(xiàn)當(dāng)然是與當(dāng)時(shí)各領(lǐng)域中科學(xué)的進(jìn)展分不開(kāi)的。由于當(dāng)時(shí)對(duì)靜電學(xué)和電磁學(xué)的研究和發(fā)展，抽氣機(jī)和靜電發(fā)生器的發(fā)明，才有了較高度的真空和高電壓、真空放電的研究;克魯克斯等人對(duì)陰極射線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，均為倫琴發(fā)現(xiàn)x線提供了必不可少的條件。

事實(shí)上，克魯克斯和其他研究放電管的學(xué)者，在作陰極射線的實(shí)驗(yàn)時(shí)，遠(yuǎn)在倫琴以前就發(fā)現(xiàn)了倫琴發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。然而他們并不認(rèn)為這有什么了不起的意義，底片感光了，拿遠(yuǎn)一點(diǎn)就可以了。

倫琴并不如此，他善于在一般現(xiàn)象中追根求源，因而，他做出了偉大的貢獻(xiàn)。由于這一偉大的發(fā)現(xiàn)，倫琴獲得了科學(xué)界的最高榮譽(yù)—1901年的諾貝爾獎(jiǎng)金，成為第一個(gè)獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)的科學(xué)家。

一、X線的產(chǎn)生條件

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊物質(zhì)而突然受阻減速時(shí)，產(chǎn)生X線。X線的產(chǎn)生

必須具備以下條件:

1.高速電子流。a.電子源，能根據(jù)需要隨時(shí)提供足夠數(shù)量的電子，b.高電位差產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)，使電子從中獲得高速運(yùn)動(dòng)動(dòng)能2.能經(jīng)受高速電子轟擊而產(chǎn)生X線的靶。3.一個(gè)真空度較高的空間，以使電子在其中運(yùn)動(dòng)不受氣體分子的阻擋而減少能量，同時(shí)也保護(hù)燈絲不致因氧化而被燒毀。二、X線管根據(jù)X線產(chǎn)生條件而設(shè)計(jì)制造的X線發(fā)生器，其核心部件是發(fā)射X線的管球稱為X線管。其規(guī)格型號(hào)很多，構(gòu)造特點(diǎn)各不相同.按焦點(diǎn)不同可分為單焦點(diǎn)、雙焦點(diǎn)、微焦點(diǎn)X線管;

按靶物質(zhì)不同可分為鎢靶、鉬靶、金靶等x線管;按陽(yáng)極能否轉(zhuǎn)動(dòng)可分為固定陽(yáng)極、旋轉(zhuǎn)阻極管;此外按管內(nèi)氣壓大小又分為含氣、高真空X線管;另外還有各種特殊X線管，如三極X線管等.但是，不管怎么分類，它們的作用原理是相同的。1.X線管的基本結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上使用的都是高真空熱電子式X線管.第一支高真空熱陰極固定陽(yáng)極X線管是1913年由考林杰(Coolidge)發(fā)明的，如圖所示。在特制的玻璃管內(nèi)封入兩個(gè)電極，一個(gè)是產(chǎn)生和發(fā)射熱電子的陰極，也叫負(fù)極;另一個(gè)是陽(yáng)極，也叫陽(yáng)靶，是高速電子轟擊的目標(biāo);管內(nèi)真空度極高，約為10-6毫米汞柱。陰極陰極(cathode)是X射線管的負(fù)極，包括燈絲和聚焦杯兩部分。燈絲多采用鎢絲繞制而成，因?yàn)殒u具有原子序數(shù)高，z=74，熔點(diǎn)高，熔點(diǎn)為3410℃，蒸發(fā)率低，加工容易，堅(jiān)固價(jià)廉等特點(diǎn)。將鎢絲繞成螺旋型安放在集射罩中，通過(guò)支架將燈絲兩端通在管外，加以2~18v電壓，通過(guò)2~10A電流，燈絲表面溫度逐漸升高，待達(dá)到一定值(約2200℃)時(shí)發(fā)射電子，該過(guò)程稱熱電子發(fā)射．發(fā)射電子數(shù)目與溫度直關(guān)，在一定范圍內(nèi)，燈絲電壓愈高，燈絲電流愈大，發(fā)射的熱電子就愈多。當(dāng)在陰極和陽(yáng)極間加上高電壓時(shí)，這些從燈絲發(fā)出來(lái)的熱電子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下奔向陽(yáng)極而形成管電流。從燈絲發(fā)射出的電子，由于庫(kù)侖力作用而相互排斥，使電子流在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)散。因此，實(shí)際中采用了鉬制成的凹面陰極體，置于燈絲后，如圖所示，且將燈絲一端與陰極體相聯(lián)，接在同一電源上，這相當(dāng)于使陰極體具有比燈絲電位更低的電位，使陰極體排斥電子，就可以起到使電子初聚焦的作用。由圖可見(jiàn)，燈絲與陰極體凹面的相對(duì)位置，對(duì)電子聚焦影響很大。最終金屬鎢還是會(huì)蒸發(fā)的，并沉積在X射線管的內(nèi)壁上。當(dāng)上述情況發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電弧放電，結(jié)果導(dǎo)致X射線管發(fā)生故障。通常，這種故障會(huì)突然發(fā)生。當(dāng)電子從燈絲逸出后，會(huì)暫時(shí)停留在燈絲的周圍。因?yàn)檫@些電子均帶負(fù)電，所以它們之間便會(huì)相互排斥，從而在燈絲周圍形成了一團(tuán)“云”，該電子云即被稱為空間電荷。由于靜電排斥，使得燈絲中其他電子逸出的難度隨之增大，這種現(xiàn)象稱為空間電荷效應(yīng)。燈絲電流燈絲電流的大小由一個(gè)燈絲電路來(lái)控制，形成的電流變化范圍從幾個(gè)到幾十個(gè)安培不等。燈絲電流是X射線管的一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)。陰極發(fā)射電子的發(fā)射率取決于它發(fā)射電子時(shí)的溫度即燈絲電流。管電流從燈絲發(fā)射的電子經(jīng)高壓加速后撞擊在靶上，此時(shí)加在兩極之間的加速電壓稱為管電壓，這種加速后的電子束流稱為管電流。管電流的變化范圍從幾個(gè)到幾百個(gè)毫安培。管電壓從燈絲發(fā)射的電子經(jīng)高壓加速后，撞擊在靶上，此時(shí)加在兩極之間的加速電壓稱為管電壓。燈絲的另外一個(gè)技術(shù)指標(biāo)是保證束流的斑點(diǎn)盡可能小。為了減小束流的斑點(diǎn)大小，需要一個(gè)調(diào)節(jié)電流束斑大小和電子發(fā)射方向的聚焦電路，這種有聚焦作用的電極做成碗狀，所以稱為聚焦杯。由于電子密度很大，空間電荷效應(yīng)明顯，在電子從陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中電子與電子之間的斥力，加大了束斑的尺寸。另一個(gè)決定束流斑點(diǎn)大小的因素是燈絲的尺寸，一般的X射線管都有2個(gè)或3個(gè)不同尺寸的燈絲。管電壓和燈絲電流對(duì)管電流的影響對(duì)于任一給定的燈絲電流，X射線管電流將會(huì)隨著管電壓的升高而增大，當(dāng)管電壓升高到某一值(飽和電壓)時(shí)，管電流達(dá)到其最大值。這個(gè)時(shí)候進(jìn)一步增加管電壓，將不會(huì)使管電流增大。超過(guò)飽和電壓，只有通過(guò)提高燈絲的溫度才能增加管電流。在診斷中為了獲取大的管電流和有用的x射線能量，要選取大的燈絲電流和40―140kv間的管電壓。管電流與燈絲電流的關(guān)系1、當(dāng)燈絲電流低于i0時(shí)，燈絲不能發(fā)射熱電子，管電流為零。2、當(dāng)燈絲電流高于i0時(shí)，管電流開(kāi)始緩慢增長(zhǎng)，隨著燈絲電流的不斷升高，管電流的增大才顯著起來(lái)。2.陽(yáng)極陽(yáng)極(anode)是X射線管的正極，X射線管的陽(yáng)極又稱陽(yáng)靶，它的功能是產(chǎn)生X射線，按陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)分有固定式和旋轉(zhuǎn)式兩種類型。靶：陽(yáng)極中受電子轟擊的區(qū)域。在固定陽(yáng)極X射線管中，靶即為一鑲嵌在銅陽(yáng)極上的鎢合金。而在旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管中，整個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)都是靶。陽(yáng)極的三大功能首先陽(yáng)極是一個(gè)導(dǎo)電體，它接收從陰極發(fā)射出的電子并將它們傳導(dǎo)至與X射線管相連的電纜，使其能返回高壓發(fā)生器;其次陽(yáng)極為X射線管的靶提供機(jī)械支撐;第三陽(yáng)極是一個(gè)良好的熱輻射體。從陰極發(fā)射出的電子與陽(yáng)極發(fā)生作用時(shí)，它們的動(dòng)能大約有99%都轉(zhuǎn)換成熱量。在這些熱量對(duì)陽(yáng)極造成損傷前，必須很快地將其傳導(dǎo)出去。如何恰當(dāng)?shù)貙崃可⑷?，特別是對(duì)大容量X射線管，是大部分工程師都需要克服的困難。固定式陽(yáng)極一般由原子序數(shù)較高的耐高溫的金屬鎢、鉬等制成，為幫助其散熱，通常將陽(yáng)極靶鑲嵌在稱為襯底的銅制陽(yáng)極體上.由于電子撞擊處產(chǎn)生大量熱，因此固定式陽(yáng)極的X射線管僅適用于管電流小、曝光時(shí)間較短的便攜式牙科和骨科用的X光機(jī)中。在普通的攝影中，用鎢作為靶材料具有以下的原因:①鎢原子序數(shù)較高(Z=74)，使其產(chǎn)生X射線的效率高和產(chǎn)生高能X射線;②鎢的熱傳導(dǎo)性幾乎與銅的完全相同，它是一種能夠有效散熱的金屬;③鎢具有很高的熔點(diǎn)3410℃(相比較而言，銅的熔點(diǎn)較低，僅為1100℃)。因此，在大的管電流下，鎢仍能承受而不會(huì)出現(xiàn)傷痕或起泡。固定陽(yáng)極X射線管常用于牙科X射線成像系統(tǒng)、某些移動(dòng)式的成像系統(tǒng)以及其他不需要大的管電流和大功率的特殊用途系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極一般的X射線管通常使用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極，因?yàn)樗鼈儽仨氂心芰υ诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度的X射線束。旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極是將陽(yáng)極做成圓盤(pán)狀，并用小電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，這樣陽(yáng)極時(shí)刻都以“新的靶面”接收電子束的撞擊。由于電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)(2800一8500轉(zhuǎn)/分)，就使產(chǎn)生的熱量均勻分散到整個(gè)靶面上.避免了局部過(guò)熱。在鎢中加人其他金屬(通常為錸)能夠增加它的機(jī)械強(qiáng)度，從而可以承受高速旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力。旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極的X射線管要比固定陽(yáng)極的X射線管功率大的多。大功率的X射線管配有專門(mén)的油循環(huán)器散熱。軟X射線管軟X射線管在對(duì)乳房等軟組織進(jìn)行X射線攝影時(shí)，為了提高X射線影像的反差，須用大劑量軟X射線，因此要使用軟X射線管。由于軟X射線的能量較低，所以X射線管的管壁對(duì)X射線的吸收不容忽視。產(chǎn)生軟X射線的管電壓較低，通常為20一50kV，這就造成了燈絲發(fā)射電子的困難?；谏鲜鰞煞矫娴脑?，軟X射線攝影中的X射線管不采用一般X射線管中的鎢片及硬質(zhì)玻璃的管壁。也不采用鈹窗，這是因?yàn)楸淮半m會(huì)使X射線較容易地出射，但從被窗出射的軟X射線容易對(duì)受檢體造成較大的皮膚劑量，且受檢體有較大的厚度，太低能的X射線也并不合適。目前使用軟X射線管的出射窗采用極薄的玻璃窗。設(shè)計(jì)要求窗的總濾過(guò)不超過(guò)0.6一0·9mm鋁當(dāng)量。軟X射線管采用鉬(Z=42)靶，它的發(fā)射率雖比鎢靶低(為鎢靶的0.57倍)，但鉬靶有一優(yōu)點(diǎn)，即鉬有一19.5keV的標(biāo)識(shí)輻射，此輻射經(jīng)具有特征吸收特性的鋯(Zr)的濾過(guò)層，可獲得近于單色(0.07nm)的軟X射線，從而可獲得較為理想的攝影效果。軟X射線攝影，對(duì)于乳房的腺體組織、結(jié)締組織、脂肪、血管等細(xì)微組織結(jié)構(gòu)，以及乳腺的其它疾病甚至腫瘤的邊緣，都有較清晰的顯示。用于乳腺攝影的專用X射線管的陽(yáng)極靶是用鉬或鍺制成的，這主要是因?yàn)樗鼈兙哂休^低的原子序數(shù)和由此產(chǎn)生的低能量的K系標(biāo)識(shí)X射線。3.X射線管的焦點(diǎn)燈絲發(fā)射的電子，經(jīng)聚焦加速后撞擊在陽(yáng)極靶上的面積稱