医学影像物理学第一章学习指南Word格式.docx

1、在普通X射线管的阴极和阳极之间加上控制栅极。其特点是，当栅极加上负电位时，管电流被截止，无X射线输出，当负电位消失时，管电流导通，输出X射线。作用是，能实现快速断续X线摄影。 1）软X射线管 采用钼（Z=42）靶，对乳房等软组织进行X射线摄影。产生软X射线的管电压较低，通常为2050 kV。软X射线管的出射窗采用极薄的玻璃窗。 2）金属X射线管 适用于短时间曝光，承受高负载。金属X射线管是中间易形成钨层的玻璃部分由钢制壳取代，靠近阳极端嵌入玻壳，另一端嵌入陶瓷内，使钢壳处于绝缘状态，接地后能捕获杂散电子。 3）陶瓷绝缘X射线管 主要用于连续X射线摄影，体层摄影和电影摄影等。陶瓷绝缘X射线管是将

2、铼钨合金的阳靶装在钼阳极盘上，制成旋转阳极。将阳极用陶瓷绝缘后放入金属外壳中，最后装在钢制的管套中。（5）X射线管的电特性 X射线的产生装置主要包括四个组成部分，即X射线管、低压电源、高压电源和整流电路。其组成电路如图1-1所示。X射线管是这种装置的核心部分。它是一个高度真空的硬质玻璃管，管内封入阴极和阳极。阴极单独由低压电源供给电流，使其炽热而发射电子。阳极在管的另一端且正对着阴极，通常是铜制的圆柱体，在柱端斜面上嵌一小块钨板，作为接受高速电子冲击的靶，又称阳靶。图1-11）管电流和管电压 阴阳两极间所加的几十千伏到几百千伏的直流高压，叫做管电压（tube voltage），阴极发射的热电子

3、在电场作用下高速奔向阳极，形成管电流（tube current），这些高速电子突然被钨靶阻止时，就有X射线向四周辐射。 医用X射线产生装置（X光机），都采用交流供电，图1-1中升压变压器T1用来获得所需的管电压，4个二极管联成全波桥式整流器，把T1输出的交流高压变为直流高压。改变升压变压器T1原、副线圈的匝数比，可以调节管电压的大小。降压变压器T2供给灯丝加热电流，变阻器R用来调节灯丝电流以改变阴极发射的热电子的数量，从而控制管电流。 2）X射线管的电特性 是指决定管电流大小的因素，主要有灯丝加热电流或灯丝电压。这里还需掌握两个概念： “电压饱和”是指随着管电压的增加，管电流升高到某一临界值时

4、，就不再随管电压而变化，且保持一恒定值。 “温度饱和”是指当管电压一定，且低于某一较低的临界电压值时，管电流并不随灯丝电流的继续增加而升高。2X射线的产生 （1）X射线的产生 X线是由高速运动的电子流撞击靶面而突然受阻产生的。不足电子总能量1%的高速电子与原子核的内层电子或原子核相互作用时，通过辐射损失（radiationloss）的能量，大部分以X射线的形式辐射出去，由X线管窗口发射。电子总能量的99%以上，为高速电子与原子核的外层电子作用而损失，统称为碰撞损失（collisionloss）并转换为热能，由X线管散热设施散发。 （2）X射线谱 通常X射线管发出的X射线不是单色的，它包含各种不

5、同的波长成分。将其强度按照波长的顺序排列开来的图谱，叫做X射线谱（X-ray spectrum）。钨靶X射线管所发射的X射线谱如图1-2所示，上部是相对强度与波长关系的曲线，下部是照在胶片上的射线谱。从该图可以看出，X射线谱包含两个部分：曲线下面划斜线的部分对应于照片上的背景，它包括各种不同波长的射线，称为连续X射线谱（Continuous X-rays spectrum）；另一部分是曲线上凸出的尖峰，具有较大的强度，对应于照片上的明显谱线，这相当于可见光中的明线光谱，称为标识X射线谱（characteristic X-rays spectrum）。图1-2（3）连续X射线产生的物理过程 1）

6、产生机制 经典的电磁学理论指出，当一个带电体在外电场中速度变化时，带电体将向外辐射电磁波。高速电子进入到原子核附近的强电场区域，然后飞离强电场区域从而完成一次电子与原子核的相互作用时，电子的速度大小和方向必然发生变化，按上述理论，电子将向外辐射电磁波而损失能量E，电磁波的频率由E = hv确定。电子的这种能量辐射叫轫致辐射（bremsstrahlung），这种辐射所产生的能量为hv的电磁波称为光子。由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用对应的辐射损失也不同，因而发出的X光子频率也互不相同，大量的X光子组成了具有频率连续的X光谱。

7、 2）连续谱的特性 实验指出，当X射线管在管电压较低时只出现连续X射线谱。其特点是： 连续谱的X射线强度是随波长的变化而连续变化的。在不同管电压作用下连续谱的位置并不一样，谱线的强度从长波开始逐渐上升，达到最大值后很快下降为零。每条曲线都有一个峰值，曲线在波长增加的方向上都无限延展，但强度越来越弱；在波长减小的方向上，曲线都存在一个称为短波极限波长min的极限值。 随着管电压的升高，辐射强度均相应地增强。 各曲线所对应的强度峰值和短波极限的位置均向短波方向移动。 短波极限值与构成阳靶的材料无关，仅由管电压的大小决定。 图3-3是钨靶X射线管在较低管电压下的连续X射线谱。图1-33）短波极限 强

8、度为零的相应波长是连续谱中的最短波长，称为短波极限。短波极限波长min对应的X光子能量最大，可见，最大能量的光子对应着电子与原子核在一次相互作用中损失其全部能量eU，产生能量为的光子辐射。由于在相互作用中能量守恒，则有上式表明，短波极限min与管电压U成反比。与构成阳靶的材料无关，这些都与实验中观察到的现象相符合。 （4）标识X射线产生的物理过程 当管电压较高时，可以见到连续X射线强度分布曲线上出现几个尖锐的高峰（与高峰相应波长的X射线强度突然增大），这是叠加在连续X射线上的另一类X射线，称为标识X射线。钨靶在较高管电压时X射线的强度分布曲线如图1-4所示。当管电压升高到70 kV以上时，连续

9、谱在0.02 nm附近叠加了四条谱线，在曲线上出现了四个高峰。当电压继续升高时，连续谱发生很大改变，但这四条标识谱线在图中的位置却始终不变，即它们的波长不变，图中的四条谱线就是图1-2中未曾分开的K线。1）产生机制 高速电子将内层电子打出（离开原子）使之成为自由电子（称为光电子），使原子内电子层出现空位。这样，按能量分布最低的原则，处于高能态的外壳层电子必然要向内壳层跃迁填补内壳层电子空位，在跃迁过程中必定放出多余的能量，这个能量以X射线辐射的形式表现出来，即高速电子把原子核外内层电子击出的过程中伴随的标识X射线的电磁辐射，称标识辐射（characteristis X-radiation）。

10、当高速电子进入靶内时，如果它与某个原子的内层电子发生强烈相互作用，就有可能把一部分动能传递给这个电子，使它从原子中脱出，从而在原子的内层电子中出现一个空位。如果被打出去的是K层电子，则空出来的位置就会被L、M或更外层的电子跃迁填充，并在跃迁过程中发出一个光子，而光子能量等于两个能级的能量差。这样发出的几条谱线，组成标识谱的K线系。如果空位出现在L层（这个空位可能是由于高速电子直接把一个L层电子轰击出去，也可能是由于L层电子跃迁到了K层留下的空位），那么这个空位就可能由M、N、O层的电子来补充，并在跃迁过程中发出一个X光子，形成标识谱的L线系。由于离核愈远的电子，能级差愈小，所以L线系各谱线的波

11、长比K系的大些。同理，M系的波长又更大些。图1-42）标识谱的特性 从图1-4可以看出，标识X射线具有如下特点： 为线状光谱，有不连续的波长分布； 波长与阳靶材料有关。根据其波长即可判断阳靶是由什么材料构成，“标识”之名称即由此而来； 在较高管电压下才产生标识X射线，但其波长与管电压的大小无关。3X射线管的焦点及焦点的性能参量 （1）实际焦点和有效焦点 1）实际焦点 灯丝发射的电子，经聚焦加速后，投射在阳极靶上的面积。实际焦点的大小和灯丝的形状有关。长灯丝所形成的焦点叫大焦点，短灯丝形成的焦点叫小焦点，可根据需要选择使用。实际焦点的大小直接影响X射线管的散热和影像的清晰度。 2）有效焦点（目视

12、焦点） X射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投影的面积，即X射线照射在胶片上的有效面积。有效焦点与靶的倾斜度，即靶角（target angle）有关，靶角越小，有效焦点的面积越小。焦点愈小，X射线透视或照相在荧光屏或照相底片上所成的像愈清晰。一般诊断用的X射线管采用小焦点，而治疗用X射线管则采用大焦点。另一方面，为了降低阳极靶面的温度，大功率的X射线管多采用旋转阳极，使受撞击面不断改变，将热量分散到较大的面积上。 （2）X射线管焦点性能参量 1）X射线管焦点方位特性 一般是越靠向X射线管阴极方向所得到的有效焦点越大，而越靠向X射线管阳极方向所得有效焦点越小。这一特性被称为焦点的方位特性

13、（azimuth character）。 2）焦点的X线量的分布 在X射线管中，实际焦点上X射线强度的分布是不均匀分布。由于形成的主、副焦点的位置分布不同及电子密度的分布不同，使焦点宽度方向上X射线强度分布不均匀而形成双峰、三峰、或四峰分布的情形。 X射线强度在实际焦点上的不均匀分布决定于两个因素，一是到达靶面各处的电子密度不尽相同；二是到达靶面上各处的电子与靶原子作用的情况不同，因此，从靶面上各处辐射的单个X光子的能量也不相同。 3）管球焦点对成像的影响 有效焦点的大小直接关系到X射线所成影像的清晰度，有效焦点越小，得到的影像越清晰。 如图1-5所示，当有效焦点为点光源时，胶片上的图像界线分

14、明，图像边界的清晰度高。当有效焦点是面积为S，线度为AB的面光源时，胶片上图像边缘区域P由于线光源AB不能完全投照其上而出现半阴影，这种半阴影在X射线影像中称为半影，半影的出现影响着影像的清晰度，使影像的边缘模糊不清，严重时甚至造成影像无法辨认。 半影P的大小为，可见，欲使半影缩小，除了缩小有效焦点的面积S外，还应尽可能地缩短被摄部位与胶片间的距离d。另外，X射线管焦点面上X射线强度的分布不均匀，这将会对X射线影像质量产生影响。图1-54X射线管的容量（1）X射线管的容量 1）定义 大量速度极高的电子打在阳极靶上将产生很多热量，允许产热（或能承受热量）的最大负荷量，称为X射线管的容量。2）计算

15、公式 X射线管的容量通常用其最高管电压与管电流的乘积来表示，即式中，Ue为管电压的有效值，单位为kV；Ie为管电流的有效值，单位为mA；P为容量，单位为kW。 （2）影响容量的因素 1）实际焦点的大小； 2）管电压的高低； 3）管电流的大小； 4）X射线管连续使用时间； 5）焦点上电子分布的情况；6）阳极的构造及冷却方式。 二、X射线辐射场的空间分布 1X射线的基本性质 X射线是波长很短的电磁波，以光的速度直线前进，其波长范围为0.000650 nm。目前X射线诊断常用的波长范围为0.0080.031nm（相当于管电压40150 kV）。在电磁辐射谱中，居射线和紫外线之间，比可见光的波长要短得

16、多，肉眼看不见。X射线具有电磁波的各种特性，其与临床诊疗有关的特性有如下几个方面。（1）穿透作用 由于X射线波长短，具有较高的能量，物质对其吸收较弱，因此它有很强的贯穿本领。X射线的贯穿本领不仅与X射线的能量有关，还与被穿透的物质本身结构和原子性质有关。因此不同的物质，X射线的贯穿本领也不同。同一X射线，对原子序数较低的元素所组成的物体，其贯穿本领较强；而对原子序数较高的元素组成的物体，贯穿本领相对较弱。因此，X射线对人体不同组织的穿透性也是不同的，它是X射线医学影像学的基础。穿透性与管电压和被照体的密度有关，管电压愈高，被照体密度愈低，X线穿透力就愈强；相反则愈弱。医学上利用X射线的贯穿本领

17、和不同物质对它吸收程度的不同进行X射线透视、摄影和防护。X射线对人体组织的穿透作用可分为三类。其一是属于可透性组织，如体内气体、脂肪、一些脏器和肌肉等；其二是属于中等可透性组织，如结缔组织、软骨等；第三是不易透过性组织，如骨骼、盐类等。 （2）荧光作用 X射线能激发荧光物质（如铂氰化钡、钨酸钙等）产生肉眼可见的荧光。荧光的强弱与X线量的多少有关。当一定量的X线穿透密度和厚度大的物体时，被吸收多、透过少，激发荧光少，亮度暗；相反则亮度强。医学中的X射线透视就是用荧光作用来观察X射线透过人体后所成的影像。此特性是X线透视检查的基础。 （3）感光作用 X线照射到胶片上，使胶片上的溴化银感光，银离子（

18、Ag+）被还原成金属银（Ag），经显、定影处理后，沉淀于胶片的胶膜内，在胶片上呈黑色；而未感光的溴化银在定影及冲洗过程中，从X线胶片上被洗掉，显出胶片片基的透明本色。由于X线照射量不同，金属银沉淀也不同，从而产生黑白对比的影像。感光作用是X线摄影的基础。 （4）电离作用 X射线通过任何物质都会使该物质产生电离，电离程度与X射线的量成正比。例如，X射线通过空气时，空气的电离程度与空气所吸收的X射线量成正比，因而通过测量空气的电离的程度可计算X射线的照射量。X射线的电离作用是放射剂量学的基础。 （5）生物效应 X射线照射生物体，能使生物体产生各种生物效应，如，使机体细胞组织产生抑制、损害甚至坏死等

19、生理和生物的改变。由于人体各种组织细胞对X射线的敏感性不同，受到的损伤程度也就有差异。X射线的这种性质可用来杀死某些敏感性很强、分裂旺盛的癌细胞等，以达到治疗的目的。X射线对正常组织也有损害作用，所以射线工作者要特别注意防护。X线的生物效应是X线治疗学和X线防护学的基础。 从上述可知，X线的穿透、荧光和感光作用与医学影像诊断有关；X线的穿透、电离和生物作用与放射治疗、防护有关。 2X射线的强度和硬度 （1）X射线的强度（Intensity of X-rays） 1）定义 X射线在空间某一点的强度是单位时间内通过单位横截面积的辐射能量，单位为w m-2。 2）X射线强度的计算 单色X射线强度I为

20、式中N为单位时间内通过单位横截面积上的X光子数目，h为每个光子的能量。 复色X射线强度I为式中Nl、N2、Nn分别表示单位时间通过单位面积（垂直于射线方向）的能量为hl、h2、hn的光子数。 由此可知，有两种办法可使X射线强度增加。一是增加管电流，使单位时间内轰击阳极靶的高速电子数目增多，从而增加所产生的光子数目N；二是增加管电压，可使每个光子的能量hi培加。由于光子数不易测出，故通常采用管电流的毫安数（rnA）来间接表示X射线的强度大小，称为毫安率。 在管电压一定的情况下，X射线管灯丝电流越大，灯丝温度越高，则发射的热电子数目越多，管电流就越大。因此，常用调节灯丝电流的方法改变管电流，以达到

21、控制X射线强度的目的。 由于X射线通过任一截面积的总辐射能量不仅与管电流成正比，而且还与照射时间成正比，因此常用管电流的毫安数（mA）与辐射时间（s）的乘积表示X射线的总辐射能量，其单位为mAs。 3）影响连续X射线强度的因素 靶物质的影响 由于IZ，对于连续X射线的强度，在管电压U、管电流i固定时，与阳极靶的原子序数Z成正比。 管电流的影响 因为Ii，在管电压U、靶材（原子序数Z）固定时X射线的强度取决于管电流。管电流越大，在X射线管中被加速的电子数量越多，产生的X射线强度也就越大。 管电压的影响 因为IU2，当管电流、靶材（原子序数Z）固定时，随管电压的升高，连续X射线谱的最短波长和最大强

22、度所对应的波长均向短波方向移动，这就使得X射线的高能成分所占比例增加，X射线强度提高。 考虑以上因素的影响，连续X射线的总强度可用下面公式近似表示I总=K Z i Um式中K为常数，约1.11.410-9，m约等于2。 4）测量X射线强度的方法 用X射线在空气中产生电离电荷的多少来测定X射线的照射量，进而反映出X射线强度的大小。 （2）X射线的硬度（hardness of X-ray） X射线的硬度是指X射线的质（线质）也就是X射线的贯穿本领，即穿透物质的能力。它只决定于光子的能量hv而与光子数目无关。对于一定的吸收物质，X射线被吸收愈少则贯穿的量愈多，X射线就愈硬，或者说硬度愈大。X射线管的

23、管电压愈高，则轰击靶面的电子动能愈大，发射光子的能量也愈大，而光子能量愈大愈不易被物质吸收，即管电压愈高产生的X射线愈硬。在医学上通常用管电压的千伏数（kV）来表示X射线的硬度，称为千伏率，并通过调节管电压来控制X射线的硬度。在医学上，根据用途把X射线按硬度分为极软、软、硬和极硬四类。 3X射线的滤过和硬化 （1）X射线的滤过 1）定义 X射线穿过一定的物质后，使部分较软X射线的相对强度降低，从而提高X射线的有效能量，线质变硬，称为X射线的滤过。 2）分类 X射线的滤过分固有滤过（经X射线管壁的滤过）和附加滤过（在X射线管外的滤波板的滤过）。 固有滤过 从X射线管阳极发射出的原级X射线穿过管壁

24、后，被吸收一部分，称为固有滤过。 附加滤过 为了适应不同的需要，在X射线管射出的X射线到达被投照部位前放置一定的物体，也会产生滤过，称为附加滤过。附加滤过后提高了X射线的有效能量，线质变硬了。在实际应用上多采用密度均匀的金属滤波板，当管电压较低时一般采用铝滤波板，在管电压较高时多采用铜铝滤波板。 （2）X射线的硬化 X射线穿过一定的物质后，能量较低的X射线衰减系数较大，从而出射X射线中的长波成分变小，X射线光子的平均能量增加，硬度增加，称为X射线的硬化。 4辐射场的角分布（辐射强度空间分布） （1）定义 从阳极靶上发射的X射线与辐射方向有关，即在不同的方位角上的辐射强度是不同的。这种不均匀的分

25、布称为辐射强度空间分布或称辐射场的角分布。 （2）薄靶周围X射线强度的角分布 薄靶在不同管电压下产生的X射线的空间分布特点是，当工作电压在100 kV左右时，X射线在各方向上强度基本相等，当管电压升高时，X射线最大强度方向逐渐趋向电子束的入射方向，其它方向的强度分布所占比重逐渐减少，X射线的强度分布趋于集中。 （3）厚靶的X射线空间分布 1）厚靶X射线管 阳极靶较厚。 2）“足跟”效应（阳极效应） 是指愈靠近阳极，沿管长轴分布的X射线强度下降得愈多的现象，就是所谓的“足跟”效应。 三、X射线在介质中的衰减 1作用概率与截面 （1）作用概率 设单能X射线束入射某物质，物质的厚度为L，入射的强度为

26、I0，出射时强度为I。若令I = I I0，则表示束流减弱的程度，则作用概率可用下式表示 其物理意义是，X射线通过物质层L时强度的相对减弱，也表示一个粒子与物质相互作用的概率。 （2）作用截面（反应截面） 若靶粒子密度为N，通过靶物质的厚度为L，则NL表示底面积为单位面积，长为L的柱体内的靶粒子数，即单位面积内靶粒子数。 1）作用截面 一个入射粒子与一个靶粒子发生相互作用的概率，可表示为单位是巴恩（barn），符号为b，l b=10-28m2。导出 从上式可知：入射束的强度，将随着穿过物质的厚度而呈指数形式减少，其中N为决定指数函数形式的系数。它与物理学中物质对X射线的指数吸收规律形式是一样的

27、，显然N就是线性衰减系数。可见，作用截面与衰减系数，只是同一物理性质的不同表达方式。 2）衰减截面（转移截面） 每一原子的相互作用截面。表示每一原子对入射光子的有效能量转移面积。应注意，一种作用形式对应一种作用截面。 3）总截面与吸收截面a、散射截面s和电子偶截面e间的关系与衰减系数相对应，衰减截面是总截面，它是吸收（或光电）截面a、散射截面s和电子偶截面e之和。表示为， = a + s + e2X射线与物质作用的主要形式（1）光电效应（photoelectric effect）光子将其全部能量传递给原子的轨道电子，光子消失，获得能量的电子脱离原子的束缚而成为自由电子（称为光电子），这一过程称

28、为光电效应。 光电子的动能等于入射光子的能量减去该出射光电子在原来所在原子壳层中的结合能，即由此可见，入射光子的能量若低于这个结合能时，则光电效应不能发生。图1-6生物组织中，完全可以发生光电效应。发生光电效应时，光电子从原子内壳层出射后，外壳层的电子将填补空穴，随之辐射出标识X射线，如图1-6所示。（2）康普顿散射1）散射 散射是X射线光子进入吸收物质时与原子中的电子相互作用而改变了进行方向的现象。这种相互作用可以看成是两个粒子间的弹性碰撞。如果光子和原子中束缚得很紧的电子碰撞，因为束缚电子不会脱离原子，所以光子只改变了进行方向而无能量损失，因为波长也没有改变，这种过程称之为相干散射或经典散

29、射。如果光子和原子中束缚得较弱的电子发生碰撞，情况就不同了。所谓束缚得较弱的电子是指结合能很小的外层电子，或者说电子的结合能比入射光子的能量小很多的电子。实际上对于几十千电子伏特（keV）能量的光子来说，肌体的软组织的全部电子都可以看成是束缚得很弱的电子。X射线光子与这些电子相互作用时，可以把一部分能量传给电子，使它脱出原子成为反冲电子，光子本身能量减小，波长增加，并改变了进行方向。这种改变波长和进行方向的X光子能量的散射称为不相干散射或康普顿散射。 2）康普顿散射 光子与原子核外的电子（多为外层电子）发生弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化，这一过程称为康普顿效应（Compton effect），或康普顿散射。是康普顿1923年发现的。康普顿效应中光子只损失部分能量，散射光波长向长波方向移动。 康普顿散射实际上是能量较大的入射光子在被束缚得很弱的电子或自由电子上发生的散射。理论上可以导出，散射波线波长