X射線成像原理課件

1、第八章X射線成像原理8.1 引言 1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線（也叫倫琴射線）。 X射線激發(fā)涂有鉑青化鋇的紙板發(fā)出熒光。 X射線是波長(zhǎng)很短的電磁波，具有波粒二象性。 X射線強(qiáng)大的穿透能力使人們很快意識(shí)到它在醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用前景，1896年英國(guó)醫(yī)生就攝取了一位婦女手指的X射線照片。診斷用的X射線波長(zhǎng)一般在0.0080.031nm。易透射性組織中等透射性組織不易透射性組織氣體、脂肪組織結(jié)締組織、肌肉組織、軟骨、血液骨骼28.1 引言 X射線除具有電磁波的共同屬性外，還有以下特有性質(zhì)： X射線在均勻、各向同性的介質(zhì)中，是直線傳播的不可見(jiàn)電磁波。 X射線不帶電，不受外界磁場(chǎng)和電場(chǎng)的影響。 穿透性： X射線

2、對(duì)大多數(shù)物質(zhì)是透明或半透明的。 熒光效應(yīng)：透視檢查的基礎(chǔ)。 電離效應(yīng)：使空氣產(chǎn)生正、負(fù)離子（測(cè)量依據(jù)）。 攝影效應(yīng)：可以使涂有鹵化銀的膠片感光。 生物效應(yīng)：損傷細(xì)胞、放射治療（注意防護(hù)）。38.2 X射線管的工作原理 產(chǎn)生X射線的激發(fā)機(jī)理是使高速行進(jìn)的電子流突然受阻。產(chǎn)生定向、實(shí)用的X射線應(yīng)具備四個(gè)條件： 電子源發(fā)射電子（陰極）； 受電子轟擊而輻射X射線的物體（陽(yáng)極靶）； 加速電子的電位差（管電壓）； 高真空環(huán)境（減小電子能量損耗，避免氧化）。X線發(fā)生裝置，主要包括 X線管、變壓器和操作臺(tái)。 48.2 X射線管的工作原理玻璃外殼陰極陽(yáng)極 發(fā)射電子的電子源，且能使電子聚焦后去撞擊陽(yáng)極，一般由發(fā)射

3、電子的燈絲和聚焦電子的凹面陰極體組成。陽(yáng)極（anode）又稱陽(yáng)靶，功能是產(chǎn)生X射線，分為固定式和旋轉(zhuǎn)式。鎢（74）、鉬（42）。陰極（cathode）除了初聚焦電子之外，還防止二次電子危害。常用的陰極有圓焦點(diǎn)型和線焦點(diǎn)型。58.2 X射線管的工作原理 X射線的轉(zhuǎn)換效率主要由兩個(gè)因素決定：陽(yáng)極材料的原子序數(shù)Z和自由電子本身的能量（管電壓）。（8-1）陽(yáng)極材料一般選擇鎢74。轉(zhuǎn)換效率的一般表達(dá)式為： X射線管中，陰極發(fā)射的熱電子，經(jīng)陰、陽(yáng)兩極間的電場(chǎng)加速后，電子速度非常高。100KV管電壓下，速度可達(dá)0.55c。這么高速的電子流與靶物質(zhì)相互作用，能量損失，速度驟減，相互作用十分復(fù)雜。78.2 X射

4、線管的工作原理 一般，可以將電子的能量損失分為碰撞損失和輻射損失。 碰撞損失 指高速電子與目標(biāo)物質(zhì)原子核的外層電子作用而損失的能量，全部轉(zhuǎn)化為熱能。 輻射損失 指高速電子與原子核的內(nèi)層電子或原子核相互作用而損失的能量，不足電子總能量的百分之一。 輻射損失分軔致輻射（產(chǎn)生連續(xù)X射線）和標(biāo)識(shí)輻射（產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線）。88.2 X射線管的工作原理標(biāo)識(shí)輻射：原子核的核外電子處于不同能級(jí)：靠近原子核的電子，結(jié)合能大，定態(tài)能級(jí)低；離原子核較遠(yuǎn)的外層電子，結(jié)合能小，定態(tài)能級(jí)高。 當(dāng)高速電子能量大于內(nèi)層電子的結(jié)合能時(shí)，將以一定概率打出內(nèi)層電子，成為自由電子（光電子），使原子內(nèi)電子層出現(xiàn)空位。按照能量分布最低原則

5、，處于高能態(tài)的外層電子必然向內(nèi)層躍遷填補(bǔ)空位。在躍遷過(guò)程中，釋放出的多余能量，以X射線輻射的形式表現(xiàn)出來(lái)，稱為標(biāo)識(shí)輻射。標(biāo)識(shí)輻射的特點(diǎn)：標(biāo)識(shí)X射線的波長(zhǎng)僅取決于陽(yáng)極靶物質(zhì)（與其它因素?zé)o關(guān)）。每一種元素的標(biāo)識(shí)X射線的波長(zhǎng)是固定不變的；殼層越接近原子核，最低激發(fā)電壓越大；對(duì)于給定的靶產(chǎn)生的單色X射線，K系標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度要比L、M等系的X射線強(qiáng)度大得多。108.2 X射線管的工作原理X射線譜相對(duì)強(qiáng)度0波 長(zhǎng)150KV100KV60KV標(biāo)識(shí)輻射軔致輻射118.2 X射線管的工作原理 管電壓（KV）X射線光子相對(duì)數(shù)標(biāo)識(shí)X射線（）連續(xù)X射線（）801090100198112024761502872表8.

6、2 鎢靶X射線固有濾過(guò)后產(chǎn)生的兩種X射線比例128.2 X射線管的工作原理 實(shí)際應(yīng)用中，兩方面都需考慮：一般將陽(yáng)極傾角選取在15o19o左右。 兩個(gè)焦點(diǎn)都具有面積量綱，通過(guò)靶角建立關(guān)系。靶角越小，有效焦點(diǎn)的長(zhǎng)度越小，有效焦點(diǎn)的面積也越小?？梢酝ㄟ^(guò)縮短燈絲長(zhǎng)度或減小角來(lái)縮小有效焦點(diǎn)，但是，溫度又會(huì)快速上升。 焦點(diǎn)的面積 焦點(diǎn)的方位特性 在X射線管中，投影方向不同，有效焦點(diǎn)尺寸也不一樣。一般，靠近陰極方向的焦點(diǎn)大，而靠近陽(yáng)極方向的焦點(diǎn)小。148.2 X射線管的工作原理 焦點(diǎn)的X射線強(qiáng)度 指單位時(shí)間X射線的量，由光子數(shù)和光子的平均能量決定。 由于抵達(dá)靶面各處的電子密度不盡相同，而且靶面各處的單個(gè)X光

7、子的能量千差萬(wàn)別，所以，X射線強(qiáng)度在焦點(diǎn)處的分布是不均勻的。 X射線管的焦點(diǎn)面積、焦點(diǎn)面上強(qiáng)度分布，以及被攝部位與膠片間的距離，都對(duì)X射線影像的清晰度有影響。 焦點(diǎn)面積越小、強(qiáng)度分布接近高斯分布（矩形分布次之）、被攝體與膠片距離越近，圖像越清晰。158.2 X射線管的工作原理X射線管容量的影響因素： 實(shí)際焦點(diǎn)的大小：焦點(diǎn)大，容量大。 管電壓的高低：電壓小，容量大。 管電流的大?。弘娏餍?，容量大； X射線管的連續(xù)使用時(shí)間：時(shí)間短，容量大。 焦點(diǎn)上電子分布的情況：分布均勻，容量大。 陽(yáng)極的構(gòu)造方式及冷卻方式：傾角大，油冷卻。178.2 X射線管的工作原理 指X射線在空間某一點(diǎn)的強(qiáng)度，是單位時(shí)間內(nèi)通

8、過(guò)單位橫截面積的輻射能量，由每一個(gè)光子具有的能量大小和光子數(shù)的多少?zèng)Q定。 X射線的強(qiáng)度 在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，常用X射線的量和質(zhì)來(lái)表示X射線的強(qiáng)度。1）對(duì)于單色X射線，強(qiáng)度為：（8-4）2）對(duì)于復(fù)色X射線，強(qiáng)度為：（8-5）188.2 X射線管的工作原理3）連續(xù)X射線的總強(qiáng)度為：（8-6） K為常數(shù)，約為1.11.410-9，m約等于2，Z為原子序數(shù)，i為管電流，U為管電壓。 在X射線診斷中，常用一種簡(jiǎn)便的近似方法表示強(qiáng)度： 在管電壓固定時(shí)，用X射線管的管電流與照射時(shí)間的乘積來(lái)間接反映X射線的量，以毫安秒為單位。用毫安數(shù)表示X射線的強(qiáng)度。 目前測(cè)量X射線強(qiáng)度的較好方法是測(cè)定空氣中產(chǎn)生電離電荷的多少，以

9、此來(lái)反映X射線強(qiáng)度的大小。198.2 X射線管的工作原理 X射線的質(zhì)一般用于表示X射線的硬度，即穿透物質(zhì)的能力，與管電壓與濾過(guò)有關(guān)。 X射線的質(zhì) 醫(yī)學(xué)上，把X射線的硬度分為四類：極軟、軟、硬、極硬。不同硬度的X射線用途各異， X射線影像使用前兩種較軟的X射線。表8.3 X射線的硬度分類名稱管電壓（kV）最短波長(zhǎng)（nm）主要用途極軟X射線5200.2520.062軟組織攝影、表皮治療軟X射線201000.06220.012透視和攝影硬X射線1002500.01220.005較深組織治療極硬X射線250以上0.005以下較深組織治療208.2 X射線管的工作原理 X射線的濾過(guò)與硬化 對(duì)于單色X射線

10、，X光子能量相同，有相同的穿透本領(lǐng)，波長(zhǎng)均勻，無(wú)須濾過(guò)。 醫(yī)用X射線束是連續(xù)譜， 光子能量不同，頻率也不同，需要濾過(guò)。 濾過(guò)作用有管壁的固有濾過(guò)和照射前的附加濾過(guò)。附加濾過(guò)提高了X射線的有效能量，使線質(zhì)變硬。 管電壓較低時(shí)，采用鋁濾波板；管電壓較高時(shí)，采用銅鋁濾波板。半價(jià)層指使X射線束的強(qiáng)度減弱為原來(lái)的一半時(shí)所需要的吸收層的厚度。半價(jià)層越厚，表示X射線越硬。硬X射線：高的管電壓、選用原子序數(shù)較大的材料做陽(yáng)極靶、選擇原子序數(shù)較大和厚度較大的濾過(guò)板。218.2 X射線的產(chǎn)生與傳播 在陽(yáng)極靶不同方位角，X射線的輻射強(qiáng)度是不同的，主要取決于入射電子能量、靶物質(zhì)及靶厚度。 X射線輻射場(chǎng)的角分布 對(duì)于薄靶

11、，低能電子束產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度分布，主要集中在與電子束垂直的方向上；而高能電子束產(chǎn)生的X射線集中向前方，X射線束變窄。 對(duì)于厚靶（醫(yī)療診斷用），愈靠近陽(yáng)極一側(cè)， X射線輻射強(qiáng)度下降得越多。而且，靶角越小，下降程度越大，產(chǎn)生所謂陽(yáng)極效應(yīng)。22 指入射光子的能量完全被原子吸收：一部分用來(lái)克服電子的結(jié)合能；一部分轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能。新的光電子的動(dòng)能等于入射光電子的能量減去該出射光電子在原來(lái)原子殼層中的結(jié)合能。入射光子能量若低于該結(jié)合能時(shí)，不會(huì)發(fā)生（內(nèi)）光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)（光電子吸收）8.3 X射線與物體的相互作用 生物組織中，多數(shù)原子K層電子的結(jié)合能為0.5KeV，而X射線影像技術(shù)中X射線的能量為10

12、100keV之間，完全可以發(fā)生光電效應(yīng)。入射光子原子電子光子光電子吸收示意圖強(qiáng)結(jié)合能24 指入射光子在自由電子上的非彈性碰撞，一般發(fā)生于入射光子的能量比電子在原子核中的結(jié)合能大得多情況。入射光子與電子碰撞后，將產(chǎn)生散射。康普頓散射的發(fā)生概率與單位面積內(nèi)的電子總數(shù)成正比。康普頓散射在原子序數(shù)高的物質(zhì)中發(fā)生的可能性大。 康普頓散射8.3 X射線與物體的相互作用康普頓散射示意圖入射光子原子核電子弱結(jié)合能散射光子動(dòng)能25各部分的元素組成也不盡相同，比如：軟組織中的水占75，蛋白質(zhì)和脂肪、碳水化合物占23，K、Na、Cl、Fe等元素占2，所以，人體中物質(zhì)與X射線的相互作用比較復(fù)雜。 實(shí)際情況中，醫(yī)用X射

13、線不是單能窄束，人體也不是單一物質(zhì)。骨骼軟組織肺消化道腔體內(nèi)氣體8.3 X射線與物體的相互作用這樣，混合物的衰減系數(shù)為：（8-9）式中，mi是組成混合物各元素的質(zhì)量衰減系數(shù)，Pi表示第i種元素在混合物中的質(zhì)量比例。高原子序數(shù)的物質(zhì)對(duì)X射線有較強(qiáng)的衰減，對(duì)于混合物，常用有效原子序數(shù)來(lái)描述對(duì)X射線的衰減。27混合物的有效原子序數(shù)為：（8-10） 式中，ai為第i種元素在單位體積中電子數(shù)的占有比率，Zi為第i種元素的原子序數(shù)。 一般常用水來(lái)代表人體中的低原子序數(shù)物質(zhì)（如肌肉、脂肪、體液等）；用鈣代表中等原子序數(shù)物質(zhì)（如骨骼）；陽(yáng)性造影劑（碘化鈉）為高原子序數(shù)物質(zhì)。8.3 X射線與物體的相互作用光電效

14、應(yīng)作用的百分?jǐn)?shù)X射線能量（KeV）水（Z7.4）骨（ Z13.8 ）碘化納（ Z49.8 ）206.589946073195100298828 這樣，X射線通過(guò)人體的衰減公式，可以修正為：（8-11）此式又稱為單能寬束X射線衰減公式。式中，B為積累因子，為被檢物質(zhì)的有效線性衰減系數(shù)，d為被檢物質(zhì)的厚度。8.3 X射線與物體的相互作用X射線衰減需要考慮的因素： X射線的軟、硬 物質(zhì)的原子序數(shù) 物質(zhì)的密度 每千克物質(zhì)所含電子數(shù) 一般而言，入射光子能量越小，吸收物質(zhì)的密度越大，原子序數(shù)越高，每千克電子數(shù)越多時(shí)，衰減越大。298.4 X射線透視 應(yīng)用熒光屏來(lái)觀察X射線穿透人體影像的檢查方法稱為X射線透

15、視（X-ray fluoroscopy ）。 人體各組織、器官在密度、厚度等方面存在差異，對(duì)X射線的衰減不同，可在熒光屏上形成由明暗不同的點(diǎn)構(gòu)成的影像。如果投照厚度一定，則熒光屏上暗的地方表明對(duì)應(yīng)人體組織器官密度高，X射線吸收多，亮的地方表示組織器官密度低，X射線吸收少。醫(yī)生根據(jù)解剖學(xué)和病理學(xué)知識(shí)，分析影像，判斷該組織器官的形態(tài)和功能。 工作原理308.4 X射線透視 X射線管和熒光屏裝在一個(gè)C形臂的兩端。熒光屏由熒光紙、鉛玻璃和薄膠合板組成，裝于一個(gè)框架中。薄膠合板在熒光紙之前，保護(hù)熒光紙；鉛玻璃防止X射線對(duì)工作人員的傷害；熒光紙?jiān)诙咧g，紙面涂有熒光物質(zhì)。 基本結(jié)構(gòu) 普通X射線透視簡(jiǎn)單、

16、方便、費(fèi)用低廉，但是存在一些局限和不足： 被檢者和醫(yī)生不可避免地受到X射線的劑量輻射； 不能留下客觀記載； 兩次影像轉(zhuǎn)換（X射線影像熒光屏人眼），容易使圖像不清楚。318.4 X射線透視 為了提高X射線透視的影像亮度，50年代研制出了第一代X射線影像增強(qiáng)器，80年代研制出第二代X射線影像增強(qiáng)器平板型影像增強(qiáng)管。 第一代影像增強(qiáng)器：光電變換電子透鏡聚焦電光轉(zhuǎn)換第二代影像增強(qiáng)器：光電變換加速電光轉(zhuǎn)換光電變換加速電光轉(zhuǎn)換 影像增強(qiáng)器提高了影像的亮度，使X射線電視、電影、磁帶錄像和遙控得以實(shí)現(xiàn)，擺脫了暗室操作，為隔室操作、會(huì)診、教學(xué)提供了條件，也使X射線影像的存儲(chǔ)方式發(fā)生了變革。 328.5 X射線攝

17、影 透過(guò)人體的X射線作用在膠片上，各組織器官對(duì)X射線的衰減不同，對(duì)膠片的感光程度不同，形成X射線投影像。 X射線膠片的感光度較高，需要的X射線劑量比透視少很多，可以比透視顯示更細(xì)微的病變，可以長(zhǎng)時(shí)間保存，并可走出暗室，在日光下讀片。但是，X射線攝影不能現(xiàn)場(chǎng)直接觀察，需要在暗室顯影、定影處理后，才能獲得人眼可以觀察的影像。 X射線攝影與傳統(tǒng)相機(jī)攝影原理有一些稍微不同： 普通X射線攝影 與普通光源相比，膠片對(duì)X射線（透射性）的感光效果要差，所以，X射線膠片的感光層涂得厚。 X攝影的曝光量比普通光攝影大。 盡管銀離子的線度為1m，膠片上實(shí)際感光顆粒大小為100200m。338.5 X射線攝影 X攝影膠片上影像的黑白與熒光屏上影像的明暗正好相反：在透視熒光屏上，骨骼部位是暗的，在攝影膠片上，骨骼部位是淡色的。高密組織低密組織X射線束攝影透視相同厚度不同密度相同密度不同厚度X射線束厚薄348.5 X射線攝影 在實(shí)際的X射線攝影中，可以采用增感屏來(lái)增大膠片的感光，縮短曝光時(shí)間，提高影像清晰度：金屬增感屏（質(zhì)量好