X射線基本原理

X射線基礎(chǔ)知識萬東醫(yī)療?

2009大綱

1X射線發(fā)現(xiàn)與發(fā)展

2X射線的產(chǎn)生和性質(zhì)

3X射線與物質(zhì)的作用與成像

4X射線的防護(hù)

5X射線基礎(chǔ)術(shù)語

6討論1X射線發(fā)現(xiàn)與發(fā)展X射線的發(fā)現(xiàn)1895年倫琴1901年諾貝爾物理獎放射性的發(fā)現(xiàn)1896年貝克勒爾（鈾）1898年居里夫婦（釙、鐳）1903年諾貝爾物理獎電子的發(fā)現(xiàn)1897年湯姆生1906年諾貝爾物理獎人類研究微觀世界的“三大發(fā)現(xiàn)”e-γ射線X射線圖1

三大發(fā)現(xiàn)的關(guān)系原子電子高速電子X射線發(fā)現(xiàn)與發(fā)展1895年11月8日,德國物理學(xué)家W.C.Rontgen在其實驗室作CRT實驗時發(fā)現(xiàn)X射線,也稱倫琴射線1901年,倫琴因此成為第一個諾貝爾物理學(xué)獎得主。發(fā)現(xiàn)X射線后三個月,協(xié)助首例外科手術(shù),20min拍攝1張頭顱片之后X射線應(yīng)用迅速發(fā)展,廣泛用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、工業(yè)探傷、科研等領(lǐng)域在臨床上的應(yīng)用,X射線攝影/透視,X射線CT劑量控制與圖象質(zhì)量

診斷X射線的技術(shù)發(fā)展一直致力于用盡量低的劑量獲得清晰影像：提高X射線產(chǎn)生的效率

X射線管、高壓發(fā)生控制提高X射線的質(zhì)量高壓發(fā)生控制、濾過、限束器、濾線柵提高X射線影像信息的獲取能力床面板、增感屏、閃爍屏、數(shù)字化探測器提高X射線系統(tǒng)影像焦點、SID/SOD、準(zhǔn)直、參數(shù)的組合、后處理發(fā)展對比

僅以相同kV相同mA臨床胸片攝影條件作對比,可近似認(rèn)為DOSE正比于kV2*mAs工頻高頻DRkV686868mA100100100ms100020050表1不同X射線攝影系統(tǒng)的胸片曝光條件對比放射性來自？X射線來自？電子/光子？問題思考2X射線的產(chǎn)生和性質(zhì)X射線的本質(zhì)和特性

X射線本質(zhì)上是電磁波,介于紫外線和伽瑪射線之間,具備高能量和穿透力波長短2X10-9~6X10-12m,頻率高3X1016~3X1020Hz波粒二象性,傳播時體現(xiàn)波動性,與物質(zhì)作用時體現(xiàn)粒子性物理特性

-穿透性(原子序數(shù)高\密度大不易穿透,例如骨骼)

-熒光作用(熒光屏\增感屏\閃爍屏)

-電離作用(可用于測量X射線,導(dǎo)致機(jī)體損傷,用于機(jī)體治療)-熱作用化學(xué)效應(yīng)

-感光作用(攝影/工業(yè)探傷)-著色作用(物質(zhì)結(jié)晶體脫水變色)生物效應(yīng)(電離和激發(fā))

-對增殖性強(qiáng)的細(xì)胞的抑制\損傷\壞死-放射治療-對正常細(xì)胞的損傷,注意放射防護(hù)表2

人體組織對X射線的透過性可透性組織中等透過性組織不透過性組織氣體結(jié)締組織骨骼脂肪組織肌肉組織含鈣的組織軟骨血液X射線的產(chǎn)生高速電子撞擊物質(zhì)突然受阻產(chǎn)生X射線1、電子源(加熱的燈絲)2、靶面(電子撞擊的物質(zhì))3、高速電子流高電壓產(chǎn)生的強(qiáng)電場真空度較高的空間-電子高速運動中不受氣體分子阻擋

-保護(hù)燈絲不致因氧化而燒毀X射線管1陽極靶盤2轉(zhuǎn)子（陽極散熱棒）3定子線圈4燈絲5玻殼圖2

X射線管X射線譜醫(yī)用診斷X射線主要使用連續(xù)X線。物質(zhì)結(jié)構(gòu)光譜分析時使用特征X線。連續(xù)X射線最短波長,只與管電壓有關(guān)。圖3

X射線譜強(qiáng)度波長特征X線連續(xù)X線連續(xù)輻射又稱軔致輻射a)高速電子遇原子核受阻后,能量損失,損失的動能以光子形式放出。b)電子作用核場區(qū)的深度不一樣,受阻程度不一樣,能量損失不一樣，釋放出光子的能量不一樣，由此形成連續(xù)的射線譜。連續(xù)X射線的產(chǎn)生原理圖4

連續(xù)X線產(chǎn)生原理特征X線又稱標(biāo)識X線。

高速電子能大于原子內(nèi)（K-）層電子的結(jié)合能時；a)將K層電子擊出，K層形成空穴；b)外層電子躍遷回K層填補(bǔ)空穴，釋放光子。該躍遷以量子能級釋放能量，量子能級僅取決于靶物質(zhì)的原子序數(shù)，而與外加電壓無關(guān)。由此形成特征X線。特征X射線的產(chǎn)生原理圖5

特征X線產(chǎn)生原理I=KiZUnK=1.1X10-9~1.4X10-9i:管電流Z:靶材料原子序數(shù)U:管電壓n:≈2最大強(qiáng)度約在最短波長的1.5倍處。平均能量為最大能量的1/3~1/2。X射線的強(qiáng)度與平均能量X射線的量與質(zhì)1．通常用X射線的強(qiáng)度表示X射線的量，即垂直于X射線傳播方向單位面積上、單位時間內(nèi)通過的光子數(shù)量與能量乘積的總和2．X射線的量即X光子的數(shù)目，可以用管電流mA與照射時間s的乘積即mAs來反應(yīng)3．一定管電壓下，管電流越大，單位時間撞擊陽極靶面的電子數(shù)越多，激發(fā)的X線光子正比增加；照射時間長，X線量正比增大4．X射線的質(zhì)又稱線質(zhì)，僅與光子能量有關(guān)，表示X射線的硬度，即穿透物質(zhì)的能力，通常以管電壓（kV值）近似描述5．管電壓對陰極電子加速，使其獲得足夠能量撞擊陽極靶面，管電壓越高，撞擊能量越大，激發(fā)的X射線光子強(qiáng)度越高，穿透能力越大η=KZU約99%都轉(zhuǎn)變成熱能出射X射線不足陽極靶面產(chǎn)生X射線的10%,利用率很低高原子序數(shù)的材料/高熔點的材料恒定的高壓X射線的產(chǎn)生效率X射線/光子/電磁波？單色/單能X射線？連續(xù)X線與靶物質(zhì)/管電壓？特征X線與靶物質(zhì)/管電壓？X射線機(jī)/X光機(jī)?問題思考3X射線與物質(zhì)的作用及成像光電效應(yīng)(吸收效應(yīng))

-X射線光子與原子內(nèi)層電子作用,被原子吸收,內(nèi)層電子擺脫原子成為自由電子的過程-發(fā)生幾率與光子能量的3次方成反比-低kV攝影或采用造影劑時,光電效應(yīng)居主,產(chǎn)生好的對比度,但組織吸收X射線多光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)(散射效應(yīng))

-X射線光子與原子外層電子作用,改變頻率和角度散射出去,外層電子擺脫原子成為自由電子的過程

-高kV攝影時,康普頓效應(yīng)居主,組織吸收X射線少,但散射線多,既影響影像,又為防護(hù)提出了較高要求康普頓效應(yīng)真空狀態(tài)的衰減規(guī)律：射線強(qiáng)度的衰減與距離的平方成反比窄束X線的衰減規(guī)律：I=I0e-ux

射線強(qiáng)度的衰減與物質(zhì)的密度、厚度成指數(shù)衰減關(guān)系寬束X線的衰減規(guī)律：I=BI0e-ux主要考慮散射線的影響，在窄束衰減規(guī)律基礎(chǔ)上引入修正因子連續(xù)X線

-隨吸收物質(zhì)厚度的增加,強(qiáng)度衰減,能譜變窄,向高能轉(zhuǎn)移

-采用濾過,改變射線能譜,吸收低能射線,保護(hù)患者X射線的衰減X射線的濾過X線濾過

-固有濾過

-附加濾過散射線的抑制和消除X線管發(fā)射的原發(fā)X射線進(jìn)入機(jī)體后的兩種情況1、透射 ——即X射線穿過人體，將其部分能量消耗在體內(nèi)，使其本身的能量衰減，這種衰減了的原發(fā)X射線含有人體組織密度信息，是X線攝影成像時要充分利用的2、散射 ——即X射線和人體組織發(fā)生康普頓效應(yīng)改變方向，任意方向的散射線不能產(chǎn)生與人體解剖形態(tài)有關(guān)的影響密度，僅增加灰霧度，導(dǎo)致影像的對比度下降濾線柵板是用于濾除攝影時人體產(chǎn)生的散射線的有效部件散射線的抑制和消除圖6散射線圖7

濾線柵影像獲取系統(tǒng)X-ray可見光X射線成像濾過熒光感光光電轉(zhuǎn)換反射濾線柵圖9X射線成像圖8

可見光成像X射線成像正是由于人體組織對X射線的透過性(衰減)不同,而形成的對比信息

在膠片上,完全透過呈黑色,完全不透過呈白色圖10X射線圖象高對比攝影？低kV，骨骼，對比劑，光電效應(yīng)，人體吸收高kV攝影？短