第一章 X 射線物理課件

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)第一章X射線物理

（投影成像、CT、DSA、CR、DR、造影術(shù)）醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)投影X射線機床邊用可移動X射線機便攜式X射線機醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)口腔全景X線機手術(shù)用C臂X射線影像設(shè)備胃腸診斷用X射線設(shè)備醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)§1.1X線的產(chǎn)生●X線管的結(jié)構(gòu)●●●X線的產(chǎn)生X射線管的焦點X射線的基本特性醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)X射線管的結(jié)構(gòu)為醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)X射線管由封裝于真空玻璃管內(nèi)的燈絲陰極和陽極靶組成;升壓變壓器T1輸出的交流高壓經(jīng)整流后加在陰極和陽極之間；燈絲變壓器T2為燈絲供電，燈絲溫度由電位器Ｒ控制。X射線機的基本線路X射線機的基本線路醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)產(chǎn)生實用的定向X射線的四個條件（普通射線管的結(jié)構(gòu)）1.有電子源（陰極），能根據(jù)需要發(fā)射足夠多的電子2.有受電子轟擊而輻射X射線的物體（陽極靶）3.加在陰陽極間加速電子（管電流）使其獲得足夠大動能的電位差（管電壓）4.有一個高度真空的環(huán)境（玻璃外殼）使電子在運動過程中盡可能減少能量損耗保護燈絲不被氧化下一頁醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)1.陰極（cathode）作用：發(fā)射電子的電子源，且能使電子聚焦后撞擊陽極組成燈絲：鎢(電子發(fā)射率大，熔點高，不易蒸發(fā)，易加工絲，加燈絲電壓）發(fā)射電子，形成燈絲電流（區(qū)別于加速后形成的管電流）。凹面陰極體（聚焦杯）鉬：聚焦電子限制焦點的大?。ǔ蹙劢梗┓乐苟坞娮釉斐傻奈：Γㄊ占坞娮樱﹫A焦點型：燈絲成螺旋形，安放在碗狀陰極槽中（多用）線焦點型：燈絲成長螺旋形，放在長形凹槽中，一般有大小兩個焦點，大焦點發(fā)射大管電流，用于攝影，小焦點用于透視和發(fā)射小管電流用于攝影返回分類醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)影響管電流的因素(i)

電壓飽和：燈絲電流一定時，管電壓升高，管電流在一定范圍內(nèi)增高，但隨管電壓增高，管電流升高到某一臨界值，不再隨管電壓而變化，且保持一恒定值；該臨界值的大小隨燈絲加熱電流的增加而增大加熱電流一定時，燈絲能發(fā)射的熱電子數(shù)目一定，管電壓從零開始升高，單位時間內(nèi)到達(dá)陽極的電子數(shù)也增多，當(dāng)增加到一定程度時，燈絲所發(fā)射的電子已經(jīng)全部到陽極，出現(xiàn)電壓飽和。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)(ii)溫度飽和：當(dāng)管電壓一定，且低于某一較低臨界電壓值時，管電流不隨燈絲電流的繼續(xù)增高而增高。燈絲發(fā)射的電子不能全部到達(dá)陰極，而產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)，即使燈絲發(fā)射的電子再多，因受空間電荷的阻擋，到達(dá)陽極的電子數(shù)目也不會顯著增加。

總結(jié)：在x線管額定燈絲加熱電流下，電壓飽和的臨界值都很低，可見管電流的大小仍取決于燈絲加熱電流（燈絲電壓）。診斷中為了獲得較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之間的管電壓。返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)初聚焦作用的實現(xiàn)：使凹面陰極體具有比燈絲電位更低的電位，凹面陰極體排斥電子，起到初聚焦作用二次電子：陽極反射的電子或陽極過熱等情況下可發(fā)射的電子，被稱為二次電子，可撞擊燈絲使其斷裂，撞在玻璃殼上可造成玻璃破裂。返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)2.陽極（anode）作用：受高速電子轟擊產(chǎn)生X射線分類：旋轉(zhuǎn)式：陽極和陽極體做成圓盤狀，用小電機帶動旋轉(zhuǎn)。優(yōu)點：電機高速旋轉(zhuǎn)，使陽極時刻以新的靶面接受電子束的撞擊，使產(chǎn)生的熱量均勻分散到整個靶面，避免局部過熱，可使用的X線管功率大得多。固定式：耐高溫的鎢（熔點高，蒸汽壓低，蒸發(fā)少，可延長壽命）、鉬鑲嵌在銅制陽極體（導(dǎo)熱系數(shù)大）上。缺點：鎢導(dǎo)熱率低，不易散熱，電子撞擊靶與靶物質(zhì)發(fā)生作用，在轟擊處集中產(chǎn)生大量熱。適用于管電流小，曝光時間長的便攜式牙科或者床邊機

靶材料的原子序數(shù)Z越大，電子能量轉(zhuǎn)化為X射線的能量越多。因此，鎢(Z=74)和它的合金是最合適的靶材料。返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)

一、軟X射線管軟X線：

20KV到50KV管電壓產(chǎn)生的X線，能量較低，無法穿透較厚的受檢體，大劑量時，能提高軟組織影像的反差應(yīng)用：乳腺、結(jié)締組織、脂肪、血管及腫瘤的邊緣顯示較清晰

與普通X線管區(qū)別：普通X線管用鎢靶，出射窗用硬質(zhì)玻璃窗或鈹窗（吸收軟X線，防止受檢體接受較大的皮膚劑量）軟X線管用鉬靶（特征x射線輻射），出射窗用薄玻璃窗（軟X線的固有濾過率?。?，加鉬片吸收硬x線特殊X射線管種類管電壓(kV)最短波長(?)最大頻率(MHz)應(yīng)用極軟線軟線硬線極硬線5~2020~100100~250250以上2.5~0.620.62~0.120.12~0.05小于0.05(1.2~4.8)1012(4.8~25)1012(25~60)1012

大于601012軟組織攝影及表皮治療透視與照相較深部組織治療深部組織治療醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)Mammography乳腺造影術(shù)Benignlesion-Fibroadenoma

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)二、金屬X線管結(jié)構(gòu)：將射線管易形成鎢層的玻璃部分用鋼制殼代替應(yīng)用：X線電影，CT等優(yōu)點：沒有玻璃殼那種鎢蒸發(fā)形成鎢層所致X線管損壞的危險，所以鎢燈絲可以加熱到較高的溫度

返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)x線的產(chǎn)生燈絲加熱→陰極發(fā)射電子→管電壓加速→高速電子→靶物質(zhì)與其作用，能量損失，速度驟減碰撞損失：電子與原子核的外層電子作用而損失能量→熱能，99℅

輻射損失：電子與原子核的內(nèi)層電子或原子核作用而損失能量→輻射x射線，1%連續(xù)x線標(biāo)識x線一般的X射線發(fā)射譜應(yīng)如圖醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)連續(xù)x射線產(chǎn)生的物理過程韌致輻射(bremsstrahlung)：當(dāng)一個高速電子進入到原子核附近的強電場區(qū)域，受到原子核的庫侖場作用就會驟然減速，然后飛離強電場區(qū)域，從而完成一次電子與原子核的相互作用，電子的速度大小與方向必然發(fā)生變化，電子將向外輻射電磁波從而損失能量△E，電磁波的頻率由△E=?ν確定，電子的這種能量輻射叫韌致輻射，這種輻射所產(chǎn)生的能量為?ν的電磁波稱為X射線光子電子離子光子軔致輻射醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)連續(xù)x線譜：由于每個高速電子與靶原子相互作用時的相對位置不同，且每個電子與靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用對應(yīng)的輻射損失也不同，因而發(fā)出的x光子頻率也互不相同，大量的x光子組成具有頻率連續(xù)的x光譜（左圖）。

當(dāng)管電壓較低時，只產(chǎn)生連續(xù)X射線。左圖是管電壓分別為20kV、30kV、40kV、50kV時的連續(xù)X射線譜。由圖可見，當(dāng)管電壓增大時，各波長強度都隨之增大。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)

1.連續(xù)譜的x射線強度隨波長的變化而連續(xù)變化。2.每個曲線都有一個峰值2.波長增加的方向上曲線無限延展，但強度越來越弱，波長減小的方向上，曲線存在一個短波極限波長

min3.隨著管電壓升高，輻射強度相應(yīng)增強，同時各曲線所對應(yīng)的強度峰值和短波極限的位置均向短波方向移動

返回可見醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)短波極限波長

min：定義：此時對應(yīng)的光子能量最大，即電子與原子核在一次相互作用中損失其全部的能量eU=?mv2，產(chǎn)生能量為?νmax=?c/min的光子輻射，相互作用中能量守恒則

?mv2=?νmax所以eU=?c/minmin=?c/eU（?、c、e為常數(shù)）

min=1.24/U（nm)物理意義：對于每一個給定的管電壓（即電子被加速獲得的能量）都對應(yīng)一個短波極限波長

min，且min數(shù)值只與管電壓有關(guān)，不受其他任何因素的影響。返回

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)標(biāo)識（特征）x射線的產(chǎn)生定義：

x射線譜中除連續(xù)x射線譜外，還有幾個特別的波長，其射線強度非常大，相對于連續(xù)x射線，稱為標(biāo)識x射線，其本質(zhì)為高速電子與內(nèi)層電子發(fā)生作用產(chǎn)生。

當(dāng)管電壓增加到70kV以上時，出現(xiàn)線狀譜，如右圖所示。

實驗表明，線狀譜的波長取決于陽極靶的材料。不同元素制成的靶具有不同的線狀譜，可以用這些線狀譜作為元素的標(biāo)識，因此，這些線狀譜稱為標(biāo)識X射線譜。

鎢在較高管電壓下的X射線譜

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)標(biāo)識射線：a)高速電子與原子內(nèi)（K-）層電子作用；b)將K層電子擊出，一方面形成光電子，一方面在K層留下空穴；c)外層電子填補K層空穴，由于外層電子具有更高的能級，它有回到內(nèi)層的傾向。當(dāng)它回到內(nèi)層（例如K-層）填補空穴時，發(fā)出射線。射線的波長取決于靶物質(zhì)的原子序數(shù)，而與外加電壓無關(guān)。故稱為特征射線或標(biāo)識射線

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)產(chǎn)生機制示意圖

當(dāng)轟擊陽極靶的高速電子的能量足夠高時，可以使靶原子的內(nèi)層電子脫離原子核的束縛。比如，K層電子被擊出，則L、M、N等外層電子就會躍遷到K層，從而放出光子。光子的能量等于兩個能級差。這樣就形成了K線系。標(biāo)識X射線發(fā)生原理示意圖以K層標(biāo)識X射線為例醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)由內(nèi)而外K，L，M，能級步步上升，從L到K，能級由-10kev降到-70Kev，余下的能量以標(biāo)識射線發(fā)出！醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)標(biāo)識x射線的特點總結(jié)：

1.標(biāo)識x射線的波長取決于陽極靶物質(zhì)，與x線產(chǎn)生過程中的其他因素?zé)o關(guān)。不同靶物質(zhì)原子內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)不同，因此輻射光子的能量和波長也不同即標(biāo)識輻射代表了靶原子的特點，且隨著靶原子序數(shù)的增加，標(biāo)識X射線的能量也增加（表1-2）。

2.每種元素各系（K、L、M等）的標(biāo)識x射線的波長固定不變（右圖）。

3.醫(yī)用診斷x射線中，僅K系標(biāo)識x射線有用，其他各系，如L、M、N系，波長較長，能量較低，均被x線管管壁和濾過層吸收

4.標(biāo)識x射線只在一定的高壓下才能產(chǎn)生

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)標(biāo)識x線產(chǎn)生的條件：產(chǎn)生標(biāo)識x線的激發(fā)電壓U應(yīng)滿足

eU≧w（某層的結(jié)合能）

eU=wU=w/e（最低激發(fā)電壓）

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)

激發(fā)電壓特點：

對于給定靶原子，各線系的最低激發(fā)電壓大小按其相應(yīng)的電子空位產(chǎn)生的殼層內(nèi)電子結(jié)合能大小順序排列，殼層越接近原子核，最低激發(fā)電壓越大。即UK﹥UL﹥UM。所以在產(chǎn)生K系標(biāo)識x線的同時必定伴隨其他各系的激發(fā)和輻射，但由于L、M、N等各系的光子能量小，輻射強度弱，常被管壁（固有濾過）吸收不能射出，所以大多數(shù)元素的X射線譜中只有該元素的K系標(biāo)識譜線（表1-2）。

標(biāo)識X射線對化學(xué)元素分析非常有用。醫(yī)學(xué)診斷和治療中使用的X射線主要是連續(xù)X射線，標(biāo)識X射線在X射線的強度中所占的分量很小。

返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)實際焦點和有效焦點實際焦點：燈絲發(fā)射的電子經(jīng)聚焦加速，投射在陽極靶上的面積的實際面積。即電子轟擊在靶面上的面積（長為A，寬為B）有效焦點：實際焦點在垂直于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。（長為Asin

，寬為B）：靶傾角，靶表面與x射線輸出方向的夾角。越小，有效焦點的面積越小。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)

實際焦點的大小直接影響x射線管的散熱和影像清晰度，面積越大，散熱越好，但有效焦點的面積增大，膠片上所成影像清晰度受影響。若縮短燈絲長度或減小靶角來縮小有效焦點，則實際焦點必然縮小，單位面積上電子密度增加，實際焦點的溫度快速上升，陽極則不能承受較大的功率。所以陽極傾角一般取6o-17o。對大多數(shù)射線管來說，焦點一般隨管電壓的增大而減小，隨管電流的增大而增大（圖1-5）。一般診斷用的X射線管采用小焦點，焦點越小，在熒光屏上或照相底片上所成的像就越清晰。治療用的X射線管采用大焦點。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6°的斜角，以減少靶面對出射X射線的阻礙。

返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)X射線在均勻的、各向同性的介質(zhì)中，是直線傳播的不可見的電磁波，具有光的一切特性（波粒二象性，傳播中表現(xiàn)為散射、反射、衍射等，與物質(zhì)相互作用表現(xiàn)其粒子性，具有質(zhì)量、能量和動量。X射線不帶電，不受外界磁場或者電場的影響。X射線有貫穿本領(lǐng)X射線有熒光作用X射線有電離作用X射線有化學(xué)和生物效應(yīng)返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)波長短，能量高，物質(zhì)對其吸收弱，貫穿本領(lǐng)強，取決于X線能量：越高能，穿透性越強被穿透物質(zhì)本身結(jié)構(gòu)和原子性質(zhì)空氣，紙張，水，肌肉，木材鉛，銅，鋁，骨人體不易透射組織：鈣質(zhì)（結(jié)石，鈣化，畸胎瘤），骨骼中等透射性組織：軟組織（肌肉，軟骨，結(jié)締組織），體液（血液，腦脊液），密度與水相近易透射性組織：脂肪，胃腸道（積氣，積液），肺、鼻竇、乳突內(nèi)含有氣體醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)左側(cè)上頜竇粘膜增厚返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)x射線肉眼看不見，X射線照射鎢酸鈣、鉑氰化鋇、銀激活的硫化鋅鎘等熒光物質(zhì)，物質(zhì)原子被激發(fā)或者電離，當(dāng)被激發(fā)的原子恢復(fù)到基態(tài)時，便放出熒光。應(yīng)用：x射線透視的熒光屏，x攝影用增感屏，影像增強器的輸入輸出屏，閃爍計數(shù)器中的閃爍晶體，熒光玻璃等。

返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)X光子撞擊物質(zhì)原子中的電子，使電子脫離原子產(chǎn)生第一次電離，該高能電子又與其他原子作用可產(chǎn)生二次電離。應(yīng)用：1.X射線照射量測量儀的探頭氣體分子被電離后，其電離電荷易被收集，收集氣體中的電離電荷，測知其強弱可知x射線照射量。

2.X射線損傷防護和腫瘤放射治療的基礎(chǔ)