普通X射線成像課件

1、第一章 普通X射線成像 （General/traditional X-ray Imaging ）第一節(jié)、X射線管的特性(X射線管的結(jié)構(gòu)、X射線的產(chǎn)生、 X射線管的焦點(diǎn)及焦點(diǎn)的性能參量、 X射線管的容量）第二節(jié)、X射線輻射場的空間分布 （X射線的物理特征、X射線的強(qiáng)度、X射線的濾過和硬化、輻射場的角分布） 第三節(jié)、X射線在介質(zhì)中的衰減 （作用概率與截面、主要作用形式、擴(kuò)散衰減、吸收衰減的規(guī)律）第四節(jié)、X射線在人體組織內(nèi)的衰減 （混合物和化合物得質(zhì)量衰減系數(shù)、化合物的有效原子序數(shù)、連續(xù)能譜X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律、X射線在人體組織內(nèi)的衰減）第五節(jié)、X射線透視與 X射線攝影（X射線透視、X射線影像增

2、強(qiáng)器、X射線攝影）第六節(jié)、特殊X射線攝影（軟X射線攝影、高千伏X射線攝影、體層攝影、X射線造影及造影劑）第七節(jié)、X射線影像質(zhì)量（評價醫(yī)學(xué)影像質(zhì)量的參數(shù)、影像X射線影像質(zhì)量的因素）9/26/20221第一章 普通X射線成像X射線的發(fā)現(xiàn)德國科學(xué)家(1845-1923)Wilhelm Conrad Roentgen1895年發(fā)現(xiàn)X線X線投照9/26/202221901倫琴 (Roentgen)發(fā)現(xiàn)X射線(1895)1914勞厄（Laue）晶體的X射線衍射1915布拉格父子 (Bragg)分析晶體結(jié)構(gòu)1917 巴克拉 (Barkla)發(fā)現(xiàn)元素的標(biāo)識X射線1924塞格巴恩 (Siegbahn )X射線光

3、譜學(xué)1927康普頓(Compton等六人) 康普頓效應(yīng)1936德拜 (Debye) 化學(xué)1946馬勒 (Muller) 醫(yī)學(xué)1964霍奇金 (Hodgkin) 化學(xué)1979柯馬克和豪森菲爾德（Cormack/Hounsfield） 醫(yī)學(xué)1981 塞格巴恩(Siegbahn)物理 9/26/20223第一節(jié)、X射線管的特性1、X射線管的結(jié)構(gòu)2、X射線的產(chǎn)生 3、X射線管的焦點(diǎn)及焦點(diǎn)的性能參量 4、X射線管的容量 9/26/202251.1.1 X射線管的結(jié)構(gòu)X射線產(chǎn)生的必要條件 電子源（陰極） ; 高壓電場;必須有適當(dāng)?shù)淖钃跷?金屬靶面,陽極)來承受高速電子的能量，使高速電子所帶的動能轉(zhuǎn)變成X射

4、線;高度真空(P靶面上各處輻射的X光子數(shù)密度不盡相同；抵達(dá)靶面上各處的電子與靶原子作用的情況千差萬別 靶面上各處輻射的單個X光子的能量千差萬別。 9/26/202224管球焦點(diǎn)對成像的影響有效焦點(diǎn)大小的影響：有效焦點(diǎn)越小，得到的影像越清晰。當(dāng)有效焦點(diǎn)為點(diǎn)光源時，膠片上的圖像界線分明，圖像邊界的清晰度高；當(dāng)有效焦點(diǎn)是面積為S，線度為AB的面光源時，膠片上圖像邊緣區(qū)域P由于線光源AB不能完全投照其上而出現(xiàn)半陰影，這種半陰影在X射線影像中稱為半影，半影的出現(xiàn)影響著影像的清晰度，使影像的邊緣模糊不清，嚴(yán)重時甚至造成影像無從辨認(rèn)。9/26/202226 半影 縮小半影的方法： 縮小有效焦點(diǎn)面積S； 縮短

5、被攝部位與膠片 間的距離。 9/26/202227管球焦點(diǎn)對成像的影響焦點(diǎn)面上X射線強(qiáng)度的分布不均勻產(chǎn)生的影響：若有效焦點(diǎn)的大小相同，但在焦點(diǎn)面上X射線強(qiáng)度的分布不均勻，那么所成影像的分辨率不同，也將使密度分辨率變差。焦點(diǎn)中央X射線強(qiáng)度越強(qiáng)，半影的影響越小，即高斯分布的X射線強(qiáng)度產(chǎn)生的X射線影像具有較高的分辨力。其次是矩形的均勻分布，又稱矩形分布。分辨力最差的是雙峰分布。Return9/26/202228X射線管容量的計算 通常用其最高管電壓與管電流的乘積來表示 例：一給定的X射線管，額定管電壓為200kV，額定管電流為20mA，求其容量。 解：容量（單位：kW）管電壓有效值（單位：kV）管電

6、流（單位：mA)9/26/202230小焦點(diǎn)可使影像清晰。但是焦點(diǎn)越小，在焦點(diǎn)上集聚的能量越高，產(chǎn)生的熱量也就越高。因為只有約0.5%的電能轉(zhuǎn)化為X射線的能量，99.5%以上的能量轉(zhuǎn)化為熱能。最終將導(dǎo)致焦點(diǎn)面熔化。解決辦法：雙焦點(diǎn)技術(shù)、旋轉(zhuǎn)陽極技術(shù)和水或油循環(huán)冷卻技術(shù)9/26/202231在透視時使用小焦點(diǎn) 在攝影時使用大焦點(diǎn)高 壓正KV負(fù)KV大焦 燈絲小焦 燈絲大焦燈絲 變壓器小焦燈絲 變壓器CLCCS陽極雙焦點(diǎn)技術(shù)9/26/202232旋轉(zhuǎn)陽極技術(shù) 通過陽極旋轉(zhuǎn)來擴(kuò)大焦點(diǎn)面積，提高球管的散熱率，從而提高球管的功率。旋轉(zhuǎn)陽極球管旋轉(zhuǎn)速率有2700rpm、8500rpm(3倍頻)，甚至1600

7、0rpm(6倍頻)。旋轉(zhuǎn)陽極球管的靶面9/26/202233水或油循環(huán)冷卻技術(shù)真空 油在CT中使用油循環(huán)X線管 在心血管造影機(jī)X線機(jī)中使用水循環(huán)X線球管9/26/202234第二節(jié)、X射線輻射場的空間分布1、X射線的物理特征2、X射線的強(qiáng)度 3、X射線的濾過和硬化 4、輻射場的角分布 9/26/202235 本質(zhì)與普通光線一樣，都屬電磁波，但波長比可見光更短，介于紫外線與射線之間。與普通光線一樣具有微粒波動二重性，每個X射線光子具有一定的能量E=h，并以光的速度直線傳播。同時服從光的反射、折射、散射和衍射等一般規(guī)律。 X射線不帶電，它不受外界磁場或電場的影響。 1.2.1 X射線的物理特征9/

8、26/2022361、貫穿本領(lǐng) X射線的波長很短，對各種物質(zhì)都具有程度不同的穿透能力。 影響因素：與X射線的能量、被穿透物質(zhì)結(jié)構(gòu)和原子性質(zhì)有關(guān)。 同一X射線，對原子序數(shù)較低元素組成的物體貫穿本領(lǐng)較強(qiáng)，對原子序數(shù)較高元素組成的物體貫穿本領(lǐng)相對較弱。 X射線對人體不同組織的穿透性不同X射線醫(yī)學(xué)影像學(xué)的基礎(chǔ) 人體組織對X射線的穿透性 易透射組織 中等透射性組織 不易透射性組織 氣 體 結(jié)締組織 骨骼 肌肉組織 脂肪組織 軟骨 血液 9/26/2022372、熒光作用 當(dāng)射線照射某種物質(zhì)時，能夠發(fā)出熒光，具有這種光特性的物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)。 如鎢酸鈣、鉑氰化鋇、銀激活的硫化鋅鎘等熒光物質(zhì)受X射線照射時，

9、物質(zhì)原子被激發(fā)或電離，當(dāng)被激發(fā)的原子恢復(fù)到基態(tài)時，便可放出熒光。 X射線熒光作用的應(yīng)用： X射線透視熒光屏、增感屏、影像增強(qiáng)器、閃爍計數(shù)器等。 3、電離作用 具有足夠能量的X射線光子不僅可從原子中擊脫電子產(chǎn)生一次電離，脫離了原子的電子還能與其他原子碰撞產(chǎn)生二次電離。 X射線電離作用的應(yīng)用： X射線劑量儀器探頭原理及X射線損傷和治療的基礎(chǔ)。 9/26/2022384、X射線的化學(xué)和生物特性 1）、感光作用 X射線與可見光一樣，可使膠片感光。 膠片乳劑中的溴化銀受X射線照射感光，經(jīng)化學(xué)顯影，還原出黑色的金屬銀顆粒，其黑度取決于感光程度。X射線攝影即是利用其化學(xué)感光作用，使組織影像出現(xiàn)在膠片上。 2

10、）、脫水作用/著色作用 某些物質(zhì)經(jīng)X射線長期照射后，因結(jié)晶體脫水而逐漸改變顏色。如熒光屏、增感紙、鉛玻璃等經(jīng)X射線長期照射后都會逐漸變色。 3）、生物效應(yīng) X射線在生物體內(nèi)能產(chǎn)生電離及激發(fā)作用，也就是使生物產(chǎn)生生物效應(yīng)，它是放射治療的基礎(chǔ)，也是射線工作者應(yīng)注意防護(hù)的原因。 9/26/202239 X射線在空間某點(diǎn)的強(qiáng)度：單位時間內(nèi)通過單位橫截面積的輻射能量。 在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，常用X射線的量和質(zhì)表示X射線的強(qiáng)度。 單色X射線強(qiáng)度：I =N h 復(fù)色X射線強(qiáng)度：I總=Ni hi=N1 h1+N2 h2+ N3 h1+ X射線束內(nèi)的光子數(shù)目X射線光子的能量1.2.2 X射線的強(qiáng)度（Intensity

11、of X-rays) 9/26/202240影響連續(xù)X射線強(qiáng)度的因素靶物質(zhì) IZ 管電流 Ii 管電壓 IU29/26/202241X射線的量與質(zhì)的表示： X射線的量：管電流曝光時間（mAs） X射線的質(zhì)：管電壓（kV） X射線的質(zhì)/線質(zhì)一般用于表示X射線的硬度(hardness of X-ray) X射線的三個參量： 管電壓(kVp) 管電流(mA) 曝光時間(s) 在X線管加上 高壓產(chǎn)生X射 線的時間穿透物質(zhì)的能力X射線陽極陰極燈絲 變壓器高壓 變壓器管電壓管電流9/26/202242X射線質(zhì)的分類及用途 產(chǎn)生硬X射線，除了選用高的管電壓和選用原子序數(shù)較大的材料做陽極靶外，還應(yīng)選擇原子序數(shù)

12、較大和厚度較大的濾過板。產(chǎn)生軟X射線則相反，除選用低的管電壓和用原子序數(shù)較小的材料做陽極靶外，還需要采用特殊結(jié)構(gòu)的軟X射線設(shè)備，即用鈹制成的X射線輸出窗口。 X射線影像采用的是前兩種較軟的X射線。 名稱 最短波長()管電壓(kV)用途濾過板材料極軟X射線2.50.62520軟組織攝影、表皮治療膠紙板軟X射線0.620.1220100透視與攝影鋁片硬X射線0.120.05100250較深組織治療銅片超硬X射線0.05以下250以上深部組織治療錫、鉛9/26/202243固有濾過：從X射線管陽極發(fā)射出的原級X射線穿過管壁后，被吸收一部分。 附加濾過：在X射線管射出的X射線到達(dá)被投照部位前放置一定物

13、質(zhì)產(chǎn)生的濾過。 附加濾過可使：X射線總強(qiáng)度減小 波長分布均勻 平均硬度提高 半價層：使X射線的強(qiáng)度減弱到其初始值一半時所需的濾過板厚度。反映X射線束的穿透能力。 半價層的單位必須包括濾過板材料和厚度兩部分。 例如：一束X射線穿過2mm厚的標(biāo)準(zhǔn)鋁板后，其強(qiáng)度減弱了一半，則可稱這束X射線的半價層為2mm鋁。1.2.3 X射線的濾過和硬化 9/26/202244從陽極靶上發(fā)射的X射線在不同的方位角上，輻射強(qiáng)度不同。這種不均勻分布稱為輻射強(qiáng)度空間分布或輻射場的角分布。它主要取決于入射電子的能量、靶物質(zhì)及靶厚度等因素。 薄靶周圍X射線強(qiáng)度的角分布 厚靶產(chǎn)生的X射線空間分布1.2.4 輻射場的角分布 9/

14、26/202245薄靶周圍X射線強(qiáng)度的角分布低能電子束沖擊薄靶產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度分布，主要集中在與電子束成垂直的方向上；沿著電子束方向上X射線強(qiáng)度相對較??；與電子束相反方向上X射線強(qiáng)度近似為零。靶越薄，上述結(jié)論越正確。 根據(jù)薄靶產(chǎn)生X射線的空間分布的特點(diǎn)，在管電壓較低時，利用反射式靶在技術(shù)上很有好處；但對使用超高壓X射線管時，管電壓過高，考慮能量分布因素，則需采用穿透式靶，電子從靶的一面射入，X射線從另一面射出。加速器產(chǎn)生的高能X射線用的就是穿透式靶。 Return9/26/202246厚靶產(chǎn)生的X射線空間分布用于醫(yī)療診斷方面的X射線管，其陽極靶較厚。當(dāng)高能電子轟擊靶面時，不僅與靶面原子相互作用

15、輻射X射線，而且還穿透到靶物質(zhì)內(nèi)部的一定深度，因此，除了靶表面輻射X射線外，在靶的深層，也能向外輻射X射線。如圖1-21，越靠近OC方向，穿過靶的厚度越厚，靶本身對它的吸收也越多；越靠近OA方向，靶對它吸收越少。 9/26/202247第三節(jié)、X射線在介質(zhì)中的衰減1、作用概率與截面2、主要作用形式 3、擴(kuò)散衰減 4、吸收衰減的規(guī)律9/26/2022481.3.1 作用概率與截面作用概率：表示射線通過物質(zhì)層時強(qiáng)度的相對減弱，也表示一個粒子與物質(zhì)相互作用的概率。 I0為入射強(qiáng)度， I為出射強(qiáng)度，I =I-I0，- I/I0表示束流減弱的程度。 作用截面：一個入射粒子與一個靶粒子發(fā)生相互作用的概率。

16、 N為靶物質(zhì)的靶粒子密度（單位體積內(nèi)的靶粒子數(shù)），X為靶物質(zhì)的厚度。 9/26/202249射線強(qiáng)度與作用截面之間的關(guān)系顯然N就是線性衰減系數(shù)，可見作用截面與衰減系數(shù)，只是同一物理性質(zhì)的不同表示方式。 9/26/202250. 光電效應(yīng)(photo electric effect) X射線光子的能量全部給予殼層電子，一部分使其克服核的結(jié)合能脫離軌道，成為光電子，另一部分則作為光電子動能被帶走。 發(fā)生光電效應(yīng)時，光電子從原子內(nèi)殼層出射后，外殼層的電子將填補(bǔ)空穴，隨之輻射出標(biāo)識X射線。 光電效應(yīng)的產(chǎn)物：光電子、正離子(產(chǎn)生光電子的原子 )、新的光子（標(biāo)識輻射光子） +X射線光電效應(yīng)光電子光電效應(yīng)的

17、能量供受關(guān)系：Ee ：電子的動能 Ex: X射線的能量 Ei:第i層電子結(jié)合能51 內(nèi)光電效應(yīng)產(chǎn)生幾率與X射線光子能量的三次方成反比，與物質(zhì)原子序數(shù)的四次方成正比。1.3.2 主要作用形式 9/26/202251光電效應(yīng) 在光電子出射方向上，光電子的數(shù)量與入射X射線的能量有關(guān)。 9/26/202252.Compton效應(yīng)(Compton scattering) 入射X射線與物質(zhì)原子束縛較弱的電子相碰撞，光子的一部分能量傳給電子，并將它從原子中擊出（反沖電子），能量減小了的光子，波長增大并且改變運(yùn)動方向，成為散射光子。這種改變波長和方向的散射稱為康普頓散射。 康普頓散射的產(chǎn)物： 散射光子、反沖電

18、子、正離子 康普頓散射是X射線在生物組織內(nèi)衰減 的主要原因。 +入射X射線Compton效應(yīng)Compton電子出射X射線Compton效應(yīng)的能量供受關(guān)系：Ee ：電子的動能 E x: X射線的能量 :散射角（如圖） meC2 :電子的靜態(tài)質(zhì)量能 9/26/202253 康普頓散射原理圖 9/26/202254+X射線正電子電子對效應(yīng)負(fù)電子電子對效應(yīng)的能量供受關(guān)系：Ee ：電子的動能 E x: X射線的能量 meC2 :電子的靜態(tài)質(zhì)量能.電子對效應(yīng)(electric pair effect) 入射X射線光子進(jìn)入吸收物質(zhì)行近原子核時，受到原子核電場的作用，會突然消失而轉(zhuǎn)換成一個正電子和一個負(fù)電子，

19、這一現(xiàn)象稱為電子對效應(yīng)。 一個電子的靜止能量為0.511MeV,故電子對效應(yīng)中的電子總動能為： E2e= h-1.022MeV 如果入射光子能量超過1.022MeV， 則超過部分就將成為所產(chǎn)生的電子 對的動能。9/26/202255各種作用發(fā)生的相對幾率9/26/202256引起X射線在物質(zhì)內(nèi)傳播過程中的強(qiáng)度減弱，包括擴(kuò)散衰減（能量分散）和吸收衰減（與物質(zhì)相互作用）兩方面。擴(kuò)散衰減：若不考慮介質(zhì)的吸收，在半徑不同的球面上，X射線強(qiáng)度的減弱遵守反平方規(guī)律： 式中I1、I2分別表示半徑為r1和r2的球面上X射線的強(qiáng)度。應(yīng)注意此式只適用于點(diǎn)源的球面發(fā)射；故在一般的X射線影像中，改變X射線管焦點(diǎn)到膠片

20、的距離來調(diào)節(jié)X射線的強(qiáng)度。1.3.3 擴(kuò)散衰減 9/26/202257. 吸收衰減的規(guī)律 由能量相同的光子組成的X射線稱為單能X射線。X射線中不存在散射成分時，稱為窄束X射線。 單能窄束X射線在物質(zhì)中的衰減： 令X01.3.4 吸收衰減的規(guī)律9/26/202258I為穿過某一物質(zhì)后的X射線強(qiáng)度； I0為射入該物質(zhì)之前的X射線強(qiáng)度； 為該物質(zhì)的吸收系數(shù)（不同物質(zhì)的值不同，由物質(zhì)的物理特性決定）； X為該物質(zhì)的厚度； I I0 X衰減公式：衰減方程：59 9/26/202259兩個概念： 線性衰減系數(shù) 、 質(zhì)量衰減系數(shù)m 線性衰減系數(shù)： 或 (單位：m-1) 線性衰減系數(shù)的物理意義：X射線穿過單位

21、厚度的物質(zhì)薄層時，強(qiáng) 度減弱的百分?jǐn)?shù)。 線性衰減系數(shù)作用截面靶粒子密度 質(zhì)量衰減系數(shù)： 當(dāng)入射X射線能量一定，吸收物質(zhì)一定 （單位： ) 時，線性衰減系數(shù)與物質(zhì)密度成正比。 為消除的相關(guān)性，引入質(zhì)量衰減系數(shù)： 質(zhì)量厚度 9/26/202260幾種常見物質(zhì)在不同光子能量時的質(zhì)量衰減系數(shù):( ) 光子能量 氫 碳 氧 氮 鈉 鎂 碘 氬 鉀 鈣 MeV 0.010 9.92104 0.149 0.560 0.342 1.45 2.09 4.01 6.20 7.70 9.98 0.015 1.10103 0.0517 0.149 0.0916 0.443 0.609 1.19 1.94 2.46 2

22、.89 0.020 1.33103 0.0203 0.0589 0.0360 0.177 0.247 0.50 0.831 1.05 1.25 衰減公式： 質(zhì)量厚度質(zhì)量衰減系數(shù)9/26/202261Attenuation CoefficientAttenuation coefficients tell you the “x-ray blocking power” of a material.5105010015010.1AttenuationCoefficientPhoton Energy (keV)500BoneMuscleFat9/26/202262Attenuation Coeffici

23、entCoefficient depends on the property of the material.Density (Bone has a high density compared to soft tissues)Chemical Make-up (Lead blocks x-rays; lead screening used to protect patient & technicians)9/26/202263第四節(jié)、X射線在人體組織內(nèi)的衰減1、混合物和化合物得質(zhì)量衰減系數(shù)2、化合物的有效原子序數(shù)3、連續(xù)能譜X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律4、X射線在人體組織內(nèi)的衰減9/26/2022

24、641.4.1 混合物和化合物的質(zhì)量衰減系數(shù) 組成人體的物質(zhì)非單一物質(zhì)，醫(yī)用X射線也非單能窄束。 例題： 若空氣中各組分的質(zhì)量百分比為氮75，氧23.7，二氧化碳1.3，試計算在能量為10keV光子作用下，空氣的質(zhì)量衰減系數(shù)是多少？已知氮、氧、二氧化碳的質(zhì)量衰減系數(shù)分別為0.36、0.587、和8.31( ) 解：空氣的質(zhì)量衰減系數(shù)為 0.360.750.5870.2378.310.013 0.270.1390.108 0.515（ ）第i種元素的質(zhì)量衰減系數(shù)第i種元素在化合物或混合物中所占質(zhì)量的百分比9/26/202265 X射線束的線性衰減系數(shù)隨原子序數(shù)的增大而增大。 對于混合物或化合物常采用有效原子序數(shù)/平均原子序數(shù)來描 述其對X射線的衰減性質(zhì)。 例：求水分子H2O的有效原子序數(shù) 解：1.4.2 化合物的有效原子序數(shù)9/26/202266 線性衰減系數(shù)與吸收物質(zhì)的密度成正比，故當(dāng)射線穿過 相同物體時，密度大的物質(zhì)對X射線的衰減能力強(qiáng)。故實際 中多采用密度大的物質(zhì)做屏蔽材料。但對復(fù)合材料而言，由 于各成分元素的吸收很不相同，可與較大能量范圍的光子共 振吸收，所以即使密度較小，對X射線也有較強(qiáng)的吸收。 例如：XF型防護(hù)材料是由石墨、氧化