第一章 X射線物理

醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)第一章X射線物理主編：南京醫(yī)科大學(xué)吳小玲編者：牡丹江醫(yī)學(xué)院仇惠泰山醫(yī)學(xué)院謝晉東第一節(jié)X射線的產(chǎn)生第二節(jié)X射線的空間分布第三節(jié)X射線與物質(zhì)相互作用的類型第四節(jié)X射線在物質(zhì)中的衰減第五節(jié)X射線在人體內(nèi)的衰減目錄1895年，倫琴用黑紙把陰極射線管包起來，發(fā)現(xiàn)1m遠(yuǎn)處的熒光屏上發(fā)出微弱的熒光，甚至將屏移出2m之外還有熒光出現(xiàn)，這種射線走直線、不反射、不折射、也不受磁場偏折，所以他稱未知的射線為X射線。它的穿透性很強(qiáng)，可穿透他夫人的手顯示出手骨骼圖象。1.X射線的發(fā)現(xiàn)一、X射線的發(fā)現(xiàn)及其基本特性第一節(jié)X射線的產(chǎn)生德國物理學(xué)家倫琴（1845~1923年）第一張人體X光片（1895年）

該人體手骨骼X光片在醫(yī)學(xué)上具有劃時代意義。諾貝爾物理學(xué)獎（1901年）一、X射線的發(fā)現(xiàn)及其基本特性1.X射線的發(fā)現(xiàn)1906年，英國物理學(xué)家巴拉克才顯示了X射線的偏振，首次用實驗證明了X射線的波動性。1912年，德國物理學(xué)家勞厄等人發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，證明X射線是一種波長很短的電磁波。X射線是電磁波譜中：具有電磁波的一切基本特性。具有波動和粒子二重特性:一、X射線的發(fā)現(xiàn)及其基本特性2.X射線的基本特性德布羅意波長:一、X射線的發(fā)現(xiàn)及其基本特性2.X射線的基本特性X射線作為一種電磁波，除具有電磁波的共性外，又因X射線具有能量大，波長短等特點，還有一些自己獨(dú)特的性質(zhì)。（1）X射線在各向同種的均勻介質(zhì)中：依直線傳播的不可見電磁波，具有波粒二象性。（2）X射線不帶電：因此不受外界電場、磁場的影響。X射線的能量物質(zhì)本身性質(zhì)易透性組織（Z?。┲械韧干湫越M織（Z中）不易透射性組織（Z大）氣體脂肪組織結(jié)蒂組織肌肉組織軟骨血液骨骼有關(guān)。（3）X射線的穿透作用X射線的波長短，能量大，物質(zhì)對X射線吸收較弱，則貫穿本領(lǐng)強(qiáng)。與

是醫(yī)學(xué)影像的基礎(chǔ)------一、X射線的發(fā)現(xiàn)及其基本特性X射線照射某些物質(zhì)能發(fā)射熒光。熒光物質(zhì)：具有這種光特性的物質(zhì)。例如：鎢酸鈣、銀激活的硫化鋅鎘等物質(zhì)。醫(yī)學(xué)應(yīng)用：透視；影像增強(qiáng)器的輸入屏、輸出屏、增感屏。X射線能擊脫物質(zhì)原子某軌道上的電子，產(chǎn)生電離，又可產(chǎn)生二次電離。利用X射線的電離作用的強(qiáng)弱來間接測量X射線的數(shù)量，即X射線的強(qiáng)度。（4）熒光作用（5）電離作用間接測量X射線的的強(qiáng)度。

電離作用是X射線損傷和治療的基礎(chǔ)。透視一、X射線的發(fā)現(xiàn)及其基本特性------------X射線被物質(zhì)吸收，絕大多數(shù)轉(zhuǎn)換為熱。利用熱作用：可促進(jìn)血液循環(huán)；測定X射線吸收劑量。（6）熱作用（7）化學(xué)作用感光作用：X射線能使照相膠片感光，起光化學(xué)反應(yīng)，即照相。倫琴就是借助這個特性發(fā)現(xiàn)的X射線。攝影（照相）----------物質(zhì)吸收著色作用（脫水作用）：X射線長期照射某些物質(zhì)，其結(jié)晶體脫水，漸漸改變顏色。如鉛玻璃、水晶等物質(zhì)。一、X射線的發(fā)現(xiàn)及其基本特性X射線在生物體內(nèi)產(chǎn)生激發(fā)和電離對生物分子有破壞作用。損傷：引起生物細(xì)胞畸變破壞：對生物細(xì)胞可抑制、損傷、壞死；殺癌細(xì)胞，可在放射治療中應(yīng)用。

醫(yī)生應(yīng)時刻注意防護(hù)

!!!（8）生物效應(yīng)----是放射治療的基礎(chǔ)一、X射線的發(fā)現(xiàn)及其基本特性(2)陽極靶：(1)電子源：(3)電勢差：(4)真空玻璃罩：使電子在運(yùn)動過程中盡可能減少能量損耗，保護(hù)燈絲不被氧化。發(fā)射電子。一個受電子轟擊而輻射X射線的物體。要有加速電子使其增加動能的電位差（管電壓）。產(chǎn)生X射線的條件：二、X射線管旋轉(zhuǎn)陽極X射線管結(jié)構(gòu)早期的放射治療用X線管二、X射線管X射線管：是一個高度真空的硬質(zhì)玻璃管。X射線管(俗稱球管)X射線管主要組成：陰極陽極玻璃罩二、X射線管1.陰極(cathode)燈絲（鎢絲）

：發(fā)射電子聚焦杯：聚焦電子的凹面陰極體是X射線管的負(fù)極。

陰極技術(shù)指標(biāo)圓焦點線焦點二、X射線管

燈絲電流管電壓管電流二、X射線管是X射線管的正極。2.陽極(anode)

陽極陽極靶：接收電子轟擊，產(chǎn)生X射線。陽極體（銅）：散熱。接收電子機(jī)械支撐熱輻射體功能X射線管的電特性：4.6A4.4A4.2A02001601204024080管電壓(kV)管電流(mA)4080120160管電壓和燈絲電流對管電流的影響燈絲電流一定，隨著管電壓的升高，管電流在一定范圍內(nèi)增加，但當(dāng)達(dá)到某一值即飽和值時將不再增加。當(dāng)管電壓低于某一較低的臨界電壓時，管電流并不隨燈絲電流的增加而升高，即產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。二、X射線管類型固定旋轉(zhuǎn)X射線靶的特征元素元素符號原子序數(shù)K特征X射線熔點鎢鉬銠WMORh74424569keV42keV45keV3410OC2600OC3200OC陽極罩：罩住陽極，防止電子的破壞。還有:管套、出射窗。二、X射線管3.X射線管的焦點(focalspot)是衡量X射線機(jī)的重要指標(biāo)之一。直接影響透射、照相的清晰度，對影像質(zhì)量影響很大。實際焦點有效焦點分類：指面積二、X射線管燈絲發(fā)射的電子束，經(jīng)聚焦加速后，撞擊在陽極靶上的實際面積。意義：直接影響X射線散熱問題。(1)實際焦點：二、X射線管實際焦點在垂直于X射線管軸線方向上的投影面積。即：X射線照射在膠片上的有效面積。意義：直接影響X射線的影像質(zhì)量。(2)有效焦點（目視焦點）：理想有效焦點:圓形實際形狀:雙香蕉狀焦點的一般形狀二、X射線管（X-raytube

）燈絲大小影響有效焦點的因素：管電壓管電流靶傾角二、X射線管（X-raytube

）(3)兩者之間的關(guān)系：面積量綱靶角θ：6°~17°二者之間關(guān)系：二、X射線管（X-raytube

）X射線管的實際焦點和有效焦點闡述電子與靶相互作用中的能量轉(zhuǎn)換，即X射線產(chǎn)生的物理過程。1.電子與物質(zhì)的相互作用碰撞損失(collisionloss)能量損失：高速電子與靶外層電子相互作用，而損失的能量。熱99％三、X射線的產(chǎn)生機(jī)制（2）高速電子與靶原子核發(fā)生相互作用，將能量轉(zhuǎn)化為軔致輻射(bremsstrahlungradiation)。（1）高速電子電離原子的內(nèi)層電子，將能量轉(zhuǎn)化為特征輻射(characteristicradiation)；輻射損失(radiationloss)1％三、X射線的產(chǎn)生機(jī)制2.連續(xù)X射線軔致輻射連續(xù)X射線為什么叫連續(xù)X射線？三、X射線的產(chǎn)生機(jī)制軔致輻射的產(chǎn)生X射線強(qiáng)度連續(xù)變化每條曲線：*有一個峰值*波長增加方向上無限延展，強(qiáng)度越來越弱*存在最短波長(λmin)鎢靶較低管電壓連續(xù)X射線發(fā)射譜各條曲線：

Ｕ三、X射線的產(chǎn)生機(jī)制Iλmin

光子能量的最大極限(h

max)等于入射電子在X射線管加速電場中所獲得的能量eU，即光子最短波長為：連續(xù)X射線的最短波長電子的能量全部轉(zhuǎn)換成X光子的能量三、X射線的產(chǎn)生機(jī)制3.特征X射線特征輻射特征X射線三、X射線的產(chǎn)生機(jī)制特征X射線的產(chǎn)生鎢原子能級和K系、L系特征X射線三、X射線的產(chǎn)生機(jī)制鎢原子能級和K系L系特征X射線4.影響X射線發(fā)射譜的因素（1）固有濾過：X射線經(jīng)歷X射線管的玻璃壁、絕緣油層和管套上的出射窗口的衰減。對軟組織X線攝影，把X射線管的玻璃壁換上鈹，具有最小的固有濾過。（2）附加濾過：X射線管出口下面所加的衰減材料。

三、X射線的產(chǎn)生機(jī)制1.00.5

0.010102030405060708090100110光子能量(keV)相對光子數(shù)100kV管電壓下鎢靶X射線發(fā)射譜三、X射線的產(chǎn)生機(jī)制影響X射線能譜的大小和相對位置的因素因素影響管電流管電壓附加濾過靶材料管電壓波形能譜的幅度能譜的幅度和位置能譜幅度，在低能時更加有效能譜的幅度和特征X射線譜的位置能譜幅度，在高能時更加有效三、X射線的產(chǎn)生機(jī)制1.X射線強(qiáng)度(x-rayintensity)

(I)每個光子的能量(hv)大小光子數(shù)(N)的多少決定輻射能量由：單位時間內(nèi)，通過單位橫截面積的輻射能量。一、X射線管的輸出第二節(jié)X射線的空間分布多種光子組成的X射線(線狀譜)的強(qiáng)度為連續(xù)X射線能譜的強(qiáng)度為單能X射線的強(qiáng)度I為診斷中：應(yīng)用經(jīng)驗公式連續(xù)X射線總強(qiáng)度K系特征X射線強(qiáng)度一、X射線管的輸出二、X射線的空間分布主要取決于入射電子能量靶物質(zhì)靶厚度X射線輻射強(qiáng)度在空間的分布情況很復(fù)雜1.薄靶周圍X射線強(qiáng)度的空間分布薄鎢靶周圍X射線強(qiáng)度的角分布隨管電壓的變化“足跟”效應(yīng)(陽極效應(yīng))焦點的大小和形狀改變靶角越小，“足跟”效應(yīng)越明顯，X射線強(qiáng)度下降越多。2.厚靶周圍X射線強(qiáng)度的空間分布二、X射線的空間分布厚靶陽極效應(yīng)示意圖陽極效應(yīng)：造成有用X射線束的強(qiáng)度在陽極側(cè)降低二、X射線的空間分布陽極效應(yīng)造成的有用X射線束的強(qiáng)度在陽極側(cè)降低陽極效應(yīng)對有效焦點大小和形狀的影響陽極效應(yīng)：改變了有效焦點的大小和形狀。（靠近陽極側(cè)的有效焦點?。┒?、X射線的空間分布X射線影像的物理依據(jù)：一部分光子相互作用發(fā)生作用電子原子核物質(zhì)X射線X射線通過物質(zhì)時：直接穿透物質(zhì)大部分光子與物質(zhì)中的第三節(jié)X射線與物質(zhì)相互作用的類型X射線與物質(zhì)相互作用的主要形式有：光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對效應(yīng)X射線與生物組織相互作用的結(jié)果第三節(jié)X射線與物質(zhì)相互作用的類型產(chǎn)生條件:h

=Ee+

Eb作用過程：h

:光子能量Eb:內(nèi)層軌道電子的結(jié)合能Ee:光電子的動能光電子：光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子。1.作用過程：光電效應(yīng)：能量為h

的X射線光子通過物質(zhì)時，與物質(zhì)原子的軌道電子發(fā)生相互作用，把全部能量傳遞給這個電子，光子消失，獲得能量的電子掙脫原子束縛成為自由電子的過程。

一、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)光電效應(yīng)示意圖一、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)

2.作用截面：入射粒子與物質(zhì)中的一個原子或電子發(fā)生一次特定相互作用的概率，稱為“原子截面”或“電子截面”。符號原子序數(shù)越大，光電效應(yīng)發(fā)生的概率迅速增加；單位：m2

專用單位：巴恩（barn.b）1b=10-28m2原子截面：

一、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)光子能量越大，光電效應(yīng)發(fā)生的概率迅速減小。邊緣吸收限(edgeabsorptioneffect)光電效應(yīng)發(fā)生的概率突變的地方

W、Mo、Cu的光電效應(yīng)原子截面與光子能量的關(guān)系一、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)光電子出射的角分布3.光電子的角分布：20KeV100KeV0.5MeV1.5MeV一、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)4.診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)1)不產(chǎn)生散射線，減少了照片灰霧2)增加人體不同組織的對比度利:影像質(zhì)量好弊:入射X線通過光電效應(yīng)可全部被人體吸收，增加了受檢者的輻射劑量。在實際工作中，采用高千伏攝影技術(shù)，減少光電效應(yīng)的發(fā)生，從而達(dá)到降低劑量的目的。一、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)1.作用過程：康普頓效應(yīng)：能量為hν的X光子與物質(zhì)原子核外的電子（多為外層電子）發(fā)生非彈性碰撞，將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，即成為反沖電子，而入射光子被散射的過程。產(chǎn)生條件:作用過程：二、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)散射光子能量和反沖電子動能E的計算公式：反沖角和散射角之間的關(guān)系為:二、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)康普頓效應(yīng)示意圖二、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)2.作用截面：康普頓效應(yīng)截面：與原子序數(shù)Z無關(guān)康普頓效應(yīng)概率：

電子截面：

二、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)原子截面：康普頓散射光子的角分布3.散射光子和反沖電子的角分布0.1MeV1.0MeV10MeV二、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)

康普頓反沖電子的角分布0.1MeV1.0MeV10MeV3.散射光子和反沖電子的角分布二、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)4.診斷放射學(xué)中的康普頓效應(yīng)（1）從受檢者身上產(chǎn)生的散射線能量與原射線相差很少，并且散射線比較對稱地分布在整個空間，醫(yī)生和技術(shù)人員必須重視，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施。（2）散射線增加了照片的灰霧，降低了影像的對比度，但與光電效應(yīng)相比受檢者的劑量較低。二、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)電子對效應(yīng)：

一個X線光子在物質(zhì)的原子核庫侖場的作用下，光子的全部能量轉(zhuǎn)化為具有靜止質(zhì)量的一對正負(fù)電子的過程。

作用過程：產(chǎn)生條件:

一個電子靜止質(zhì)量相當(dāng)于:0.511MeV三、電子對效應(yīng)(electricpaireffect)

1.作用過程：三、電子對效應(yīng)(electricpaireffect)電子對效應(yīng)示意圖復(fù)合消失電子對的湮沒：正電子+自由電子（物質(zhì)中的）

兩個飛行方向相反的光子（一個光子能量：0.511MeV）產(chǎn)生電子對湮沒三、電子對效應(yīng)(electricpaireffect)2.作用界面：

當(dāng)hv>2mec2時

當(dāng)hv

>>2mec2時三、電子對效應(yīng)(electricpaireffect)