放射物理基础医学影像成像理论ppt课件ppt课件

2018/12/4 Tuesday 1 医学影像成像理论 放 射 物 理 基 础 主要内容 第一节 X线的产生和性质 第二节 X线与物质的相互作用 第三节 X线的衰减规律 2018/12/4 Tuesday 2 第一节 X线的产生和性质 1.1 X线的发现 1.2 X线的本质和特性 1.3 X线的产生 1.4 X线的产生原理 1.5 X线的量与质 1.6 影响 X线量与质的因素 1.7 X线产生效率 1.8 X线强度空间分布 2018/12/4 Tuesday 3 一、 X线的发现 1895年年 11月月 8日，德国物理学家日，德国物理学家 W C Rontgen做阴极射线管做阴极射线管 (cathode ray tube， CRT)实验时，出乎意料地发现了一种肉眼看不见的实验时，出乎意料地发现了一种肉眼看不见的 “光线光线 ”，它，它 能穿透许多物质，并能使铂氰化钡发出荧光。叫能穿透许多物质，并能使铂氰化钡发出荧光。叫 X射线，简称射线，简称 X线或线或 X光，光， 又称伦琴射线。又称伦琴射线。 1901年，伦琴为此获得诺贝尔奖。年，伦琴为此获得诺贝尔奖。 发现发现 X线三个月后，维也纳一家医院首先用它协助外科手术。使用的是充线三个月后，维也纳一家医院首先用它协助外科手术。使用的是充 气气 X线管，产生的线管，产生的 X线量甚微，拍摄一张头颅片需要曝光线量甚微，拍摄一张头颅片需要曝光 20 min。是。是 X线在线在 医学中应用的初始阶段。医学中应用的初始阶段。 从伦琴发现从伦琴发现 X线到现在的线到现在的 100多年里，多年里， X线日益广泛地应用在医学诊断和治线日益广泛地应用在医学诊断和治 疗上，而且在物质结构分析、工业探伤、科研等方面都发挥了巨大作疗上，而且在物质结构分析、工业探伤、科研等方面都发挥了巨大作 用。用。2018/12/4 Tuesday 4 二、 X线的本质和特性 2018/12/4 Tuesday 5 （一） X线的本质 u是一种电磁波。波长很短，大约与晶体内呈周期排列的 原子间距同一数量级，在 110 -10m左右。 u与可见光、红外线、紫外线、 射线一样，属于电磁辐射 (electro magnetic radiation)，是电磁波；这些电磁 波的本质完全相同，波长或频率有差别。 2018/12/4 Tuesday 6 uX线波长很短，介于紫外线和射线之间，约为 10-8 10-12 m；频率很高，约 在 310 16 310 20 Hz。 u由于光子能量不同，电磁辐射分为电离辐射和非电离辐射。 1. 非电离辐射： 微波、红外线、可见光等，由于光子能量小，不能引起物 质电离的辐射； 2. 电离辐射： 紫外线、 X线、 射线等，于光子能量大，能使物质产生电离 的辐射。 1. X线具有波动性线具有波动性 X线与其它电磁波一样具有波动和微粒性；与可见光线与其它电磁波一样具有波动和微粒性；与可见光 一样具有衍射、偏振、反射、折射等现象。一样具有衍射、偏振、反射、折射等现象。 波动性波动性 表现在以一定的波长和频率在空间传播；是一种横波，传播速表现在以一定的波长和频率在空间传播；是一种横波，传播速 度在真空中与光速相同，可以用波长、频率度在真空中与光速相同，可以用波长、频率 (frequency) 描述。描述。 2. X线具有微粒性线具有微粒性 波动性不能解释它的光电效应、荧光作用、电离作波动性不能解释它的光电效应、荧光作用、电离作 用等；只能用爱因斯坦的光量子理论，即把用等；只能用爱因斯坦的光量子理论，即把 X线束看做是由一个个微粒线束看做是由一个个微粒 - X光子组成的来解释。光子组成的来解释。 与物质相互作用发生能量交换时，突出表现了它的粒子性。与物质相互作用发生能量交换时，突出表现了它的粒子性。 微粒性微粒性 主要表现为主要表现为 X线光子在辐射和吸收时具有能量、质量和动量。线光子在辐射和吸收时具有能量、质量和动量。 X 线的波长、频率、波速线的波长、频率、波速 c和能量和能量 E、质量、质量 m关系：关系： E=h =c/ (2-1) h为普朗克常数，为普朗克常数， h=6.62610 -34 Js。 2018/12/4 Tuesday 7 （二）（二） X线的特性线的特性 1、 物理特性：物理特性： 穿透性、荧光作用、电离作用、热作用穿透性、荧光作用、电离作用、热作用 穿透性：穿透性： X线的能量很大，波长很短，穿透力很强。穿透性与其波长、物线的能量很大，波长很短，穿透力很强。穿透性与其波长、物 质的性质、结构有关。质的性质、结构有关。 Z高、高、 大的物质，吸收大的物质，吸收 X线多，穿透性差。线多，穿透性差。 不透过性组织：不透过性组织： 骨骼系统，含有大量的钙质，钙的骨骼系统，含有大量的钙质，钙的 Z(20)较高，骨吸收较高，骨吸收 X线最线最 多；多； 中等透过性组织：中等透过性组织： 软组织软组织 (结缔组织、肌肉、软骨等结缔组织、肌肉、软骨等 )及体液都是由氢、碳、及体液都是由氢、碳、 氮、氧等低氮、氧等低 Z原子组成，原子组成， 与水相近；与水相近； 可透性组织：可透性组织： 脂肪组织成分与软组织相似，但排列稀疏，脂肪组织成分与软组织相似，但排列稀疏， 比软组织小，比软组织小， X线线 的透过性较好；肺部、胃肠道、副鼻窦及乳突内等均含有气体，也是由的透过性较好；肺部、胃肠道、副鼻窦及乳突内等均含有气体，也是由 氢、氮、氧等组成，但分布非常稀疏，密度很小，透过性能很好。氢、氮、氧等组成，但分布非常稀疏，密度很小，透过性能很好。 2018/12/4 Tuesday 8 荧光作用：荧光作用： X线照射某些物质时，物质的原子被激发或电离；当恢复到基态时线照射某些物质时，物质的原子被激发或电离；当恢复到基态时 ，放射出可见荧光的物质，如，放射出可见荧光的物质，如 CaWO4、铂氰化钡、银激活的硫化锌等。、铂氰化钡、银激活的硫化锌等。 透视用的荧光屏，摄影用的增感屏，影像增强器中的输入屏和输出屏，测定辐射透视用的荧光屏，摄影用的增感屏，影像增强器中的输入屏和输出屏，测定辐射 量的闪烁晶体、荧光玻璃等是利用量的闪烁晶体、荧光玻璃等是利用 X线的荧光作用制造的。线的荧光作用制造的。 电离作用电离作用 ： 具有足够能量的具有足够能量的 X光子能击脱物质原子的轨道电子产生一次电离，光子能击脱物质原子的轨道电子产生一次电离， 脱离原子的电子再与其它原子碰撞，还会产生二次电离。脱离原子的电子再与其它原子碰撞，还会产生二次电离。 在固体和液体中，电离后的正、负离子能很快地复合不易收集；气体中的电离电在固体和液体中，电离后的正、负离子能很快地复合不易收集；气体中的电离电 荷却很容易收集起来。荷却很容易收集起来。 根据电离电荷的多少来测定根据电离电荷的多少来测定 X线的照射线的照射 (exposure) 量。多种测定照射量仪器的探头量。多种测定照射量仪器的探头 ，如电离室、正比计数管、盖革，如电离室、正比计数管、盖革 -弥勒计数管等都是利用这个原理制成。弥勒计数管等都是利用这个原理制成。 电离作用电离作用 是是 X线对于肌体损伤和治疗的基础，但同时对人体也有伤害。线对于肌体损伤和治疗的基础，但同时对人体也有伤害。 2018/12/4 Tuesday 9 热作用：热作用： 物质吸收物质吸收 X线能量，最终绝大部分都便成热能，使物体升线能量，最终绝大部分都便成热能，使物体升 温。温。 物质吸收物质吸收 X线能量，最终绝大部分都将变为热能，使物体产生温升。线能量，最终绝大部分都将变为热能，使物体产生温升。 测定吸收剂量的量热法是利用测定吸收剂量的量热法是利用 X线的热作用。线的热作用。 2018/12/4 Tuesday 10 2、化学特性、化学特性 感光作用：感光作用： 当当 X线照射到胶片上的时候，溴化银药膜起化学变化，出现银粒沉线照射到胶片上的时候，溴化银药膜起化学变化，出现银粒沉 淀。淀。 着色作用：着色作用： 某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经 X线长期照射后，其结晶线长期照射后，其结晶 体脱水而改变颜色。体脱水而改变颜色。 3、生物效应特性、生物效应特性 X线在生物体内能产生电离和激发作用线在生物体内能产生电离和激发作用 ，使生物体产生生物效应。生物细胞特别，使生物体产生生物效应。生物细胞特别 是增殖性强的细胞，经一定量的是增殖性强的细胞，经一定量的 X线照射后，可以产生抑制、损伤、甚至坏死。线照射后，可以产生抑制、损伤、甚至坏死。 人体组织吸收一定量人体组织吸收一定量 X线后，因其对线后，因其对 X线敏感程度的不同而出现种种反应，这一作线敏感程度的不同而出现种种反应，这一作 用可在用可在 放射治疗放射治疗 中得到充分应用。中得到充分应用。 X线对人体的正常组织有一定的损伤作用线对人体的正常组织有一定的损伤作用 ，必须注意非受检部位和非治疗部位的，必须注意非受检部位和非治疗部位的 屏蔽防护，放射工作者应注意自身防护。屏蔽防护，放射工作者应注意自身防护。 2018/12/4 Tuesday 11 三、 X线的产生 在发现在发现 X线之后，人们在研制产生线之后，人们在研制产生 X线设备的过程中，发现每当高速线设备的过程中，发现每当高速 带电粒子撞击物质而突然受阻减速时能产生带电粒子撞击物质而突然受阻减速时能产生 X线的规律。因此现在所线的规律。因此现在所 使用的人工辐射源，都是利用高速带电粒子撞击靶物质而产生的。使用的人工辐射源，都是利用高速带电粒子撞击靶物质而产生的。 （一）（一） X线产生条件线产生条件 1、电子源：阴极、电子源：阴极 2、高速电子流：有两个方面，其一是、高速电子流：有两个方面，其一是 高压电场高压电场 ，使电子获得高速动，使电子获得高速动 能；其二是能；其二是 高真空度环境高真空度环境 ，使电子在高速运动中免遭气体分子的阻挡，使电子在高速运动中免遭气体分子的阻挡 而降低能量，同时也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁。而降低能量，同时也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁。 3、适当障碍物、适当障碍物 -靶：阳极靶：阳极 2018/12/4 Tuesday 12 (二 )X线产生装置 医用医用 X线机分为诊断机和治疗机两大类。用于透视、摄影和特殊检查线机分为诊断机和治疗机两大类。用于透视、摄影和特殊检查 的的 X线机统称为线机统称为 诊断用诊断用 X线机线机 ；诊断用；诊断用 X线机的管电压一般在线机的管电压一般在 40 150kV。 用于疾病治疗的统称为用于疾病治疗的统称为 治疗用治疗用 X线机线机 。 由主机、机械装置及辅助设备等几部分组成。由主机、机械装置及辅助设备等几部分组成。 主机：是产生主机：是产生 X线的最基本组成部件，由线的最基本组成部件，由 X线管、高压发生器、控制线管、高压发生器、控制 台组成。台组成。 (二 )X线产生装置 (二 )X线产生装置 1 X线管线管 X线机的心脏。是高真线机的心脏。是高真 空度的热电子式空度的热电子式 X线管。线管。 X线管是在特制的玻璃管内插线管是在特制的玻璃管内插 入两个电极，一个是产生和发射入两个电极，一个是产生和发射 热电子的热电子的 阴极阴极 (负极负极 )（ cathode） ； 一个是一个是 阳极阳极 (anode)，也叫阳极靶面，也叫阳极靶面 (anode target)，是高速电子撞击的，是高速电子撞击的 目标。目标。 管内真空度高达管内真空度高达 10-6 mm汞柱。汞柱。 图 2-1 阴极由灯丝和集射罩组成。阴极由灯丝和集射罩组成。 灯丝电压愈高，温度愈高，每秒钟蒸发灯丝电压愈高，温度愈高，每秒钟蒸发 出的电子数愈多。在阴极和阳极间加上高电出的电子数愈多。在阴极和阳极间加上高电 压时，从灯丝中蒸发出来的热电子在强电场压时，从灯丝中蒸发出来的热电子在强电场 的作用下奔向阳极形成管电流。的作用下奔向阳极形成管电流。 阳极主体是铜圆柱体，对着阴极的端面阳极主体是铜圆柱体，对着阴极的端面 上镶嵌着一块钨板上镶嵌着一块钨板 (钨靶钨靶 )；是高速电子撞击；是高速电子撞击 的目标，产生的目标，产生 X线的地方。从阴极飞来的高线的地方。从阴极飞来的高 速电子的动能，速电子的动能， 99%以上都在阳极上变为热以上都在阳极上变为热 能，不到能，不到 1的能量变为的能量变为 X线能。阳极材料线能。阳极材料 既要熔点高、导热性能好；又要既要熔点高、导热性能好；又要 Z高，可提高，可提 高高 X线的产生效率。线的产生效率。 图 2-1 (二 )X线产生装置 实际焦点实际焦点 (actual focal spot) ： 阴极灯丝阴极灯丝 射向阳极的高速电子流，经聚焦后撞击射向阳极的高速电子流，经聚焦后撞击 在阳极靶面上的面积在阳极靶面上的面积 (焦点焦点 )。 X线管的灯丝是螺管状，理想的实际线管的灯丝是螺管状，理想的实际 焦点在靶面上形成的是一近似矩形。焦点在靶面上形成的是一近似矩形。 实际焦点的大小取决于聚焦槽的形实际焦点的大小取决于聚焦槽的形 状、宽度和深度。状、宽度和深度。 聚焦槽与灯丝位置及其电位分布影响聚焦槽与灯丝位置及其电位分布影响 阴极电子流的分布，形成主焦点与副焦阴极电子流的分布，形成主焦点与副焦 点。点。 图 2-2 (二 )X线产生装置 有效焦点有效焦点 (effective focal spot) ： 实际实际 焦点在焦点在 X线投射方向上的投影面积。线投射方向上的投影面积。 一般为长方形。一般为长方形。 阳极角阳极角 ： 阳极面与阳极面与 X线投射方向之线投射方向之 间的夹角。一般在间的夹角。一般在 10 20 。 管壳的作用是维持一个高真空度的管壳的作用是维持一个高真空度的 空间，并起着固定阳极和阴极的作空间，并起着固定阳极和阴极的作 用。用。 主焦点与副焦点主焦点与副焦点 ： 图 2-2 (二 )X线产生装置 2高压发生器高压发生器 X线管需要的电能应满足：一个是使线管需要的电能应满足：一个是使 X线管灯丝加热放线管灯丝加热放 射出电子；另一个是使这些电子加速奔向阳极。射出电子；另一个是使这些电子加速奔向阳极。 X线发生器中设有灯丝电路和高压电路，还有限时电路控制线发生器中设有灯丝电路和高压电路，还有限时电路控制 X线的照射线的照射 时间。时间。 (二 )X线产生装置 3控制台控制台 是是 X线机的控制中心。有多个开关和选择键线机的控制中心。有多个开关和选择键 (旋扭旋扭 )，如电源，如电源 开关、工作方式选择键、开关、工作方式选择键、 mA选择键、选择键、 kV选择键、照射时间选择键选择键、照射时间选择键 等。等。 4机械装置和辅助设备机械装置和辅助设备 检查床、立柱、支架、轨道等检查床、立柱、支架、轨道等 四、 X线的产生原理 (一一 )电子与物质相互作用电子与物质相互作用 高速电子被靶物质阻止的过程复杂。高速电子带负电荷，在物质中主高速电子被靶物质阻止的过程复杂。高速电子带负电荷，在物质中主 要与原子核的正电场及轨道电子的负电场发生作用。要与原子核的正电场及轨道电子的负电场发生作用。 高速电子被靶物质阻止的过程是很复杂的，所谓碰撞是带电粒子之间高速电子被靶物质阻止的过程是很复杂的，所谓碰撞是带电粒子之间 的经典库仑力之间的相互作用，电子在碰撞过程中的能量损失可分为的经典库仑力之间的相互作用，电子在碰撞过程中的能量损失可分为 碰撞损失碰撞损失 和和 辐射损失辐射损失 。 碰撞损失只涉及原子的外层电子，这部分能量将全部变为热；碰撞损失只涉及原子的外层电子，这部分能量将全部变为热； 辐射损失涉及内层电子和原子核。电子与靶原子因碰撞而损失能量过辐射损失涉及内层电子和原子核。电子与靶原子因碰撞而损失能量过 程，就是发生能量转换的过程。程，就是发生能量转换的过程。 2018/12/4 Tuesday 22 这两种产生的机制是：韧致辐射（连续放射）和标识辐射（特征辐射 ）。 总之，运动电子在物质中碰撞的结果，导致能量的转换，电子的动能变 为热能、电离能和辐射能。即 (二二 )X线产生原理线产生原理 X线是在能量转换中产生的。线是在能量转换中产生的。 X线组成：连续线组成：连续 X线、特征线、特征 X线。是这两种成分组成的混合射线。线。是这两种成分组成的混合射线。 1连续连续 X线线 连续辐射又称轫致辐射连续辐射又称轫致辐射 (bremsstrahlung)。它是高速电子与靶原子核相。它是高速电子与靶原子核相 互作用时产生的、具有连续波长的互作用时产生的、具有连续波长的 X线。线。 连续辐射构成连续连续辐射构成连续 X线谱线谱 (continuous X-ray spectrum)，与可见光的白光，与可见光的白光 相似，是包括多种能量光子的混合射线。相似，是包括多种能量光子的混合射线。 (1)连续连续 X线产生的物理过程：线产生的物理过程： 轫致辐射是辐射损失的一种，是产生连续轫致辐射是辐射损失的一种，是产生连续 X线的机制。线的机制。 当一个带电体在外电场中速度变化时，带电体将向外辐射电磁波。高速当一个带电体在外电场中速度变化时，带电体将向外辐射电磁波。高速 电子进入到原子核附近的强电场区域、然后飞离强电场区域完成一次电电子进入到原子核附近的强电场区域、然后飞离强电场区域完成一次电 子与原子核的相互作用时，电子的速度大小和方向必然发生变化。子与原子核的相互作用时，电子的速度大小和方向必然发生变化。 电子向外辐射电磁波损失能量电子向外辐射电磁波损失能量 E，电磁波的频率由，电磁波的频率由 E =h确定。电子确定。电子 的这种能量辐射叫的这种能量辐射叫 轫致辐射轫致辐射 ，这种辐射所产生能量为，这种辐射所产生能量为 h的电磁波称为的电磁波称为 X 线光子。线光子。 由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，且每个电子与由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，且每个电子与 靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用对应的辐射损靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用对应的辐射损 失也不同，因而发出的失也不同，因而发出的 X线光子频率也互不相同。线光子频率也互不相同。 大量的大量的 X线光子组成了具有频率连续的线光子组成了具有频率连续的 X线光谱。线光谱。 图 2-3 图 2-4 (2)连续连续 X线的最短波长：线的最短波长： X线强度是随波长的变化而连续变化的。线强度是随波长的变化而连续变化的。 每条曲线都有一个峰值；曲线在波长增加每条曲线都有一个峰值；曲线在波长增加 的方向上都无限延展，强度越来越弱；在的方向上都无限延展，强度越来越弱；在 短波方向上，曲线都存在一个波长极限，短波方向上，曲线都存在一个波长极限， 称为最短波长称为最短波长 (min)。随着。随着 kV升高，辐射强升高，辐射强 度均相应地增强；同时，各曲线所对应的度均相应地增强；同时，各曲线所对应的 强度峰值和强度峰值和 min的位置均向短波方向移动。的位置均向短波方向移动。 光子能量光子能量 (E)与频率与频率 (v)成正比，与波长成正比，与波长 ()成成 反比，如果波长最短反比，如果波长最短 (min)，则频率最高，则频率最高 (max)，光子能量最大。，光子能量最大。 图 2-4 (2)连续 X线的最短波长： 图 2-3 (3)影响连续影响连续 X线的因素线的因素 ： 原子序数、管电流、管电压原子序数、管电流、管电压 原子序数原子序数 Z ： kV(U)、 mA(i)一定时，与阳极靶面的一定时，与阳极靶面的 Z成正比，即成正比，即 I连连 Z。 阳极靶面的原子序数阳极靶面的原子序数 Z越高，越高， X线的强度越大线的强度越大 。 管电流管电流 (mA)： 在管电压在管电压 U、靶材料、靶材料 (Z)一定时，一定时， X线的强度取决于管线的强度取决于管 电流。电流。 mA越大，在越大，在 X线管中被加速的电子数量越多，产生的线管中被加速的电子数量越多，产生的 X线强线强 度也就越度也就越 大，即大，即 I连连 mA。 管电压管电压 (U or kV) ： X线束中光子的最大能量等于被加速电子的动能线束中光子的最大能量等于被加速电子的动能 ，电子的动能，电子的动能 E eU，改变，改变 U，光子的最大能量也改变了，整个，光子的最大能量也改变了，整个 X线线 谱曲线的形状将发生变化。谱曲线的形状将发生变化。 图 2-5 最大强度对应的波长值称为最强波长。 X线诊断中，以 最强 为中心，邻近两侧的波段起主要作用。 连续 X线的总强度： 连续连续 X线谱中每条曲线下的面积表示连续线谱中每条曲线下的面积表示连续 X线的总强度，即：线的总强度，即： 由于滤过不同，连续由于滤过不同，连续 X线的平均能量，一般为最大能量的线的平均能量，一般为最大能量的 1/3 1/2，如最高能量为，如最高能量为 100keV的连续的连续 X线，其平均能量在线，其平均能量在 40keV 左右。左右。 平均波长约为最短波长的平均波长约为最短波长的 2.5倍倍 。即：。即： 例 管电压为 100kV时，产生连续 X线的最短波长、最强波 长、平均波长和最大光子能量。 解：产生连续 X线的最短波长为： 最强波长： 平均波长： 最大光子能量： 2特征 X线 特征辐射又称标识辐射特征辐射又称标识辐射 (characteristic radiation)，与连续辐射的产生机，与连续辐射的产生机 理完全不同。理完全不同。 (1)特征特征 X线产生的物理过程：线产生的物理过程： 钨的钨的 X线谱，管电压线谱，管电压 65kV时为连续时为连续 X线；线； 管电压升至管电压升至 100kV、 150kV和和 200kV时，在三条连续谱线上叠加了一组波长时，在三条连续谱线上叠加了一组波长 位置不变、强度很大的线状光谱。线状光谱的波长与位置不变、强度很大的线状光谱。线状光谱的波长与 kV无关，完全由靶无关，完全由靶 材料性质决定。不同靶材料都有自己特定的线状光谱，它表征靶物质的材料性质决定。不同靶材料都有自己特定的线状光谱，它表征靶物质的 原子结构特性。这种辐射称为特征辐射，由此产生的原子结构特性。这种辐射称为特征辐射，由此产生的 X线称为特征线称为特征 X线。线。 图 2-6 图 2-7 (2)特征特征 X线的激发电压：线的激发电压： 靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合 能，只有当入射高速电子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造能，只有当入射高速电子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造 成电子空位，产生特征成电子空位，产生特征 X线。特征线。特征 X线是在原子内层电子的跃迁中产生线是在原子内层电子的跃迁中产生 的。的。 产生特征产生特征 X线必须有一个激发电压线必须有一个激发电压 (即即 kV)，例如，要激发，例如，要激发 K系射线，高系射线，高 速电子的能量速电子的能量 (eUk)至少要至少要 击脱一个击脱一个 K电子所作的功电子所作的功 (Wk)， K系的激发系的激发 电压应满足：电压应满足： 表表 2-2 几种靶材料产生几种靶材料产生 K、 L系特征辐射的激发电压系特征辐射的激发电压 (kV) 靶材料靶材料 Z K系激发电压系激发电压 L系激发电压系激发电压 铝铝 (A1) 13 1.56 0.09 铜铜 (Cu) 29 8.98 0.95 钼钼 (Mo) 42 20.00 2.87 银银 (Ag) 47 25.5 3.97 锡锡 (Sn) 50 29.18 4.14 钨钨 (W) 74 69.51 12.09 铅铅 (Pb) 82 88.00 15.86 (3)影响特征影响特征 X线的因素：线的因素： K系特征系特征 X线强度线强度 (Ik)： i为管电流；为管电流； U为管电压；为管电压； Uk为为 K系激发电压；系激发电压； K2和和 n均为常均为常 数，数， n约等于约等于 1.5 1.7。 K系特征系特征 X线的强度与线的强度与 i成正比，成正比， kV大于激发电压时才发生大于激发电压时才发生 K系放射，并随系放射，并随 kV的继续升高的继续升高 K系强度迅速增大。系强度迅速增大。 X线两种成分中特征线两种成分中特征 X线只占很少一部分。线只占很少一部分。 钨靶钨靶 X线管，低于线管，低于 K系激发电压系激发电压 (69.51kV)不会产生不会产生 K系辐系辐 射；管电压在射；管电压在 80 150kV时，特征时，特征 X线只占线只占 10 28； 管电压高于管电压高于 150kV，特征，特征 X线相对减少；高于线相对减少；高于 300kV时，两时，两 种成分相比，特征种成分相比，特征 X线可以忽略。线可以忽略。 医用医用 X线主要使用的是连续辐射，但在物质结构的光谱分线主要使用的是连续辐射，但在物质结构的光谱分 析中使用的是特征辐射。析中使用的是特征辐射。 五、 X线的量与质 X线强度：线强度： 指在垂直于指在垂直于 X线传播方向单位面积上、单位时线传播方向单位面积上、单位时 间内通过光子数量与能量乘积的总和。常用间内通过光子数量与能量乘积的总和。常用 X线强度来表线强度来表 示示 X线的量。线的量。 1 X线的量线的量 X线光子的数目。对于由相同能量的光子线光子的数目。对于由相同能量的光子 组成的单能辐射，其辐射强度为：组成的单能辐射，其辐射强度为： N为单位时间内通过单位横截面积上的为单位时间内通过单位横截面积上的 X线光子数；线光子数； hv为为 每个光子的能量。每个光子的能量。 对于辐射是由能量完全确定的对于辐射是由能量完全确定的 (h 1、 h 2 )光子组成的线状谱，辐光子组成的线状谱，辐 射强度：射强度： 对于辐射是由一切可能能量对于辐射是由一切可能能量 (由零至某一最大值由零至某一最大值 Emax)的光子组成的连的光子组成的连 续谱，其辐射强度为：续谱，其辐射强度为： 每秒通过每秒通过 S面积的辐射能面积的辐射能 E： X线强度的线强度的 SI单位是：单位是： Jm-2s-1。 由于由于 X线光子的能量大，穿透本领强，直接准确地测定线光子的能量大，穿透本领强，直接准确地测定 X线的量是困难线的量是困难 的，但可用间接的方法来测量。的，但可用间接的方法来测量。 在在 X线的诊断应用中，可以线的诊断应用中，可以 用用 X线管的管电流线管的管电流 mA与照射时间与照射时间 s的乘积来的乘积来 反应反应 X线的量，通常以线的量，通常以 mAs为单位为单位 。 2 X线的质 表示表示 X线的硬度，即穿透物质本领的大小。线的硬度，即穿透物质本领的大小。 X线的质只与光子能量有关线的质只与光子能量有关 ，与光子数无关。，与光子数无关。 一般一般 X线束的成分是连续能谱，当它穿透物质后能量分布又有不同变线束的成分是连续能谱，当它穿透物质后能量分布又有不同变 化，完整地描述它的线质比较复杂。化，完整地描述它的线质比较复杂。 常用表示射线穿透能力的常用表示射线穿透能力的 半价层半价层 (half value layer， HVL)来表示来表示 X线线 的质。的质。 半价层半价层 HVL： 是使一束是使一束 X线的强度衰减到其初始值一半时所需要的标准线的强度衰减到其初始值一半时所需要的标准 物质的厚度。物质的厚度。 诊断用诊断用 X线常用铝作为表示线常用铝作为表示 HVL的物质，的物质， HVL愈大表示愈大表示 X线的质愈硬。线的质愈硬。 X线诊断中，以线诊断中，以 X线管管电压线管管电压 (kV)值来近似描述值来近似描述 X线的质。线的质。 kV愈高，电愈高，电 子从电场中得到的能量愈多，撞击阳极靶的力量愈强，产生的子从电场中得到的能量愈多，撞击阳极靶的力量愈强，产生的 X线的穿透线的穿透 本领愈大。本领愈大。 kV愈高，也提高了愈高，也提高了 X线的强度：线的强度： 系数系数 K取决于高压整流方式，指数取决于高压整流方式，指数 n由管电压、线束的滤过条件等决定。由管电压、线束的滤过条件等决定。 六、影响 X线产生的因素 X线管的线管的 靶物质靶物质 、 kV、 mA以及以及 高压波形高压波形 都是直接影都是直接影 响响 X线量与质的因素。线量与质的因素。 （一）影响 X线量的因素 1.靶物质靶物质 连续连续 X线的强度与靶物质的线的强度与靶物质的 原子序数原子序数 (atom number) Z 成正比成正比 (I连连 Z)。 kV和和 mA都都 相同，阳极靶的相同，阳极靶的 Z高，高， X线的线的 强度也正比地增大。强度也正比地增大。 （一）影响 X线量的因素 锡的锡的 Z为为 50， K系特征系特征 X线为线为 25 29keV； 钨的钨的 Z为为 74， K系特征系特征 X线约在线约在 58 70keV； 铅的铅的 Z 82， K系特征系特征 X线在线在 72 88keV。 特征特征 X线完全由靶物质的原子结构特性决定。靶物质的线完全由靶物质的原子结构特性决定。靶物质的 Z愈高，轨道愈高，轨道 电子的结合能就愈大，特征电子的结合能就愈大，特征 X线的能量也就愈大，就需要更高的激线的能量也就愈大，就需要更高的激 发电压。发电压。 （一）影响 X线量的因素 2.管电压管电压 X线束中的最大光子能量等于高速电子的最大动能，电子的最大线束中的最大光子能量等于高速电子的最大动能，电子的最大 动能又决定于动能又决定于 kV的峰值。改变的峰值。改变 kV也就改变了最大光子的动能，整个也就改变了最大光子的动能，整个 X 线谱的形式也将随之发生变化。线谱的形式也将随之发生变化。 mA不变时，随着不变时，随着 kV的增高，连续的增高，连续 X线谱的线谱的 min和和 最强最强 都向短波方都向短波方 向向 (高能端高能端 )移动，移动， X线束中的高能成分增多，线束中的高能成分增多， X线的质提高。线的质提高。 X线强度与线强度与 kV的平方成正比：的平方成正比： IkV 2 （一）影响 X线量的因素 3.管电流管电流 电流的大小并不影响电流的大小并不影响 X线的质线的质 ，但在一定的，但在一定的 kV下，下， X线的强线的强 度决定于度决定于 mA。 mA愈大，撞击阳愈大，撞击阳 极靶面的电子数愈多，产生的极靶面的电子数愈多，产生的 X线强度也就愈大。线强度也就愈大。 实际实际 X线强度与线强度与 mA成正比：成正比： ImA （一）影响 X线量的因素 4.高压波形高压波形 X线发生器使用的都是脉动高压，有单相半波和全波；三相六脉冲线发生器使用的都是脉动高压，有单相半波和全波；三相六脉冲 和十二脉冲。和十二脉冲。 不论高压波形怎样，不论高压波形怎样， min只决定于只决定于 kV的峰值的峰值 (kVp)。但脉动电压时。但脉动电压时 的的 X线辐射强度都比峰值相应的恒定电压的低。线辐射强度都比峰值相应的恒定电压的低。 在在 kVp相同的情况下，六脉冲和十二脉冲所产生的相同的情况下，六脉冲和十二脉冲所产生的 X线比全波整流的线比全波整流的 硬线成分多，且在硬线成分多，且在 mA相同的情况下，相同的情况下， X线的辐射强度也比较高。是因为线的辐射强度也比较高。是因为 全波整流的全波整流的 X线管工作的大部分时间都比峰值时的恒定电压低，六脉冲线管工作的大部分时间都比峰值时的恒定电压低，六脉冲 和十二脉冲的电压更接近蜂值时的恒定电压。和十二脉冲的电压更接近蜂值时的恒定电压。 （一）影响 X线量的因素 总之，总之， X线的量与靶物质的原子序数线的量与靶物质的原子序数 Z，管电压的平方，管电流及，管电压的平方，管电流及 照射时间成正比。照射时间成正比。 （二）影响 X线质的因素 X线的质仅取决于管电压的千伏值：线的质仅取决于管电压的千伏值： kV 七、 X线的产生效率 在在 X线管中产生的线管中产生的 X线的能量与加速电子的所消耗电能的比值，叫做线的能量与加速电子的所消耗电能的比值，叫做 X 线的产生效率线的产生效率 。 在在 X线管中产生的线管中产生的 X射线，绝大多数都是连续射线，绝大多数都是连续 X线，特征线，特征 X线比例极少线比例极少 ； 忽略比例极少的特征忽略比例极少的特征 X线，即可表示为连续线，即可表示为连续 X线的功率（线的总强线的功率（线的总强 度）比上电子消耗的功率度）比上电子消耗的功率 iU。 由此可见，由此可见， X线的产生效率与管电压和靶物质的原子序数成正比。线的产生效率与管电压和靶物质的原子序数成正比。 研究表明绝大部分的高速电子能最后会转变为热能。产生效率是极低研究表明绝大部分的高速电子能最后会转变为热能。产生效率是极低 的，往往不足的，往往不足 0.01。 2018/12/4 Tuesday 52 八、 X线强度空间分布 1厚靶周围厚靶周围 X线强度的空线强度的空 间分布间分布 阳极效应：阳极效应： 靠近阳极端的射线靠近阳极端的射线 最弱，靠近阴极端的最强的现最弱，靠近阴极端的最强的现 象。而且靶角愈小，下降的程度象。而且靶角愈小，下降的程度 愈大。这种愈靠近阳极，愈大。这种愈靠近阳极， X线强度线强度 下降得愈多的现象，就是下降得愈多的现象，就是 “足跟足跟 ”效效 应，也称阳极效应。应，也称阳极效应。 图 2-10 图 2-11 当靶面阳极角为 20 时， 在通过 X线管长轴且垂直于焦 点平面的平面内测定，则近 阳极端 X线强度小，近阴极端 X线强度大。最大值在 110 处，分布是非对称性的。在 通过 X线管短轴且垂直于焦点 平面的平面内测定， 90 处 最大，其分布基本上是对称 的。 阳极效应的影响 若规定： X射线束中心线 (0) 的强度为 100% 2018/12/4 Tuesday 55 在放射工作中，当成像解剖结构厚度上或密度上差别较大时，阳极在放射工作中，当成像解剖结构厚度上或密度上差别较大时，阳极 效应就很重要。因此成像时一般采用如下方法：效应就很重要。因此成像时一般采用如下方法： 一般来说，应使肢体长轴与一般来说，应使肢体长轴与 X线管长轴平行，并将厚度大、密度线管长轴平行，并将厚度大、密度 高的部位置于阴极侧，这样可使成像的探测器辐射量较为均匀。高的部位置于阴极侧，这样可使成像的探测器辐射量较为均匀。 尽量使用中心线附近强度均匀的尽量使用中心线附近强度均匀的 X射线束摄影。射线束摄影。 2018/12/4 Tuesday 56 2薄靶周围 X线强度的空间分布 图 2-13表示不同 kV下不同薄靶中产 生的 X线在周围空间的分布情况。不 同角度上的矢径长度代表在该方向 上 X线强度，即从电子束入射的靶点 到各曲线的长度表示 X线在该方向上 的强度。 高能电子束冲击靶时产生的 X线集 中向前方， X线束变窄。图 2-13 图 2-14表示一薄靶在不同 kV下， 产生的 X线强度在靶周围分布的 变化情况。工作电压在 100kV左 右时， X线在各方向上强度基本 相等。 kV升高时， X线最大强度方向逐 渐趋向电子束的入射方向，其他 方向的强度相对减弱， X线的强 度分布趋于集中。 图 2-14 3 X线机周围剂量场的分布 在在 X线机周围工作环境中，剂量场的分布情况是辐射防护的重要参线机周围工作环境中，剂量场的分布情况是辐射防护的重要参 考资料，可借以发现潜在的异常高剂量区，采取必要的防护措施考资料，可借以发现潜在的异常高剂量区，采取必要的防护措施 ，减轻工作人员接收照射的危害。，减轻工作人员接收照射的危害。 还可根据剂量场的资料，计算连续的允许工作时间，及估算还可根据剂量场的资料，计算连续的允许工作时间，及估算 X线工线工 作者在特定时间内将受到的照射量。作者在特定时间内将受到的照射量。 复 习 1.X线的本质线的本质 2.X线的基本特性线的基本特性 (1)物理特性：穿透性、荧光、电离、热作用物理特性：穿透性、荧光、电离、热作用 (2)化学效应：感光作用、着色作用化学效应：感光作用、着色作用 (3)生物效应生物效应 3.X线产生条件线产生条件 (基本条件基本条件 ):电子源、高速电子流、靶面电子源、高速电子流、靶面 X线管：实际焦点、有效焦点线管：实际焦点、有效焦点 4.X线产生原理线产生原理 连续连续 X线的最短波长、最强波长、线的最短波长、最强波长、 平均波长平均波长 影响连续影响连续 X线的因素：靶物质、管电流、管电压线的因素：靶物质、管电流、管电压 特征特征 X线：产生物理过程、激发电压、影响因素线：产生物理过程、激发电压、影响因素 复 习 5.X线的量与质线的量与质 (X线强度线强度 ) (1)X线的量：线的量： mAs 、 kV2 (2)X线的质：线的质： kV 6.影响影响 X线产生的因素线产生的因素 (1)靶物质靶物质 (2)管电压管电压 (3)管电流管电流 (4)高压波形高压波形 7.X线产生效率线产生效率 :很低，很低， 1% 8.X线强度空间分布线强度空间分布 (1)厚靶周围厚靶周围 X线强度的空间分布线强度的空间分布 (阳极效应阳极效应 ) (2)薄靶周围薄靶周围 X线强度的空间分布线强度的空间分布 (3)X线机周围剂量场的分布线机周围剂量场的分布 第二节、 X线与物质的相互作用 2.1 光电效应光电效应 2.2 康普顿效应康普顿效应 2.3 电子对效应电子对效应 2.4 其他作用其他作用 2.5 在诊断放射学中各种作用发生的概率在诊断放射学中各种作用发生的概率 2018/12/4 Tuesday 62 X线是一种能量很大的电磁辐射，当它与物质相互作用的时候，能产线是一种能量很大的电磁辐射，当它与物质相互作用的时候，能产 生生 初级电子初级电子 和和 次级光子次级光子 ，通过，通过 电离和激发电离和激发 过程把能量传递给物质。过程把能量传递给物质。 X线与物质相互作用，不像电子那样通过多次小能量的损失逐渐耗尽线与物质相互作用，不像电子那样通过多次小能量的损失逐渐耗尽 其能量，而是在一次相互作用过程中就可损失大部分或全部能量。其能量，而是在一次相互作用过程中就可损失大部分或全部能量。 X线与物质的相互作用都是和原子发生的。线与物质的相互作用都是和原子发生的。 这是因为组成分子的各原这是因为组成分子的各原 子间的结合力非常小，不能阻止能量很大的光子，射线的分子效应完子间的结合力非常小，不能阻止能量很大的光子，射线的分子效应完 全是由于原子的变化造成的。全是由于原子的变化造成的。 X线在物质中可以引起物理、化学和生物各种效应，线在物质中可以引起物理、化学和生物各种效应， 这些效应的产生这些效应的产生 不是简单的能量转换，而是一个很复杂的过程。不是简单的能量转换，而是一个很复杂的过程。 2018/12/4 Tuesday 63 2018/12/4 Tuesday 64 图 2-15 X光子在生物组织中的吸收及生物效应过程 一、光电效应 1.光电效应光电效应 光电效应光电效应 (photoelectric effect)也也 称光电吸收。称光电吸收。 能量为能量为 hv的光子通过的光子通过 物质时与物质原子的物质时与物质原子的 内层内层 轨道电子轨道电子 相互作用，将全部能量交给电子，相互作用，将全部能量交给电子， 获得能量的电子摆脱原子核的束缚获得能量的电子摆脱原子核的束缚 成为自由电子成为自由电子 (即光电子即光电子 )，而光子，而光子 本身整个地被原子吸收，这样的作本身整个地被原子吸收，这样的作 用过程称为用过程称为 光电效应光电效应 。 2018/12/4 Tuesday 65 根据爱因斯坦光电效应方程，若轨道电根据爱因斯坦光电效应方程，若轨道电 子的结合能为子的结合能为 EB， 则则 光电子的动能光电子的动能 为为 : E=hv-EB 放出光电子的原子变为正离子，原子处放出光电子的原子变为正离子，原子处 于不稳定的激发态，其电子空位很快被外于不稳定的激发态，其电子空位很快被外 层电子跃层电子跃 入入 填充，同时放出特征填充，同时放出特征 X线光线光 子。有时，特征子。有时，特征 X线在离开原子前，又将线在离开原子前，又将 外层电子击脱，该电子称为外层电子击脱，该电子称为 俄歇电子俄歇电子 。 光电效应的实质是物质吸收光电效应的实质是物质吸收 X线使其产线使其产 生电离过程生电离过程 ，此过程中产生次级粒子，此过程中产生次级粒子 : 负离子负离子 (光电子、俄歇电子光电子、俄歇电子 ); 正离子正离子 (丢丢 失电子的原子失电子的原子 ); 特征辐射特征辐射 。 2.光电效应发生概率光电效应发生概率 ： 物质原子序数物质原子序数 Z的影响的影响 、入、入 射光子能量的影响射光子能量的影响 、 原子边界限吸收的影响原子边界限吸收的影响 (1)物质原子序数物质原子序数 Z的影响的影响 :光电效应的概率与光电效应的概率与 Z的四次方成正比，即的四次方成正比，即 : 光电效应概率光电效应概率 Z4 轨道电子与原子核结合得愈紧密，就愈容易发生光电效应。对于高轨道电子与原子核结合得愈紧密，就愈容易发生光电效应。对于高 Z物物 质，其轨道电子的结合能较大，不仅质，其轨道电子的结合能较大，不仅 K层而且其他壳层上的电子也较容易层而且其他壳层上的电子也较容易 发生光电效应。但对低发生光电效应。但对低 Z物质，只有物质，只有 K电子结合能较大，所以光电效应几电子结合能较大，所以光电效应几 乎都发生在乎都发生在 K层。再者，由原子的内层脱出光电子的概率比由外层脱出光层。再者，由原子的内层脱出光电子的概率比由外层脱出光 电子的概率要大得多。若电子的概率要大得多。若 入入 射光的能量大于射光的能量大于 K电子结合能，则光电效应发电子结合能，则光电效应发 生在生在 K层的概率占层的概率占 80%，比外层高出，比外层高出 4 -5倍。倍。 2018/12/4