第二章 投影x线成像系统appt课件

第二章 投影投影X X射线成像系统射线成像系统 Projection X-ray Imaging System 单击此处编辑母版标题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *2 2.1 概述 1）气体X线管、感应圈时期（18951913年） 早期用玻璃底板成像，后期开始应用钨酸钙增感屏。 伦琴当时使用的X线机，其管电压只有4050kV，管电流仅有1mA，拍 摄一张手骨照片用30min1h。 2）热电子X线管、变压器高压发生器时期（19131930年） 制成并改进了荧光屏。 3）防电击、防散射X线装置的实用化时期（19301960年） 4）高条件、大容量、控制技术现代化时期（1960年以后） 大功率旋转阳极X线管问世，X线影像增强器研制成功，X线电视、录 像和动态摄影应用。 一、诊断用X线机发展史与现状 单击此处编辑母版标题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *3 二、X线机的组成 通用型：临床各科室共同使用。 专用型：满足不同临床需要，如心血管造 影X线机，骨科X线机，牙科X线机，胸科 X线机等。 不同功能X线机的机械装置 胃肠诊断机 胸片机 普通拍片机 心血管造影机 断层摄影机 牙科专用机 儿科专用机 手术用X线机 单击此处编辑母版标题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *5 普通摄影用X线机 2) X射线产生的必要条件 I.有电源; II.必须有高压电场及真空条件下的电子流; III. 必须有适当的阻挡物(金属靶面)来承受高速电子的 能量，使高速电子所带的动能转变成X射线。 3) X射线的产生 I.连续X射线：高速运动电子与靶原子核作用。 II.特征X射线：原子核外电子的跃迁。 连续辐射/韧致辐射：高速带电粒子在靶物质的原子 核电场作用下，改变运动方向和速度，所损失的动能 中，有一部分转化为能量等于h的光子辐射出去。由 于各带电粒子与原子核相互作用情况不同，所以辐射 出来的X射线光子能量也不一样，具有连续的能谱分布 + + 连续X射线 9 h ：普朗克常数 c ：光速 V ：加速电子的电场电压 e ：电子电荷量 max ：X射线的频率 min ：X射线的波长 连续X射线的能量： 钨的连续X线谱 3) X射线的产生 特征辐射/标识辐射：当高速电子与阳极靶 面撞击时，也可能与原子的内层电子相互作 用而将内层电子轰出，使原子呈不稳定状态。 当具有较高势能的外层电子填补内层电子空 位时，即释放出多余的能量。这种能量的辐 射称为特征辐射。 特征X射线的能量: h ：普朗克常数 ：X射线的频率 ：X射线的波长 c ：光速 En1：轨道能级（外） En2：轨道能级（内） + + 特征X射线 标识X射线谱示意图 标识辐射的X射线波长是由跃迁的电子能量差决定的，与 高速电子的能量（管电压）无直接关系，主要决定于靶 物质的原子序数，原子序数越高，产生的标识辐射的波 长越短。 X射线包括连续放射线和特征放射线。 二、X射线的基本特性 X线的频率:31016- 31020Hz 波长:0.01-100A 医学用波长： 0.01-1A 诊断用： 0.01-1A 治疗用： 0.01-0.1A X线的性质 1）X射线在均匀、各向同性的介质中直线传播 2） X射线具有穿透作用 3） X射线的电离作用 4） X射线的荧光作用 5） X射线生物效应 1. X射线的物理特性 本质与普通光线一样，都属电磁波， 但波长比可见光更短，介于紫外线与射 线之间。与普通光线一样具有微粒波 动二重性，每个X射线光子具有一定的能 量E=h，并以光的速度直线传播。同时 服从光的反射、折射、散射和衍射等一般 规律。 1 1）穿透作用）穿透作用 X射线的波长很短，对各种物质都具有程度不同的穿透能力。 影响因素：与X射线的能量、被穿透物质结构和原子性质有关。 同一X射线，对原子序数较低元素组成的物体贯穿本领较强，对 原子序数较高元素组成的物体贯穿本领相对较弱。 X射线对人体不同组织的穿透性不同X射线医学成像的基础 人体组织对X射线的穿透性 易透射组织 中等透射性组织 不易透射性组织 气 体 结缔组织 骨骼 肌肉组织 脂肪组织 软骨 血液 2）荧光作用 当射线照射某种物质时，能够发出荧光，具有这种光 特性的物质称为荧光物质。 如钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等荧光物质 受X射线照射时，物质原子被激发或电离，当被激发 的原子恢复到基态时，便可放出荧光。 X射线荧光作用的应用： X射线透视荧光屏、增感屏、影像增强器、闪烁计数 器等。 3）电离作用 具有足够能量的X射线光子不仅可从原子中击脱 电子产生一次电离，脱离了原子的电子还能与其 他原子碰撞产生二次电离。 X射线电离作用的应用： X射线剂量仪器探头原理及X射线损伤和治疗的基 础。 2. X射线的化学特性 1）感光作用 X射线与可见光一样，可使胶片感光。 胶片乳剂中的溴化银受X射线照射感光，经化学 显影，还原出黑色的金属银颗粒，其黑度取决于 感光程度。 X射线摄影即是利用其化学感光作用，使组织影 像出现在胶片上。 2）脱水作用/着色作用 某些物质经X射线长期照射后，因结晶体脱水而 逐渐改变颜色。如荧光屏、增感纸、铅玻璃等经 X射线长期照射后都会逐渐变色。 X-Ray是波长很短的电磁波。 X-Ray 是一种不可见光。 X-Ray 可以穿透物体。 X-Ray 可以使化学物质发生反应;产生荧光。 X-Ray 可以产生生物效应,破坏细胞,改变基因。 不同密度组织 (厚度相同)与 X线成像的关系 在人体结构中，胸部的肋骨密度高，对X线吸收多，照片上呈白影；肺部 含气体密度低，X线吸收少，照片上呈黑影。X线穿透低密度组织时，被吸收少 ，剩余X线多，使X线胶片感光多，经光化学反应还原的金属银也多，故X线胶 片呈黑影；使荧光屏所生荧光多，故荧光屏上也就明亮。高密度组织则恰相反 。 不同厚度组织(密度相同)与X线成像的关系 A.X线透过梯形体时，厚的部分 ，X线吸收多，透过的少，照片 上呈白影，薄的部分相反，呈 黑影。白影与黑影间界限分明 。荧光屏上，则恰好相反 B.X线透过三角形体时，其吸 收及成影与梯形体情况相似， 但黑白影是逐步过渡的，无清 楚界限。荧光屏所见相反 。 C.X线透过管状体时，其外周部 分，X线吸收多，透过的少，呈 白影，其中间部分呈黑影，白 影与黑影间分界较为清楚。荧 光屏所见相反 二、X线的衰减 1、主要作用形式 1) 相干散射 2）光电吸收 3）康普顿散射 . 光电效应(photo electric effect) X射线光子的能量全部给予壳层电子， 一部分使其克服核的结合能脱离轨道， 成为光子，而另一部分则作为光电子 动能被带走。 25 + + X射线 光电效应 光电子 光电效应的产物：光电子、正离子、荧光放射 + + X射线 光电效应 光电子 光电效应的能量供受关系： Ee ：电子的动能 Ex: X射线的能量 Ei:第i层电子结合能 产生几率与X射线光子能量的三 次方成反比，与物质原子序数的 四次方成正比。 .Compton效应(Compton scattering) 入射X射线与物质原子束缚较弱的电子相碰撞，光 子的一部分能量传给电子，并将它从原子中击出 （反冲电子），能量减小了的光子，波长增大并 且改变运动方向，成为散射光子。这种改变波长 和方向的散射称为康普顿散射。 + + 入射X射线 Compton效应 Compton电子 出射X射线 康普顿散射是X射线在生物组织内衰减的主要原因。 + + 入射X射线 Compton效应 Compton电子 出射X射线 Compton效应的能量供受关系： Ee ：电子的动能 E x: X射线的能量 :散射角（如图） meC2 :电子的静态质量能 康普顿散射原理图 2. X射线在人体组织中的衰减 总的衰减系数： 人体的组织结构：骨、肌肉、脂肪 不同组织的衰减系数不同 3. X射线在介质中的衰减规律 （1）线性衰减系数 I I为穿过某一物质后的 X射线强度； I I0 0 为射入该物质之前 的X射线强度； 为该物质的吸收系 数（不同物质的 值不同，由物质的 物理特性决定）； X X为该物质的厚度； I I0 X 衰减公式：衰减公式： 衰减方程：衰减方程： 32 入射强度 ，出射强度 厚度为 当 为位置和能量的函数时 三、X线管的结构 1. X线球管X线机的心脏器件 产生定向、实用的X射线应具备的四个条件： a. 电子源（阴极）发射电子； b. 受电子轰击而辐射X射线的物体（阳极靶）； c. 加速电子使其增加动能的电位差（管电压）； d. 高真空环境（玻璃外壳）。 原理： 电子流以高速撞击金属靶面会产生 X-Ray。 电子流 - 球管阴极灯丝提供。 高速 - 高压发生器提供加载至球管。 X射线 阳极 阴极 灯丝 变压器 高压 变压器 管电压 高速电子流 X线机主要部件示意图 X线的发生程序： 接通电源，经过降压变压器，供 X线管灯丝加热，产生自由电子 并云集在阴极附近。当升压变压 器向X线管两极提供高压电时， 阴极与阳极间的电势差陡增，处 于活跃状态的自由电子，受强有 力的吸引，使成束的电子，以高 速由阴极向阳极行进，撞击阳极 钨靶原子结构。此时发生了能量 转换，其中约1%以下的能量形 成了X线，其余99%以上则转换 为热能。前者主要由X线管窗口 发射，后者由散热设施散发。 1）固定阳极X线管 阳极（anode） 功能：产生X射线 靶面材料：钨、钼等 阳极罩：吸收二次电子 阴极（cathode） 功能：发射电子，对轰击靶面的电子聚焦，使其具有一定的形状和大小 ，形成X线管的焦点。 类型：圆焦点型，线焦点型（线焦点型散热优于圆焦点型） 二次电子（能量约为原来的90）的危害： 撞击灯丝使其断裂；轰击玻璃壳内壁使其温度升高放出气体，降低管内 真空度，或造成玻璃破裂；轰击靶面辐射散射X线，降低成像质量。 阳极靶 阴极灯丝真空玻璃管 焦点 固定阳极X线管的基本构造 玻璃壳： 功能：支撑阴、阳两极并保持管内真空度。 特点： 结构简单，价格低，真空度高，X线的量 和质可任意调节； 产生X线的效率低（99.8以上的能量转变为热 ，焦点尺寸大，瞬时负载功率小； 适宜于连续负载，管电流小、曝光时间长的便携 式牙科和骨科用X光机中。 2) 旋转阳极X线管 工作原理：负载时，圆盘状靶面高速转动，从 偏离管轴中心线的阴极头发射出电子，轰击在 转动靶面的转动环形面积上。 X射线管的内部结构 旋转阳极技术旋转阳极技术 通过阳极旋转来扩大焦点面积，提高球管的散热率 ，从而提高球管的功率。 旋转阳极球管 旋转速率有2700rpm、8500rpm(3倍频)，甚至16000rpm(6倍频)。 N=120f / P(rpm) N为转子转速； f为电源频率； （转/分） P为定子极数，一般为2极 旋转阳极球管的靶面 3）大功率X线管 特点： 大直径阳极靶（120mm），增大阳极靶面的实际面 积； 阳极高速旋转，缩短曝光时间； 阳极角度由普通管的1721减小到914。 适用于：短曝光时间时间 并承受高压压（X线电线电 影摄摄影和连连 续续X线摄线摄 影） 4）特殊X线线管 栅栅控X线线管/三极X线线管 基本原理：在普通X线线管的阴极和阳极之间间加上一个控制栅栅 极，当栅栅极加上负电负电 位时时，管电电流被截至，无X射线输线输 出 ；当负电负电 位消失时时，管电电流导导通，输输出X射线线。 特点：灯丝发丝发 射特性比一般X线线管差，不适用于大容量的X 线线机。 可获获得微焦点，适用用于放大X射线摄线摄 影 ； 可使病人和操作者接受的X线辐线辐 射剂剂量减少，X线线管 负载负载 降低； 能实现实现 快速断续续X线摄线摄 影