第一节x线的产生16.ppt

第一章 射线物理 X线影像学是医学影像学的重要组成部分 X线成像技术已经走过一个世纪的历程 它是现代医学影像诊断学中基础最雄厚 历史最悠久的一门影像技术 一百年来 它有了长足的进步 然而真正的所谓革命性的变革是在1972年世界上出现第一台X一CT以后才取得的 它是传统的X线技术与电子 计算机技术巧妙结合的产物 计算机技术不仅使X线技术本身获得了新的生命力 出现了各类X一CT和新颖的数字减影装置 而且还为综合的医学影像诊断学的形成奠定了基础 本篇中主要介绍X线的产生 X线的性质 X线与物质的相互作用 X线在医学上的应用和x线剂量 并且着重介绍x线影像的质量评价及保证 x一CT成像的基本原理以及X一CT的影像质量评价及其控制 X线的发现及产生 第一节X线的发现与产生 1895年11月8日 德国著名物理学家伦琴 W Roentgen 在研究稀薄气体放电时发现了X线 德国的物理学家 伦琴 1845 1923 伦琴1845年3月27日生于荷兰 小时候在荷兰读书 后来在德国左林大学读书 大学毕业后 在德国符次堡大学任助教 教授 23岁时 他获得博士学位 1923年2月10日在幕尼黑逝世 1895年10月间 伦琴在实验室内研究阴极射线管放电现象时 发现用黑纸包得很好的照相底片感光了 他以为是阴极射线造成的 为了避免再次感光 月8日晚 他把阴极射线管用厚的黑纸包好 接通阴极射线管的电源 果然看不到阴极射线管壁发出的荧光 但是他却发现了更加奇怪的现象 在漆黑的实验室里 距阴极射线管两米以外的一块涂有铂氰化钡的纸板上发着绿色的荧光 关闭阴极射线管的高压电源 涂有铂氰化钡的纸板上的荧光消失 这一偶然的发现引起了伦琴的注意 他认为 阴极射线管内的阴极射线被玻璃管壁阻止 所以铂氰化钡纸板发出的荧光不是由阴极射线引起 当然更不是管内发出的可见光引起 管子用黑纸包着 因此伦琴断言 一定是从阴极射线管发出的一种新的射线 透过黑纸 照射在铂氰化钡纸板上 使其发出荧光 并能使照相底片感光 为了证实他的断言 伦琴把手伸在阴极射线管和铂氰化钡纸板之间 他吃惊地在纸板上看到了自己的手像 而且在很淡的手影之间 还显出了非常清楚的骨骼的影子 面对这个新的发现 伦琴很激动 他用各种各样的东西放在这看不见的射线中试验 一直搞到天亮 他发现 纸片以至厚的水板都挡不住这种射线 只有较厚的铅片才能把它挡住 磁场不能使这种射线偏转 说明它不带电 不同于阴极射线 射线通过三棱镜不发生折射 说明这种射线不同于普通光线 于是他把这种奇妙的射线采用数学上的未知数 x 起名为 x射线 x ray 后来 人们为了纪念伦琴的功绩 又把 X射线 称为 伦琴射线 1895年12月28日 伦琴把自己的发现写成论文 在德国的科学杂志上发表 1896年1月23日 他在德国物理学会上正式宣布了这一伟大发现 同时 初步揭示了X线的一些性质 并当众展示了用X线拍摄的第一张照片 伦琴夫人的手骨像 第一张X照片 伦琴的这一重大发现不仅在科学界 而且在社会上也轰动了 全世界各种报纸杂志都在介绍X射线 伦琴的发现轰动了欧美 美国 生活 杂志于1896年发表的这幅漫画 着实渲染了一番X射线的穿透一切的威力 X射线的消息传到美国的第四天 就有一位医生用X线检查了受枪伤的病人身上有没有留下子弹 从那时起 用X线检查人体 为临床放射诊断奠定了基础 从伦琴发现X线到现在已经整整100年了 X线不仅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 科学研究等方面都发挥了巨大的作用 科学上的任何发现都不是孤立的 X线的发现当然是与当时各领域中科学的进展分不开的 由于当时对静电学和电磁学的研究和发展 抽气机和静电发生器的发明 才有了较高度的真空和高电压 真空放电的研究 克鲁克斯等人对阴极射线的实验结果 均为伦琴发现x线提供了必不可少的条件 事实上 克鲁克斯和其他研究放电管的学者 在作阴极射线的实验时 远在伦琴以前就发现了伦琴发现的现象 然而他们并不认为这有什么了不起的意义 底片感光了 拿远一点就可以了 伦琴并不如此 他善于在一般现象中追根求源 因而 他做出了伟大的贡献 由于这一伟大的发现 伦琴获得了科学界的最高荣誉 1901年的诺贝尔奖金 成为第一个获得诺贝尔物理奖的科学家 一 X线的产生条件 研究发现 当高速运动的电子轰击物质而突然受阻减速时 产生X线 X线的产生必须具备以下条件 1 高速电子流 a 电子源 能根据需要随时提供足够数量的电子 b 高电位差产生的强电场 使电子从中获得高速运动动能2 能经受高速电子轰击而产生X线的靶 3 一个真空度较高的空间 以使电子在其中运动不受气体分子的阻挡而减少能量 同时也保护灯丝不致因氧化而被烧毁 二 X线管 根据X线产生条件而设计制造的X线发生器 其核心部件是发射X线的管球称为X线管 其规格型号很多 构造特点各不相同 按焦点不同可分为单焦点 双焦点 微焦点X线管 按靶物质不同可分为钨靶 钼靶 金靶等x线管 按阳极能否转动可分为固定阳极 旋转阻极管 此外按管内气压大小又分为含气 高真空X线管 另外还有各种特殊X线管 如三极X线管等 但是 不管怎么分类 它们的作用原理是相同的 1 X线管的基本结构 现代医学上使用的都是高真空热电子式X线管 第一支高真空热阴极固定阳极X线管是1913年由考林杰 Coolidge 发明的 如图所示 在特制的玻璃管内封入两个电极 一个是产生和发射热电子的阴极 也叫负极 另一个是阳极 也叫阳靶 是高速电子轰击的目标 管内真空度极高 约为10 6毫米汞柱 阴极 阴极 cathode 是X射线管的负极 包括灯丝和聚焦杯两部分 灯丝多采用钨丝绕制而成 因为钨具有原子序数高 z 74 熔点高 熔点为3410 蒸发率低 加工容易 坚固价廉等特点 将钨丝绕成螺旋型安放在集射罩中 通过支架将灯丝两端通在管外 加以2 18v电压 通过2 10A电流 灯丝表面温度逐渐升高 待达到一定值 约2200 时发射电子 该过程称热电子发射 发射电子数目与温度直关 在一定范围内 灯丝电压愈高 灯丝电流愈大 发射的热电子就愈多 当在阴极和阳极间加上高电压时 这些从灯丝发出来的热电子在强电场的作用下奔向阳极而形成管电流 从灯丝发射出的电子 由于库仑力作用而相互排斥 使电子流在向阳极运动时发散 因此 实际中采用了钼制成的凹面阴极体 置于灯丝后 如图所示 且将灯丝一端与阴极体相联 接在同一电源上 这相当于使阴极体具有比灯丝电位更低的电位 使阴极体排斥电子 就可以起到使电子初聚焦的作用 由图可见 灯丝与阴极体凹面的相对位置 对电子聚焦影响很大 最终金属钨还是会蒸发的 并沉积在X射线管的内壁上 当上述情况发生时 会出现电弧放电 结果导致X射线管发生故障 通常 这种故障会突然发生 当电子从灯丝逸出后 会暂时停留在灯丝的周围 因为这些电子均带负电 所以它们之间便会相互排斥 从而在灯丝周围形成了一团 云 该电子云即被称为空间电荷 由于静电排斥 使得灯丝中其他电子逸出的难度随之增大 这种现象称为空间电荷效应 灯丝电流 灯丝电流的大小由一个灯丝电路来控制 形成的电流变化范围从几个到几十个安培不等 灯丝电流是X射线管的一个主要技术指标 阴极发射电子的发射率取决于它发射电子时的温度即灯丝电流 管电流 从灯丝发射的电子经高压加速后撞击在靶上 此时加在两极之间的加速电压称为管电压 这种加速后的电子束流称为管电流 管电流的变化范围从几个到几百个毫安培 管电压 从灯丝发射的电子经高压加速后 撞击在靶上 此时加在两极之间的加速电压称为管电压 灯丝的另外一个技术指标是保证束流的斑点尽可能小 为了减小束流的斑点大小 需要一个调节电流束斑大小和电子发射方向的聚焦电路 这种有聚焦作用的电极做成碗状 所以称为聚焦杯 由于电子密度很大 空间电荷效应明显 在电子从阴极向阳极运动的过程中电子与电子之间的斥力 加大了束斑的尺寸 另一个决定束流斑点大小的因素是灯丝的尺寸 一般的X射线管都有2个或3个不同尺寸的灯丝 管电压和灯丝电流对管电流的影响 对于任一给定的灯丝电流 X射线管电流将会随着管电压的升高而增大 当管电压升高到某一值 饱和电压 时 管电流达到其最大值 这个时候进一步增加管电压 将不会使管电流增大 超过饱和电压 只有通过提高灯丝的温度才能增加管电流 在诊断中为了获取大的管电流和有用的x射线能量 要选取大的灯丝电流和40 140kv间的管电压 管电流与灯丝电流的关系 1 当灯丝电流低于i0时 灯丝不能发射热电子 管电流为零 2 当灯丝电流高于i0时 管电流开始缓慢增长 随着灯丝电流的不断升高 管电流的增大才显著起来 2 阳极 阳极 anode 是X射线管的正极 X射线管的阳极又称阳靶 它的功能是产生X射线 按阳极的结构分有固定式和旋转式两种类型 靶 阳极中受电子轰击的区域 在固定阳极X射线管中 靶即为一镶嵌在铜阳极上的钨合金 而在旋转阳极X射线管中 整个旋转的圆盘都是靶 阳极的三大功能 首先阳极是一个导电体 它接收从阴极发射出的电子并将它们传导至与X射线管相连的电缆 使其能返回高压发生器 其次阳极为X射线管的靶提供机械支撑 第三阳极是一个良好的热辐射体 从阴极发射出的电子与阳极发生作用时 它们的动能大约有99 都转换成热量 在这些热量对阳极造成损伤前 必须很快地将其传导出去 如何恰当地将热量散去 特别是对大容量X射线管 是大部分工程师都需要克服的困难 固定式阳极一般由原子序数较高的耐高温的金属钨 钼等制成 为帮助其散热 通常将阳极靶镶嵌在称为衬底的铜制阳极体上 由于电子撞击处产生大量热 因此固定式阳极的X射线管仅适用于管电流小 曝光时间较短的便携式牙科和骨科用的X光机中 在普通的摄影中 用钨作为靶材料具有以下的原因 钨原子序数较高 Z 74 使其产生X射线的效率高和产生高能X射线 钨的热传导性几乎与铜的完全相同 它是一种能够有效散热的金属 钨具有很高的熔点3410 相比较而言 铜的熔点较低 仅为1100 因此 在大的管电流下 钨仍能承受而不会出现伤痕或起泡 固定阳极X射线管常用于牙科X射线成像系统 某些移动式的成像系统以及其他不需要大的管电流和大功率的特殊用途系统 旋转阳极 一般的X射线管通常使用旋转阳极 因为它们必须有能力在很短的时间内产生高强度的X射线束 旋转阳极是将阳极做成圆盘状 并用小电机带动旋转 这样阳极时刻都以 新的靶面 接收电子束的撞击 由于电机高速旋转 2800一8500转 分 就使产生的热量均匀分散到整个靶面上 避免了局部过热 在钨中加人其他金属 通常为铼 能够增加它的机械强度 从而可以承受高速旋转的应力 旋转阳极的X射线管要比固定阳极的X射线管功率大的多 大功率的X射线管配有专门的油循环器散热 软X射线管 软X射线管在对乳房等软组织进行X射线摄影时 为了提高X射线影像的反差 须用大剂量软X射线 因此要使用软X射线管 由于软X射线的能量较低 所以X射线管的管壁对X射线的吸收不容忽视 产生软X射线的管电压较低 通常为20一50kV 这就造成了灯丝发射电子的困难 基于上述两方面的原因 软X射线摄影中的X射线管不采用一般X射线管中的钨片及硬质玻璃的管壁 也不采用铍窗 这是因为被窗虽会使X射线较容易地出射 但从被窗出射的软X射线容易对受检体造成较大的皮肤剂量 且受检体有较大的厚度 太低能的X射线也并不合适 目前使用软X射线管的出射窗采用极薄的玻璃窗 设计要求窗的总滤过不超过0 6一0 9mm铝当量 软X射线管采用钼 Z 42 靶 它的发射率虽比钨靶低 为钨靶的0 57倍 但钼靶有一优点 即钼有一19 5keV的标识辐射 此辐射经具有特征吸收特性的锆 Zr 的滤过层 可获得近于单色 0 07nm 的软X射线 从而可获得较为理想的摄影效果 软X射线摄影 对于乳房的腺体组织 结缔组织 脂肪 血管等细微组织结构 以及乳腺的其它疾病甚至肿瘤的边缘 都有较清晰的显示 用于乳腺摄影的专用X射线管的阳极靶是用钼或锗制成的 这主要是因为它们具有较低的原子序数和由此产生的低能量的K系标识X射线 3 X射线管的焦点 灯丝发射的电子 经聚焦加速后撞击在阳极靶上的面积称为实际焦点 X射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投影的面积 称为有效焦点 effeetivefocalspot 两个焦点及其关系 两个焦点都具有面积的量纲 它们之间通过靶倾角 建立起一定的关系 靶倾角被定义为靶的表面相对于X射线输出方向的夹角 设实际焦点的长度为A 宽度为B 经过投影后 有效焦点的宽度b仍等于实际焦点的宽度 一而有效焦点的长度 则变成了ASin 比实际焦点的长度短 靶倾角 的意义 可见靶倾角越小 有效焦点的长度越小 即有效焦点的面积越小 实际焦点的意义 实际焦点的大小直接影响X射线管的散热和影像的清晰度 面积越大 对散热越有利 但实际焦点越大 有效图焦点的面积也增大 必然影响在胶片上所形成影像的清晰度 若用缩短灯丝长度或减小靶倾角来缩小有效焦点 必然使单位面积上的电子密度增加 实际焦点的温度快速上升 阳极将不能承受较大的功率 因此 两方面的情况都要考虑 大多数诊断X射线管的靶倾角在6o 17o间变化 在阳极上设计出两种靶倾角 即双角度靶面能够产生两种尺寸的焦点 将双角度靶面和不同长度的灯丝结合起来就可以产生出非常灵活的摄影条件 通常一个圆形的有效焦点是比较理想的 但是 实际上它的形状特征为双香蕉状的 如图1一4所示 焦点上X射线强度的差别主要是由灯丝 聚焦杯和加在聚焦杯上的电压来决定 有效焦点的大小用针孔相机测量 具体方法是将针孔相机放在X射线管和胶片之间 让x射线通过一个很小的针孔后对针孔成像 当针孔的尺寸小到一定程度时 一般为75 m左右 由于光的衍射原因 对物体的分辨率不能再提高 从胶片上影像的尺寸和针孔的位置就可计算出X射线管有效焦点大小 对大多数X射线管而言 焦点大小不是一个常数 它随管电流和管电压变化 如图1一5所示 想一想 管电压越大 焦点大小怎么变 为什么 灯丝电流越大 焦点大小怎么变 为什么 X射线管焦点面上X射线强度的分布 若有效焦点的大小相同 但在焦点面上X射线强度的分布是不均匀的 因此所成影像的分辨力将是不同的 也将使密度分辨力 即吸收对比度分辨力 变差 当焦点中央X射线强度越强 半影的影响越小 即所谓的高斯分布的X射线强度产生的X射线影像具有较高的分辨力 分辨力最差的是双峰分布 X射线管的容量 在X射线管中 从阴极发射的热电子 经阴 阳两极间的电场加速后速度可达0 55C 高速电子与靶物质的相互作用十分复杂 通常 电子在失去它的全部能量以前要经受多次同靶原子的碰撞 其能量损失可以分为碰撞损失和辐射损失两种 碰撞损失的能量最后将全部转化为热 高速电子也激发原子的内层电子 并能深入到靶原子内部 与靶原子核发生相互作用而发生辐射