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医学成像技术 副教授 教材 医学影像设备学 徐跃第3版 MedicalimagingTechnology 第二章X线发生装置 教学内容 第一节X线管 产生X线的器件 第二节高压发生器 产生并为为X线管提供高压 第三节控制台 控制X线的量与质 教学目的1 掌握X线发生装置的基本组成 工作原理 2 熟悉各类球管的结构及性能特点 3 熟悉高压发生器的结构及工作原理 4 熟悉控制台的作用及工作原理 第二章X线发生装置 X线管 X线机成像原理示意图 第二章X线发生装置 X线成像设备包括 普通X线成像设备 数字X线成像设备及X线CT成像设备三大类 X线机的基本结构 第二章X线发生装置 X线发生装置组成 控制台 高压发生器 X线管 第二章X线发生装置 X线基本知识复习 一 X线的本质与特征X线的本质 电磁波 频率介于紫外线与 射线之间 具有波粒二相性 X线的特征 1 X线的物理效应 穿透 荧光 电离 热作用 干涉 衍射 反射 折射 2 X线的化学效应 感光 着色3 X线的生物效应 对细胞抑制 损伤 坏死 第二章X线发生装置 二 X线的 质 与 量 X线强度 1 用X线的质描述X线的穿透能力 与入射X线的能量有关 与X线的频率有关 与X线光子数无关 与通过的介质的结构 密度有关 与通过的距离有关 在临床中常用加在X线管两端的管电压描述X线的穿透能力 单位为KV 第二章X线发生装置 2 用X线的量描述X线的强度 即单位时间内通过横截面的光子数 在临床中常用管电流与曝光时间乘积描述X线的量 单位为mAS 决定胶片或荧光屏上亮度等级 在治疗中用X线对空气的电离量表示 单位库 千克 即在温度为0度 气压760mmHg时使1ml空气 0 01293g 产生1静电单位时为1伦琴的X线剂量 第二章X线发生装置 3 X线强度 在垂直X线传播方向上单位时间内所通过单位面积上的所有光子数与每个光子能量的乘积 单位为 焦耳 平方米 秒 管电压高 管电流大 照射时间长 其X线强度越大 第二章X线发生装置 掌握X线管结构 掌握X线管作用 掌握X线产生过程 原理 掌握X线管分类 掌握X线管的特性 散热 聚焦 加速 成像参数电参数 几何参数等 第一节X线管 教学目的 第二章X线发生装置 X线管分类 按结构分 1 固定阳极X线管2 旋转阳极X线管3 特殊X线管 栅控X线管 X软线管 金属X线管 按阳极靶材料分 1 钨靶X线管2 鉬靶X线管3 合金X线管 第二章X线发生装置 第二章X线发生装置 一 固定阳极X线管 主要由阴极 阳极 玻璃壳三部分组成 第一节X线管 作用 产生X线 结构 阳极 阳极头 阳极帽 阳极柄 玻璃圈 阴极 灯丝 阴极头 阴极套 玻璃芯 高真空玻璃容器 管壳 一 结构 第二章X线发生装置 X线产生原理 高速电子打靶 轫致辐射和特征辐射 X线谱线 连续谱线叠加特征谱线 特点 高真空 防散射 热阴极 绝缘 优点 散热性能良好 连续瞬时负载 结构简单 价格低 用在小容量X线机 缺点 焦点尺寸大 瞬时功率小 第二章X线发生装置 1 阳极 1 阳极作用接受高速电子轰击产生X线 同时将曝光时产生的热量传递到管外 吸收二次电子和散乱射线 2 阳极结构阳极头 阳极帽 玻璃圈和阳极柄四部分构成 第二章X线发生装置 1 阳极头 由靶面和阳极体构成 靶面作用 承受高速运动的电子束轰击产生X线 称为曝光 靶面根据材料不同 有钼靶 钨靶 合金靶等 阳极体 无氧铜制成 散热作用 无氧铜阳极体及钨靶构成的阳极头特点 X线产生效率高 散热性能佳 99 转化为热 第二章X线发生装置 1 阳极头 由靶面和阳极体构成 固定阳极X线管功率特点 高速电子始终轰击静止靶面同一位置 且靶面最大承受功率是一定 200W mm2 故功率有限 二次电子 电子束轰击靶面时 从靶面反射和释放出来的少量电子 二次电子危害 降低玻璃管内真空度或击穿玻璃壳 产生非焦点散乱X射线 降低影像清晰度 第二章X线发生装置 2 阳极帽 作用是保护X线球管 吸收二次电子 和提高影像清晰度 吸收散乱X线 高速电子束入射窗口 X线辐射通道 加玻窗可以吸收软X射线 降低皮肤剂量 第二章X线发生装置 3 可阀圈 阳极与玻璃壳的过度连接部分 4 阳极柄 固定X线管并将曝光热量传导到变压油中 第二章X线发生装置 2 阴极 1 阴极作用发射电子 并对电子束进行聚集 2 阴极结构灯丝 聚焦罩 阴极套和玻璃芯柱等四部分构成 第二章X线发生装置 1 灯丝 由钨丝制成 作用是发射热电子 灯丝发射热电子原理 灯丝加热电压越高辐射电子越多 改变灯丝加热电压可改变灯丝加热电流 进而改变管电流 灯丝电子辐射特性曲线 指数关系 第二章X线发生装置 大小双焦点等构成的双焦点阴极 2 聚焦罩 又名聚焦槽或集射罩或阴极头 作用聚焦 第二章X线发生装置 3 玻璃壳 将阴极和阳极高真空密封在一起 4 玻璃芯柱 固定阴极在玻璃壳上 固定阳极X线管优点 结构简单 价格低廉 固定阳极X线管缺点 焦点尺寸大 瞬时负载功率小 仅200W mm2 常用于小型X线影像设备中 第二章X线发生装置 分实际焦点 有效焦点两种 二 焦点 2 有效焦点实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投影的面积 宽度不变为a 长度为bsin 1 实际焦点阳极靶表面被电子轰击的一块面积 X射线就是从这块面积上发射出来的 焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一 焦点的形状取决于灯丝的形状 螺旋形灯丝产生长方形焦点 固定阳极X线管的焦点 有效焦点宽度不变 长度 实际焦点长度b sin 第二章X线发生装置 3 有效焦点与成像质量有效焦点尺寸越大 散热性能越好 但几何模糊就越大 影像清晰度越差 有效焦点尺寸越小 散热性能越差 但图像清晰度好 小焦点可使影像清晰 但是焦点越小 在焦点上集聚的能量越高 产生的热量也就越高 最终将导致焦点靶面熔化 第二章X线发生装置 双焦点技术在透视时使用小焦点 在摄影时使用大焦点 解决办法 双焦点技术 旋转阳极技术 飞焦点技术和油循环或水冷却技术 第二章X线发生装置 旋转阳极技术 通过阳极旋转来扩大焦点轰击面积 提高球管的散热率 从而提高球管的功率 旋转阳极球管 旋转阳极球管的靶面 第二章X线发生装置 飞焦点技术 单位时间内提高CT的信息采集效率 特点是阴极发射的电子束在高速飞向阳极过程中 被偏转线圈产生的偏转磁场改变了其垂直入射点 可以在不增加辐射功率的情况下获得更多的信息量 第二章X线发生装置 油循环或水冷却技术 真空油 在CT中使用油循环X线管在心血管造影X线机中使用油和水循环X线球管 第二章X线发生装置 4 焦点的方位性X线中心线应对准影像中心 即实际焦点中心 X线输出窗中心与投影中心应三点一线 5 焦点增涨缺点 焦点增涨引起影响清晰度下降 管电流 电子数目 库伦斥力 焦点增涨 影像清晰度 第二章X线发生装置 二 旋转阳极X线管 结构与固定阳极X线管基本一样 只是 阳极靶由电机带动 转速 3000r min 7000r min 9000r min等 优点 瞬时负载功率大 焦点小 较好地解决了提高功率与缩小焦点之间的矛盾 第二章X线发生装置 20 150kW 焦点 1 1 单位 mm 微焦点 0 03 0 03 旋转阳极的结构 靶面 转子 转轴 轴承四部分组成 图2 9旋转阳极X线管的焦点 旋转阳极技术 通过阳极旋转来扩大电子流轰击靶面的面积 提高球管的散热率 从而提高球管的功率 第二章X线发生装置 图2 10旋转阳极结构 靶盘与靶面 第二章X线发生装置 转子 无氧铜制成 通过钼杆与靶盘和靶面连为一体 轴承与轴承的润滑 轴承多数采用耐热合金钢制成 润滑剂采用固体润滑材料 二硫化钼 银 铅等 目前 最先进的采用液态金属轴承 旋转阳极X线管的转速没达到规定值不允许曝光 大功率X线管 阳极靶面的直径作到120mm 增大靶面实际面积 缩短曝光时间 承受瞬时高负荷 X线电视摄影 连续高负荷摄影 这类X线管带热交换装置 第二章X线发生装置 3 特殊X线管 金属陶瓷大功率X线管 在X线管的中间用钢制管壳 在阳极端用玻璃壳 管的金属部分接地 金属陶瓷大功率X线管 三级X线管 软X线管 CT用X线管 陶瓷绝缘X线管 把阳极的两端的轴承用陶瓷绝缘 第二章X线发生装置 三极X线管 栅控 线管 阴 阳极之间加了一个控制栅极 电子控制阴极发射 截止电子 实现快速 连续X线摄影 第二章X线发生装置 结构特点 三极X线管 栅控X线管 在阴阳两级之间加上一个控制极 工作原理 在栅极加一个对阴极而言是负电位 2 5kv 或负脉冲 管电流截止 不发生X线 当负电位或负脉冲消失 管电流导通 发生X线 临床运用 X线电视系统 DSA中 200帧 秒 摄影时间缩短到10 s 实际临界值1ms 灯丝发射特性差 不能产生较大管电流 常用于容量较小的线机中 第二章X线发生装置 无栅三极X线管 阴极头加负偏压 可得到微焦点 阴极头既起聚焦作用 又起栅极作用 因此 三极X线管的特性 不仅取决于灯丝加热电流和管电压 还取决于栅极电位的变化 第二章X线发生装置 软X线管 钼靶 线管 要求 固有过滤小 低管电压时能产生较大管电流 焦点小 结构特点 铍窗 原子序数为4 固有滤过很小 钼靶 能产生特征X线 极间距离短 0 063nm0 07nm 临床实验证明 软组织摄影时最适宜的X线波长是0 06 0 09nm 加上0 03mm的钼片 对小于0 063nm的稍硬X线具有选择性吸收作用 对于大于0 07nm的较软X线被钼片本身吸收 余下的X线正好适合作乳腺组织摄影用 第二章X线发生装置 灯丝 管套 阳极靶面 阳极 液态金属轴承 液态金属轴承球管 第二章X线发生装置 液态金属轴承球管 一颗永动的心 由液态金属填充的轴承间隙 第二章X线发生装置 CT用X线管 在大功率情况下 较长时间的连续辐射X线 阳极在短时间内将积聚巨大的热量 要求X线管能承受连续脉冲曝光的负荷量 对于中 大型DSA设备 设备 一般X线管热容量应在 HU以上 管电压范围40 150kV 管电流通常为800 1250mA 高散热率不能有等待时间 不能过热停机 第二章X线发生装置 靶面材料多采用复合靶结构 配有较大体积的石墨基以增大热容量 外壳多为金属陶瓷材料 采用油或水循环冷却系统 使产生的热量尽快扩散 第二章X线发生装置 MRM球管 透心凉 冷却 冷却油直接进入阳极靶面 高散热率 第二章X线发生装置 四 X射线管的特性与电参数 一 阳极特性曲线 阳极特性曲线 在一定的灯丝加热电流下 管电压与管电流之间的关系 空间电荷 第二章X线发生装置 阴极电子区域 a 灯丝前段无阻力 b 灯丝侧面小阻力 c 灯丝后端形成空间电荷 随管电压升高而逐渐飞向阳极 空间电荷 比例区 饱和区 二 灯丝发射特性曲线 灯丝发射特性曲线 在一定的管电压下 管电流与灯丝加热电流之间的关系 当KV增加或减少管电流亦会增加减少 故要空间电荷补偿 第二章X线发生装置 三 X射线管的电参数 1 管电压与最高管电压 最高管电压 加于X线管两极间的最高峰值电压 单位是kV 最高管电压是由X线管的长度 形状 绝缘介质的种类以及管套的形式决定的 如超过最高电压允许值会使管壁放电甚至击穿 2 管电流与最大管电流 最大管电流 X线管在某一管电压和某一曝光时间内所允许的最大管电流平均值 单位是mA 在调整X线机管电流时不得超过该值 第二章X线发生装置 4 X线管的容量 1 容量 又称负荷量 指一次曝光中X线管无任何损坏时能承受的负荷量 由于阳极焦点面温升高很快 超过一定温度时将导致X线管的损坏 因而X线管的容量要受到限制 最长曝光时间 X线管在某一管电压和某一管电流条件下 所允许的最长曝光时间 单位是秒 s 在使用中 同样不能超过该值 3 曝光时间与最长曝光时间 第二章X线发生装置 2 X线管容量的计算 P 1 1000UI式中P为X线管容量 单位kW U为管电压有效值 单位kV I为管电流有效值 单位mA 容量增大因素 增大焦点面积 减小靶面倾角 增大阳极转速 增大焦点轨道半径 减小管电压纹波系数 减少曝光时间 故 透视 点片摄影用X线管容量小 因曝光时间长时阳极累积容量多的原因 3 X线管的标称功率 同一X线管的容量是一个不确定量 通常将一定整流方式和一定曝光时间下X线管的最大负荷称为X线管的标称功率 小焦点 0 6 0 6 30KW大焦点 1 2 1 2 80KW 固定阳极 单相全波整流 曝光时间为1S的容量旋转阳极 三相全波整流 曝光时间为0 1S的容量 小焦点 1 8 1 8 2KW大焦点 4 3 4 3 9KW 第二章X线发生装置 例如 4 容量表示方法 瞬时负荷和连续负荷 曝光时间为数毫秒到数秒的单次摄影称为瞬时负荷 曝光时间为10秒以上的透视称为连续负荷 连续多次摄影或透视与点片摄影交替的曝光称为混合负荷 对于混合负何用热容量来表示 5 X线管的热容量 X线管处于最大冷却率时 允许承受的最大热量称为热容量 单位是焦耳 J 但常用热单位HU HeatUnit KHU MHU表示 第二章X线发生装置 五 X线管的管套 作用 管套是放置 固定 保护X线管的特殊容器 要求防散射 防电击 油浸式 绝缘和冷却 结构 薄铜板或铝板做成 装有变压器油 四周衬有铅皮 两端装有耐油橡胶和金属膨胀器 管套一侧装有两个高压插口 第二章X线发生装置 第二章X线发生装置 第二章X线发生装置 第二节高压发生器 一 作用 为X线管提供直流高压和灯丝加热电压 二 组成 包括高压变压器 灯丝变压器 高压整流硅堆 高压交换闸 配两只以上 线管时用 高压插座等组成 第二章X线发生装置 箱体内灌注变压油 绝缘 导热 箱体接地 防高压电击危险 1 高压变压器 220V交流单相 30 150KV直流 1 铁心 2 初级绕组 3 次级绕组 第二章X线发生装置 构建磁路 几百匝 电压低 电流大 相同线圈同相串联 电压高 电流小 中心接地 降低绝缘电压 单相全波整流X线机采用次级中心接地 这样每根次级输出线对地电压都降低一倍 高压变压器绝缘要求降低一倍 此时可以将毫安表串接在次级中心点处 电压降低 安装在控制台 上 避免控制台带高压 保证操作人员安全 第二章X线发生装置 为防止毫安测量回路断路而使中心点电位升高 设有保护装置 其方法有 中心点接线柱上 并联一对放电针或纸介电容器或放电管 这样中心点电位升高时 放电针或放电管被击穿放电 接通对地电路 即可起到保护作用 2 灯丝变压器 次级接X线管阴极 双焦点X线管需两个同结构 不同规格的灯丝降压变压器 第二章X线发生装置 将高压变压器输出的交流高压变成脉动直流高压 3 高压整流器 高压硅堆 现代X线机的高压整流器都采用半导体器件 利用它将高压变压器次级输出的交流变成直流电压 供给X线管两极 使X线管始终保持阳极为正 阴极为负 这种半导体整流器也称为高压硅堆 自整流X线机 交流高压直接加在X线机两端 正半周有X线 负半周截止无X线 这种利用X线管本身整流作用的X线机 叫自整流X线机 第二章X线发生装置 同轴高压电缆 非同轴高压电缆 4 高压电缆 插头 插座 第二章X线发生装置 高压插头与插座的结构 第二章X线发生装置 双管高压交换电路 5 高压交换闸 作用 当X线机配备两只X线管 一只作透视和点片摄影用 一只作摄影或特殊检查用 时 需配备高压交换闸切换X线管 即切换不同正负高压和灯丝电压 要求 机械强度和绝缘强度高 触点面积大 接触好 第二章X线发生装置 6 变压器油 盛放在高压发生器油箱和X线管管套内 又称绝缘油 起绝缘和散热作用 变压器油易老化 再生后可继续使用 绝缘强度高 燃烧点高 导热系数高 化学性能稳定 粘度低 凝固点低 颜色浅 第二章X线发生装置 第三节控制台 三钮控制 KV mA s 二钮控制 KV mAs 单钮控制 KV 零钮控制 按人体脏器分类 操作越简单 智能化越高 控制台的作用 1 通过改变KV mA S 控制X线质与量 2 指示机器工作状态 3 完成X线各种临床检查 实现控制的基础是电路 控制的对象是管电压 管电流和曝光时间 控制方式 三钮 两钮 单钮 零钮 第二章X线发生装置 第二章X线发生装置 一 对电路的基本要求 可调管电压 KV 可调管电流 mA 可调曝光时间 S X射线的质 X射线的量 第二章X线发生装置 控制台主要控制内容 电源的通断开关 电源电压补偿器和指示器 中高频无 管电压 管电流和时间选择 自动密度控制 程控的按照高矮胖瘦预先编入曝光定时 曝光开关 滤线器选择 组件选择 如台次等 其他按键和控制 如透视 点片摄影 一般摄影 滤线摄影断层等 视具体 第二章X线发生装置 第二章X线发生装置 二 基本电路 图2 38控制台基本电路构成方框图 1 电源电路 2 X线管灯丝加热电路 3 高压发生电路 4 控制电路 第二章X线发生装置 三 单元电路简介 一 电源电路 包括 电源接触器 电源保险丝 自耦变压器 电源电压补偿装置 指示仪表等 第二章X线发生装置 二 线管灯丝加热电路 mA调节电路 增加 增高电子数量增加 增高 线量增加 但一般管电流会随着管电压变化而变化 不能独立调整 要进行补偿 通常用改变灯丝加热电压的方法来补偿kV对mA的影响 即在增加kV的同时 相应减少灯丝加热电压 使得mA保持不变 第二章X线发生装置 二 线管灯丝加热电路 mA调节电路 第二章X线发生装置 三 高压发生电路 高压初级电路 高压次级电路 三 单元电路简介 第二章X线发生装置 高压初级电路 自耦变压器输出线圈至高压变压器初级线圈所构成的回路 主要包括kV调节 控制 预示和补偿电路 1 管电压调节电路 调节KV管电压的范围 满足临床检查需要 2 管电压控制电路 对X线管电压得失的控制 3 管电压预示电路 预先将本次曝光可能所需的实际X线管端电压用伏特表指示出来 4 管电压补偿电路 管电压预示值为高压变压器空载时初次级换算值 负载时该值小 故加管电压补偿电路 使实际管电压满足临床检查需要 不同mA时不同补偿 第二章X线发生装置 高压次级电路 高压变压器次级线圈至X线管两极所构成的回路 一般要进行高压整流电路和管电流测量 只有经过整流电压输出才连续不断 交流变直流 1 对于单相全波整流高压次级 主要包括高压整流和mA测量电路所构成 第二章X线发生装置 管电流为流过X线管的脉动直流 毫安表接在高压变压器的次级中心点处 经桥式整流电路 变成直流后用毫安表测量 电容电流随管电压的变化而变化 与管电压成正比 电容补偿电路有电阻分流法和变压器补偿法 第二章X线发生装置 2 三相十二波桥式整流高压次级电路 特点 KV脉动较小 曝光时间短 负载在全周是均匀的 X线输出效率高 负载平衡 第二章X线发生装置 第二章X线发生装置 第二章X线发生装置 利用电容进行能量存储 叠加入新方向电流 实现电路的整流 输出电压变为原来次级电压的两倍故得名 3 倍压整流高压次级电路 第二章X线发生装置 四 控制电路 限时电路 三 单元电路简介 控制曝光时间的长短 可以准确控制X射线的照射量 大部分利用的都是电容器和电阻的RC充放电特性 第二章X线发生装置 曝光时间 X线照射时间 管电压工作时间 高压变压器初级电路工作时间小型X线机采用机械限时器 大中型X线机采用电子限时器 控制X线曝光时间 准确测量X线照射量 稳定性高 控制精度高 常用半导体器件如电子管 闸流管 晶闸管等 方法 将限时器一对触点串接在高压接触器的线圈回路中 控制高压接触器的工作时间达到控制曝光时间 第二章X线发生装置 自动曝光是依据器官组织的厚度 密度 自动改变摄影