医学成像技术第14节课件

1、医学成像技术第14节1 1.4 X射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减 当当X X线通过物质时，由于光电效应、康普顿线通过物质时，由于光电效应、康普顿 效应和电子对效应等作用，使射线的强度减弱。效应和电子对效应等作用，使射线的强度减弱。 即物质所致的衰减。即物质所致的衰减。 x x射线在物质中传播过程中强度减弱包括射线在物质中传播过程中强度减弱包括 1.1.传播过程中距离导致的扩散衰减（能量的分散）传播过程中距离导致的扩散衰减（能量的分散） 2.2.吸收衰减吸收衰减 医学成像技术第14节2 vX X射线强度衰减的平方反比定律：射线强度衰减的平方反比定律： 均匀介质中的射线强弱均匀介质中的射线强

2、弱 I I1 1/I/I2 2=r=r2 2/r/r1 1 I I1 1 ,I ,I2 2分别表示半径为分别表示半径为r r1 1r r2 2的球面上的球面上x x射线强度射线强度 注：注：1.1.此式只是用于点源的球面发射此式只是用于点源的球面发射 2.2.只能在真空中成立，但空气中产生的减弱很少只能在真空中成立，但空气中产生的减弱很少 改善途径：改善途径： 改变射线管焦点到胶片的距离从而调节射线强度改变射线管焦点到胶片的距离从而调节射线强度 返回返回 医学成像技术第14节3 一、单能一、单能X X射线的衰减射线的衰减 二、连续二、连续X X射线的衰减射线的衰减 三、三、X X射线的滤过射线

3、的滤过 四、诊断四、诊断X X射线的衰减射线的衰减 医学成像技术第14节4 一一 、单能窄束、单能窄束x射线在物质中衰减的实验规律射线在物质中衰减的实验规律 I= I I= I x x （强度的减弱（强度的减弱= =比例系数比例系数厚度）厚度） 令令x0 x0，dI= I dxdI= I dx I= I I= I0 0exp(x)exp(x) 穿过厚度为穿过厚度为x x的均匀物质后射线强度的均匀物质后射线强度 = =入射射线强度入射射线强度expexp（线性衰减系数线性衰减系数 厚度）厚度） lnI lnI0 x 可见：可见： 1.1.不论吸收体多厚，辐射强度的理论值永不不论吸收体多厚，辐射强

4、度的理论值永不 为零为零 2.2.对数坐标中，射线强度的对数与吸收体的对数坐标中，射线强度的对数与吸收体的 厚度呈直线关系，直线的斜率等于线性衰减厚度呈直线关系，直线的斜率等于线性衰减 系数系数。 下一页 医学成像技术第14节5 v单能：由能量相同的光子组成的单能：由能量相同的光子组成的x x射线射线 v窄束：射线中不存在散射成分。实际中，将射线通过窄束：射线中不存在散射成分。实际中，将射线通过 钻有细长孔的厚铅板做成的准直器之后的射线看作窄钻有细长孔的厚铅板做成的准直器之后的射线看作窄 束。束。 v准直器作用准直器作用: :吸收散射线吸收散射线 返回 医学成像技术第14节6 光子数减少但频率

5、不变！光子数减少但频率不变！ 医学成像技术第14节7 v修正宽束（含有散射线成分）射线衰修正宽束（含有散射线成分）射线衰 减公式：减公式： I I（探测器收到的含有散射线的射线光子）（探测器收到的含有散射线的射线光子） =BI=BI0 0（入射的宽束射线光子）（入射的宽束射线光子）expexp（- - x x） B:B:积累因子，积累因子，是描述散射光子影响反映宽束和窄是描述散射光子影响反映宽束和窄 束区别的物理量，束区别的物理量，即即 某物质元中某物质元中X X光子计数率与光子计数率与 未碰撞物质的未碰撞物质的X X光子计数率之比光子计数率之比 B=1+ B=1+ x x（B1B1） ：被检

6、物质的有效线性衰减系数，与吸收体：被检物质的有效线性衰减系数，与吸收体 厚度、形状、面积、探测体与吸收体之间的距离、厚度、形状、面积、探测体与吸收体之间的距离、 光子的能量有关。光子的能量有关。 x x：被检物质的厚度：被检物质的厚度 医学成像技术第14节8 二、连续能谱二、连续能谱x x射线在物质中的衰减规律射线在物质中的衰减规律 v连续能谱连续能谱x x射线束射线束指能量从最小值到最大值之间的各种光子组合指能量从最小值到最大值之间的各种光子组合 成的混合射线束。成的混合射线束。 v连续连续x x射线的有效能量射线的有效能量：如果某一单能射线的吸收系数与连续：如果某一单能射线的吸收系数与连续

7、 射线在特定厚度范围内平均吸收系数相等，便可用此单能射线的射线在特定厚度范围内平均吸收系数相等，便可用此单能射线的 能量来表示连续能量来表示连续射线的平均能量，称作有效能量。射线的平均能量，称作有效能量。 v连续能谱窄束连续能谱窄束x x射线的衰减射线的衰减 I=II=I1 1+I+I2 2+ +I+In n = I = I01 01 exp(- exp(- 1 1 x)+I x)+I02 02 exp(- exp(- 2 2 x) + x) +I+I0n 0n exp(- exp(- n n x) x) 医学成像技术第14节9 连续能谱连续能谱x x射线的衰减特点射线的衰减特点 比单能射线衰

8、减更大；强度变小（射线量减小），硬比单能射线衰减更大；强度变小（射线量减小），硬 度变大（质提高），且逐渐接近入射射线中的最高能量度变大（质提高），且逐渐接近入射射线中的最高能量 （低能光子易被吸收，射线束通过物质后高能成分所占比（低能光子易被吸收，射线束通过物质后高能成分所占比 率相对增大）率相对增大） 医学成像技术第14节10 光子数光子数 水模厚度水模厚度 100kv单能单能X线线 100kv连续连续X线线 连续能谱连续能谱x x射线与比单能射线衰减比较如图，可射线与比单能射线衰减比较如图，可 见连续见连续X X射线衰减更大。射线衰减更大。 医学成像技术第14节11 决定决定X射线衰减程

9、度的因素射线衰减程度的因素 v1.1.射线本身的性质（单能或连续，高能或低能）射线本身的性质（单能或连续，高能或低能） 在在100kv100kv能量范围内，射线与物质作用系数随射线能量的增加而减少，能量范围内，射线与物质作用系数随射线能量的增加而减少， 即线性衰减系数减少，射线穿透力越强，即线性衰减系数减少，射线穿透力越强， v2.2.吸收物质的性质（物质的密度，原子序数，每千克物质所含电子数）吸收物质的性质（物质的密度，原子序数，每千克物质所含电子数） v3.3.物质厚度物质厚度 总结：作为整体效应，不管哪种作用占优势，总结：作为整体效应，不管哪种作用占优势， X X线能量线能量，光，光 电

10、效应发生的概率电效应发生的概率，衰减量，衰减量，透过量，透过量。 下一页 医学成像技术第14节12 吸收物质密度越大，原子序数越高，每千克电子数越多，吸收物质密度越大，原子序数越高，每千克电子数越多， 使射线衰减的能力越强，射线的穿透越差。使射线衰减的能力越强，射线的穿透越差。 医学成像技术第14节13 吸收与组织密度成正比 返回 医学成像技术第14节14 返回 吸收体厚度越厚，射线束相对强度越弱，能谱组成中，高能成吸收体厚度越厚，射线束相对强度越弱，能谱组成中，高能成 分比率增加，能谱宽度逐渐变窄。分比率增加，能谱宽度逐渐变窄。 医学成像技术第14节15 意义：意义：低能低能X X线不能透过

11、人体线不能透过人体( (吸收吸收) )，对，对 形成形成X X线影像不起作用，但却大大增加被检者线影像不起作用，但却大大增加被检者 皮肤照射量。为减少无用低能光子对皮肤和皮肤照射量。为减少无用低能光子对皮肤和 浅表组织的伤害，需采用适当的滤过措施，浅表组织的伤害，需采用适当的滤过措施， 在管口放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能在管口放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能 部分，使平均能量增高。部分，使平均能量增高。 三、三、X X射线的滤过射线的滤过 医学成像技术第14节16 a、固有滤过、固有滤过 包括包括X线管的玻璃管壁、绝缘油、线管的玻璃管壁、绝缘油、 管套上的窗口和不可拆卸的滤过板。用铝当管套

12、上的窗口和不可拆卸的滤过板。用铝当 量表示。量表示。 铝当量：指一定厚度的滤过材料用相同衰铝当量：指一定厚度的滤过材料用相同衰 减效果的铝板厚度表示。一般诊断减效果的铝板厚度表示。一般诊断X光机的光机的 固有滤过在固有滤过在0.5 2 mmAl。 对软组织摄影则需要低滤过对软组织摄影则需要低滤过X线线,以增加软组织对比度以增加软组织对比度. 医学成像技术第14节17 b、附加滤过、附加滤过 包括附加滤过包括附加滤过 板、遮光器的板、遮光器的 滤过等。滤过等。 根据衰减厚度根据衰减厚度 能量分布不同能量分布不同, , 依具体情况选依具体情况选 择管电压和材择管电压和材 料形状厚度料形状厚度 医学

13、成像技术第14节18 滤过板厚度及对照射剂量的影响滤过板厚度及对照射剂量的影响 使用低滤过高千伏摄影使用低滤过高千伏摄影, ,对受检者十分有害。而对受检者十分有害。而 厚度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义厚度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义. 铝板厚度铝板厚度(mmAl)皮肤照射量皮肤照射量(C/kg)照射量下降百分数照射量下降百分数(%) 0 0.5 1.0 3.0 6.1410-4 4.78 10-4 3.28 10-4 1.20 10-4 0 22 47 80 医学成像技术第14节19 一般用铝（滤除低能射线）和铜（滤一般用铝（滤除低能射线）和铜（滤 除较高能射线）做滤过板。或者两者

14、做复除较高能射线）做滤过板。或者两者做复 合滤过板，即铜面向射线管，铝面向被检合滤过板，即铜面向射线管，铝面向被检 者，可以滤出铜板产生的者，可以滤出铜板产生的8kev8kev的标识射线，的标识射线， 铝板产生的铝板产生的1.5kev1.5kev的标识射线被空气吸收。的标识射线被空气吸收。 医学成像技术第14节20 楔形或楔形或 梯形滤梯形滤 过板过板 获取射线影像过程中，如果投照部位的厚度相差太大，获取射线影像过程中，如果投照部位的厚度相差太大， 要得到均匀密度的影像，可以使用要得到均匀密度的影像，可以使用楔形或梯形滤过板。楔形或梯形滤过板。 医学成像技术第14节21 四、诊断放射学中四、诊

15、断放射学中X X线的衰减线的衰减 人体的构成元素和组织密度人体的构成元素和组织密度 人体主要由以下物质组成：骨骼，软组织人体主要由以下物质组成：骨骼，软组织 （肌肉，脂肪），肺、消化道及腔内气体（肌肉，脂肪），肺、消化道及腔内气体 除少量的钙、磷等中等原子序数物质外，除少量的钙、磷等中等原子序数物质外， 其余全由低原子序数物质组成的化合物。吸收其余全由低原子序数物质组成的化合物。吸收 X X线最多的是由线最多的是由CaCa3 3(PO(PO4 4) )2 2组成的门牙，吸收组成的门牙，吸收X X线线 最少的是充满气体的肺。最少的是充满气体的肺。 医学成像技术第14节22 化合物的有效原子序数：

16、化合物的有效原子序数：在相同照射条件下，在相同照射条件下，1kg1kg复复 杂物质与杂物质与1kg1kg单元素物质吸收辐射能相同时，该单元素的单元素物质吸收辐射能相同时，该单元素的 原子序数即为原子序数即为化合物的有效原子序数化合物的有效原子序数。 ai为第为第i种元素在单位体积中电子数的占有比率种元素在单位体积中电子数的占有比率, Zi为第为第i种元素的原子序数。如水中种元素的原子序数。如水中: 氧的电子数氧的电子数 比率比率 2.68:3.34，氢的电子数比率，氢的电子数比率0.66:3.34。氧、。氧、 氢的原子序数分别为氢的原子序数分别为8和和1，所以，所以 94. 2 1 94. 2

17、 ii ZaZ42. 7 医学成像技术第14节23 有效原子序数的近似公式为有效原子序数的近似公式为 a ai i为第为第i i种元素原子在分子中的原子个数，种元素原子在分子中的原子个数，Z Zi i为第为第i i种元素的种元素的 原子序数。如水中：氧原子个数为原子序数。如水中：氧原子个数为1 1，氢原子个数为，氢原子个数为2 2，所以，所以 占有人体大部分成分的水有效原子序数为占有人体大部分成分的水有效原子序数为 3 1 2211 44 22 4 11 nn nn ZaZaZa ZaZaZa Z 43. 7 8112 8112 3/1 44 Z 医学成像技术第14节24 化合物线性衰减系数的

18、影响因素化合物线性衰减系数的影响因素 1.1.线性衰减系数线性衰减系数 化合物化合物原子序数：物质原子序数原子序数：物质原子序数光子与光子与 物质作用截面物质作用截面射线束的线性衰减系数射线束的线性衰减系数，对于化合物一般，对于化合物一般 用有效原子序数来描述其衰减特性。用有效原子序数来描述其衰减特性。 2.2.线性衰减系数线性衰减系数 吸收物质的密度吸收物质的密度 所以实际屏蔽中多用密度大的物质（铅）所以实际屏蔽中多用密度大的物质（铅） 3.3.线性衰减系数线性衰减系数 每单位体积电子数（而非电子密度、各种每单位体积电子数（而非电子密度、各种 物质的电子密度几乎相等）物质的电子密度几乎相等）

19、 射线在物质中衰减，主要是射线在物质中衰减，主要是x x线光子与物质中电子相互线光子与物质中电子相互 作用，因此物质电子数目越多，越易使射线衰减。当康普顿作用，因此物质电子数目越多，越易使射线衰减。当康普顿 散射占优势时（稍高能摄影时），单位体积电子数成为衰减散射占优势时（稍高能摄影时），单位体积电子数成为衰减 的主要因素。如骨与肌肉。的主要因素。如骨与肌肉。 医学成像技术第14节25 诊断用射线（诊断用射线（100kev100kev以下）经过人体组织以下）经过人体组织 透射透射 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 所以在人体内所以在人体内x x射线的衰减与光子本身能量和射线的衰减与光子本

20、身能量和 物质原子序数有关物质原子序数有关 医学成像技术第14节26 低原子序数物质：肌肉、脂肪、体液低原子序数物质：肌肉、脂肪、体液 中原子序数物质：骨骼（钙）中原子序数物质：骨骼（钙） 高原子序数物质高原子序数物质: : 碘化钠等阳性造影剂碘化钠等阳性造影剂 穿透力比较图穿透力比较图 医学成像技术第14节27 人体不同组织的线衰减系数人体不同组织的线衰减系数(m(m-1 -1) ) 管电压管电压(kV)脂肪脂肪(102)肌肉肌肉(102)骨骼骨骼(102) 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 0.3393 0.2653 0.2196 0.20

21、09 0.1905 0.1832 0.1801 0.1774 0.1755 0.1742 0.1732 0.1724 0.4012 0.2933 0.2455 0.2213 0.2076 0.1994 0.1942 0.1906 0.1882 0.1864 0.1852 0.1842 2.4434 1.4179 0.9677 0.7342 0.6047 0.5408 0.4865 0.4530 0.4298 0.4132 0.4010 0.3918 医学成像技术第14节28 掌握 v为什么手部拍片用低管电压？为什么手部拍片用低管电压？ 定性说明定性说明：管电压较低时，射线在骨和软组织：管电压较

22、低时，射线在骨和软组织 内的衰减都以光电效应为主（正比于物质的原内的衰减都以光电效应为主（正比于物质的原 子序数三次方），所以骨的衰减系数是软组织子序数三次方），所以骨的衰减系数是软组织 的的6 6倍，在倍，在X X照片上显示出强烈的对比，如使用照片上显示出强烈的对比，如使用 高于高于100kv100kv的射线摄影，此时衰减以康普顿散的射线摄影，此时衰减以康普顿散 射为主（与单位体积电子数有关，肌肉射为主（与单位体积电子数有关，肌肉3.363.36每每 单位，骨单位，骨5.555.55每单位），此时骨与软组织衰减每单位），此时骨与软组织衰减 差别仅为差别仅为0.60.6，影像对比明显下降。，影

23、像对比明显下降。 医学成像技术第14节29 定量计算：定量计算：以手部拍片为例，说明以手部拍片为例，说明X X线在人体不线在人体不 同组织中的衰减差别及与管电压的关系。用同组织中的衰减差别及与管电压的关系。用 40kV40kV拍片拍片 1.6 104012.0 104434.2 2 2 骨骨 肌肉肌肉 而用而用150kV150kV拍片拍片 1.2 101842.0 103918.0 2 2 骨骨 肌肉肌肉 衰减差别大，衰减差别大， 形成高对比度形成高对比度 医学成像技术第14节30 v为什么胸部成像采用高千伏摄影？为什么胸部成像采用高千伏摄影？ 胸部包括肺、心脏、肋骨、胸骨。胸部包括肺、心脏、

24、肋骨、胸骨。 对胸部的成像一般采用对胸部的成像一般采用120kv120kv以上的高以上的高 压摄影。这是因为高管电压时，物质的压摄影。这是因为高管电压时，物质的 吸收衰减以康普顿散射为主，发生概率吸收衰减以康普顿散射为主，发生概率 与原子序数无关，此时，骨骼与软组织与原子序数无关，此时，骨骼与软组织 和肺部（气体）的影像密度相差不大，和肺部（气体）的影像密度相差不大， 即使相互重叠也不会被骨影覆盖，从而即使相互重叠也不会被骨影覆盖，从而 使与骨骼相重叠的软组织和骨骼本身的使与骨骼相重叠的软组织和骨骼本身的 细小结构及含气的管腔变得易于观察，细小结构及含气的管腔变得易于观察， 即获得较高的影像对

25、比度；并且管电压即获得较高的影像对比度；并且管电压 越高，相对于光电效应来说，被检者的越高，相对于光电效应来说，被检者的 剂量降低了。剂量降低了。 医学成像技术第14节31 了解：了解：其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 射线即电子流，带有负电，其质量很小，因此在运行中容易射线即电子流，带有负电，其质量很小，因此在运行中容易 被其他电子所偏转，所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其径迹被其他电子所偏转，所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其径迹 长度。在长度。在 射线径迹的末端射线径迹的末端, ,电离密度最大，这是由于此时电子能电离密度最大，这是由于此时电子能 量已显著降低，速度减慢量已显著

26、降低，速度减慢, , 与靶物质原子作用几率加大与靶物质原子作用几率加大, , 单位距离单位距离 内形成的离子对增多。内形成的离子对增多。 在临床上使用直线加速器发生的高能电子流照射组织时，主要在临床上使用直线加速器发生的高能电子流照射组织时，主要 的电离作用产生在深部，而的电离作用产生在深部，而 90 90Sr Sr 放射源放出的放射源放出的 射线则在浅层射线则在浅层 （1-2mm1-2mm）引起最大电离作用。射程长短取决于电子能量的大小。）引起最大电离作用。射程长短取决于电子能量的大小。 1. 射线与物质的作用射线与物质的作用 医学成像技术第14节32 其他其他射射线与物质的作用线与物质的作

27、用 射线即氦核组成的粒子流，由射线即氦核组成的粒子流，由2 2个质子和个质子和2 2个中子组个中子组 成，故带有成，故带有2 2个正电荷，质量数为个正电荷，质量数为4 4，比电子质量大约，比电子质量大约 80008000倍。倍。 粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最 多只几百微米。故多只几百微米。故射线由外照射对机体不会产生严重射线由外照射对机体不会产生严重 危害。危害。 但发射但发射粒子的放射性核素进入体内时，由于其物粒子的放射性核素进入体内时，由于其物 理特征，其电离密度较大，造成的损伤则更为严重。此理特征，其电离密度较大，造成的损伤则更为严重。此

28、外，放射性治疗中用快中子或负外，放射性治疗中用快中子或负介子照射组织时，在介子照射组织时，在 组织中将产生组织中将产生粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。 2. 射线与物质的作用射线与物质的作用 医学成像技术第14节33 其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 中子不带电中子不带电, ,通过组织时不干扰带电物质通过组织时不干扰带电物质, ,只有在与原只有在与原 子核直接碰撞时发生相互作用子核直接碰撞时发生相互作用. .但慢中子或热中子但慢中子或热中子 ( (能量在能量在 0.5eV0.5eV以下以下) ) 进入原子核易被俘获进入原子核易被俘获, ,而快中子而快中子

29、( (能量大于能量大于 20keV)20keV)与原子核主要发生弹性碰撞与原子核主要发生弹性碰撞. . 在中子与质子在中子与质子( (氢核氢核) ) 的一次碰撞中的一次碰撞中, , 中子的部分能量传给质子中子的部分能量传给质子, ,产生反冲质子产生反冲质子, , 这种带正电重粒子在组织中速度很快下降这种带正电重粒子在组织中速度很快下降, , 引起高密度电引起高密度电 离作用。离作用。 中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核 引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互作引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互作 用可引起非弹

30、性散射产生用可引起非弹性散射产生射线。此外射线。此外, , 中子与物质的原中子与物质的原 子核作用还会产生核反应子核作用还会产生核反应, , 在反应过程中释放带电重粒子、在反应过程中释放带电重粒子、 光子或产生放射性核素。光子或产生放射性核素。 3. 中子中子与物质的作用与物质的作用 医学成像技术第14节34 其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 快中子作用于组织时可产生带电重粒子。此外，高能快中子作用于组织时可产生带电重粒子。此外，高能 加速器还可将重粒子加速，使其具有穿透深部组织的能力。加速器还可将重粒子加速，使其具有穿透深部组织的能力。 例如，质子、氦核、负例如，质子、氦核、负介子等

31、可在数厘米深处产生高密介子等可在数厘米深处产生高密 度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用。度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用。 关于负关于负介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的 关注关注. .负负介子属于亚原子粒子介子属于亚原子粒子, ,其质量为电子的其质量为电子的276276倍倍, ,电电 荷同于电子荷同于电子, , 由同步回旋加速器将质子加速到极高能量由同步回旋加速器将质子加速到极高能量 (500 700MeV)(500 700MeV)而作用于石墨或铅靶时产生而作用于石墨或铅靶时产生. .当其穿入组织当其穿入组织 被碳、氧、氢等原子核捕获被碳、氧、氢等原子核捕获, ,释放释放粒子、中子和质子粒子、中子和质子, ,产产 生高密度电离作用。生高密度电离作用。 4. 带电重粒子带电重粒子与物质的作用与物质的作用 医学成像技术第14节35 辐射与物质的作用类型及能量损失辐射与物质的作用类型及能量损失 传能线密度与相对生物效应传能线密度与相对生物效应 一一. 传能线密度（传能线密度（LETLET） 定义定义 带电粒子在组织带电粒子在组织(或其他或其他物质物质)中经过中经过 一定