第五章射线在物质中的衰减

第五章X(或γ)射线在物质中的衰减目录第一节单能X(γ)射线在物质中的衰减规律第二节连续X射线在物质中的衰减规律第三节诊断放射学中X射线的衰减CONTENTS第四节X射线的临床应用全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材学习目标掌握熟悉了解单能和连续X射线在物质中的衰减规律，影响X射线在物质中衰减的因素、规律，滤过对图像质量的影像。诊断放射学中X射线通过人体衰减规律。X射线的临床应用。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材01单能X(γ)射线在物质中的衰减规律第一节作者：王大江单位：杭州医学院全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材为了单纯研究射线光子因吸收而造成的减弱，先来讨论窄束X射线的吸收衰减规律。所谓窄束是指所包括的散射线成分很少的辐射束。“窄束”一词是在实验中通过准直器后得到细小的辐射束而取名的。准直器是用一定厚度的铅板制作的，其作用是限制射线束的面积和吸收散射线。由于准直孔很小，因此通过准直孔的X射线束也很细小，凡离开原射线束方向的散射光子绝大部分会被准直器吸收。通过准直器的射线束所含散射线成分很少，则可视为近似理想的窄束。因此，窄束不仅是几何意义上通过准直孔辐射束的细小，更主要是指物理意义上辐射束中几乎不存在散射成分。此外，即使辐射束有一定宽度，只要所含散射光子很少，都可近似称为窄束。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、窄束X射线在物质中的衰减规律（一）窄束X射线概念图5-1获得窄束X射线装置所谓窄束是指所包括的散射线成分很少的辐射束。窄束一词是在实验中通过准直器后得到细小的辐射束而得（图5-1）。实验装置是在单能辐射源与探测器之间放置两个铅准直器，使辐射源、准直孔和仪器探头在一条直线上，然后在两准直器之间放置吸收物质。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材（二）窄束X射线在物质中衰减规律如果不考虑散线，可以实验得出单能窄束线在物质中的衰减规律，即单能窄束X射线通过均匀物质层时，其强度的衰减符合指数规律。公式如下：全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材图5-2单能窄束X射线的衰减曲线图5-2（a）是在普通坐标中绘出的指数衰减曲线，表示单能窄束X射线的强度随吸收体厚度的增加而呈指数减弱。图5-2（b）是在半对数坐标中绘出的，纵坐标为ln（I/I0）。由于ln（I/I0）= −μx，其直线的斜率就是线性衰减系数μ值。单能窄束X射线的指数衰减规律，还可以用不同的形式表示如下全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材图5-3单能窄束X射线通过物质时的衰减模型现举例说明指数衰减规律。以1cm均匀厚度的水模型为例（图5-3）。可见单能窄束X射线在通过物质时只有光子个数的减少，而无光子能量的变化。其指数减弱规律就是射线强度在物质层中都以相同的比率衰减。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材宽束X射线的衰减规律比较复杂，X射线束衰减的相对强度与吸收物质厚度的关系，在半对数坐标中就不再是图5-2（b）所示的直线，而出现弯曲。欲较准确地用来计算屏蔽体的厚度，可以在窄束X射线的指数衰减规律上引入积累因子B加以修正，即（三）宽束X射线的衰减规律式中，μ为线衰减系数，x为吸收物质的厚度。02连续X射线在物质中的衰减规律第二节作者：王大江单位：杭州医学院全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材窄束和宽束X射线的指数衰减规律只是对单能的X射线而言。而一般情况下，X射线束是由能量连续分布的光子组成的。当穿过一定厚度的物质层时，各能量成份衰减的情况并不一样，并不遵守单一的指数衰减规律。因此，连续能谱X射线束的衰减规律比单能X射线束更复杂。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、连续X射线在物质中的衰减规律连续能谱的X射线束是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，当连续X射线通过物质层时，其量和质都有变化。特点是，X射线强度变小（量减小），硬度变大（质提高）。这是由于低能光子容易被吸收，致使X射线束通过物质后高能光子在射线束中所占比率相对变大的缘故。（一）连续X射线在物质中的衰减特点全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材图5-4连续X射线通过物质时的衰减模型连续X射线在物质中的衰减规律可用图5-4来说明，最高能量为100keV的连续X射线束，开始时平均能量为40keV，光子数1000个；在水平通过第一个1cm厚的水层后，光子数衰减了35%，平均能量提高到47keV；在第二个1cm厚的水层中，光子数仅衰减27%，剩下光子中高能光子占的比率更大，平均能量提高到52keV；如此下去，X射线的平均能量将逐渐提高，并接近入射线最大能量。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材图5-5连续X射线与单能X射线通过物质时的衰减模型将吸收物质的厚度为横坐标，X射线通过物质后透射的光子数为纵坐标，作图于半对数坐标中，亦如图5-5所示，与相同条件下的100kV单能X射线相较，100kV连续能谱X射线有更大的衰减。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材图5-6连续X射线能谱随吸收物质厚度的变化图5-6表示不同厚度的吸收体对X射线能谱的影响。从A到D，厚度依次增加，X射线束相对强度不断地减弱。能谱组成也不断地变化，低能成分减弱很快，高能成分的比率不断增加，X射线的能谱宽度（光子能量范围）逐渐变窄。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一般地讲，入射光子的能量越大，X射线的穿透力就越强。在10～100keV能量范围内，X射线与物质间的作用截面，随着入射光子能量的增加而减小，因此线性衰减系数随着入射光子能量的增大而减小，穿过相同的吸收体，射线束的高能成分透射率变大。（一）射线性质对衰减的影响全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材二、影响X射线衰减的因素能量（keV）透过百分数（%）能量（keV）透过百分数（%）200.046013.0302.58016.0407.010018.05010.015022.0表5-1通过10cm的水单能窄束X射线透过百分数表5-1给出的是不同能量的单能X射线通过10cm厚的水模型时透过光子的百分数。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材光电衰减系数与原子序数Z的四次方成正比，而康普顿衰减系数与原子序数成正比，因此，原子序数愈高的物质，吸收X射线也愈多。透射量随入射线能量的增加而增加的规律，对低Z物质是正确的，对高Z物质则不然，当射线能量增加时，透过量还可能突然下降。（二）物质原子序数对衰减的影响全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材二、影响X射线衰减的因素图5-7铅和锡两条衰减曲线图5-7示出铅和锡两条衰减曲线。在锡的K吸收限（29keV）处，其质量衰减系数发生突变并超过了82号元素铅。这一反常现象一直延续到88keV（铅的K边界吸收限）。显然，在29～88keV，50号元素锡比82号元素铅对X射线具有更强的衰减本领。在诊断X射线能量范围内，锡比铅具有更好的屏蔽防护性能。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一切推理都必须从观察与实验得来伽利略（GalileoGalilei，1564~1642），意大利数学家、物理学家、天文学家，科学革命的先驱。历史上他首先在科学实验的基础上融汇贯通了数学、物理学和天文学三门知识，扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。伽利略从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础，反驳了托勒密的地心体系，有力地支持了哥白尼的日心学说。他以系统的实验和观察推翻了纯属思辨传统的自然观，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此被誉为“近代力学之父”、“现代科学之父”。其工作为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。本节内容中，铅、锡物质原子序数对衰减实验的现象反常引起科学家们的思考和实践，最终得到科学结果。该内容从哲学的角度引领学生思维，有助于培养学生尊重科学、全面且辩证看问题。正如伽利略所言“一切推理都必须从观察与实验得来”。X射线的衰减与物质密度成正比关系。这是因为物质密度加倍，则单位体积内的原子、电子数也加倍，因X射线与物质发生相互作用（光电效应与康普顿效应）的几率与物质原子序数成正比，故X射线与物质发生相互作用的几率也就加倍。人体内除骨骼外，其他组织的有效原子序数相差甚微，但由于密度不同，便形成衰减的差别，而产生了X射线对比度，从而形成X射线影像。（三）物质密度对衰减的影响全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材X射线的衰减与一定厚度物质内的电子数有关。显然，电子数多的物质比电子数少的物质更容易衰减X射线。每克电子数一般用电子数·克-1做单位。我们知道人体中除氢以外的所有物质的每克电子数大致相同。若用电子数·克-1乘以密度就得到每立方厘米的电子数，即[电子数·克-1]·[克·（厘米）-3]＝电子数·（厘米）-3。（四）每克电子数对衰减的影响全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材医用X射线属于连续能谱的X射线。这种X射线通过人体时绝大部分低能成份都被皮肤和表浅几厘米的组织吸收。由于低能光子不能透过人体，对形成X射线影像不起任何作用，但却大大增加了被检者的皮肤照量。为了获得最佳影像质量，同时尽量减少无用的低能X射线光子对人体皮肤和表浅组织的电离辐损伤，就需要根据连续X射线在物质中的衰减规律，采用恰当的滤过措施，兼顾应用与防护的双重目的。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材三、X射线的滤过X射线管组装体本身的滤过叫固有滤过。它包括X射线管的玻璃管壁、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板（图5-8）。固有滤过一般都用铝当量表示，所谓铝当量（mmAl）是指一定厚度的铝板与其他滤过材料相比较，对X射线具有相同的衰减效果，则此铝板厚度（mm）就是该滤过材料的铝当量。一般诊断X射线机的固有滤过在0.5～2mmAl。（一）固有滤过全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材图5-8X射线过滤示意图（二）附加滤过全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材附加滤过是指X射线管的组件中用工具可拆卸的附加滤过板、可选择的附加滤过板、遮光器中反光镜和有机玻璃窗的滤过等。1.滤过板的选择理想的滤过板应把一切无用的低能成份吸收掉，而让有用的高能成份全部透过。实际上没有这样的物质。另外，滤过板在吸收低能X射线的同时也在吸收高能X射线，所以我们可以选择某种物质使它通过光电效应大量地吸收X射线低能成份，而高能成份通过时仅有极微滤过板的选择。光子能量（keV）1mmAl2mmAl3mmAl10mmAl101001001001002058829210030244256934012233273508162257606121848805101439100481235表5-2不同厚度的铝滤过板对不同能量的单能X射线衰减的百分数2.滤过板的厚度表5-2为各种能量光子在穿过不同厚度的铝滤过板时，衰减单能光子的百分数全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材可见，随着滤过板厚度的增加，低能射线迅速衰减，但高能射线衰减缓慢。2mm的铝滤过板能把20keV以下的绝大部分低能光子吸收。在实际工作中采用多厚的滤过板合适，应根据具体检查类型考虑管电压和滤过板厚度的适当组合。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材滤板厚度（mmAl）皮肤照射量（C·kg−1）照射量下降百分（%）06.14 × 10−4（2380mR）00.54.78 × 10−4（1850mR）221.03.28 × 10−4（1270mR）473.01.20 × 10−4（465mR）80表5-3滤过板厚度对照射量的影响（60kV，100mA）对受照剂量的影响实验条件为60kV，100mA对厚度为18cm的骨盆模型照相，从零开始依次增加不同厚度的滤过板，用调节照射时间的方法，使照片的黑化度相同。每次都用仪器测出入射皮肤处的照射量，其数据列在表5-3中。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材3.滤过板厚度对受照剂量的影响滤过板可有选择地大量吸收低能量光子，但在吸收低能X射线的同时，滤过板对高能成份也有一定衰减。为弥补这一损失，在X射线摄影中一般采用适当增加照射时间的办法来解决。实验表明采用高千伏、厚滤过摄影虽然照射时间延长了，但受照剂量却大幅度降低了。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材4.滤过与投照时间楔形或梯形滤过板在投照部位的厚度相差太多的情况下，会使照片一边黑化度太浓，另一边黑化度太淡，造成诊断困难。为此可使用楔形或梯形滤过板来补偿这种差别，如图5-9所示。楔形或梯形滤过板薄的部分吸收的射线较少，使更多的射线通过患者的厚部位。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材图5-9梯形过滤板5.滤过板厚度对受照剂量的影响03诊断放射学中X射线的衰减第三节作者：王晓敏单位：天津医科大学全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材X射线束进入体内，一部分被吸收散射，另一部分通过人体沿原方向传播。透过的X光子按特定形式分布，便形成了X射线影像。研究X射线在人体中的衰减规律，应首先了解人体各组织器官的元素构成、分布、密度及衰减系数等基本情况。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、人体的构成元素和组织密度人体骨骼由胶原蛋白和钙质组成，其中钙质占50%～60%；软组织内水占75%，蛋白质、脂肪及碳水化合物占23%，其余2%是K、Na、Cl、Fe等元素。人体内除少量的钙、磷等中原子序数的物质外，其余全由低原子序数物质组成。人体吸收X射线最多的是由Ca3(PO4)2组成的牙齿，吸收X射线最少的是充满气体的肺。全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、人体的构成元素和组织密度

全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一些正常人体组织的密度和有效原子序数元素OCHNCaPKSNaCl原子序数8617201519161117占有率（%）6518103210.350.250.150.15全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材二、X射线通过人体的衰减规律全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材

二、X射线通过人体的衰减规律X射线在人体中，主要通过光电效应和康普顿效应两种作用形式衰减。

全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材图

X射线通过人体的吸收衰减和散射衰减所占比例管电压（kV）脂肪肌肉骨400.3393 × 1020.4012 × 1022.4434 × 102500.2653 × 1020.2933 × 1021.4179 × 102600.2196 × 1020.2455 × 1020.9677 × 102700.2009 × 1020.2213 × 1020.7342 × 102800.1905 × 1020.2076 × 1020.6047 × 102900.1832 × 1020.1994 × 1020.5408 × 1021000.1801 × 1020.1942 × 1020.4865 × 1021100.1774 × 1020.1906 × 1020.4530 × 1021200.1755 × 1020.1882 × 1020.4298 × 1021300.1742 × 1020.1864 × 1020.4132 × 1021400.1732 × 1020.1852 × 1020.4010 × 1021500.1724 × 1020.1842 × 1020.3918 × 102表人体不同组织的线性衰减系数μ(m−1)全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材04X射线的临床应用第四节作者：王晓敏单位：天津医科大学全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、X射线摄影技术模拟X射线成像的两个典型方式：增感屏-胶片系统X射线摄影

荧光屏透视模拟X射线摄影原理是透过人体带有信息的X射线照射在胶片上，致使胶片感光，然后通过显影、定影、脱水等过程获得影像胶片。X射线透视是获得连续或断续的一系列X射线影像，并将其连续地显示为可见影像的技术，最大的优点是可以动态、多角度、适时地观察组织器官。（一）传统X射线成像全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、X射线摄影技术1983年，计算机X射线摄影（computedradiography，CR）进入临床使用，随后数字化X射线摄影系统（digitalradiography，DR）问世，为医学影像全面实现数字化奠定了基础。CR系统的不同之处在于其影像记录与显示不是在同一媒介上完成，其成像过程是影像板（imageplate，IP）代替屏-片进行影像信息的采集。IP的核心是光激励发光（photostimulatedluminescence,PSL）物质。IP输出信号由读取装置继续完成光电转换和A/D转换，经计算机图像处理后，形成数字影像。CR系统由激光扫描仪、影像板和数字图像工作站组成。（二）数字X射线成像全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、X射线摄影技术20世纪90年代末，数字化X射线摄影系统（digitalradiography，DR）问世。在计算机控制下，采用一维或二维探测器直接把X射线分布信息转化为数字信号，为全数字化X射线成像奠定了基础。探测器是DR的关键部件，将X射线模拟信号转化为数字信号，包含非晶硒平板探测器、非晶硅平板探测器、多丝正比室型和CCD型探测器。DR系统转换环节少，X射线利用率高，信噪比高，图像质量提高。平板探测器可以输出动态图像完成数字透视采集，DR应用范围扩大。（二）数字X射线成像全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、X射线摄影技术数字减影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）是计算机与常规X射线血管造影相结合的检查方法。主要应用于心血管、脑血管及全身各部位血管造影检查及介入治疗。DSA图像的获得分为三步：

①对比剂注入前采集蒙片像；

②对比剂注入后采集系列造影像；

③蒙片像与系列造影像进行减影处理，得到单纯血管像。21世纪以来DSA设备、软件不断改进，图像质量明显提高，X射线剂量明显降低，平板探测器成为主流的信息接收装置。（二）数字X射线成像全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、X射线摄影技术X射线造影检查是将造影剂引入所需要检查的器官或周围组织，使其形成密度或原子序数的明显差别，从而改变与周围器官的对比度，以显示器官的形态和功能。造影剂可分为阳性造影剂和阴性造影剂。阳性造影剂是指有效原子序数大，密度高，能强烈吸收X射线的物质。阴性造影剂是指有效原子序数低、密度小，对X射线吸收极弱的空气、氧气和二氧化碳等气体。（三）X射线造影全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材一、X射线摄影技术乳腺X射线摄影也称为钼靶X射线摄影，亦可用于非金属异物和其他软组织的摄影。牙科X射线摄影是口腔颌面疾病最有价值的辅助手段之一，包含口内牙科X射线摄影、口腔曲面体层X射线摄影、口腔颌面锥形束计算机体层摄影（Cone-BeamComputerizedTomography，CBCT）等。（四）特殊X射线造影全国高等学校第二轮医学影像技术专业规划教材二、介入放射技术介入放射（interve