第一章_X射线物理.ppt

赵英红徐州医学院影像技术学教研室zyh121医学影像物理学 X射线的发现1895年11月8日 德国物理学家威廉 康拉德 伦琴在德国沃兹堡大学实验室用克鲁克斯管研究高真空下放电现象时 却发现距克鲁克斯管约1米远处的一块氰亚铂酸钡纸屏风上发出了荧光 伦琴认定克鲁克斯管中发出了一种能够穿透某些物质而又看不见的射线 进一步的试验 用书本 木板等都遮不住这种射线 更甚者 当伦琴用手去拿那块纸屏风时 竟在纸屏风上看到了自己手骨的影像 第一章X射线物理 当时不甚了解其性质 故用了数学上的未知数 X 表示 称为 X射线 X ray 简称X射线或X光 又称 伦琴射线 X射线的发现为自然科学开辟了一条崭新的道路 伦琴荣获了1901年度首届诺贝尔物理学奖 1895年12月28日伦琴写出了他的第一篇关于X射线的论文 发表后立即引起了人们极大的兴趣 目前 X射线已经广泛应用于医学诊断和治疗 工业探伤 民用安全检查 物质结构分析等领域 世界上第一张X射线照片 哪一张是真的 一 X射线的产生1 X射线产生条件在高真空管内高速行进成束的电子流撞击阳极靶 钨 钼等 时与原子核或内层电子相互作用而产生X射线 即高速电子流和靶物质相互作用的结果产生X射线 X射线产生条件 产生X射线需具备以下三个条件 电子源 根据实际情况提供足够数量的电子 高速电子流 在高真空管内施加高电压的电场使电子获得足够的动能 适当的靶物质 特定材料制成的 能经受高速电子流撞击的阳极靶面 二 X射线产生机制1 电子与物质相互作用高速电子与靶物质作用的过程较复杂 高速电子带负电荷 在物质中主要与原子核的正电场及轨道电子的负电场作用 当高速电子穿过物质时几乎会与相遇的每个原子发生作用 作用很频繁 如一个动能为1MeV的高速电子在被阻止前会遭受1万次的碰撞 每一次碰撞电子不仅要损失部分能量还会改变运动方向 电子在碰撞过程中的能量损失分为碰撞损失和辐射损失 碰撞损失只涉及原子的外层电子 这部分能量将全部变为热 辐射损失涉及内层电子和原子核 电子与靶原子因碰撞而损失能量的过程就是能量转换的过程 2 连续X射线X射线管发出的X射线是由连续X射线和标识X射线两部分组成的混合射线 连续放射 又称韧致辐射是高速电子流撞击阳极靶面时 与靶物质的原子核相互作用而产生的 连续波长的X射线 连续X射线 的过程 阴极电子撞击阳极靶面的动能取决于管电压的大小 管电压越高 阴极电子获得的动能就越大 由于单位时间内大量能量不等的电子同时撞击靶面 与靶原子相互作用中损失的能量各不相同 因而发出的X射线光子的能量也互不相同 大量的X射线光子组成了具有频率连续的X射线发射谱 保持管电流不变 将管电压从20kV增加到50kV时 测量各波段的相对强度而绘成的连续X射线谱 钨靶在较低管电压下的连续X射线谱图 连续谱的X射线强度是随波长的变化而连续变化的 每条曲线都有一个峰值 曲线在波长增加的方向上都无限延伸 但强度越来越弱 在波长减小的方向上 曲线都存在一个称为短波极限波长的极限值 连续X射线的最短波长 min 光子能量的最大极限h max等于入射电子在X射线管加速电场中所获得的能量eU 即 左下式中 U的单位为kV min的单位为nm可见 连续X射线的最短波长只与管电压有关 3标识放射 又称特征辐射 不同的靶物质发出的X射线的波长不同 原子序数越高 产生的X射线波长越短 标识X射线与X射线管的管电流无关 h 为特征X光子能量 即跃迁过程中释放的能量 E2为跃迁前的能量E1为跃迁后的能量 特征辐射 标识辐射标识X射线的波长同阳极靶原子的结构有着密切的联系 仅取决于阳极靶物质 与X射线产生过程中的其它因素无关 不同靶材料的辐射光子的能量和波长也不同 每一种元素的标识X射线的波长是固定不变的 特征辐射 标识辐射 产生标识X射线的最低激发电压U必须满足W为脱出能 时 为最低激发电压 不同的激发电压产生的标识X射线量占总的X射线量的比率是不同的 小结1 连续谱的形状与靶的材料无关 2 连续谱存在一最大的能量值 它取决于管电压 3 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 三 X射线的基本特性 X射线的穿透作用X射线的荧光作用X射线的电离作用X射线的热作用X射线的化学和生物效应 按人体组织对X射线透射性能的不同分为三类 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 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 X射线的化学和生物特性1 感光作用2 脱水作用 着色作用3 生物效应 第二节X射线辐射场的空间分布一 X射线强度1 X射线的强度单位时间内垂直于X射线束的单位面积上通过的光子数和能量的总和叫做X射线线的强度 X射线线的强度是X射线的质与量的综合指标 它主要是由X射线摄影条件的三要素 千伏 毫安和时间 决定的 X射线管短轴方向上的X射线强度分布是基本对称的 X射线管长轴方向上的X射线强度分布是非对称的 近阴极端的X射线强度大 近阳极端的X射线强度小 X射线的强度I与管电压U和管电流i的关系如下 式中 系数K取决于高压整流方式 约为1 1 10 9 1 4 10 9 n由管电压及线束的滤过条件决定 对于诊断用X射线的n值约为2 X射线强度的单位是 J m 2 s 1 2 X射线的量与质X射线的质又称线质 表示X射线的硬度 即X射线穿透物体的能力与光子能量的大小有关 光子的能量越大穿透能力越强 越不容易被物体吸收 在不需要严格能谱分析的情况下 可用半价层来表示X射线的质 在X射线诊断中 X射线的质常间接的用X射线管管电压 千伏值 kV值 的大小来近似描述 管电压越高 电子获得的动能越大 撞击阳极靶物质的力量越强 产生X射线的穿透能力就越强 即线质越硬 X射线的量垂直于X射线束的单位面积上 单位时间内通过的光子数称为X射线的量 由于X射线的光子能量大 穿透力强 因此直接测定X射线的量比较困难 在X射线诊断中 常用管电流的大小与曝光时间的乘积即毫安秒 mAs 来间接表示X射线的量 X射线在空间某点的强度 单位时间内通过单位横截面积的辐射能量 在医学应用中 常用X射线的量和质表示X射线的强度 单色X射线强度 I N h 复色X射线强度 I总 Ni h i N1 h 1 N2 h 2 N3 h 1 X射线束内的光子数目 X射线光子的能量 1 2 2X射线的强度 IntensityofX rays 3 影响X射线产生的因素 靶物质 连续X射线的强度与靶物质的原子序数成正比 在管电压和管电流都相同的情况下 靶物质的原子序数越高 X射线的强度也正比增大 特征X射线完全由靶物质的原子结构特征决定 靶物质的原子序数越高 轨道电子的结合能就越大 特征X射线的能量也就越大 管电压 kV 管电压越高 X射线的强度越大 X射线的强度与kV的平方成正比 毫安秒 mAs X射线的强度与mAs成正比 高压波形 电压脉动 X射线管的高压整流方式不同 有半波 单相全波 三相六波 三相十二波等 它们产生高压波形的脉动率不同 由于X光子的能量取决于最短波长 即决定于管电压的峰值 因此 整流后的脉动电压越接近峰值其强度越大 距离 X射线的强度与距离的平方成反比 滤过 滤过板可以滤掉低能的X射线 减少患者的辐射剂量 提高照片质量 经常采用铝作为滤过材料 1 薄靶周围X射线强度的空间分布高能电子束冲击靶面时产生的X射线集中向前方 X射线束变窄 电子直线加速器产生的高能X射线使用的是透射式靶面 二 X射线强度的空间分布 薄靶周围X射线强度的空间分布 低能电子束冲击薄靶产生的X射线强度分布 主要集中在与电子束成垂直的方向上 沿着电子束方向上X射线强度相对较小 与电子束相反方向上X射线强度近似为零 靶越薄 上述结论越正确 Return 厚靶周围X射线强度的空间分布阳极靶较厚 用于诊断用X射线机中电子每穿过50 10 12m的深度则能量损失10KeV阳极效应 足根效应 阳极倾角 越小 效应越明显可通过滤过使X射线趋于均匀 阳极倾角为20度 X射线强度纵向空间分布 非对称 110度最大X射线强度横向空间分布 对称 90度最大 X射线摄影中如何降低阳极效应的影响 被摄体长轴密度不均者 增大焦 片距 第三节X射线与物质的相互作用 1 X射线与物质的相互作用系数2 光电效应3 康普顿效应4 电子对效应5 光蜕变在诊断用X射线的能量范围内 X射线与物质的相互作用形式主要有光电效应和康普顿散射 一 光电效应 photo electriceffect 1 光电效应 入射光子与原子的内层电子作用时 将全部能量交给电子 获得能量的电子摆脱原子核的束缚而成为自由电子 光电子 而光子本身整个被原子吸收的过程称为光电效应 发生光电效应时 入射X光子的能量h 光电子的动能Ee和轨道电子的结合能EB有如下关系 发生光电效应时 光电子从原子内层脱出产生空穴 处于受激发状态 当外层电子跃迁到内层空穴时便产生标识X射线 在光电效应过程中产生 负离子 光电子 俄歇电子 正离子 丢失电子的原子 标识X射线 2 光电效应发生的几率 光电效应多发生于低能光子和原子序数较高的物质作用时 发生几率受3方面因素影响 入射光子必须具有克服轨道电子结合能的足够能量 如碘的K电子结合能为33 2KeV 若光子能量是33KeV 就不能击脱该电子 但能击脱M或L层的电子 发生几率受3方面因素影响 光子能量等于或稍大于电子结合能 如1个34KeV的光子比1个100KeV的光子更容易与碘的K层电子发生作用 光子的能量越大光电效应发生的几率反而减少 光电效应发生的几率与光子的能量的3次方成反比 轨道电子与原子核结合得愈紧密 愈易发生光电效应 光电效应发生的几率与原子序数的4次方成正比 3 X射线诊断中的光电效应 利在于可以产生高质量X射线照片 一是因为它不产生散射线 减少了照片灰雾 二是增加了射线对比度 光电效应发生的概率与原子序数的4次方成正比 增加了不同组织之间的吸收差异 例如 由于光电效应使得骨与软组织吸收差异加大 可产生高对比度的X射线照片 3 X射线诊断中的光电效应 弊在于入射光子的能量通过光电效应全部被人体吸收了 加大了辐射损伤 为了减少辐射对人体的损害 经常采用高千伏 高能量 摄影 减少光电效应发生的概率 二 康普顿效应 Comptonscattering 又称康普顿散射或康普顿 吴有训效应 1 康普顿效应 入射当入射光子与原子的外层轨道电子 自由电子 相互作用时 光子的能量部分交给轨道电子 光子的频率改变后发生偏转以新的方向散射出去即散射光子 获得足够能量的轨道电子形成反冲电子 这个过程称为康普顿效应 2 反冲电子及散射光子 当光子能量远远超过电子在原子中的结合能时 才容易发生康普顿效应 通常忽略轨道电子的结合能 把康普顿效应看成是入射光子与自由电子的碰撞 可理解为两个球的碰撞 图 h 为入射光子能量h 1 h 2 为以不同角度散射的光子能量 光子可在0 180度的空间内散射反冲电子飞出的角度不超过90度散射光子的能量随散射角 的增大而减小当 180度时 散射光子的能量最低 反冲电子的能量最大 即正向碰撞 各种偏转角度下散射光子的能量 3 诊断放射学中的康普顿效应在康普顿效应中 散射光子保留了大部分的能量 这些散射光子就是散射线 传递给反冲电子的能量是很少的 散射光子使胶片产生灰雾而降低X射线照片的质量 实际工作中可以使用滤线栅 缩光器等减少散射线对照片质量的影响 另外 散射线的辐射伤害应引起放射工作人员的足够重视 三 电子对效应 electricpaireffect 当入射光子的能量 1 02MeV时 在原子核场或原子的电子场作用下 X光子消失而变为一个正电子和一个负电子 称为电子对效应 发生电子对效应的X光子能量超出了诊断用X射线能量的范围 在原子核场中产生电子对效应时 要求入射光子能量 2mc2 即1 02MeV 在原子的电子场中产生电子对效应时 要求入射光子能量 4mc2 即2 04MeV 原子核场中发生的几率电子对效应远大于电子场在电子对效应发生过程中 光子的能量一部分变为的静止质量 其余变为正负电子的动能E 和E 获得动能的正负电子在物质中通过电离或辐射的方式损失能量 当正电子停止下来时 它和一个自由电子结合变为两个光子 这个过程称为电子对湮没 湮没时放出的光子属于湮没辐射 两个光子的能量均为0 51MeV 运动方向相反 电子对效应发生的几率与原子序数的平方成正比 四 光蜕变能量在10MeV以上的X光子与物质作用时发生光蜕变 五 X射线与物质的其他相互作用过程相干散射 coherentscattering 又称为经典散射或瑞利散射 入射光子和束缚较牢固的内层轨道电子发生弹性散射 也称电子的共振 1个束缚电子吸收入射光子而跃迁到高能级 随即又放出1个能量约等于入射光子能量的散射电子 由于束缚电子未脱离原子 从而光子的能量损失可忽略不计 六 各种相互作用物质的相对重要性几种相互作用发生的几率 1 0 01MeV 10MeV 光电效应康普顿相应电子对效应2 0 8MeV 4MeV 康普顿效应占主导地位3 20KeV 100KeV 光电效应 康普顿效应为主相干散射很少电子对效应不会发生 低能量时多数X射线都产生光电效应较高能量时以康普顿散射为主 脂肪和肌肉 原子序数较低 以康普顿效应为主 对比剂 造影剂 以光电效应为主 原子序数较高 骨骼在低能量时以光电效应为主 高能量时以康普顿效应为主 第四节X射线的衰减规律 X射线与物质相互作用过程中 物质吸收了X射线后 X射线强度的减弱 即为衰减 包括距离所致的扩散衰减和物质所致的吸收衰减 距离衰减的规律为X射线的强度与距离的平方成反比 真空条件下 诊断用X射线通过被检体时 X射线光子与人体主要发生光电效应 康普顿效应和相干散射 在此过程中由于散射和吸收 使得X射线强度衰减 由相同能量的光子组成的射线称为单能X射线 分为单能窄束和单能宽束 一 单能窄束X射线在物质中的衰减规律窄束X射线是指不包括散射成分的射线束 其衰减规律如下 式中 I0为X射线到达物体表面时的强度Iq为透过物体后的强度X为吸收物体的厚度 为线性衰减系数 I为穿过某一物质后的X射线强度 I0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为该物质的厚度 57 二 单能宽束X射线的衰减规律实际使用的X射线多为宽束X射线宽束X射线是指含有散射成分的X射线束宽束X射线的衰减中 值不再是一个常数 它与吸收物质的形状 面积 厚度 探测器与吸收体之间的距离和光子的能量等有关 因此宽束X射线的衰减规律比较复杂 常常在窄束X射线衰减规律的基础上引入积累因子B加以修正 式中 B为积累因子 它与吸收体的几何形状 厚度 原子序数 光子的能量及入射距离等因素有关 单能窄束时B值为1 单能宽束时B值大于1 三 连续X射线的衰减实际使用的X射线是由能量连续分布的光子组成 而不是理想化的单能X射线 X射线穿透一定厚度的物质后 其能量衰减不同 并不遵守单一的指数衰减规律 因此连续X射线的衰减规律要复杂的多 一般可表示为 式中 I01 I02 I0n为各种能量X射线束的入射强度 1 2 n为各种能量X射线的线性衰减系数 连续能谱的X射线束是从某一最小值到某一最大值之间的各种能量的光子组成的混合射线 其平均能量一般在最高能量的1 3到1 2之间 如最高能量为100KeV的连续X射线 其平均能量在40KeV左右 连续射线在通过物质时 剩余射线的质和量都有所变化 X射线强度变小 硬度变大 这是因为低能光子容易被吸收而使得X射线束通过物体后高能光子占全部射线的比率相对提高的缘故 连续能谱窄束X射线的衰减公式 投射强度 入射强度 线性衰减系数 介质厚度 1000光子 1cm 1cm 1cm 1cm 水模型 288电子 探测器 1000光子 40KeV 平均能量 1cm水 35 1cm水 650 47 474 52 27 1cm水 365 55 23 1cm水 288光子 57KeV 21 连续能谱X射线的衰减特点 量减小 质提高 连续能谱X射线在物质中的衰减规律 四 X射线的滤过诊断用X射线是混合射线 当它穿透人体时 绝大部分低能射线被皮肤和浅表组织吸收 而这部分射线对X射线成像不起任何作用 却增加了患者皮肤照射量 为了尽量减少对皮肤的损伤 需要设置X射线滤过装置 X射线的滤过分为固有滤过和附加滤过 滤过材料 铝 滤过低能射线铜 滤过高能射线60kVp 用3mm铝滤过时 曝光时间增加需52 130kVp 增加滤过不需增加曝光时间 AttenuationCoefficient Attenuationcoefficientstellyouthe x rayblockingpower ofamaterial 5 10 50 100 150 1 0 1 AttenuationCoefficient PhotonEnergy keV 500 AttenuationCoefficient Asmentionedbefore differentobjectsreactwithx rayphotonsinadifferentmanner Someobjectsaremorelikelytoabsorbx raysthanothers Thisistrueinhumantissuesaswell Theobviousoneisthedifferencebetweenbonesandsofttissues Thescientistsovertheyearshavecomeupwithanumberwhichtellsyouhowmuchx rayswillbeblockedforacertainmaterial Thisnumberofblockingfactorisknownas attenuationcoefficients AttenuationCoefficient Coefficientdependsonthepropertyofthematerial Density Bonehasahighdensitycomparedtosofttissues ChemicalMake up Leadblocksx rays leadscreeningusedtoprotectpatient technicians AttenuationCoefficient Theattenuationcoefficientsdependonthepropertyofthematerial Thedensityusuallyisrelatedtohowhardpackedtheatomsareinthematerial Harderpackedmaterials highdensity aremorelikelytoblockx raysincex raymustgothroughmoreatomsbeforeitcangetthrough Inadditiontodensity thethicknessofthematerialcaninfluencethelevelofabsorption However itdoesnotaffecttheattenuationcoefficient AttenuationCoefficient Theattenuationcoefficientsalsodependonthechemicalmakeupofthematerial Someelements especiallytheheavyelementslikelead tendtoblockx rayseasierthanlighterobjects Thisisthere