医学培训课件医学影像成像系200p全套课件

医学影像成像系统 讲义年级 2011级医学信息与计算科学专业讲义编写 冯发文2013年8月遵义医学院影像学教研室前言医学影像学学科体系 影像诊断学 分析影像获取人体内组织与病变的解剖 生理 生化等各种信息 医学影像检查技术 实际操作影像设备获取优质的影像 医学影像设备学 各种影像设备的结构 组成 工作原理 功能及技术参数 医学影像成像理论 各种成像技术的物理基础 成像原理 图像处理 二 医学影像成像系统 遵义医学院影像教研室结合多年教学实践 将 医学影像成像理论 医学影像设备学 整合成 医学影像成像系统 统一讲授 以设备的发展为主线 系统地介绍成像原理 技术特点参数的同时 切入设备组成结构及工作原理 易于学生理解及知识链接 医学影像成像系统 学科角色影像检查技术理论依据影像诊断的重要参考依据影像质量控制维护保养 设备采购科研 技术创新 医学影像成像系统研究内容 影像成像技术分类及发展 各种影像成像原理 CR DR CT MRI USG等 各种影像设备基本组成结构及工作原理 设备功能和技术参数 图像处理及影像质量控制 图像存储 传输 PACS 与远程放射学 医学影像学 获取人体内组织与病变的解剖 生理 生化等各种信息 以影像形式显示 第一章概论本章内容 发展历程医学成像技术分类据成像原理及成像技术不同 医学成像技术分为 一 以研究生物体微观结构为主要对象的生物医学显微图像学二 以人体宏观解剖结构及功能为研究对象的现代医学影像学一 医学影像学X线成像磁共振成像超声成像核医学成像光学成像热成像X线成像技术普通X线机 荧光屏透视 电视透视 摄片 数字胃肠 DF 计算机X线摄影 CR 数字化X线摄影 DR 计算机X线体层摄影 CT 乳腺X线机 牙科X线机 床旁X线机等专用数字减影血管造影 DSA 1 1常规X线设备问世 放射学的建立1895年11月8日 德国物理学家伦琴发现X线1896年 西门子公司研制出世界上第一支X线管1901年12月10日获得诺贝尔物理学奖60年代末体层 增强器 电视 电影等 学科体系形成1972年CT发明80年代数字X线设备CR DR20世纪60年代末体层摄影 连续摄影 影像增强器 电视 电影等技术的应用形成了较完整放射诊断学体系 Radiology 并在临床工作中发挥了巨大作用 尤其是在肺 骨骼 胃肠道和心血管等系统的诊断 即使今天仍占有重要和主导的地位 普通X线成像设备发展趋势 平板探测器将日益取代X线胶片 影像增强器 甚至IP板 1 2CT的诞生 医学影像技术新的里程碑1972年 英国工程师汉斯菲尔德研制出第一台CT ComputedTomography 因此1979年获诺贝尔物理学奖1974年全身CT发明应用1979年获诺贝尔物理学奖80年代超高速CT1983年螺旋CT90年代多排螺旋CT2005年西门子双源CT2008东芝320排2009年西门子炫速双源128CT成像特点及应用 真正断面成像 无其它层面干扰密度分辨率显著提高 能分辨0 1 0 5 衰减系数差别能以CT值进行定量分析后处理及三维重建CT在颅脑 腹部的肝 胆 胰和后腹膜腔 肾 肾上腺等病变的诊断中占主导地位 X线成像设备特点X线作为影像信息的载体反映人体组织密度厚度 对X线的衰减 差别以二维灰阶影像显示脏器形态常规X线空间分辨率极高10PL mmCT密度分辨率高 能反映0 1 5 密度差别2 磁共振成像2 1 磁共振成像设备的研制及发展1946年布洛克 斯坦福大学 与普塞尔 麻省理工学院 分别同时发现磁共振现象1952年两人同获诺贝尔物理学奖80年代MRI设备临床使用1985超导MRI90年代开放式MRI21世纪功能型MRI2 2 磁共振成像设备分类按磁体类型分常导型超导型永磁型按场强高低分超低场低场中低场中高场高场 2 3 磁共振成像设备特点磁共振成像的信息载体是电磁波 是通过检测人体组织原子核产生的磁共振信号 任意方向层面成像软组织分辨率优于CTMR信号携带组织生理 生化特性信息分析组织的物质成分和含量 功能成像无电离辐射禁忌症 体内植入起搏器或其它金属2 4 MRI 医学影像设备的未来MRI在中枢神经系统的应用已成为疾病诊断的金标准 在骨关节 软组织病变的诊断中具有重要价值 总之 MRI可进行任意层面成像 可反映人体分子的生理生化方面的功能特性 特别近几年 超高场磁共振在脑功能成像 频谱成像等领域的应用构成了新的影像学时代 分子影像学 3 超声成像设备3 1 超声成像发展1880年法国皮埃尔和雅克发现压电效应1917年超声探测1942年A超1954年B超70年代多普勒超声80年彩色多普勒超声3 2 超声成像设备分类A型幅度显示B型切面显示C型亮度显示M型运动显示P型平面目标显示3 3超声成像特点及应用超声成像利用超声波作为影像信息的载体 通过检测超声波在人体组织中反射的回波成像 动态观察非侵入 无损伤任意切面成像费用低廉不宜含气和骨骼系统检查超声在腹部 胎儿监测等诊断应用中有独到优势 4 核医学及发展4 1 什么是核医学 核医学设备是通过有选择地测量摄入人体内的放射性核素所发出的 射线来实现人体成像的设备 4 2 核医学的发展1896年1月20日法国贝克发现铀1898年7月18日居里夫人分离出钋12月分离出镭1923年哈维锡指示剂理论1951年闪烁照相机1957年 照相机1979年SPECT90年代PET CT4 3 核医学成像的特点及应用核医学成像的信息载体是r射线 通过检测引入人体的放射性药物产生的r射线 PET PositronEmissionComputedTomography PET 的全称为正电子发射计算机断层扫描代谢显像和定量分析应用组成人体主要元素的短命核素如11 13 15 等正电子核素为示踪剂多层面断层影象 三维定量结果以及三维全身扫描从分子水平动态观察到代谢物或药物在人体内的生理生化变化 用以研究人体生理 生化 化学递质 受体乃至基因改变 PET CT将CT与PET融为一体 是医学影像学的又一次革命由CT提供病灶的精确解剖定位 而PET提供病灶详尽的功能与代谢等分子信息 具有灵敏 准确 特异及定位精确等特点 一次显像可获得全身各方位的断层图像 可一目了然的了解全身整体状况 达到早期发现病灶和诊断疾病的目的 二 医学影像治疗分类 介入放射学系统 DSA 与立体定向放射治疗系统 r刀 X刀 1 介入放射学系统 DSA 以影像诊断学为基础 在影像设备的导向下 利用经皮穿刺和导管技术等 对疾病进行非手术性治疗或者用以取得组织学 细菌学等材料 以明确病变性质 医学影像设备的导向是完成介入治疗的关键 主要有 X线电视透视 超声 CT MRI DSA 目前以DSA为主 2 立体定向放射治疗设备利用CT MRI DSA等成像设备加上立体定向装置对病变区作高精度定位在专用治疗计划系统指导下利用X线 线对病变区进行照射 杀死肿瘤细胞完成治疗 伽玛刀 利用射线的几何聚焦原理 将经过规划的大剂量伽玛射线集中聚焦照射在体内病灶 经过一次或多次照射后摧毁病灶组织 以达到外科手术切除或损毁肿瘤病灶的治疗效果 它广泛适用于大多数肿瘤的治疗 并具有治疗时间短 不手术 不麻醉 不出血 无感染等优点 三 图像存储传输与远程放射学 见数字化X线成像章节 小结 各类医学影像设备比较 现代影像学的发展 三个主要的阵营 经典医学影像学 以X线 CT MRI 超声成像等为主 显示人体解剖结构和生理功能 以介入放射学为主体的治疗学阵营 分子影像学 molecularimaging 运用影像学手段显示组织水平 细胞和亚细胞水平的特定分子 反映活体状态下分子水平变化 对其生物学行为在影像方面进行定性和定量研究的科学 以MRI PET 光学成像及小动物成像设备等为主 第二章放射物理基础 第一节X线的产生一 X线的发现1895年11月8日伦琴发现X线 二 X线的产生 一 产生X线的必备条件1 电子源钨丝加热至一定温度放出电子 在灯丝周围形成电子云 2 高速电子流电子高速冲击阳极 须具备 在X线管的阴极和阳极间加以高电压 通过在两极间产生的强电场使电子向阳极加速 为防止电子与空气分子冲击而减速和灯丝的氧化损坏 必须保持高真空度 3 阳极靶面接受高速电子撞击 使高速电子所带的部分动能转变为X线能 靶物质 焦点面 一般是高原子序数 高熔点的钨制成 作用 接受电子撞击 完成高压电路的回路 诊断和治疗用的X线管的靶面由钨制成 特殊用途 乳腺 的X线管用钼制成 二 X线的产生原理X线的产生原理是高速电子和靶物质相互作用的结果 在真空条件下高千伏的电场产生的高速电子与靶物质的原子核和内层轨道电子作用 分别产生连续X线和特征X线 三 连续X线特征 标识 X线 一 连续X线1 连续X线的产生高速电子进入原子核附近的强电场区域 后飞离强电场区域完成一次电子与原子核的相互作用 电子向外辐射电磁波损失能量 电子的速度和方向发生变化 电子的这种能量辐射叫轫致辐射 这种辐射所产生的能量为h 的电磁波称为连续X线 连续X线光子能量取决于 电子接近核的情况 电子的能量 核电荷 2 连续X线的最短波长 min min nm 可见最短波长仅与管电压有关 二 特征X线1 特征X线的产生高速电子与靶原子的内层轨道电子作用 电子被击脱 外壳层电子跃迁填充空位时 多余的能量以光子 X线 的形式放出 即特征X线 2 特征X线的激发电压eU W 结合能 时 U W e称为最低激发电压 故管电压低于某系最低激发电压时 则此系特征X线将不会发生 四 影响X线产生的因素 一 X线产生的效率X线管中产生的X线能与加速电子所消耗电能的比值 叫做X线的产生效率 忽略极少的特征X线 K1ZU X线产生效率不足1 其余在阳极变成热能 使阳极靶面升温 二 影响X线产生的因素1 影响连续X线产生的因素包括靶物质 管电压 管电流和高压波形 1 靶物质连续X线强度与靶物质的原子序数成正比 不同靶物质的X线谱高能端重合 是因为X线谱的最大光子能量只与管电压有关 与靶物质无关 不同靶物质的X线谱低能端重合 是因为X线管固有滤过和低能成分被管壁吸收的缘故 2 管电流连续X线强度与管电流成正比 管电压一定时 管电流愈大 说明撞击阳极靶面的电子数愈多 X线也愈大 3 管电压连续X线强度与管电压的n次方成正比 4 高压波形供给X线管的管电压都是脉动电压 有两种形式 单相电源的半波和全波 三相电源的6脉冲和12脉冲 脉动电压产生的连续X线强度比峰值相当的恒定电压产生的低 三相电源产生的连续X线强度比单相电源产生的硬线多 强度大 2 影响特征X线产生的因素特征X线强度与管电流成正比 其发生与否受制于管电压是否大于某系的最低激发电压 并随管电压继续升高强度迅速增大 对钨靶X线管而言 管电压在80 150kV 特征X线占10 28 医用X线主要使用的是连续辐射 物质结构的光谱分析中使用特征辐射 五 X线强度的空间分布阳极倾角影响X线分布 阳极倾角指垂直于X线管长轴的平面与靶面的夹角 在通过X线管长轴且垂直于有效焦点平面内 近阳极端X线强度弱 近阴极端强 最大处约在10 处 其分布非对称性 这现象称为阳极效应 阳极倾角越小 阳极效应越明显 在通过X线管短轴且垂直于有效焦点平面内测定 在90处最大 分布基本上对称 第二节X线的本质及其物质的相互作用一 X线的本质与特性X线是电磁辐射谱中的一部分 属于电离辐射 其波长介于紫外线与 射线之间 具有电磁波和光量子双重特性 本质而言 X线与可见光 红外线 紫外线 射线完全相同 都是电磁波 只不过X线频率很高 波长很短 1 X线具有波动性突出表现在其传播时 有反射 折射 衍射 偏振等现象 2 X线具有微粒性突出表现在其与物质相互作用时 光电效应 荧光作用 电离作用等 二 X线的特性1 物理特性 1 X线在均匀的 各向同性的介质中 是直线传播的不可见电磁波 2 X线不带电 不受外界磁场或电场的影响 3 穿透本领X线能量高则穿透力强 反之则弱 4 荧光作用荧光物质原子被激发或电离 当被激发的原子恢复到基态时 便放出荧光 5 电离作用X线的电离作用主要是它的次级电子的电离作用 6 热作用2 化学特性 1 感光作用 2 着色作用使结晶体脱水变色 又称脱水作用 3 生物效应特性 二 X线与物质的相互作用 一 光电效应1 光电效应的定义X线光子与构成原子的内壳层轨道电子碰撞 将全部能量都传给原子的壳层电子 获得能量的电子摆脱原子核的束缚 成为自由电子 光电子 而X线光子则被物质的原子吸收 这种现象称为光电效应 失去电子的原子成为正离子 处于激发态 外层电子填充空位 放出特征X线 特征X线离开原子前 又击出外层轨道电子 使之成为俄歇电子 这个现象称为俄歇效应 光电效应产物 光电子 正离子 特征X线和俄歇电子 2 光电效应产生条件及发生几率和入射光子能量的三次方成反比 和原子序数的四次方成正比 3 光电效应在X线摄影中的意义其不产生有效的散射 对胶片不产生灰雾 可增加X线对比度 因光电效应中 光子的能量全部被吸收 比任何其他效应都多 所以为减少对病人的照射 在适当情况下 要采用高能量的射线 二 康普顿效应1 康普顿效应的定义也称康普顿散射 光子击脱原子外层轨道上的电子或自由电子 入射光子损失部分能量 并改变原来传播方向 变成散射光子 散射线 电子从光子处获得部分能量脱离原子核束缚 按一定方向射出 称为反冲电子 这过程称为康普顿效应 光子入射和散射方向的夹角称为散射角 即偏转角度 反冲电子的运动方向和入射光子的传播方向的夹角称为反冲角 偏转角度愈大 光子能量损失愈多 X线摄影中的散射线几乎都来自这种散射 摄影时到达前方的散射线使胶片产生灰雾 2 康普顿效应的发生几率与入射光子的能量成反比 即与入射光子的波长成正比 与物质原子序数成正比 三 电子对效应1 电子对效应的定义具有足够能量的光子与靶原子核发生相互作用 光子突然消失 同时转化为一对正 负离子 的过程称为电子对效应 2 电子对效应的产生条件电子静止质量能moc2 0 51MeV 所以要产生电子对效应 入射光子的能量必须大于或等于1 02MeV 超过部分转化为电子对的动能 3 电子对效应的发生几率与光子能量的对数成正比 与单位体积内的原子个数成正比 与物质原子序数的平方成正比 故 该作用对高能光子和高原子序数物质来说才重要 四 相干散射主要是指瑞利散射 指入射光子被原子的内壳层电子吸收并激发到外层高能级上 随即又跃迁回原能级 同时放出一个能量与入射光子相同 但传播方向发生改变的散射光子的过程称为瑞利散射 实际上就是X线的折射 唯一不产生电离的过程 发生几率与物质原子序数成正比 并随光子能量增大而急剧地减少 不足全部作用的5 五 光核反应就是光子与原子核作用 从原子核内击出数量不等的中子 质子和 光子的核反应过程 称为光核作用 综上所述 光电效应 康普顿效应 电子对效应三个主要过程和相干散射 光核反应两个次要过程 在诊断X线能量范围内 只能发生光电效应 康普顿效应和相干散射 电子对效应 光核反应不可能发生 三 各种效应发生的相对几率20 100keV诊断X线能量范围内 只有光电效应和康普顿效应是最重要的 相干散射占比例很小 对20keV的低能X线 各种物质均以光电效应为主 对造影剂 碘剂和钡剂 在整个诊断X线能量范围内 光电效应始终占绝对优势 第三节X线强度 X线质与X线量一 X线的波长与管电压管电压增高 被加速的电子速度增大 但X线管中高速电子的速度并不是与管电压成正比 因为电子质量随速度变化而变化的缘故 max 1 5 min 由于滤过不同 连续X线的平均能量 一般为最大能量的1 3 1 2 其平均波长 mean 2 5 min 二 X线强度即X线束中的光子数与每个光子的能量的乘积 三 X线质又称X线的硬度 由波长 或频率 决定 波长短 频率高 X线光子具有的能量越大 X线的穿透力越强 即X线质硬 一 半值层X线质的另一种表示方法是半值层 HVL 指使入射X线强度衰减到初始值一半时 所需的标准吸收物质的厚度 用毫米铝 mmAl 表示 诊断用X线的半值层一般1 5 4之间 二 管电压由于X线管壁 绝缘油层 放射窗口 附加滤过板等吸收 150KV射出X线管壁的X线波长约为0 06nm 应用于X线摄影中的X线波长在0 008 0 06nm之间 实际应用中是以管电压和滤过情况来反映X线的质 滤过一定时 常用管电压的千伏值来粗略描述X线的质 影响X线质的因素有 管电压 滤过及整流方式 即高压波形 2020 2 27 四 X线量 一 测量方法X线诊断范围内常用管电流与曝光时间乘积 管电流流量Q mAs 表示 二 影响X线量的因素与靶面物质原子序数成正比 与管电压平方成正比 诊断能量范围 与管电流及曝光时间成正比 第四节X线的吸收与衰减一 距离的衰减与距离的平方成反比 这一规律称射线强度衰减的平方反比法则 距离所致的衰减 也称扩散衰减 在真空中才成立 在空气中 一般忽略空气对X线的衰减 二 物质吸收的衰减射线通过物质时 射线光子与物质原子发射光电效应 康普顿效应 电子对效应等一系列作用 致使入射方向上的射线强度衰减称为物质吸收的衰减 其衰减规律是X线透视 摄影 造影及各种特殊检查 CT检查和放射治疗的基本依据 也是屏蔽防护的根据 物理意义的窄束指射线束中不存在散射成分 2020 2 27 三 连续X线在物质中的衰减特点衰减特点 强度变小 硬度提高 能谱变窄 实际应用中 可通过改变X线管窗口滤过厚度来调节X线束的线质 四 衰减系数 影响衰减的因素 一 衰减系数1 线衰减系数I I0e x I为穿透厚度为x的物质层后的射线强度 线衰减系数 的国际单位是m 1 在诊断能量范围内 值主要是光电线衰减系数 和康普顿线衰减系数 之和 即 2 质量衰减系数质量衰减系数 m dx 1 称为单位质量厚度 物理意义是 在1m2面积上均匀分布1kg质量吸收物质层的厚度值 质量衰减系数的单位是m2 kg 1 在诊断能量范围内 m m m K 3Z4 2020 2 27 二 能量转移系数1 线能量转移系数 tr s 重要的是确定X线能量的电子转移部分 tr tr tr tr tr tr称为线能量转移系数 其单位是m 1 2 质量能量转移系数简称质能转移系数 tr 其单位是m2 kg 1 三 能量吸收系数1 线能量吸收系数如果次级电子的能量相当高 那么由于轫致辐射而消耗次级电子的能量份额则不可忽略 故真正被物质吸收的能量应等于光子转移给次级电子的能量减去因轫致辐射损失的能量 用g表示 en tr 1 g 其单位是m2 质量能量吸收系数简称质能吸收系数 其单位是m2 kg 1 2020 2 27 四 影响衰减的因素1 射线性质对衰减的影响射线能量愈高 衰减愈小 2 物质原子序数对衰减的影响原子序数愈高的物质 吸收X线也愈多 透射量随入射线能量的增加而增加的规律 对Z物质是正确的 对Z物质则不然 当射线能量增加时 透过量还可能突然下降 这种矛盾现象的产生 是由于原子的K边界吸收造成 铅K边界吸收界限为88keV 锡的为29keV 显然 在29 88keV之间 锡比铅对X线具有更强的衰减本领 在诊断X线能量范围内 锡比铅具有更好的屏蔽防护性能 3 物质密度对衰减的影响与物质密度成正比关系 4 每克电子数对衰减的影响电子数多的物质更容易衰减X线 2020 2 27 五 人体对X线的衰减 一 人体的构成元素和组织密度有效原子序数 Z是指在相同照射条件下 1kg复杂物质与1kg单质所吸收的辐射能相同时 则此单质的原子序数就称为复杂物质的有效原子序数 Z 组织的有效原子序数为7 43 骨的是14 空气的是7 64 二 人体对X线的衰减主要通过光电效应和康普顿效应两种作用使其衰减 肌组织在42kV 两种效应各占50 在90kV时 康普顿效应占90 骨的有效原子序数较高 其发生光电效应几率是肌肉的2倍 在73kV时 骨骼中两种效应几率相等 六 X线滤过因绝大部分低能射线被组织吸收 增加了皮肤剂量 为此需要预先把X线束中的低能成分吸收掉 即X线滤过 2020 2 27 一 固有滤过指X线机本身的滤过 包括X线管的管壁 绝缘油层和窗口的滤过板 一般用铝当量表示 即一定厚度的铝板和其他物质对X线具有同等量的衰减时 此铝板厚度称为滤过物质的铝当量 单位是mmAl 二 附加滤过在X线摄影中 附加滤过指X线管窗口到被检体之间所附加的滤过板 如附加滤过板 可选择的附加滤过版 遮光器中反光镜和有机玻璃窗的滤过等 低能射线用铝滤过板 高能射线用铜铝等复合滤过板 使用时原子序数大的朝向X线管 滤过板要求厚度均匀 增加管电压和滤过时 会提高透射率 使照片对比度下降 特别是骨的对比度下降明显 故当故的对比度不占重要地位时 如颈 胸部的照片 可以用硬质X线 以降低受检者剂量 用钡剂检查时 钡本事对比度高 故可用硬质X线 以降低受检者剂量 滤过板对高能射线也有一定衰减 为弥补这一损失 一般采用适当增加照射时间的方法来解决 证明 采用高电压 厚滤过摄影 虽然照射时间延长 但受照剂量却大幅度降低 2020 2 27 第五节辐射量及其单位一 照射量与照射量率 一 照射量X及单位国际上选择和定义辐射量及其单位的权威组织是 国际辐射单位和测量委员会 ICRU 指所有的次级电子 不包括其产生的轫致辐射 只适用于射线能量在10keV 3MeV射线 照射量的国际单位为C kg 1 原有单位为R 1R 2 58 10 4C kg 1 二 照射量率X 及单位指单位时间内照射量的增量 其单位为C kg s 专用单位为R s 1 二 比释动能与比释动能率描述间接致电离粒子与物质相互作用时 传递给了直接致电离粒子的能量 一 比释动能K及单位由间接致电离辐射所产生的全部带点粒子的初始动能之和 其单位为J kg 1 又名Gy 曾用单位rad 1J kg 1Gy 100rad 二 比释动能率K 及单位时间间隔内的比释动能的增量 其单位为Gy s 比释动能常用来计算辐射场量 推断生物组织中某点的吸收剂量 描述辐射场的输出额 2020 2 27 三 吸收剂量与吸收剂量率 一 吸收剂量D及单位物质吸收电离辐射能量大小的物理量 其单位为J kg 专用名称Gy 原用rad 二 吸收剂量率D 及单位表示单位时间内吸收剂量的增量 其单位为J kg s 专名Gy s 四 吸收剂量与照射量的关系在空气中产生一对离子所需的平均电离能量 33 85eV 若已知空气中某点的照射量为X 那么这点空气的吸收剂量为D空气 33 85 X 五 当量剂量与当量剂量率 一 当量剂量H及单位经修正后的吸收剂量在放射防护中称为当量剂量 在辐射防护中 有较大意义的不是受照体某点的吸收剂量 而是某个器官或组织吸收剂量的平均值 其单位与吸收剂量相同 即J kg 专名是Sv 曾用rem 1J kg 1Sv 100rem 二 当量剂量率H 及单位单位时间内 当量剂量的增量 其单位为Sv s 2020 2 27 六 有效剂量 一 辐射效应的危险度小剂量 低剂量辐射主要损害是随机性效应 严重遗传性疾患和诱发饿各种致死癌症 危险度 或系数 即器官或组织接受单位当量剂量 1Sv 照射引起随机性损害效应的几率 二 有效剂量E其单位与当量剂量H的单位相同 即Sv 第六节电离辐射对人体的危害一 放射线产生的生物效应射线经过的重要生物分子 如DNA或具有生物功能的其他分子吸收射线的能量 直接被电离 激发 引起损伤的效应称为直接作用 射线能量通过扩散的离子以及射线作用于机体水分子产生多种自由基与生物分子作用 引起损伤的效应称为间接作用 因人体水含量高 故间接作用引起的损伤具有实际意义 一 确定性效应射线照射人体全部或局部组织 若能杀死相当数量的细胞而这些细胞又不能由活细胞的增殖来补充 则这种照射可引起人类的确定性效应 如畸形 男性暂时不育的一次照射的阈剂量约为睾丸吸收0 15Gy的剂量 绝育的阈剂量为3 5 6Gy 女性绝育的阈剂量为急性吸收剂量2 5 6Gy 有临床意义的造血功能抑制 全部骨髓的吸收剂量的阈剂量约为0 5Gy 二 随机性效应其有害效应的严重程度与受照剂量的大小无关 如致癌效应和遗传效应 2020 2 27 二 影响辐射损伤的因素主要来自两方面 一 与电离辐射有关的因素 二 与受照体有关的因素 一 与电离辐射有关的因素1 辐射种类2 吸收剂量 剂量率3 照射次数 部位 面积 方式 二 与机体有关的因素1 种系种系演化愈高 组织结构愈复杂 辐射敏感性愈高 2 个体及个体发育过程随着个体发育 敏感性降低 但老年又比成年敏感 3 不同组织和细胞的辐射敏感性高度敏感组织有 淋巴组织 胸腺 骨髓 胃肠上皮 性腺和胚胎组织等 中度敏感组织有 感觉器官 内皮细胞 皮肤上皮 唾液腺 肾 肝 肺的上皮细胞等 轻度敏感组织有 中枢神经系统 内分泌腺 心脏等 不敏感组织有 肌肉组织 软骨 骨组织和结缔组织等 2020 2 27 三 胎儿出生前受照效应 一 胚胎死亡通常为植入前期 相当于人工受孕0 9天 二 畸形器官形成期 相当于人工受孕后9 42天 三 智力低下妊娠8 15周是最敏感时期 其次是16 25周 四 诱发癌症出生后至10周岁之内 四 皮肤效应 一 急性放射性皮肤损伤身体局部受到一次或短时间内多次受到大剂量外照射所引起的急性放射性皮炎及放射性皮肤溃疡 称为急性放射性皮肤损伤 二 慢性放射性皮肤损伤由急性放射性皮肤损伤迁延而来或由小剂量射线长期照射后引起的慢性放射性皮炎及慢性放射性皮肤溃疡 称为慢性放射性皮肤损伤 年累积剂量一般大于15Gy 慢性放射性皮肤损伤多发生于早年从事X线透视的放射诊断人员的手部 三 放射性皮肤癌诊断标准 1 必须是在原放射性损伤的部位上发生的皮肤癌 2 癌变前表现为射线所致的角化过度或长期不愈的放射性溃疡 3 发生在手部的放射性皮肤癌的细胞类型多为鳞状上皮细胞 2020 2 27 五 外照射慢性放射病指放射工作人员在较长时间内 连续或间断受到超当量剂量限值的外照射 达到一定累积剂量后引起的以造血组织为主 并伴有其他系统改变的全身性疾病 表现为无力型神经衰弱综合征 造血系统改变是本病最常见的临床表现 度 无明显出现倾向 脱离射线恢复较快 WBC持续在4 109 L以下 度 顽固自觉症状 明显出血 脱离恢复慢 WBC持续在3 109 L以下 骨髓增生低下 第七节X线的测量一 照射量的测量照射量的测量是利用X线对空气的电离作用 通过测量电离电荷实现的 一 自由空气电离室也称标准电离室 工作气体就是空气 二 实用型电离室可直接用于照射量的测量 1 实用型电离室室壁室壁材料与中心电极的有效原子序数与自由空气基本等效 最常用的室壁材料有石墨 电木或塑料 2 电离室的校准校正时室温一般为20 气压为760mmHg 对所测的数值进行温度 气压的校正 3 电离电荷的测量 2020 2 27 二 吸收剂量的测量 一 吸收剂量的基本测量法测量吸收剂量的标准方法 物质受到辐射 其吸收的射线能量将以热的形式表现出来 水吸收1Gy的吸收剂量时 其温升只有2 4 10 4 二 电离室测量法D物质 33 85 X 可见只要测出照射量 就能换算出任意物质的吸收剂量 第八节X线防护一 放射防护的基本原则1 实践的正当化2 放射防护最优化3 个人剂量的限制目的 防止发生有害的确定性效应 并将随即性效应的发生率限制到认为可以接受的水平 二 外照射防护的一般措施一般有时间防护 距离防护和屏蔽防护 一 时间防护一切人员都应减少在辐射场内停留的时间 二 距离防护尽量延长人员到X线管和散射体的距离 三 屏蔽防护主要研究的问题是 屏蔽材料的选择和屏蔽厚度的确定 2020 2 27 三 外照射的屏蔽防护 一 对屏蔽材料的要求从材料的防护性能 结构性能 稳定性能和经济成本等方面综合考虑 1 防护性能防护性能好是指衰减射线的能力强 产生的散射线少 2 结构性能物理形态 力学特性和机械强度等 3 稳定性能抗辐射能力 耐高温 抗腐蚀 4 经济成本防护X线常用的屏蔽材料有铅 铁 砖 混凝土和水等 二 铅当量把达到与一定厚度的某屏蔽材料相同屏蔽效果的铅层厚度 称为该一定厚度屏蔽材料的铅当量 单位为 毫米铅 mmPb 凡谈到防护材料的铅当量 必须说明是什么材料 多大厚度 在多大射线能量下的铅当量 三 屏蔽防护1 确定屏蔽厚度的依据应考虑当量剂量限值和最优化 屏蔽用途和距离 屏蔽材料的防护性能 工作负荷 居留因子 利用因子六个因素 2 屏蔽厚度的计算主要计算初级 主 防护屏蔽厚度 一般不计算次级 副 防护 X线诊断机的主防护应有2mm铅当量的厚度 副防护应有1mm铅当量的厚度 一般24cm厚的实心砖墙 只要灰浆饱满 不留缝隙 可达到2mm铅当量 2020 2 27 四 我国放射卫生的防护标准 一 放射工作人员的剂量限值1 剂量限值为防止确定性效应放射工作人员的当量剂量是眼晶状体150mSv a 其他组织500mSv a 为限制随机性效应的发生几率 而达到可接受水平 放射工作人员 全身照射 的当量剂量限值是50mSv a 2 放射工作条件的分类年照射的有效剂量有可能超过15mSv a的为甲种工作条件 年照射的有效剂量很少可能超过15mSv a 但可能超过5mSv a的为乙种工作条件 年照射的有效剂量很少超过5mSv a的为丙种工作条件 3 控制原则 1 未满18岁不得在甲种工作条件下工作 未满16岁不得参与放射工作 2 从事放射的育龄妇女 应严格按均匀的月剂量率加以控制 3 连续3个月内一次或多次接受的总剂量当量不得超过年当量剂量限值一半 25mSv 4 对事先计划的特殊照射 其有效剂量一次不得大于100mSv 一生不得超过250mSv 5 放射专业学生教学期间的剂量限值按照放射工作人员的防护条款 非放射专业学生教学期间 有效剂量不大于mSv a 单个组织或器官当量剂量不大于5mSv a 2020 2 27 二 对公众的个人剂量限值应低于 全身5mSv a 单个组织或器官50mSv a 三 对被检者的防护 四 CT的防护1 CT的辐射特点 1 CT为窄束X线 散射线少 2 CT管电压一般在120可V以上 波长短 线质硬 穿透性大 吸收量少 3 辐射转换介质为灵敏度很高的探测器 X线能量损失少 还有放大作用 4 CT机X线管滤过大 减少软射线对皮肤的损伤 2 常用辐射剂量 1 局部剂量 与球管的毫安秒大小有关的人体软组织某点的当量剂量 单位是 Sv 100mAs 2 个人剂量 与射线曝光有关的人体表面软组织某点的当量剂量 单位是 Sv 3 全身剂量 各部位和器官当量剂量的平均值 单位是 Sv 4 有效剂量 平均当量剂量的总和 单位是 Sv 3 CT检查的防护措施与原则 2020 2 27 第三章 X线发生装置本章内容 第一节X线球管第二节高压发生装置第三节控制台 2020 2 27 第一节X线球管内容 一 固定阳极二 旋转阳极三 特殊X线管四 X线管的特性及参数五 管套学习重点 X线球管如何产生X线 X线球管的结构及各部分的作用 X线球管的焦点及焦点意义X线球管的特性参数 最高管电压 最大管电流 功率 热容量等 X线球管的工作特性 空间电荷效应X线球管的使用及维护X线管是如何产生X线 阴极加热发射电子在高压电场的作用下高速飞向阳极靶面 由于电子束受到靶面的急剧阻止 在阳极靶面上产生能量转换 其中99 8 变成热能 0 2 变成X线能 2020 2 27 一 固定阳极X线球管1 固定X线管的结构阳极阴极玻璃管1 1 阳极阳极头 靶面和阳极体 阻挡高速电子流而产生X线 阳极帽 吸收二次和散乱射线阳极柄 将曝光时热量辐射或传导出去玻璃圈 连接阳极与玻璃壳1 2 阴极灯丝 发射电子 由钨丝按一定几何形状绕制成螺管状 其作用是发射电子 一般灯丝电压5 12V 电流3 9a 为满足X线管不同功率的要求 一般配双灯丝 大焦点 小焦点 电流大的是大焦点 电流小的是小焦点 聚焦罩 对电子进行聚焦1 3 玻璃壳支撑阴极和阳极 保持管内高度真空 采用耐高温 绝缘强度高 膨胀系数小的玻璃制成 2020 2 27 2 X线管的焦点2 1 什么是焦点 实际焦点 指灯丝所发射的电子经聚焦后轰击在靶面上的面积 有效焦点 实际焦点在X线投照方向上的投影 2 2 焦点半影效应不透明体遮住光源时 如果光源是比较大的发光体 所产生的影子就有两部分 完全暗的部分叫本影 半明半暗的部分叫半影 半影效应是影像几何模糊 失真的主要原因 2020 2 27 如何减小焦点半影效应 几何模糊 X线管的焦点 小 焦 片距 大 物 片距 小 2 3 阳极效应 由于阳极靶面倾斜 使得有效焦点面积和X线强度的分布不均匀 平行于X线管长轴方向上 靠近阳极端的X线强度和有效焦点面积小于阴极端 这种效应称为阳极效应 在X线摄影中 往往利用阳极效应来弥补由于被照体密度和厚度的不同而造成的影像不均 如胸椎正位摄影 2020 2 27 2 4 焦点与功率影像清晰度 高 实际焦点尺寸 小 X线管功率 小 靶面最大功率限制 200W mm2 曝光时间 增加 运动模糊 影像清晰度 低 固定阳极X线管的缺点 焦点小 功率大不可得兼解决 靶面高速旋转二 旋转阳极X线管1 结构组成 阳极 阴极 玻璃壳阳极 靶面 转子 轴承组成 1 1 靶面 靶面倾角6 18 靶面中心固定在细小钼杆上 钼杆另一端与转子相连 材料有钨 钼 石墨等 1 2 转子 由无氧铜制成 转子内装有滚珠轴承 转子和轴承封闭在高真空的璃壁内 定子线圈装在管壁外面 在转子周围加一旋转磁场后转子发生转动 1 3 轴承由耐热合金钢制成 轴承的工作温度可达400 C 但不能超过460 C 2 旋转阳极X线管特点及应用旋转阳极X线管必须在阳极转动到正常转速后才能接通高压 否则将可能使靶面溶化而损坏X线管 X线管的转速越高功率越大 普通X线管的转速是2800转 分 高速X线管的转速是10000转 分 旋转阳极X线管的散热方式是热辐射 2020 2 27 优点 瞬时负载功率大 多为 20 50KW有效焦点小 1 2mm微焦点可达0 05 0 3mm三 特殊X线管金属陶瓷X线管 栅控X线管 控制栅极 软射线X线管 CT专用X线管 四 X线管的特性与参数1 最高管电压 KV 指加于X线管两极间的最高电压峰值 以千伏为单位 用KV表示 也写为KVP 2 最大管电流 MA 指X线管在某一管电压和某一曝光时间内所允许通过的最大电流平均值 以毫安为单位 用MA表示 3 最长曝光时间 S 指X线管在某一管电压和某一管电流下所允许的最长工作时间 以秒为单位 用S表示 4 X线管的容量 最大额定功率 X线管在安全使用条件下 单次曝光或连续曝光而无任何损坏时所能承受的最大负荷量 用P表示 单位KW 影响因素 焦点面积 靶面角度 管电压波纹系数 旋转阳极速度 曝光时间 散热效率 表示方法 瞬时负荷容量曝光时间为数ms s的单次摄影允许的最大功率 连续负荷容量曝光持续时间超过10s以上时允许的最大功率 标称功率 额定容量固定阳极 曝光时间1s旋转阳极 曝光时间0 1s 2020 2 27 5 X线管的热容量连续多次摄影或透视与点片摄影交替进行曝光时球管的负载称混合负载 混合负载时球管负载能力主要决定于球管生热散热的情况 通常用热容量表示 5 1 定义 X线管工作时阳极靶面将产生大量的热 生热的同时伴随着散热 如生热快散热 又称冷却 慢 则阳极将积累热量 在其它条件一定时 阳极积累的热量越多 则冷却速率越大 单位时间内传导给介质的热量称为散热率又称冷却率 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 5 2 热容量单位 焦耳J热单位HU1J 1KV 有效值 1MA 有效值 1S1HU 1KV 峰值 1MA 平均值 1S单相全波整流情况下1HU 0 77J5 3 生热和冷却特性曲线5 4 阳极热容量和管套热容量阳极热容量较小 一般在200 600kHu 而管套热容量比较大 常常在1MHu以上 热容量关系到X线球管的使用寿命和检查速度等 选购X线球管时最重要和首要的参数五 X线管的工作特性 空间电荷效应1 X线管的空间电荷效应X线管灯丝加热后逸出电子 并在灯丝周围形成 电子云 这些电子云称为空间电荷 2 空间电荷的分布X线管阴极灯丝发射的电子分为三个区域 灯丝前端发射的电子在静电场的作用下飞向阳极 这部分电子基本上不受阻力 灯丝侧面发射的电子在空间交叉后飞向阳极 它们的运动要受到一定的阻力 2020 2 27 灯丝后端发射的电子 由于电子之间相互排斥以及电场的作用力很弱 这部分电子滞留在灯丝周围 它们受到很大的阻力 只能随管电压的升高才能逐渐飞向阳极 该效应即称空间电荷效应 3 阳极特性曲线 2020 2 27 指X线管在一定的灯丝加热电流 If 下 管电流 Ia 与管电压 Ua 之间的关系 分析 OA段 由于管电压较小 灯丝周围存在大量的空间电荷 随着管电压的升高 空间电荷逐渐减少 飞往阳极的的电子数目随之增加 即管电流随管电压升高而增大 结论 这段区域空间电荷起主导作用 管电流与管电压成正比 可近似为直线 该区域称为比例区 AB段 管电流不再随管电压增加而明显上升 趋向饱和 该区域称为饱和区结论 1 在饱和区 管电流的大小主要由灯丝加热电流决定 2 当灯丝电流从If1增大到If2时 由于灯丝发射的电子数目增多 使管电流达到饱和的管电压随之升高 4 灯丝发射特性曲线 指X线管在一定的管电压下 管电流 Ia 与灯丝加热电流 If 的关系 说明 由图可见 由于空间电荷的作用 在同一加热电流时 100KV获得的管电流比60KV的要大 而要得到同一管电流 100KV时需降低If 2020 2 27 结论 要分别单独调整管电压和管电流以获得所需质和量的X线 就必须对空间电荷进行补偿 补偿原则是 当管电压升高时 适当减小灯丝加热电流 以使管电流不随管电压的变化而变化 反之当管电压变低时 适当增加灯丝加热电流 六 X线管管套作用 防止高压电击和防止散射线 根据用途及X线管不同大致分三类 固定阳极X线管管套 旋转阳极X线管管套 多定子线圈 组合机头 整合高压变压器 2020 2 27 七 X线管使用注意事项X线管是X线机的心脏 选购X线机时的重点考察对象X线机运行中最昂贵的耗损配件 维护保养中的重点对象1 开机后要经过充分的预热 消除球管管芯玻壳中的应力 以避免正常扫描病人时出现球管管芯玻壳炸裂现象 2 第一个扫描对象应选择扫描层数少 工作条件低的患者进行扫描 3 保证扫描图像的清晰度和分辨率的情况下 尽量的降低扫描条件 或毫安秒数相同的情况下 选择小毫安长时间曝光会有效的延长球管使用寿命 4 时刻注意多个患者扫描以后的管套温度 当球管管套温度过高时 应停止扫描进行球管冷却 并且适当延长每个患者之间的等待时间 5 在进行机器校正时 要随时注意检查球管的温度 特别是进行大功率项目校正时 6 最后一个检查完成后 不可即刻关机 应待球管充分冷却 2020 2 27 第二节高压发生装置一 高压发生装置的作用 给X线管阳极提供直流高压给X线管阴极提供加热电压 配两只以上X线管时 负责球管之间管电压和灯丝电压的切换 二 高压发生装置的组成高压变压器高压整流器X线管灯丝变压器高压交换闸高压电缆 高压插头与插座1 高压变压器1 1 高压变压器的作用 为X线管提供高压电能1 2 高压变压器的结构特点 1 变压比大 次级输出电压很高 诊断机30 150KV 治疗机200 300KV 2 瞬时功率负荷大 MA可达到2000MA 一般小型机数千伏安 大型机30 100KVA 3 次级中心点接地 4 在绝缘油中使用 1 3关于次级绕组的中心接地由于对变压器输出电压高达150KV 绝缘要求很高 制造困难 中心点接地将变压器的总绝缘要求降低一半 中心点的电位是零电位 可将毫安表串接在中心点处 安装在控制台上 2020 2 27 工作原理 与普通变压器相同 计算公式为K U1 U2 N1 N2工作特点 1 暂态电流 变压器接入电网时 励磁电流须经过一不稳定的过程 该过程中电流瞬时电流峰值可达稳态十倍以上 影响 暂态电流过大引起KV下降 P UI 原因 接通时电源相位和铁心中剩磁解决 相位90o时接通 磁通变化由零开始问题 突波电压 2 突波电压 相位90o时接通 电源电压为最大值 次级将产生比正常大1 5倍的脉冲电压解决 零相位时接通矛盾 暂态电流与突波电压如何同时解决 经实验证明 曝光时间为偶数个脉冲 周期 时 暂态电流对KV几乎无影响 高压变压器工作特点 零相位时接通曝光时间为偶数个脉冲 周期 2020 2 27 2 高压整流及高压整流器2 1 半波自整流电路电路特点 高压直接加到X线球管两端 利用X线管本身的单向导电特性作整流 2020 2 27 工作原理 正半周 X线管因获得正向电压而导通 负半周 阳极负电位 电子无法到达 X线管中无电流通过 工作特点及应用 半周内产生X线 输出容量很低 效率差 负半周时逆电压高 易击穿高压元器件 仅用于便携式X线机 问题 由于半波自整流电路工作半周和负半周管电压值相差较大 反向电压高 要求X线管耐压高于工作时的耐压 解决 正半周二极管导通X线管也导通 负半周内X线管和二极管均不导通 通过衰减器的并联电阻上产生压降 使变压器初级的电压降低 2 2单相全波桥式整流电路 2020 2 27 单相全波桥式整流电路波形图注 U代表高压变压器次级两端的电压波形 Ua代表加在X线管两端的电压 Ia代表通过X线管的电流工作原理 正半周 管电流Ia P1 D1 X线管 D4 P2形成回路 负半周 管电流Ia P1 D2 X线管 D3 P2形成回路无论正负半周 X线管的阳极端电压为正 阴极端为负 2020 2 27 2 3 三相全波整流电路特点优点 1 KV脉动率小 抑制软射线 减少辐射2 负载均衡3 输出功率大缺点 电路复杂 体积大 不易零相控制应用 心血管 CT等大型X线机高压整流2 4 高压整流器作用 将高压变压器次级输出的交流电压变为脉动直流电压 供给X线管 2 高压真空整流管整流器 早期 3 半导体高压整流器 高压硅柱 高压硅柱由多个单晶硅二极管串连而成 外壳采用环氧树脂封装 特点是体积小 机械强度高 绝缘性能好 寿命长 性能稳定 正向电压降小 3 灯丝变压器3 1 灯丝变压器的作用 给X线管提供灯丝电压3 2 灯丝变压器的结构铁芯 采用闭合式导磁体 口或C型初级绕组 匝数1000 电流小 线径小次级绕组 匝数几十 电流较大 线径大3 3 灯丝变压器的特点1 降压变压器 初级电压100 220V之间 次级电压5 15V之间 功率100w左右 2 次级与X线管阴极相连 初次级间绝缘强度要求不低于高压变压器输出最高电压的一半 2020 2 27 4 高压交换闸配两只以上X线管情况 透视 摄影分时共用一套高压发生器高压交换闸作用 把高压发生器产生的高压 灯丝电压在不同X线管之间切换5 高压电缆 高压插头与插座高压电缆的作用 将高压发生器输出的直流高压输送到X线管两端 同时把灯丝加热电压输送到X线管阴极 阳极 输送直流高压至X线管阳极 使用一颗芯线阴极 输送大 小焦灯丝加热电压及高压阴极 公共端 使用三颗芯线要求 耐压高 装卸方便 柔软径细6 变压器油 绝缘油 高压发生器油箱内及X线管管套内1 作用 绝缘和散热2 主要参数 1 绝缘强度高 一般在30KV以上 组