教学医学影像物理学

1、医学影像物理学 选用教材：张泽宝主编医学影像物理学 课程类型：选修课（1学分） 学时安排：15学时（每周3学时） 授课教师：杨 栋（抗癌研究中心） 医学影像学 物理学 电子学 设备学 检查学 诊断学 电离辐射 非电离辐射 基本技术路线 探测对 象 成像信息 数字化处理 数字图像 第一章 普通X射线影像 第一章普通X射线影像 玻壳阴极阳极X光 X射线管的特性 灯丝电子束 靶 第一章普通X射线影像 X射线管的特性 产生X射线的条件 电子源 受电子轰击能发出X射线的靶 加速电子的强电场 高度真空的环境 第一章普通X射线影像 X射线管的特性 + 内层电 子 外层电 子 原子核 高速 电子 碰撞损失 c

2、ollisionloss 热能 辐射损失 radiationloss X射线 第一章普通X射线影像 X射线管的特性 轫致辐射（bremsstrahlung） + 高速电子从原子核附近强电场飞过引发 的辐射 E = hv 轫致辐射产生连续X光谱 第一章普通X射线影像 X射线管的特性 0.20.40.60.81.0 相 对 强 度 50KV 40KV 30KV 钨在较低管电压 下的连续X射线 谱 最短波长的X光子能量 最大 对应电子与原子核一次 作用损失全部能量 ? 第一章普通X射线影像 X射线管的特性 连续X射线谱最短波长 min = 12.4 / U（nm） min 的数值仅与管电压U 有关

3、不受其他任何因素的影响 第一章普通X射线影像 X射线管的特性 标识辐射（characteristic X-radiation） + 高速电子击出原子内层电子所引 发 标识辐射产生固定波长的X射线谱 标识 辐射 第一章普通X射线影像 X射线管的特性 0.20.40.60.81.0 相 对 强 度 钼靶 X射 线管的光 谱 ? 标识X射线的波长仅取 决于阳极靶物质 每一种元素的标识X射 线波长固定不变 第一章普通X射线影像 X射线管的特性 实际焦点和有效焦点 焦点具面积量纲 越大实际焦点越大 对散热越有利对成像质 量不利 a a bsin b 实际 焦点 有效 焦点 靶 角 第一章普通X射线影像

4、X射线管的特性 焦点的方位特性 焦点面上靠向阴极方向的焦点较大 焦点的X线量分布 焦点面上X射线强度分布是不均匀的 第一章普通X射线影像 X射线管的特性 半影对影像清晰度的影响 点光源 （有效焦点） d f 物体 胶片 半影 半影造成 影像边缘 模糊不清 线光源 第一章普通X射线影像 X射线管的特性 半影 P 的大小 P = d S / ( f d ) 式中d 为物体和胶片的距离 S 为有效焦点的面积 f 为光源与胶片的距离 第一章普通X射线影像 X射线管的特性 X射线管的容量 管球由热承受力决定的最大负荷量 影响容量的因素 实际焦点/管电压电流/开机时间/冷却 第一章普通X射线影像 X射线辐

5、射场的空间分布 X射线的物理性质 波长极短不可见 不受电磁场影响 具很强贯穿本领 照射物体发荧光 使原子产生电离 引发光化学反应 第一章普通X射线影像 X射线辐射场的空间分布 单色X射线的强度 I N ? hv 连续X射线的强度 I min I（） d 光子密度 光子能量 第一章普通X射线影像 X射线辐射场的空间分布 连续X射线最强处波长 m 2 min 2.48 / U (nm) X射线诊断中（U固定时）常用 管电流的毫安数 X射线强度 量 第一章普通X射线影像 X射线辐射场的空间分布 X射线的硬度（hardnees） 穿透物质的能力 质 硬度管电压(kV) 最短波长(nm) 主要用途 极软

6、5 20 0.25 0.062 软组织摄影 软20 100 0.062 0.012 透视和摄影 硬100 250 0.012 0.005 浅层组织治疗 极硬 250 第一章普通X射线影像 X射线在介质中的衰减 低能X射线与物质作用的主要形式 光电效应（photoelectric effect） 康普顿散射（Compton scattering） 电子对效应（electric pair effect） 第一章普通X射线影像 光电效应 + 产生条件：入射光子的能量大 于原子内层电子的结合能 X射线在介质中的衰减 光电子 X光子 标识 辐射 第一章普通X射线影像 康普顿散射 入射光子与材料中 自由电

7、子作用损失 部分能量成为波长 变长的散射光 X射线在介质中的衰减 入射 X光 光栏准直 系统 散射X光 石墨散 射体 （散射角） 第一章普通X射线影像 电子对效应 入射光子与原子核周围电场相互作用将全部能量转化为一 对正负电子 在医学影像使用的X射线能量较小光电效应为主而电子对 效应不发生 X射线在介质中的衰减 第一章普通X射线影像 作用概率与作用截面 X射线在介质中的衰减 -I / I0 （I / I ）/（ N ? x ） 式中I0 - 入射强度I - 出射强度 N - 靶粒子密度x - 靶厚度 入射光子通过靶时 与靶粒子相互作用 的发生概率 每一靶粒子 对入射光子 的有效的能 量转移面积

8、 第一章普通X射线影像 单能窄束X射线的衰减规律 X射线在介质中的衰减 I 吸收体厚度 I Io e - x 称为线性衰减系数 N 其中 第一章普通X射线影像 半价层（half value layer） X射线在介质中的衰减 使X射线束的强度衰减为原来一半时所需要的吸收层的厚度 半价层与X射线硬度及原子序数有关 第一章普通X射线影像 X射线在介质中的衰减 当入射X射线能量和吸收介质确定时线性衰减系数 与 介质密度呈正比为消除影响而引入质量衰减系数 m m = / 质量衰减系数反映介质 本身的吸收特性而与其 状态无关 质量衰减系数与线性衰减系数的关系 第一章普通X射线影像 X射线在人体组织内的衰

9、减 在相同光子能量条件下通常 钙 碘 钠 氧 碳 氢 骨骼 肌肉 水 空气 不同介质的质量衰减系数 第一章普通X射线影像 X射线在人体组织内的衰减 高原子系数元素对X射线有较强的衰减 对于化合物常用有效原子系数 Z 表示 化合物的有效原子系数 Z （ ai Zi 2.94）1 / 2.94 式中ai 第 i 种元素在单位体积中电子数占有率 Zi - 第 i 种元素的原子系数 第一章普通X射线影像 连续能谱X射线的衰减规律 I = I1+ I2+ - - - - + In = I01e - 1 x + I02 e - 2 x + - - - - + I0n e - n x 连续能谱X射线可看成多

10、个单能窄束X射线之和 X射线在人体组织内的衰减 第一章普通X射线影像 当连续能谱X射线通过物质层时 强度变小（量减少）硬度变大（质提高） X射线在人体组织内的衰减 1000 40 650474365288 光子 57 keV 475255 平均能量 水水水水 (厚1cm) 第一章普通X射线影像 X射线在人体组织内的衰减 光 子 数 1000 800 600 400 水厚度（mm） 1 234 0 200 100kV 单能X射线 100kV 连续能谱X射线 第一章普通X射线影像 X射线在人体组织内的衰减 决定衰减程度的因素 X射线的性质吸收物质的性质 光子数密度能量原子序数每克电子数 第一章普通

11、X射线影像 X射线在人体组织内的衰减 人体的物质组成 骨骼 / 软组织 / 管腔内气体 除直接透射部分外 主要为光电效应和康普顿散射 X射线与人体的相互作用 第一章普通X射线影像 X射线透视与X射线摄影 X射线透视（X-ray fluoroscopy） 人体各器官组织密度和厚度存在差异 对投照其上的X射线衰减各不相同 因而各处的X射线透射情况也不相同 透射X射线打在荧屏上便获得荧光影像 第一章普通X射线影像 X射线透视与X射线摄影 X射线摄影（roentgengram） 用胶片代替荧光屏 由于X射线的光化学作用使胶片感光 因各器官组织对X射线的衰减不同 胶片感光以后便形成黑白影像 第一章普通X

12、射线影像 X射线透视与X射线摄影 X射线影像增强管 可 见 光 X 射 线 输入屏 光电阴极 聚焦电极阳极 管压2530kV 输出屏 X射线透过人 体投照在输入 屏转换为荧光 图像 光电子 荧光光子作用 到光电阴极再 转换为光电子 影像 光电子经电场加 速并聚焦后在输 出屏上又转换成 荧光图像 第一章普通X射线影像 X射线透视与X射线摄影 普通 X线影 像 影像亮度提高 增强 X 线影像 数千倍 意义间接摄影 / 电视观察 / 数字成像 第一章普通X射线影像 特殊X射线摄影 软X射线摄影 软X射线在组织中的衰减 受组织密度影响较大 因此采用软X射线摄影利于提高软组织影 像对比度 软组织成像 基本原理 适用范围 第一章普通X射线影像 特殊X射线摄影 高千伏X射线摄影 管电压高于120kV 组织吸收以康普顿散 射为主不同组织的影像密度差减少利 于观察细小及含气结构 胸部摄影 基本原理 适用范围 第一章普通X射线影像 特殊X射线摄影 体层摄影（tomography） 普通X射线摄影所得影像 是不同体层影像的重叠 体层摄影突出地显现欲观 察层面而模糊其他层面 A B 第一章普通X射线影像 特殊X射线摄影 X射线造影及造影剂 病灶病灶 未使用造影剂 病灶影像模糊 使用造影剂后 病灶影像清晰 作用是提高关 注物与周边环 境的影像密度 差异 第一章普通X射