成像理论第二章03

1、 第三节 X线的衰减规律 一、距离引起的衰减 从X线管焦点发出的X线向空间的各个方向辐射时，X线强度的衰减遵循平方反比法则，即在焦点为中心而半径不同的各球面上的X线强度与距离的平方成反比的规律2114 rPIW 2224 rPIW 212221rrII 二、物质引起的衰减规律 当X线通过物质时，产生光电效应、康普顿效应和相干散射等，在此过程中由于散射和吸收使X线强度衰减，这一衰减称为物质所致衰减。 辐射通过物质时的衰减规律： 1、吸收物质的性质 2、物质厚度 3、辐射自身的性质 X线在物质中的衰减规律是X线摄像、透视、造影检查、CT检查、放射治疗及屏蔽防护设计的依据 （一）单能窄束X线的衰减规

2、律 1、单能窄束X线 由相同能量光子组成的X线称为单能线，它具有单一的波长或频率。 窄束X线：指不包括散射成分的X射线束，通过物质层后的X线光子，仅由未经相互作用或未经碰撞的原射线光子所组成。 窄束不指几何上细小，没有散射光子就是窄束 图2-24 窄束X线的装置 2、衰减规律 （1）吸收体不存在时，记录辐射强度I0 （2）强度变化与吸收体厚度、原强度等的关系: （2-35） 线性衰减系数，物理意义X线穿过单位厚度的物质层时，其强度减少的百分数，单位/m。II x 的性质 （1）随辐射束中光子能量的增加而减小 （2）近似正比于吸收物质的密度， 与物质物理状态有关 将（2-35）式积分，即单能窄束

3、X线的指数衰减规律： （2-38） 式中， I0 、I分别是X线入射到物体表面时强度和透过厚度为x的物体的强度；x为吸收物质的厚度。0 xII e 将（2-35）式变换 x表示面积为1平方米，厚度为x m的体积所包含物质层的质量，称为质量厚度，单位 面密度 2kg mII x 称为质量衰减系数，表示X线在穿过质量厚度为 1 的物质层后X线强度减少的分数值，单位 与物质的密度和物理状态无关，与波长、吸收物质原子序数关系： 式（2-38）可表示为： Xm表示质量厚度 只适用于窄束单能辐射 /m 2kg m21m kg/m 34mKZ0m mxII e 例如水、冰和水蒸汽，虽然它们的密度和物理状态不

4、同，但它们的质量衰减系数都一样，质量厚度为lkgm-2”的水、冰和水汽对X线都有同等量的衰减。 图2-25a表示单能窄束X线强度随吸收体厚度增加按指数衰减；图2-25b半对数坐标，射线强度与吸收厚度关系为直线，直线斜率就是0dNN e单能窄束X线通过物质时只有光子数减少，无光子能量变化 线性衰减系数就是入射光子在物质中穿行单位距离时，平均发生总的相互作用的概率，是各种线性衰减系数总和 总质量衰减系数: 在X线屏蔽计算中要有线性衰减系数和质量衰减系数ccohkccohmk （二）宽束X线的衰减规律 1、衰减规律 宽束X线是含有散射线成分的X线束。 实际中,X线大多为宽束，真正窄束情况极少 图2-

5、24中除去两个准直器，在吸收体中发生散射的光子，可能穿过屏蔽层到达探测器，这便是宽束的情况。 宽束与窄束的区别： 宽束与窄束的主要区别就在于散射的影响。 （1）窄束把散射光子当作被物体吸收的光子处理，因为散射光子不能到达探测器 （2）宽束情况下，吸收体中产生的散射光子经一次或多次散射仍可到达探测器而被记录 窄束衰减规律处理宽束问题 窄束的质量衰减系数将高估吸收体的衰减能力，对屏蔽是不安全的。 质能吸收系数是计算光子能量被吸收体真正吸收的概率，用它代替质量衰减系数计算宽束的衰减，对防护是安全的 质能转移系数质能转移系数 在X线与物质的三个主要作用过程中，X线光子能量都有一部分转化为电子(光电子、

6、反冲电子及正负电子对)的动能，而另一部分则被一些次级光子(特征X线光子、康普顿散射光子及湮灭辐射光子)所带走，这就是说，总的衰减系数可以表示为两部分的和，即： =tr+p 式中，tr为X线光子能量的电子转移部分；p为X线光子能量的辐射转移部分。 对于辐射剂量学而言，重要的是确定X线能量的电子转移部分，最后在物质中被吸收的就是来自这一部分能量。 X线能量的电子转移部分，等于： tr=a+a+ka (2-43) 其中，tr称为线性能量转移系数，表示X线光子在物质中穿行单位长度距离时，由于各种相互作用，其能量转移给电子的份额。tr的SI单位是m-1。a、a、ka分别为光电效应、康普顿效应和电子对效应

7、过程中光子能量转移为电子能量的线能量转移系数。 同样，可得相应的质能转移系数为： (2-44) 质能转移系数表示X线在物质中穿行质量厚度为kgm-2时，因相互作用其能量转移给电子的份额。tr/的SI单位是m2kg-1。traaak 质能吸收系数质能吸收系数 光子在与物质相互作用过程中转移给次级电子的能量，有一部分通过韧致射损失掉了，真正被物质所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而损失的能量。用g表示能量变为轫致辐射的份额，则： en=tr(1g) (2-45) 表示X线光子能量真正被物质吸收的份额。式中en称为线性能量吸收系数，它表示X线在物质中穿行单位长度时，其能量真正被

8、物质吸收的份额。 en/叫做质能吸收系数，它的SI单位同样是m2kg-1。1entrg 线性衰减系数线性衰减系数 表示X线在穿过单位厚度的物质层时，其强度减少的百分数值。线性衰减系数的SI单位是m-1 质量衰减系数质量衰减系数m m /，表示X线在穿过质量厚度为1kg.m-2的物质层后X线强度减少的分数值。SI单位是“m2.kg-1” 线性能量转移系数线性能量转移系数tr tr 表示X线光子在物质中穿行单位长度距离时，由于各种相互作用，其能量转移给电子的份额。tr的SI单位是m-1 质能转移系数质能转移系数 表示X线在物质中穿行质量厚度为kgm-2时，因相互作用其能量转移给电子的份额。tr/的

9、SI单位是m2kg-1 质能吸收系数质能吸收系数 en/叫做质能吸收系数，它的SI单位同样是m2kg-1，表示X线在物质中穿行单位长度时，其能量真正被物质吸收的份额。 宽束的衰减规律比较复杂，在图2-25b并不是直线，而出现弯曲。可在窄束的指数衰减规律上加积累因子B0 xIBI e 2、积累因子B 积累因子是描述散射光子影响的物理量，反应了宽束与窄束的差别。 B表示物质中一点的光子总计数率与未经碰撞的原射线光子计数率之比 （2-43） 为物质中所考虑的未经碰撞的原射线光子的计数率， 为在物质中散射光子的计数率，1snsnnnNNNNBNNN nNsNN 物理意义：其大小反应了散射光子数对总光子

10、数的贡献 宽束B1; ，窄束B=10sN (三)连续X线的衰减 1、衰减特点 窄束和宽束的衰减规律只是对单能X线而言；连续能谱X线束是波长从某一最小值到某一最大值的各种能量光子组成的混合射线 连续X线穿过一定厚度的物质层时，各能谱成分的衰减速率并不一样，它不遵守单一的指数衰减规律 理论上，描述连续能谱窄束X线的衰减 连续X线通过物质层时，其量和质都变化 变化规律：强度变小，硬度变大（质提高） 这个规律就是X线透过物体的硬化。物体对低能X线的线性吸收系数大，对高能X线的线性吸收系数小些121201020nxxnxnIIIII eI eI e 讨论：随吸收厚度增加，强度变化规律？能谱变化规律？ 随

11、着吸收物体厚度的增加，X线强度不断衰减，而能谱不断变化。低能成份衰减的快；越到后来高能成份越多，能谱变窄X线平均能量越来越高 管电压的峰值决定了X线束的最大光子能量，因此重复滤过X线束，其平均能量只能越加趋近于管电压对应的最大值。 可见，X线管的激发电压和窗口处的滤过条件，决定X线管所发射X线束线质的重要条件 2、X线滤过 诊断用X线：连续能谱的混合射线，低能X线被皮肤和浅表组织吸收，透不过人体，对诊断不起作用，却大大增加被检查者的皮肤照射量。 目的：获得最佳的图像质量、保护被检查者 方法：在X线管窗口处放置均匀厚度的金属片，预先将X线低能成分吸收掉，将X线平均能量提高 分类：固有滤过、附加滤

12、过 （1）固有滤过：指X线管组件本身的滤过 从X线管阳极靶面到不可拆卸的滤过板之间滤过的总和，它包括X线管的管壁、绝缘油、套管上的窗口和不可拆卸的滤过板 铝当量（mmAl）:是指一定厚度的铝和一定厚度的其他物质对X线具有同等量的衰减效果时，铝板厚度称为滤过物质的铝当量。 一般X线机的固有滤过：0.52mmAl 个别情况需要使用低滤过X线，因滤过虽然提高X线的平均能量，但降低组织的对比度。对软组织摄影则需要低滤过X线,以增加软组织对比度。把X线管的玻璃壁换上铍（Z=4），它比玻璃能透过更多的低能射线，这种X线具有最小的固有滤过，最适合软组织摄像，特别是乳腺摄像 2、附加滤过、附加滤过 包括可折卸

13、滤包括可折卸滤过板、选择滤过板、选择滤过板、遮光器过板、遮光器的滤过等。的滤过等。 （1）滤过板的选择 附加滤过板的使用针对被摄的人体组织对X线能量的需要，在X线诊断中通常选用Al和Gu作滤过板 对低能X线采用Al滤过，铝Z=13，对低能有很好滤过作用 高能X线采用Gu和Al复合滤过板（ Gu 不能单独作滤过板），铜Z=29，对高能射线滤过 复合滤过板 包括两层或更多层的不同物质 复合滤过板使用：从X线窗口由里向外，按原子序数由高到低排列，铜面向X线管，铝面向被检测者 原因：铜产生8keV的特征辐射，增加被检查者的皮肤照射量，可用铝层吸收；铝的特征辐射1.5keV,由空气吸收 固有滤过和附加滤

14、过总和称为总滤过 （2）滤过板的厚度 2-5 不同厚度的铝滤过板对不同能量的单能射线衰减的百分数 国际上，建议诊断X线的总滤过(包括固有滤过和附加滤过)如下： 工作电压50kVp以下，总滤过0.5mmAl； 工作电压5070kVp，总滤过1.5mmAl； 工作电压70kVp以上，总滤过2.5mmAl。 （3）滤过板厚度对被检者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，而厚对受检者十分有害，而厚度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义。度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义。铝板厚度(mmAl)皮肤照射量(C/kg)照射量下降百分数(%)00.51.03.06.1410

15、-44.78 10-43.28 10-41.20 10-40224780 （4）滤过对照射条件的影响 滤过板大量吸收低能光子，少量吸收高能光子。为补偿对高能射线的衰减，一般采用适当增加照射时间的办法 实验表明：采用高千伏、厚滤过、适当增加照射时间，被检查者的所受照射剂量大幅减少，起保护作用 （5）楔形或梯形滤过板：在摄影部位的厚度相差太大的情况下，会使照片的黑化度差异太大，造成诊断困难，为此使用楔形或梯形滤过板三、X线通过人体的衰减规律 X线进入人体后，一部分被吸收和散射，另一部分透过人体沿原方向传播。透过的X线按特定形式分别，便形成X线影像。 透过X线与衰减X线同等重要。 X线全部透过，胶片

16、呈现均匀黑色，没有任何影像；如果X线全部衰减，则照片呈现一片白色，也没有X线影像。 X线影像是人体的不同组织对射线不同衰减的结果 X线在人体中主要是光电效应和康普顿效应使其衰减。X线衰减不但与其波长有关还与物质性质和结构有关。一般物质原子序数Z高、密度大，吸收X线多，X线穿透性差。 射线能量从20100keV（诊断用X线能量范围），X线的康普顿效应衰减系数仅减少20%，光电效应的衰减系数减少99%以上。所以在低kV时以光电效应为主，在高kV时以康普顿效应为主 1、人体的构成元素和组织密度 人体内除少量的钙、磷等中等原子序数物质外，其余全由低原子序数物质组成。人体吸收X线最多的是由Ca3(PO4

17、)2组成的门牙，吸收X线最少的是充满气体的肺。 人体各组织对X线的衰减按骨、肌肉、脂肪、空气的顺序由大变小。 有些组织比其它组织能衰减更多的射线，这种差别的大小就形成了X线影像的对比度。 为了增加组织间的对比度，还常用各种人工造影检查，来扩大X线的诊断范围。 用碘和钡作对比剂，能比高原子序数的物质吸收更多的射线，从而形成X线影像的高对比度 对密度差很小的软组织的X线摄影，必须采用低kV技术，用光电作用的不同来扩大对比度，以获得理想的X线照片。但用低kV照像又会增加被检者的X线剂量 四、影像X线衰减的因素 X线通过物质时，决定衰减程度的因素： 射线的性质、吸收物质的性质（即密度、原子序数、克电子数） （1）射线性质 一般入射光子的能量越大，X线的穿透力就越强。线性衰减系数随入射光子的能量增大而减小，穿过相同的吸收体，射线束的高能成分透过率大。 表2-7：透过光子的百分数随射线能量的增加而增加。 一般射线能量越高，通过光子的百分数越大。唯一例外对于高原子序数的吸收物质并不完全遵守这个规律。（2）原子序数 光电衰减系数与原子序数Z四次方成正比，而康普顿效应与Z成正比，因此，Z越高的物质吸收X线越多。 投射量随入射X线的能量增加而增加的规律，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，透过量还可能下降。 原因：当射线能