X射线基本原理

X射线基础知识万东医疗©2009大纲

1X射线发现与发展

2X射线的产生和性质

3X射线与物质的作用与成像

4X射线的防护

5X射线基础术语

6讨论1X射线发现与发展X射线的发现1895年伦琴1901年诺贝尔物理奖放射性的发现1896年贝克勒尔（铀）1898年居里夫妇（钋、镭）1903年诺贝尔物理奖电子的发现1897年汤姆生1906年诺贝尔物理奖人类研究微观世界的“三大发现”e-γ射线X射线图1

三大发现的关系原子电子高速电子X射线发现与发展1895年11月8日,德国物理学家W.C.Rontgen在其实验室作CRT实验时发现X射线,也称伦琴射线1901年,伦琴因此成为第一个诺贝尔物理学奖得主。发现X射线后三个月,协助首例外科手术,20min拍摄1张头颅片之后X射线应用迅速发展,广泛用于物质结构分析、工业探伤、科研等领域在临床上的应用,X射线摄影/透视,X射线CT剂量控制与图象质量

诊断X射线的技术发展一直致力于用尽量低的剂量获得清晰影像：提高X射线产生的效率X射线管、高压发生控制提高X射线的质量高压发生控制、滤过、限束器、滤线栅提高X射线影像信息的获取能力床面板、增感屏、闪烁屏、数字化探测器提高X射线系统影像焦点、SID/SOD、准直、参数的组合、后处理发展对比

仅以相同kV相同mA临床胸片摄影条件作对比,可近似认为DOSE正比于kV2*mAs表1不同X射线摄影系统的胸片曝光条件对比放射性来自？X射线来自？电子/光子？问题思考2X射线的产生和性质X射线的本质和特性

X射线本质上是电磁波,介于紫外线和伽玛射线之间,具备高能量和穿透力波长短2X10-9~6X10-12m,频率高3X1016~3X1020Hz波粒二象性,传播时体现波动性,与物质作用时体现粒子性物理特性-穿透性(原子序数高\密度大不易穿透,例如骨骼)-荧光作用(荧光屏\增感屏\闪烁屏)-电离作用(可用于测量X射线,导致机体损伤,用于机体治疗)-热作用化学效应-感光作用(摄影/工业探伤)-着色作用(物质结晶体脱水变色)生物效应(电离和激发)-对增殖性强的细胞的抑制\损伤\坏死-放射治疗-对正常细胞的损伤,注意放射防护表2

人体组织对X射线的透过性X射线的产生高速电子撞击物质突然受阻产生X射线1、电子源(加热的灯丝)2、靶面(电子撞击的物质)3、高速电子流高电压产生的强电场真空度较高的空间-电子高速运动中不受气体分子阻挡-保护灯丝不致因氧化而烧毁X射线管图2

X射线管X射线谱医用诊断X射线主要使用连续X线。物质结构光谱分析时使用特征X线。连续X射线最短波长,只与管电压有关。图3

X射线谱强度波长特征X线连续X线连续辐射又称轫致辐射a)高速电子遇原子核受阻后,能量损失,损失的动能以光子形式放出。b)电子作用核场区的深度不一样,受阻程度不一样,能量损失不一样，释放出光子的能量不一样，由此形成连续的射线谱。连续X射线的产生原理图4

连续X线产生原理特征X线又称标识X线。

高速电子能大于原子内（K-）层电子的结合能时；a)将K层电子击出，K层形成空穴；b)外层电子跃迁回K层填补空穴，释放光子。该跃迁以量子能级释放能量，量子能级仅取决于靶物质的原子序数，而与外加电压无关。由此形成特征X线。特征X射线的产生原理图5

特征X线产生原理I=KiZUnK=1.1X10-9~1.4X10-9i:管电流Z:靶材料原子序数U:管电压n:≈2最大强度约在最短波长的1.5倍处。平均能量为最大能量的1/3~1/2。X射线的强度与平均能量X射线的量与质1．通常用X射线的强度表示X射线的量，即垂直于X射线传播方向单位面积上、单位时间内通过的光子数量与能量乘积的总和2．X射线的量即X光子的数目，可以用管电流mA与照射时间s的乘积即mAs来反应3．一定管电压下，管电流越大，单位时间撞击阳极靶面的电子数越多，激发的X线光子正比增加；照射时间长，X线量正比增大4．X射线的质又称线质，仅与光子能量有关，表示X射线的硬度，即穿透物质的能力，通常以管电压（kV值）近似描述5．管电压对阴极电子加速，使其获得足够能量撞击阳极靶面，管电压越高，撞击能量越大，激发的X射线光子强度越高，穿透能力越大η=KZU约99%都转变成热能出射X射线不足阳极靶面产生X射线的10%,利用率很低高原子序数的材料/高熔点的材料恒定的高压X射线的产生效率X射线/光子/电磁波？单色/单能X射线？连续X线与靶物质/管电压？特征X线与靶物质/管电压？X射线机/X光机?问题思考3X射线与物质的作用及成像光电效应(吸收效应)

-X射线光子与原子内层电子作用,被原子吸收,内层电子摆脱原子成为自由电子的过程-发生几率与光子能量的3次方成反比-低kV摄影或采用造影剂时,光电效应居主,产生好的对比度,但组织吸收X射线多光电效应康普顿效应(散射效应)-X射线光子与原子外层电子作用,改变频率和角度散射出去,外层电子摆脱原子成为自由电子的过程-高kV摄影时,康普顿效应居主,组织吸收X射线少,但散射线多,既影响影像,又为防护提出了较高要求康普顿效应真空状态的衰减规律：射线强度的衰减与距离的平方成反比窄束X线的衰减规律：I=I0e-ux

射线强度的衰减与物质的密度、厚度成指数衰减关系宽束X线的衰减规律：I=BI0e-ux主要考虑散射线的影响，在窄束衰减规律基础上引入修正因子连续X线-随吸收物质厚度的增加,强度衰减,能谱变窄,向高能转移-采用滤过,改变射线能谱,吸收低能射线,保护患者X射线的衰减X射线的滤过X线滤过-固有滤过-附加滤过散射线的抑制和消除X线管发射的原发X射线进入机体后的两种情况1、透射 ——即X射线穿过人体，将其部分能量消耗在体内，使其本身的能量衰减，这种衰减了的原发X射线含有人体组织密度信息，是X线摄影成像时要充分利用的2、散射 ——即X射线和人体组织发生康普顿效应改变方向，任意方向的散射线不能产生与人体解剖形态有关的影响密度，仅增加灰雾度，导致影像的对比度下降滤线栅板是用于滤除摄影时人体产生的散射线的有效部件散射线的抑制和消除图6散射线图7

滤线栅影像获取系统X-ray可见光X射线成像滤过荧光感光光电转换反射滤线栅图9X射线成像图8

可见光成像X射线成像正是由于人体组织对X射线的透过性(衰减)不同,而形成的对比信息

在胶片上,完全透过呈黑色,完全不透过呈白色图10X射线图象高对比摄影？低kV，骨骼，对比剂，光电效应，人体吸收高kV摄影？短时间，矽肺，康普顿效应乳腺摄影？软射线，高对比，高分辨，光电效应问题思考4X射线的防护X射线的防护患者低能射线的滤除：滤过限束器的使用：防止其它部位受辐射铅防护用具的使用：保护腺体（晶状体、甲状腺、性腺）医生依靠距离的防护隔室操作铅防护用具的使用：保护腺体（晶状体、甲状腺、性腺）孕妇?14岁以下儿童透视/摄影?问题思考5X射线基础术语Radiography摄影Tomography断层摄影Bucky滤线器摄影Fluorography透视APR器官程序摄影AEC自动曝光IBS/ABC自动透视DSI数字点片图象SFC点片(摄影)PF脉冲透视HLF高剂量透视CINE电影摄影DSA数字减影血管造影临床功能基础术语系统部件基础术语X-RayGeneratorX线高压发生器X-RayTubeAssemblyX线管组件Collimator限束器HV-Cable高压电缆RadiographyTable摄影床DiagnoseTable诊断床Standby立式摄影架Ceiling吊架C-armC形臂I.I(ImageIntensifier)影像增强器CCDCameraCCD摄象机X-RayTVX线电视系统数字影像系统基础术语DR（数字摄影系统）CR（计算机摄影系统）IP板WORKLIST登录工作站ACQUIRE采集工作站REPORT诊断工作站PACS（图象存储与传输系统）DICOM标准（医学影像数字传输协议）HIS（医院信息系统）RIS（放射信息系统）发生器、X射线管组件指标基础术语kV管电压40~125/150;/40~110/120/125mA管电流10~1000;0.3~80ms/s（摄影）加载时间0.001~10smAs（摄影）电流时间积0.1~1000min/s（透视）加载时间kHz主逆变频率25/33/40/50/100/200PPS脉冲透视速率1/2.5/6.25/12.5/25/FPSCINE/DSA速率1/2.5/6.25/12.5/25/kW标称功率20/32/40/50/63/80/100?°阳极靶角RPM阳极转速3000/9000mm焦点0.6/1.2HU阳极热容量300KHU/1.5MHU图象系统指标基础术语?GHz主频2.0?GB硬盘80G/160G?寸监视器14/17/19/21?”影像增强器9/12?K×?K探测器像素1K/3K/4K?LP/mm极限分辨率1.2/2.0/3.4/5PPS脉冲透视速率1/2.5/6.25/12.5/25/FPSCINE/DSA速率1/2.5/6.25/12.5/25/LIH末帧保持?s成像速度（DR/CR）?uGy静态成像剂量5?uR动态成像剂量50机电系统指标基础术语?kg床面承载≥135?N锁止力/启动力100N/50N?mm床面纵向/横向移动行程?mm/s（行程）运动速度100?°/s（角度）运动速度10?mmSID1