医学成像技术-1.1节

1、第一章 X 射线物理（投影成像、CT、DSA、CR、DR、造影术）,投影X射线机,床边用可移动X射线机,便携式X射线机,口腔全景X线机,手术用C臂X射线影像设备,胃肠诊断用X射线设备, 1.1 X 线的产生,X 线管的结构,X 线的产生,X 射线管的焦点,X射线的基本特性,X射线管的结构为,X射线管由封装于真空玻璃管内的灯丝阴极和阳极靶组成;升压变压器T1输出的交流高压经整流后加在阴极和阳极之间；灯丝变压器T2为灯丝供电，灯丝温度由电位器控制。,X射线机的基本线路,X射线机的基本线路,产生实用的定向 X 射线的四个条件（普通射线管的结构） 1.有电子源（阴极），能根据需要发射足够多的电子 2.

2、有受电子轰击而辐射 X 射线的物体（阳极靶） 3.加在阴阳极间加速电子（管电流）使其获得足够大动能的电位差（管电压） 4.有一个高度真空的环境（玻璃外壳）,使电子在运动过程中尽可能减少能量损耗,保护灯丝不被氧化,下一页,1.阴极（cathode）,作用：发射电子的电子源，且能使电子聚焦后撞击阳极,组 成,灯丝：钨(电子发射率大，熔点高，不易蒸发，易加工丝，加灯丝电压）发射电子，形成灯丝电流（区别于加速后形成的管电流）。,凹面阴极体 （聚焦杯）钼：,聚焦电子限制焦点的大小（初聚焦）,防止二次电子造成的危害（收集二次电子）,圆焦点型：灯丝成螺旋形，安放在碗状阴极槽中（多用）,线焦点型：灯丝成长螺旋

3、形，放在长形凹槽中，一般有大小两个焦点，大焦点发射大管电流，用于摄影，小焦点用于透视和发射小管电流用于摄影,返回,分 类,影响管电流的因素,(i),电压饱和：灯丝电流一定时，管电压升高，管电流在一定范围内增高，但随管电压增高，管电流升高到某一临界值，不再随管电压而变化，且保持一恒定值；该临界值的大小随灯丝加热电流的增加而增大,加热电流一定时，灯丝能发射的热电子数目一定，管电压从零开始升高，单位时间内到达阳极的电子数也增多，当增加到一定程度时，灯丝所发射的电子已经全部到阳极，出现电压饱和。,(ii)温度饱和：当管电压一定，且低于某一较低临界电压值时，管电流不随灯丝电流的继续增高而增高。 灯丝发射

4、的电子不能全部到达阴极，而产生空间电荷效应，即使灯丝发射的电子再多，因受空间电荷的阻挡，到达阳极的电子数目也不会显著增加。,总结：在 x 线管额定灯丝加热电流下，电压饱和的临界值都很低，可见管电流的大小仍取决于灯丝加热电流（灯丝电压）。 诊断中为了获得较大的管电流和有用的X射线能量，要选取大的灯丝电流和40-140KV之间的管电压。,返回,初聚焦作用的实现： 使凹面阴极体具有比灯丝电位更低的电位，凹面阴极体排斥电子，起到初聚焦作用,二次电子： 阳极反射的电子或阳极过热等情况下可发射的电子，被称为二次电子，可撞击灯丝使其断裂，撞在玻璃壳上可造成玻璃破裂。,返回,2.阳极（anode）,作用：受高

5、速电子轰击产生 X 射线,分类：,旋转式：阳极和阳极体做成圆盘状，用小电机带动旋转。 优点：电机高速旋转，使阳极时刻以新的靶面接受电子束的撞击，使产生的热量均匀分散到整个靶面，避免局部过热， 可使用的X 线管功率大得多。,固定式：耐高温的钨（熔点高，蒸汽压低，蒸发少，可延长寿命）、钼镶嵌在铜制阳极体（导热系数大）上。 缺点： 钨导热率低，不易散热，电子撞击靶与靶物质发生作用，在轰击处集中产生大量热。适用于管电流小，曝光时间长的便携式牙科或者床边机,靶材料的原子序数Z越大，电子能量转化为X射线的能量越多。因此，钨(Z=74)和它的合金是最合适的靶材料。,返回,一、软X射线管 软 X 线： 20K

6、V到 50KV管电压产生的X线，能量较低，无法穿透较厚的受检体，大剂量时，能提高软组织影像的反差,应用：乳腺、结缔组织、脂肪、血管及肿瘤的边缘显示较清晰,与普通 X 线管区别： 普通 X 线管用钨靶，出射窗用硬质玻璃窗或铍窗（吸收软 X 线，防止受检体接受较大的皮肤剂量） 软 X 线管用钼靶（特征x射线辐射），出射窗用薄玻璃窗（软X 线的固有滤过率小），加钼片吸收硬x线,特殊X射线管,Mammography 乳腺造影术,Benign lesion - Fibroadenoma,二、金属 X 线管 结构：将射线管易形成钨层的玻璃部分用钢制壳代替 应用： X 线电影， CT 等 优点：没有玻璃壳那

7、种钨蒸发形成钨层所致 X 线管损坏的危险，所以钨灯丝可以加热到较高的温度,返回,x 线的产生,灯丝加热阴极发射电子管电压加速高速电子 靶物质与其作用，能量损失，速度骤减,碰撞损失： 电子与原子核的外层电子作用而损失能量热能， 99 ,辐射损失： 电子与原子核的内层电子或原子核作用而损失能量, 辐射x 射线， 1%,连续x线,标识x线,一般的X射线发射谱应如图,连续x射线产生的物理过程,韧致辐射(bremsstrahlung)：当一个高速电子进入到原子核附近的强电场区域，受到原子核的库仑场作用就会骤然减速，然后飞离强电场区域，从而完成一次电子与原子核的相互作用，电子的速度大小与方向必然发生变化，

8、电子将向外辐射电磁波从而损失能量E，电磁波的频率由E=确定，电子的这种能量辐射叫韧致辐射，这种辐射所产生的能量为的电磁波称为X射线光子,电子,离子,光子,轫致辐射,连续x线谱：由于每个高速电子与靶原子相互作用时的相对位置不同，且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用对应的辐射损失也不同，因而发出的x光子频率也互不相同，大量的x光子组成具有频率连续的x光谱（左图）。,当管电压较低时，只产生连续X射线。左图是管电压分别为20kV、30kV、40kV、50kV时的连续X射线谱。由图可见，当管电压增大时，各波长强度都随之增大。,1.连续谱的x射线强度随波长的变化而连续变化。,2.每个

9、曲线都有 一个峰值,2.波长增加的方向上曲线无限延展，但强度越来越弱，波长减小的方向上，曲线存在一个短波极限波长min,3.随着管电压升高，辐射强度相应增强，同时各曲线所对应的强度峰值和短波极限的位置均向短波方向移动,返回,可见,短波极限波长min： 定义：此时对应的光子能量最大，即电子与原子核在一次相互作用中损失其全部的能量eU=mv，产生能量为max= c/ min的光子辐射，相互作用中能量守恒则 mv= max 所以 eU= c/ min min= c/ eU（、c、 e为常数） min=1.24/U（nm) 物理意义： 对于每一个给定的管电压（即电子被加速获得的能量）都对应一个短波极限

10、波长min，且min数值只与管电压有关，不受其他任何因素的影响。 返回,标识（特征）x射线的产生,定义： x射线谱中除连续x射线谱外，还有几个特别的波长，其射线强度非常大，相对于连续x射线，称为标识x射线，其本质为高速电子与内层电子发生作用产生。,当管电压增加到70kV以上时，出现线状谱，如右图所示。,实验表明，线状谱的波长取决于阳极靶的材料。不同元素制成的靶具有不同的线状谱，可以用这些线状谱作为元素的标识，因此，这些线状谱称为标识X射线谱。,钨在较高管电压下的X射线谱,标识射线： a) 高速电子与原子内（K-）层电子作用； b) 将K层电子击出，一方面形成光电子，一方面在K层留下空穴； c)

11、 外层电子填补K层空穴，由于外层电子具有更高的能级，它有回到内层的倾向。当它回到内层（例如K-层）填补空穴时，发出射线。射线的波长取决于靶物质的原子序数，而与外加电压无关。故称为特征射线或标识射线,产生机制示意图,当轰击阳极靶的高速电子的能量足够高时，可以使靶原子的内层电子脱离原子核的束缚。比如，K层电子被击出，则L、M、N等外层电子就会跃迁到K层，从而放出光子。光子的能量等于两个能级差。这样就形成了K线系。,标识X射线发生原理示意图,以K层标识X射线为例,由内而外K，L，M，能级步步上升，从L到K，能级由 -10kev 降到 -70Kev，余下的能量以标识射线发出！,标识x 射线的特点总结：

12、 1.标识x 射线的波长取决于阳极靶物质，与x线产生过程中的其他因素无关。不同靶物质原子内部能级结构不同，因此辐射光子的能量和波长也不同即标识辐射代表了靶原子的特点，且随着靶原子序数的增加，标识X射线的能量也增加（表1-2）。 2.每种元素各系（K、L、M等）的标识x射线的波长固定不变（右图）。 3.医用诊断x射线中，仅K系标识x射线有用，其他各系，如L、M、N系，波长较长，能量较低，均被x线管管壁和滤过层吸收 4.标识x射线只在一定的高压下才能产生,标识x线产生的条件： 产生标识x线的激发电压U应满足 eUw（某层的结合能） eU=w U= w/e（最低激发电压）,激发电压特点： 对于给定靶

13、原子，各线系的最低激发电压大小按其相应的电子空位产生的壳层内电子结合能大小顺序排列，壳层越接近原子核，最低激发电压越大。即UKULUM。 所以在产生K系标识x线的同时必定伴随其他各系的激发和辐射，但由于L、M、N等各系的光子能量小，辐射强度弱，常被管壁（固有滤过）吸收不能射出，所以大多数元素的X射线谱中只有该元素的K系标识谱线（表1-2）。 标识X射线对化学元素分析非常有用。医学诊断和治疗中使用的X射线主要是连续X射线，标识X射线在X射线的强度中所占的分量很小。,返回,实际焦点和有效焦点,实际焦点：灯丝发射的电子经聚焦加速，投射在阳极靶上的面积的实际面积。即电子轰击在靶面上的面积（长为A，宽为

14、B） 有效焦点：实际焦点在垂直于x射线管轴线方向上投影的面积，即x射线照射在胶片上的有效面积。（长为Asin，宽为B） ：靶倾角，靶表面与x射线输出方向的夹角。越小，有效焦点的面积越小。,实际焦点的大小直接影响x射线管的散热和影像清晰度，面积越大，散热越好，但有效焦点的面积增大，胶片上所成影像清晰度受影响。 若缩短灯丝长度或减小靶角来缩小有效焦点，则实际焦点必然缩小，单位面积上电子密度增加，实际焦点的温度快速上升，阳极则不能承受较大的功率。 所以阳极倾角一般取6-17。对大多数射线管来说，焦点一般随管电压的增大而减小，随管电流的增大而增大（图1-5）。 一般诊断用的X射线管采用小焦点，焦点越小

15、，在荧光屏上或照相底片上所成的像就越清晰。治疗用的X射线管采用大焦点。 窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。,返回,X射线在均匀的、各向同性的介质中，是直线传播的不可见的电磁波，具有光的一切特性（波粒二象性，传播中表现为散射、反射、衍射等，与物质相互作用表现其粒子性，具有质量、能量和动量。 X射线不带电，不受外界磁场或者电场的影响。 X射线有贯穿本领 X射线有荧光作用 X射线有电离作用 X射线有化学和生物效应 返回,波长短，能量高，物质对其吸收弱，贯穿本领强，取决于,X线能量：越高能，穿透性越强,被穿透物质本身结构和原子性质,空

16、气，纸张，水， 肌肉，木材,铅，铜，铝，骨,人体,不易透射组织：钙质（结石，钙化，畸胎瘤），骨骼,中等透射性组织：软组织（肌肉，软骨，结缔组织）， 体液（血液，脑脊液），密度与水相近,易透射性组织：脂肪，胃肠道（积气，积液），肺、 鼻窦、乳突内含有气体,左侧上颌窦粘膜增厚,返回,x射线肉眼看不见，X射线照射钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等荧光物质，物质原子被激发或者电离，当被激发的原子恢复到基态时，便放出荧光。 应用：x射线透视的荧光屏，x摄影用增感屏，影像增强器的输入输出屏，闪烁计数器中的闪烁晶体，荧光玻璃等。,返回,X光子撞击物质原子中的电子，使电子脱离原子产生第一次电离，该高能电子又

17、与其他原子作用可产生二次电离。 应用： 1.X射线照射量测量仪的探头 气体分子被电离后，其电离电荷易被收集，收集气体中的电离电荷，测知其强弱可知x射线照射量。 2.X射线损伤防护和肿瘤放射治疗的基础,X射线刀,这是一种立体定向放疗系统。利用直线加速器输出高能电子，轰击钨靶产生高能X射线作为放射源，在CT引导下，由计算机系统控制，实施高精度立体定位，非共面多轨迹等中心旋转，集中照射肿瘤，使肿瘤病灶受到致死性高剂量照射，而周围正常组织受量很小。,返回,化学效应： 1.使胶片乳剂感光，医用x射线照相（还原出胶片中的银）。 2.着色（脱水）效应：物质（如铂氰化钡，铅玻璃、水晶）经x射线长期照射，其结晶体脱水逐渐改变颜色。 生物效应 生物体内产