医学成像技术-第1.4节.ppt

1、1.4 X射线在物质中的衰减,当X线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度减弱。即物质所致的衰减。 x射线在物质中传播过程中强度减弱包括 1.传播过程中距离导致的扩散衰减（能量的分散） 2.吸收衰减,X射线强度衰减的平方反比定律： 均匀介质中的射线强弱 I1/I2=r2/r1 I1 ,I2分别表示半径为r1r2的球面上x射线强度 注：1.此式只是用于点源的球面发射 2.只能在真空中成立，但空气中产生的减弱很少 改善途径： 改变射线管焦点到胶片的距离从而调节射线强度,返回,一、单能X射线的衰减 二、连续X射线的衰减 三、X射线的滤过 四、诊断X射线的衰减,一 、单能

2、窄束x射线在物质中衰减的实验规律,I= I x （强度的减弱=比例系数厚度） 令x0，dI= I dx I= I0exp(x) 穿过厚度为x的均匀物质后射线强度 =入射射线强度exp（线性衰减系数厚度）,x,可见： 1.不论吸收体多厚，辐射强度的理论值永不为零 2.对数坐标中，射线强度的对数与吸收体的厚度呈直线关系，直线的斜率等于线性衰减系数。,下一页,单能：由能量相同的光子组成的x射线 窄束：射线中不存在散射成分。实际中，将射线通过钻有细长孔的厚铅板做成的准直器之后的射线看作窄束。 准直器作用:吸收散射线,返回,光子数减少但频率不变！,修正宽束（含有散射线成分）射线衰减公式： I（探测器收到

3、的含有散射线的射线光子） =BI0（入射的宽束射线光子）exp（- x） B:积累因子，是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量，即 某物质元中X光子计数率与未碰撞物质的X光子计数率之比 B=1+ x（B1） ：被检物质的有效线性衰减系数，与吸收体厚度、形状、面积、探测体与吸收体之间的距离、光子的能量有关。 x：被检物质的厚度,二、连续能谱x射线在物质中的衰减规律,连续能谱x射线束指能量从最小值到最大值之间的各种光子组合成的混合射线束。 连续x射线的有效能量：如果某一单能射线的吸收系数与连续射线在特定厚度范围内平均吸收系数相等，便可用此单能射线的能量来表示连续射线的平均能量，称作有效能量。

4、 连续能谱窄束x射线的衰减 I=I1+I2+In = I01 exp(- 1 x)+I02 exp(- 2 x) +I0n exp(- n x),连续能谱x射线的衰减特点 比单能射线衰减更大；强度变小（射线量减小），硬度变大（质提高），且逐渐接近入射射线中的最高能量（低能光子易被吸收，射线束通过物质后高能成分所占比率相对增大）,连续能谱x射线与比单能射线衰减比较如图，可见连续X射线衰减更大。,决定X射线衰减程度的因素,1.射线本身的性质（单能或连续，高能或低能） 在100kv能量范围内，射线与物质作用系数随射线能量的增加而减少，即线性衰减系数减少，射线穿透力越强， 2.吸收物质的性质（物质的密

5、度，原子序数，每千克物质所含电子数） 3.物质厚度,总结：作为整体效应，不管哪种作用占优势， X线能量，光电效应发生的概率，衰减量，透过量。,下一页,吸收物质密度越大，原子序数越高，每千克电子数越多，使射线衰减的能力越强，射线的穿透越差。,吸收与组织密度成正比,钡的原子序数56，碘剂的原子序数53，它们与X线作用发生光电效应的概率是软组织的约367倍。,软组织的密度是空气密度的773倍。,返回,返回,吸收体厚度越厚，射线束相对强度越弱，能谱组成中，高能成分比率增加，能谱宽度逐渐变窄。,意义：低能X线不能透过人体(吸收)，对形成X线影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照射量。为减少无用低能光子对

6、皮肤和浅表组织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分，使平均能量增高。,三、X射线的滤过,a、固有滤过 包括X线管的玻璃管壁、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板。用铝当量表示。,铝当量：指一定厚度的滤过材料用相同衰减效果的铝板厚度表示。一般诊断X光机的固有滤过在0.5 2 mmAl。,对软组织摄影则需要低滤过X线,以增加软组织对比度.,b、附加滤过 包括附加滤过板、遮光器的滤过等。,根据衰减厚度能量分布不同,依具体情况选择管电压和材料形状厚度,滤过板厚度及对照射剂量的影响,使用低滤过高千伏摄影,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.,

7、一般用铝（滤除低能射线）和铜（滤除较高能射线）做滤过板。或者两者做复合滤过板，即铜面向射线管，铝面向被检者，可以滤出铜板产生的8kev的标识射线，铝板产生的1.5kev的标识射线被空气吸收。,楔形或梯形滤过板,获取射线影像过程中，如果投照部位的厚度相差太大， 要得到均匀密度的影像，可以使用楔形或梯形滤过板。,四、诊断放射学中X线的衰减,人体的构成元素和组织密度,人体主要由以下物质组成：骨骼，软组织（肌肉，脂肪），肺、消化道及腔内气体 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的化合物。吸收X线最多的是由Ca3(PO4)2组成的门牙，吸收X线最少的是充满气体的肺。,化合物的有

8、效原子序数：在相同照射条件下，1kg复杂物质与1kg单元素物质吸收辐射能相同时，该单元素的原子序数即为化合物的有效原子序数。,ai为第i种元素在单位体积中电子数的占有比率, Zi为第i种元素的原子序数。如水中: 氧的电子数比率 2.68:3.34，氢的电子数比率0.66:3.34。氧、氢的原子序数分别为8和1，所以,有效原子序数的近似公式为,ai为第i种元素原子在分子中的原子个数，Zi为第i种元素的原子序数。如水中：氧原子个数为1，氢原子个数为2，所以占有人体大部分成分的水有效原子序数为,化合物线性衰减系数的影响因素 1.线性衰减系数化合物原子序数：物质原子序数光子与物质作用截面射线束的线性衰

9、减系数，对于化合物一般用有效原子序数来描述其衰减特性。 2.线性衰减系数吸收物质的密度 所以实际屏蔽中多用密度大的物质（铅） 3.线性衰减系数每单位体积电子数（而非电子密度、各种物质的电子密度几乎相等） 射线在物质中衰减，主要是x线光子与物质中电子相互作用，因此物质电子数目越多，越易使射线衰减。当康普顿散射占优势时（稍高能摄影时），单位体积电子数成为衰减的主要因素。如骨与肌肉。, 诊断用射线（100kev以下）经过人体组织,透射,光电效应,康普顿效应,所以在人体内x射线的衰减与光子本身能量和物质原子序数有关,低原子序数物质：肌肉、脂肪、体液,中原子序数物质：骨骼（钙）,高原子序数物质: 碘化钠

10、等阳性造影剂,穿透力比较图,人体不同组织的线衰减系数(m-1),掌握,为什么手部拍片用低管电压？ 定性说明：管电压较低时，射线在骨和软组织内的衰减都以光电效应为主（正比于物质的原子序数三次方），所以骨的衰减系数是软组织的6倍，在X照片上显示出强烈的对比，如使用高于100kv的射线摄影，此时衰减以康普顿散射为主（与单位体积电子数有关，肌肉3.36每单位，骨5.55每单位），此时骨与软组织衰减差别仅为0.6，影像对比明显下降。,定量计算：以手部拍片为例，说明X线在人体不同组织中的衰减差别及与管电压的关系。用40kV拍片,骨,肌肉,而用150kV拍片,骨,肌肉,衰减差别大，形成高对比度,为什么胸部成

11、像采用高千伏摄影？ 胸部包括肺、心脏、肋骨、胸骨。对胸部的成像一般采用120kv以上的高压摄影。这是因为高管电压时，物质的吸收衰减以康普顿散射为主，发生概率与原子序数无关，此时，骨骼与软组织和肺部（气体）的影像密度相差不大，即使相互重叠也不会被骨影覆盖，从而使与骨骼相重叠的软组织和骨骼本身的细小结构及含气的管腔变得易于观察，即获得较高的影像对比度；并且管电压越高，相对于光电效应来说，被检者的剂量降低了。,了解：其他射线与物质的作用,射线即电子流，带有负电，其质量很小，因此在运行中容易被其他电子所偏转，所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其径迹长度。在 射线径迹的末端,电离密度最大，这是由于此时电

12、子能量已显著降低，速度减慢, 与靶物质原子作用几率加大, 单位距离内形成的离子对增多。 在临床上使用直线加速器发生的高能电子流照射组织时，主要的电离作用产生在深部，而 90Sr 放射源放出的 射线则在浅层（1-2mm）引起最大电离作用。射程长短取决于电子能量的大小。,1. 射线与物质的作用,其他射线与物质的作用,射线即氦核组成的粒子流，由2个质子和2个中子组成，故带有2个正电荷，质量数为4，比电子质量大约8000倍。 粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米。故射线由外照射对机体不会产生严重危害。 但发射粒子的放射性核素进入体内时，由于其物理特征，其电离密度较大，造成的损伤则更为严重

13、。此外，放射性治疗中用快中子或负介子照射组织时，在组织中将产生粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。,2. 射线与物质的作用,其他射线与物质的作用,中子不带电,通过组织时不干扰带电物质,只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用.但慢中子或热中子 (能量在0.5eV以下) 进入原子核易被俘获,而快中子(能量大于20keV)与原子核主要发生弹性碰撞. 在中子与质子(氢核) 的一次碰撞中, 中子的部分能量传给质子,产生反冲质子,这种带正电重粒子在组织中速度很快下降, 引起高密度电离作用。 中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互作用可引起非弹性散射产生射

14、线。此外, 中子与物质的原子核作用还会产生核反应, 在反应过程中释放带电重粒子、 光子或产生放射性核素。,3. 中子与物质的作用,其他射线与物质的作用,快中子作用于组织时可产生带电重粒子。此外，高能加速器还可将重粒子加速，使其具有穿透深部组织的能力。例如，质子、氦核、负介子等可在数厘米深处产生高密度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用。 关于负介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的关注.负介子属于亚原子粒子,其质量为电子的276倍,电荷同于电子, 由同步回旋加速器将质子加速到极高能量(500 700MeV)而作用于石墨或铅靶时产生.当其穿入组织被碳、氧、氢等原子核捕获,释放粒子、中子和质子,产生高密度电离作用。,4. 带电重粒子与物质的作用,辐射与物质的作用类型及能量损失,传能线密度与相对生物效应,一. 传能线密度（LET）,定义 带电粒子在组织(或其他物质)中经过一定距离时由于碰撞而损失的能量.(J/m),生物损害与LET值正相关。高LET粒子在给定体积内产生变化的几率高，但并非无限增加。,辐射与物质的作 用类型及能量损失,传能线密度与相对生物效应,一