医学成像技术第1.4节.ppt

1.4 X射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减 当当X X线通过物质时，由于光电效应、康普顿线通过物质时，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即物质所致的衰减x x射线在物质中传播过程中强度减弱包括射线在物质中传播过程中强度减弱包括1.1.传播过程中距离导致的扩散衰减（能量的分散）传播过程中距离导致的扩散衰减（能量的分散）2.2.吸收衰减吸收衰减 vX X射线强度衰减的平方反比定律：射线强度衰减的平方反比定律：均匀介质中的射线强弱均匀介质中的射线强弱 I I1 1/I/I2 2=r=r² ²2 2/r²/r²1 1 I I1 1 ,I ,I2 2分别表示半径为分别表示半径为r r1 1r r2 2的球面上的球面上x x射线强度射线强度 注：注：1.1.此式只是用于点源的球面发射此式只是用于点源的球面发射 2.2.只能在真空中成立，但空气中产生的减弱很少只能在真空中成立，但空气中产生的减弱很少 改善途径：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改变射线管焦点到胶片的距离从而调节射线强度 返回返回一、单能一、单能X X射线的衰减射线的衰减二、连续二、连续X X射线的衰减射线的衰减三、三、X X射线的滤过射线的滤过四、诊断四、诊断X X射线的衰减射线的衰减一一 、、单能单能窄束窄束x射线在物质中衰减的实验规律射线在物质中衰减的实验规律 –△I= μ · I · △x –△I= μ · I · △x （（强度的减弱强度的减弱= =比例系数比例系数··厚度）厚度） 令令△△x→0x→0，，dIdI= – μ · I dx= – μ · I dx I= I I= I0 0exp(–exp(–μxμx) ) 穿过厚度为穿过厚度为x x的均匀物质后射线强度的均匀物质后射线强度 = =入射射线强度入射射线强度·exp·exp（（––线性衰减系数线性衰减系数• •厚度）厚度）lnIlnI0x可见：可见：1.1.不论吸收体多厚，辐射强度的理论值永不不论吸收体多厚，辐射强度的理论值永不为零为零2.2.对数坐标中，射线强度的对数与吸收体的对数坐标中，射线强度的对数与吸收体的厚度呈直线关系，直线的斜率等于厚度呈直线关系，直线的斜率等于线性衰减线性衰减系数系数μμ。

下一页v单能：由能量相同的光子组成的单能：由能量相同的光子组成的x x射线射线v窄束：射线中不存在散射成分实际中，将射线通过钻窄束：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有细长孔的厚铅板做成的准直器之后的射线看作窄束v准直器作用准直器作用: :吸收散射线吸收散射线返回 光子数减少但频率不变！光子数减少但频率不变！v修正宽束（含有散射线成分）射线衰修正宽束（含有散射线成分）射线衰减公式：减公式： I I（探测器收到的含有散射线的射线光子）（探测器收到的含有散射线的射线光子） =BI=BI0 0（入射的宽束射线光子）（入射的宽束射线光子）expexp（（- μ - μ ´x´x）） B:B:积累因子，积累因子，是描述散射光子影响反映宽束和窄是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量，束区别的物理量，即即 某物质元中某物质元中X X光子计数率与光子计数率与未碰撞物质的未碰撞物质的X X光子计数率之比光子计数率之比 B=1+ μ ´ xB=1+ μ ´ x（（B≧1B≧1）） μ ´μ ´：被检物质的有效线性衰减系数，与吸收体：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、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。

光子的能量有关 x x：被检物质的厚度：被检物质的厚度二、连续能谱二、连续能谱x x射线在物质中的衰减规律射线在物质中的衰减规律v连续能谱连续能谱x x射线束射线束指能量从最小值到最大值之间的各种光子组合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成的混合射线束v连续连续x x射线的有效能量射线的有效能量：如果某一单能射线的吸收系数与连续：如果某一单能射线的吸收系数与连续ΧΧ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能量来表示连续ΧΧ射线的平均能量，称作有效能量射线的平均能量，称作有效能量 v连续能谱窄束连续能谱窄束x x射线的衰减射线的衰减 I=II=I1 1+I+I2 2+ ++I+In n = I = I0101 exp(- exp(- μμ1 1 x)+I x)+I0202 exp(- μ exp(- μ2 2 x) +x) ++I+I0n0n exp(- μ exp(- μn n x) x) 连续能谱连续能谱x x射线的衰减特点射线的衰减特点 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（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）率相对增大）光光子子数数水模厚度水模厚度100kv单能单能X线线100kv连续连续X线线 连续能谱连续能谱x x射线与比单能射线衰减比较如图，可射线与比单能射线衰减比较如图，可见连续见连续X X射线衰减更大。

射线衰减更大决定决定X射线衰减程度的因素射线衰减程度的因素v1.1.射线本身的性质（单能或连续，高能或低能）射线本身的性质（单能或连续，高能或低能） 在在100kv100kv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，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，即线性衰减系数减少，射线穿透力越强，v2.2.吸收物质的性质吸收物质的性质（（物质的密度物质的密度，原子序数，每千克物质所含电子数），原子序数，每千克物质所含电子数）v3.3.物质厚度物质厚度 总结：作为整体效应，不管哪种作用占优势，总结：作为整体效应，不管哪种作用占优势， X X线能量线能量↑↑，光，光电效应发生的概率电效应发生的概率↓↓，衰减量，衰减量↓↓，透过量，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，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。

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钡的原子序数钡的原子序数钡的原子序数56565656，碘剂的原子序数，碘剂的原子序数，碘剂的原子序数，碘剂的原子序数53535353，它们，它们，它们，它们与与与与X X X X线作用发生光电效应的概率是软组织的线作用发生光电效应的概率是软组织的线作用发生光电效应的概率是软组织的线作用发生光电效应的概率是软组织的约约约约367367367367倍 软组织的密度是空气密度的软组织的密度是空气密度的软组织的密度是空气密度的软组织的密度是空气密度的773773773773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，能谱宽度逐渐变窄分比率增加，能谱宽度逐渐变窄 意义：意义：低能低能X X线不能透过人体线不能透过人体( (吸收吸收) )，对，对形成形成X X线影像不起作用，但却大大增加被检者线影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照射量为减少无用低能光子对皮肤和皮肤照射量为减少无用低能光子对皮肤和浅表组织的伤害，需采用适当的滤过措施，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。

部分，使平均能量增高三、三、X X射线的滤过射线的滤过 a、、固有滤过固有滤过 包括包括X线管的玻璃管壁、绝缘油、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减效果的铝板厚度表示一般诊断X光机的光机的固有滤过在固有滤过在0.5 ~ 2 mmAl对软组织摄影则需要低滤过对软组织摄影则需要低滤过X线线,以增加软组织对比度以增加软组织对比度. b、、附加滤过附加滤过 包括附加滤过包括附加滤过板、遮光器的板、遮光器的滤过等根据衰减厚度根据衰减厚度能量分布不同能量分布不同, ,依具体情况选依具体情况选择管电压和材择管电压和材料形状厚度料形状厚度滤过板厚度及对照射剂量的影响滤过板厚度及对照射剂量的影响 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厚度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义.铝板厚度铝板厚度(mmAl)皮肤照射量皮肤照射量(C/kg)照射量下降百分数照射量下降百分数(%)00.51.03.06.14×10-44.78 ×10-43.28 ×10-41.20 ×10-40224780 一般用铝（滤除低能射线）和铜（滤一般用铝（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者，可以滤出铜板产生的8kev8kev的标识射线，的标识射线，铝板产生的铝板产生的1.5kev1.5kev的标识射线被空气吸收的标识射线被空气吸收楔形或楔形或梯形滤梯形滤过板过板获取射线影像过程中，如果投照部位的厚度相差太大，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，可以使用要得到均匀密度的影像，可以使用楔形或梯形滤过板楔形或梯形滤过板四、诊断放射学中四、诊断放射学中X X线的衰减线的衰减人体的构成元素和组织密度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（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，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其余全由低原子序数物质组成的化合物吸收X X线最多的是由线最多的是由CaCa3 3(PO(PO4 4) )2 2组成的门牙，吸收组成的门牙，吸收X X线最线最少的是充满气体的肺。

少的是充满气体的肺 化合物的有效原子序数：化合物的有效原子序数：在相同照射条件下，在相同照射条件下，1kg1kg复复杂物质与杂物质与1kg1kg单元素物质吸收辐射能相同时，该单元素的单元素物质吸收辐射能相同时，该单元素的原子序数即为原子序数即为化合物的有效原子序数化合物的有效原子序数 ai为第为第i种元素在单位体积中电子数的占有比率种元素在单位体积中电子数的占有比率, Zi为第为第i种元素的原子序数如水中种元素的原子序数如水中: 氧的电子数氧的电子数比率比率 2.68:3.34，氢的电子数比率，氢的电子数比率0.66:3.34氧、氢的原子序数分别为氢的原子序数分别为8和和1，所以，所以 有效原子序数的近似公式为有效原子序数的近似公式为a ai i为第为第i i种元素原子在分子中的原子个数，种元素原子在分子中的原子个数，Z Zi i为第为第i i种元素的种元素的原子序数如水中：氧原子个数为原子序数如水中：氧原子个数为1 1，氢原子个数为，氢原子个数为2 2，所以，所以占有人体大部分成分的水有效原子序数为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化合物线性衰减系数的影响因素1.1.线性衰减系数线性衰减系数 化合物化合物原子序数：物质原子序数原子序数：物质原子序数↑↑光子与光子与物质作用截面物质作用截面↑↑射线束的线性衰减系数射线束的线性衰减系数↑↑，对于化合物一般，对于化合物一般用有效原子序数来描述其衰减特性。

用有效原子序数来描述其衰减特性2.2.线性衰减系数线性衰减系数 吸收物质的密度吸收物质的密度 所以实际屏蔽中多用密度大的物质（铅）所以实际屏蔽中多用密度大的物质（铅）3.3.线性衰减系数线性衰减系数 每单位体积电子数（而非电子密度、各种每单位体积电子数（而非电子密度、各种物质的电子密度几乎相等）物质的电子密度几乎相等） 射线在物质中衰减，主要是射线在物质中衰减，主要是x x线光子与物质中电子相互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的主要因素如骨与肌肉• 诊断用射线（诊断用射线（100kev100kev以下）经过人体组织以下）经过人体组织透射透射光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应 所以在人体内所以在人体内x x射线的衰减与光子本身能量和射线的衰减与光子本身能量和物质原子序数有关物质原子序数有关低原子序数物质：肌肉、脂肪、体液低原子序数物质：肌肉、脂肪、体液中原子序数物质：骨骼（钙）中原子序数物质：骨骼（钙）高原子序数物质高原子序数物质: : 碘化钠等阳性造影剂碘化钠等阳性造影剂穿透穿透力比较图力比较图人体不同组织的线衰减系数人体不同组织的线衰减系数μ(mμ(m-1-1) )管电压管电压(kV)脂肪脂肪(×102)肌肉肌肉(×102)骨骼骨骼(×102)4050607080901001101201301401500.33930.26530.21960.20090.19050.18320.18010.17740.17550.17420.17320.17240.40120.29330.24550.22130.20760.19940.19420.19060.18820.18640.18520.18422.44341.41790.96770.73420.60470.54080.48650.45300.42980.41320.40100.3918掌握v为什么手部拍片用低管电压？为什么手部拍片用低管电压？ 定性说明定性说明：管电压较低时，射线在骨和软组织：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子序数三次方），所以骨的衰减系数是软组织的的6 6倍，在倍，在X X照片上显示出强烈的对比，如使用照片上显示出强烈的对比，如使用高于高于100kv100kv的射线摄影，此时衰减以康普顿散射的射线摄影，此时衰减以康普顿散射为主（与单位体积电子数有关，肌肉为主（与单位体积电子数有关，肌肉3.363.36每单每单位，骨位，骨5.555.55每单位），此时骨与软组织衰减差每单位），此时骨与软组织衰减差别仅为别仅为0.60.6，影像对比明显下降。

影像对比明显下降定量计算：定量计算：以手部拍片为例，说明以手部拍片为例，说明X X线在人体不线在人体不同组织中的衰减差别及与管电压的关系用同组织中的衰减差别及与管电压的关系用40kV40kV拍片拍片骨骨肌肉肌肉而用而用150kV150kV拍片拍片骨骨肌肉肌肉 衰减差别大，衰减差别大，形成高对比度形成高对比度v为什么胸部成像采用高千伏摄影？为什么胸部成像采用高千伏摄影？ 胸部包括肺、心脏、肋骨、胸骨胸部包括肺、心脏、肋骨、胸骨对胸部的成像一般采用对胸部的成像一般采用120kv120kv以上的高压以上的高压摄影这是因为高管电压时，物质的吸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，被检者的剂高，相对于光电效应来说，被检者的剂量降低了。

量降低了了解：了解：其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 ββ射线即电子流，带有负电，其质量很小，因此在运行中容易射线即电子流，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β β 射线径迹的末端射线径迹的末端, ,电离密度最大，这是由于此时电子能电离密度最大，这是由于此时电子能量已显著降低，速度减慢量已显著降低，速度减慢, , 与靶物质原子作用几率加大与靶物质原子作用几率加大, , 单位距离单位距离内形成的离子对增多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，而的电离作用产生在深部，而 9090Sr Sr 放射源放出的放射源放出的 β β 射线则在浅层射线则在浅层（（1-2mm1-2mm））引起最大电离作用射程长短取决于电子能量的大小引起最大电离作用射程长短取决于电子能量的大小1. β 射线与物质的作用射线与物质的作用其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 αα射线即氦核组成的粒子流，由射线即氦核组成的粒子流，由2 2个质子和个质子和2 2个中子组个中子组成，故带有成，故带有2 2个正电荷，质量数为个正电荷，质量数为4 4，比电子质量大约，比电子质量大约80008000倍。

倍 αα粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米故多只几百微米故αα射线由外照射对机体不会产生严重射线由外照射对机体不会产生严重危害 但发射但发射αα粒子的放射性核素进入体内时，由于其物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此理特征，其电离密度较大，造成的损伤则更为严重此外，放射性治疗中用快中子或负外，放射性治疗中用快中子或负ππ介子照射组织时，在介子照射组织时，在组织中将产生组织中将产生αα粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用2. α 射线与物质的作用射线与物质的作用其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 中子不带电中子不带电, ,通过组织时不干扰带电物质通过组织时不干扰带电物质, ,只有在与原只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用子核直接碰撞时发生相互作用. .但慢中子或热中子但慢中子或热中子 ( (能量在能量在0.5eV0.5eV以下以下) ) 进入原子核易被俘获进入原子核易被俘获, ,而快中子而快中子( (能量大于能量大于20keV)20keV)与原子核主要发生弹性碰撞与原子核主要发生弹性碰撞. . 在中子与质子在中子与质子( (氢核氢核) ) 的一次碰撞中的一次碰撞中, , 中子的部分能量传给质子中子的部分能量传给质子, ,产生反冲质子产生反冲质子, ,这种带正电重粒子在组织中速度很快下降这种带正电重粒子在组织中速度很快下降, , 引起高密度电引起高密度电离作用。

离作用 中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核中子与氧、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用可引起非弹性散射产生γγ射线此外射线此外, , 中子与物质的原中子与物质的原子核作用还会产生核反应子核作用还会产生核反应, , 在反应过程中释放带电重粒子、在反应过程中释放带电重粒子、 γγ光子或产生放射性核素光子或产生放射性核素 3. 中子中子与物质的作用与物质的作用其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 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、负例如，质子、氦核、负ππ介子等可在数厘米深处产生高密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度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用 关于负关于负ππ介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的关注关注. .负负ππ介子属于亚原子粒子介子属于亚原子粒子, ,其质量为电子的其质量为电子的276276倍倍, ,电电荷同于电子荷同于电子, , 由同步回旋加速器将质子加速到极高能量由同步回旋加速器将质子加速到极高能量(500~ 700MeV)(500~ 700MeV)而作用于石墨或铅靶时产生而作用于石墨或铅靶时产生. .当其穿入组织当其穿入组织被碳、氧、氢等原子核捕获被碳、氧、氢等原子核捕获, ,释放释放αα粒子、中子和质子粒子、中子和质子, ,产产生高密度电离作用。

生高密度电离作用4. 带电重粒子带电重粒子与物质的作用与物质的作用辐射与物质的作用类型及能量损失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传能线密度与相对生物效应一一. 传能线密度（传能线密度（LETLET））定义定义 带电粒子在组织带电粒子在组织(或其他或其他物质物质)中经中经过一定距离时由于碰撞而损失过一定距离时由于碰撞而损失的能量的能量.(.(J/m)生物损害与生物损害与LETLET值正相关高值正相关高LETLET粒子在给定粒子在给定体积内产生变化的几率高，但并非无限增加体积内产生变化的几率高，但并非无限增加 辐射与物质的作辐射与物质的作 用类型及能量损失用类型及能量损失传能线密度与相对生物效应传能线密度与相对生物效应一一. 传能线密度（传能线密度（LETLET））γ线线硬硬X线线软软X线线α线线细胞或生物大分子细胞或生物大分子粒子种类粒子种类电荷电荷能量能量(MeV)LETLET(GeV/m)电子电子光子光子质子质子α粒子粒子中子中子(间接间接)-1+1+20.010.10.11200kV(电子击出电子击出)X线线60Co γ线线小小2510小小3.452.514.112.32.30.420. 250. 4~360.2~29216842601409515~80(峰值峰值20)3~30 (峰值峰值7)各各种种电电离离粒粒子子的的LET值值传能线密度与相对生物效应传能线密度与相对生物效应二二. 相对生物效应（相对生物效应（RBERBE）） 辐射生物效应不仅决定于辐射条件辐射生物效应不仅决定于辐射条件,还受能量还受能量分布的制约分布的制约.LET决定了生物效应的程度或频度决定了生物效应的程度或频度.这种差别用这种差别用相对生物效应相对生物效应表示表示.(.(RBE) 标准标准X( (γγ) )线常以线常以250kV X线或线或60Co的的γγ线为基础线为基础. .比如引起相同生物损害所需比如引起相同生物损害所需X( (γγ) )线剂量是线剂量是αα射线的射线的10倍倍, ,故故αα射线的射线的RBE为为10。

传能线密度与相对生物效应传能线密度与相对生物效应二二. 相对生物效应（相对生物效应（RBERBE））辐射种类辐射种类相对生物效应相对生物效应X、、 γ射线射线β 粒子粒子热中子热中子中能中子中能中子快中子快中子α粒子粒子重反冲核重反冲核1135~8101020。