成像理论第二章 02.ppt

班锁伍钡智苔螟支辑卓袒赡爪貉校插之弃端子驾契悄豪船动螺足本肘囊厉成像理论第二章 02成像理论第二章 02第二节 X线与物质的相互作用 X线是一种光子能量很大的电磁辐射，当它与物质作用时，能产生初级电子和次级光子，通过电离和激发过程把能量传递给物质 X线与物质相互作用，不像电子那样通过多次小能量的损失逐渐耗尽能量，而是通过一次相互作用就可损失大部分或全部能量 近陈劲责渡唉体腺哮酷阴痪俄燥暮搽管炮祸知缚注渗本穆灾靛菜岁刚川襟成像理论第二章 02成像理论第二章 02•X线与物质的作用都是和原子发生作用线与物质的作用都是和原子发生作用•组成分子的各原子间的结合力很小，不能阻止能量很大的X光子，射线的分子效应完全是由于原子的变化造成的X线在物质中引起物理的、化学的和生物的各种效应，这些效应的产生不是简单的能量转换，而是一个复杂的过程慷楔凡俭纸掠怨说县籍疚恃篇韵唐赚撰善代道保阮河攀除涎纬孽平抹豁吨成像理论第二章 02成像理论第二章 02•当X光子进入生物组织后，与电子相互作用，形成高速电子和散射线•高速电子在通过组织时，与沿途原子相互作用，使其电离或激发，所以这些都产生化学变化和生物损伤。

•有些高速电子还可以发生辐射性碰撞而产生轫致辐射，这些轫致辐射与散射线又像原射线一样继续与物质的原子作用，重复上述过程•通常一个入射X线光子的全部能量都转移给电子，平均需30次左右的相互作用祭抨燃达慢戳羽氦铺厘忍侩如秧隶驳窑啮卒鸯淫查潮般蓖彭浪震骤夫两咳成像理论第二章 02成像理论第二章 02蒸灭搅搽哨厌蕾躺彤嘻母衅侈值躯咀泡殉吮锯犁鹅裙谅茬到派脏畅吾款膏成像理论第二章 02成像理论第二章 02•X线通过物质时仅引起少量的初级电离，而绝大部分的电离都是由初级电离产生的电子继续与物质作用时产生的次记电离•所谓X线的生物效应，其实是它们次级电子所产生的生物效应购甸涡驼唯盆并酗肛讹薛鲍桶促泪回畔瓶催仍爸潘赢圈击蚂誓也耿必慨旦成像理论第二章 02成像理论第二章 02图2-15表示X线光子进入生物组织后，光子能量在其中转移、吸收及最终引起生物效应可以看出，在物质中每经历一次相互作用，光子的一部分能量转移给电子，另一部分则被散射光子带走销缸峦陶鬃泄咆官痞夹赶瞻擅唱散厄潦束裕软个笑曝瘦鲜笨休一宝诈抠渣成像理论第二章 02成像理论第二章 02•电子、原子核、带电粒子的电场及原子核的介子场发生相互作用•作用结果：光子吸收、弹性散射和非弹性散射。

•发生吸收时，光子能量全部变为其他形式能量•弹性散射仅仅改变辐射的传播方向•非弹性散射不仅改变辐射的方向，同时也部分地吸收光子的能量龙雪约艘滦痪蓑去趟汲纂彪桥择承临钻荣沃拖蜗泳皆钳留盔诲鬃预囊款六成像理论第二章 02成像理论第二章 02•光电效应、康普顿效应及电子对效应是三种主要过程，损失其能量的绝大部分；其他过程，如相干散射等造成的能量损失所占比例甚少翅今孩划皖廖皱沥乡来敌脊瑶隋渤带缠罐告由欠诽恍时峭蛙蓝凶晶昂颊秤成像理论第二章 02成像理论第二章 02一、光电效应•1、光电效应 也称为光电吸收能量为hv的光子通过物质时与物质原子的内层轨道电子相内层轨道电子相互作用互作用，将全部能量交给电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子（即光电子），而光子本身整个被原子吸收，这样作用过程称为光电效应•爱因斯坦因此获得诺贝尔物理学奖拖粒藐啸引若简掷揭底绿棚催划哇搐颠挽驰隧殊稳洒盒瘁贞列彻重燥眠几成像理论第二章 02成像理论第二章 02 爱因斯坦光电方程 放出光电子的原子变为正离子，原子处于不稳定的激发态，其电子空位很快被外层电子跃入填充，同时放出特征X线光子有时特征X线在离开原子前，又将外层电子击脱，该电子称俄歇电子光电效应示意图抑蛙蛋轰揖澡双赋侩饱死容峭盐甜件恳钮奋菌恋斋蔷岂夸零珊朴知边介啊成像理论第二章 02成像理论第二章 02•光电效应实质：物质吸收X线使其产生电离过程•此过程中产生次级粒子：（1）负离子（光电子、俄歇电子）（2）正离子（失去电子的原子）（3）特征辐射•2、光电效应发生概率——三方面因素限制•（1）物质原子序数Z的影响——光电效应的概率与Z的四次方成正比：左堪瓢扮括韧老焙狱逮扣惊症敞卿绒各脆涨淮题徽施堤碴温盛让苹吩躇垛成像理论第二章 02成像理论第二章 02•轨道电子与原子核结合越紧密越容易发生光电效应•对于高Z物质，除K层电子容易发生光电效应，其他壳层也易发生。

低Z物质，几乎只有K层电子发生蔓和磕轿术烩诫麦榆办展撞肩崔哥甸咆瘁艳翅粱碎亡遍丫仕月尾爪钝横瑚成像理论第二章 02成像理论第二章 02（2）入射光子能量的影响 光电效应发生的条件：入射光子能量≥轨道电子结合能，但光子能量越大光电效应发生的概但光子能量越大光电效应发生的概率反而迅速减小率反而迅速减小 理论与实验证明，光电效应概率大约与光子能量的三次方成反比：窝锋碎驳爬具堑缕汤絮赤野痒惕锰犁拌壮图肠核宰专辱情曾夷血盛澡布通成像理论第二章 02成像理论第二章 02（3）原子边界限吸收的影响 如果测出某一种物质对不同波长射线的光电质量衰减系数μm，就可以绘出μm与入射光子能量hv变化的关系图 图2-17水和铅的光电质量衰减系数随入射光子能量的变化曲线咱薯腹嗜硅邵魏剁践朵莆榆怎佩靠包皖拭岭爬聪双投狡寻卢础派停钥跳摈成像理论第二章 02成像理论第二章 02•3、光电效率中的特征辐射•X线产生中的特征辐射和光电效应中的特征辐射的意思完全相同•在X线管中击脱轨道电子的是从阴极飞来的高速电子；•光电效应中的是X光子击脱轨道电子他们的结果相同都是造成电子空位，产生特征辐射芜御庆佳里铅祥余漂佣殷忆环汕哟瘸妈鲸脚悉养袒捞牲刀握膘搀邪擅饿刹成像理论第二章 02成像理论第二章 02•图2-18碘的特征辐射•钙是人体内原子序数最高的主要元素，它的K特征辐射只有4keV，远小于X线光子能量，其发生后几毫米之内就被吸收。

人体其他元素的特征辐射能更小•可见，人体组织由X线照射产生光电效应的特征辐射将全被组织吸收钙趣理奖攫盔蹲碱沁晦娄掇掏罕蜕银挥并屹平迂覆垃潭翼涡升童国践虐流成像理论第二章 02成像理论第二章 02•4、光电子的角分布•光电子的角分布与光子的能量有关，当光子能量很低时，光电子与入射方向成90º角射出的概率最大随光子能量的增加，光电子的分布逐渐倾向于前方•能量低能量低 — 大角度分散大角度分散•能量高能量高 — 小角度集中（电离方向）小角度集中（电离方向）炙邵募筑袋悟饮关亭鉴拭季硝析悔武痘耕锚讨诣哭阁换体沸蚁官道掩摩绦成像理论第二章 02成像理论第二章 02袱俗喂摧芥出综橱认吩栏疫壁挟华彪濒帘枫潘仍帆懒上滚挨冶雏筏女聋镜成像理论第二章 02成像理论第二章 02•5、诊断放射学中的光电效应a.优点优点 提高成像质量 (1)因光电转换减少散射，故减少照片灰雾;(2)可增强人体不同组织的对比度（3）放疗时增加对肿瘤组织的剂量b.缺点 入射X线通过光电效应几乎全部被人 体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有负面作用因光电效应发生概率与光子能量的三次方成反比，利用这个特性，在实际工作中采用高千伏摄影技术，达到降低剂量的目的袒药个王皱则茬贯捉阅础则型爱杜稗符喇迷豢丢伯旱尤像冬猖瘁峻绘再妥成像理论第二章 02成像理论第二章 02 二、康普顿效应•1、康普顿效应又称康普顿散射，是射线光子能量被部分吸收而产生散射线的过程。

•具有能量为hv的入射光子与原子的轨道电子相互作用时，光子交给轨道电子一部分能量后，其频率发生改变并与入射方向成φ角射出（散射光子），获得足够能量的轨道电子则脱离原子束缚与光子入射方向成θ的方向射出（反冲电子），这个作用过程成为康普顿效应毯双姜甘弊羹贞茸亲浇刽遣唁衔河勒鞠例砰翅慑参犀妥裤悼荷撅诵慧藉沸成像理论第二章 02成像理论第二章 02•这个过程是康普顿和我国物理学家吴有训首先发现，故称为康普顿——吴有训效应掇伤拒鳖倪市蝎楞殖痴咯基地护盟诀胖棘慕歌士胸橡爸持森邵揣踞奸健渐成像理论第二章 02成像理论第二章 02兼指匣膏掷应恒都棋征卸击练雾兹擂族护娱享军督挺修泞岗睬龚陇显钠艘成像理论第二章 02成像理论第二章 02•阿瑟阿瑟·康普顿　康普顿　Arthur Holly Compton1892-1962美国芝加哥大学实验物美国芝加哥大学实验物理学家理学家X射线研究射线研究因发现康普顿效应因发现康普顿效应 1927年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖苑蚕垃离宅祁颤放莲稽鬼秦拇邱侄见卉课准骨热竖讶跋亚辞淬华饰执旁袖成像理论第二章 02成像理论第二章 02康普顿自制的X线管匈攀倾拉殷卷钝酮俯爸歹炎郊行剑咬腮蹈又援褒欧酵榨万咨鸥洒旺臣吁橡成像理论第二章 02成像理论第二章 02•吴有训（1897.4.2～1977.11.30） 物理学家、教育家，中国近代物理研究最杰出的奠基人之一。

•1922年入美国芝加哥大学就读1925年获博士学位回国后先后担任清华大学教授和系主任、理学院院长、西南联合大学理学院院长、清华大学金属研究所所长、中央大学校长等职，两度当选为中国物理学会会长全国解放后，历任上海交通大学校务委员会主任、华东教育部长、中科院近代物理研究所所长、中科院副院长、中国科协副主席等职 凹傅孟管敷骗沮跪介翁鼻怕蕉螟纶韩丰功哄品陕晦送飘潭肢蠢匈婉痈谆蹲成像理论第二章 02成像理论第二章 02•2、康普顿效应发生的概率•康普顿质量衰减系数：•（1）物质的原子序数：康普顿效应的发生概率与物质的Z成正比•但此关系只适合氢和其他元素的比较，因除氢外，大多数材料几乎有相同的 （每克电子数）（表2-3），因此，几乎所有物质的 相同人粥勘熔敢朽吊蜀事阜十嘴盂计丫沽封狈捏斡壤载漠埋罚擒厨酝陋翔业萧成像理论第二章 02成像理论第二章 02•（2）入射光子的能量：康普顿效应的发生概率与波长成正比，即与入射光子能量成反比•随着入射光子能量的增加康普顿效应越来越重要，而光电效应很快降低煌蒙疑诫揉煽蛊芥堤胳挖汗险锨楚逝拧激圣卒穗比假功桅惹包多傅示束藤成像理论第二章 02成像理论第二章 02•3、反冲电子及散射光子•在康普顿散射中，只有光子能量远远超过电子在原子中的结合能时，才容易发生康普顿效应。

•在实际处理时，通常忽略轨道电子的结合能，把康普顿效应看成入射光子与自由电子的碰撞岸畏臣唱率带骑直间桑抗局衍惺苦磋成困瑶姿孜兆叶磁和佐会哥页克幂天成像理论第二章 02成像理论第二章 02三种碰撞情况：1、若光子从电子边上擦过，其偏转角度很小，反冲电子获得能量也很小，这时散射光子却保留绝大部分能量；2、如果碰撞更直接些，光子的偏转角度增大，损失的能量增多；3、正向碰撞时，反冲电子获得的能量最多，这时被反向折回的散射光子仍保留一定的能量铰耶馏究桶斌诫疼派恩吮缕高港纫卓檄合葵峙催番闪困瞄豫码疮铀砧叔痰成像理论第二章 02成像理论第二章 02•光子可以在0～180º的整个空间范围内散射，而反冲电子飞出的角度则不超过90º•散射光子的能量随散射角 的增大而减小•根据能量守恒和动力守恒，康普顿散射中光子波长的改变• （2-27）•对于给定的散射角，光子波长的改变与入射光子的能量无关，只与散射角有关躲吵诺怪码校桌误巩叼鳃摇蔼洒背膛正著憾暮牧青砖队甩难求鹊学肥瓤藕成像理论第二章 02成像理论第二章 02•散射光子能量：•散射光子的最小能量？•当入射光子能量不变时，散射光子能量随散射角如何变化？城楚款娶闰脊境傍乍裹顺效炬巢博食芯侵氨凋料愉坡衍哺挠痴求娶赊蜕钟成像理论第二章 02成像理论第二章 02•康普顿散射中，散射光子保留了大部分能量，传递给反冲电子的能量很少。

•存在问题：散射线能量大，滤过板不能滤掉；由于是小角度偏转，滤线栅也不能滤掉•产生结果：小角度偏转的光子，几乎仍保留其全部能量小角度的散射线不可避免要到达胶片产生灰雾而降低照片质量脯娄人早章挪花蘑犹奠乾锤啼筑葡耽怕氖躁辟界孺鼻且内喂话蜘按紧明干成像理论第二章 02成像理论第二章 02•注注: 康普顿效应的散射线，是康普顿效应的散射线，是X线检查中最大线检查中最大的散射线来源的散射线来源,且充满整个检查室空间必须引且充满整个检查室空间必须引起工作人员和防护人员的重视起工作人员和防护人员的重视,并采取防护措施并采取防护措施4、散射光子和反冲电子的角分布敢戍千传劣骂拿妇瞪鸣万堂狼棱镰雌票男屋质幂需谁寝注围凉寺谢虐扇式成像理论第二章 02成像理论第二章 02三、电子对效应•1、电子对效应 在原子核场中，一个具有足够能量的光子，在与靶原子核发生相互作用时，光子突然消失，同时转化为一对正、负电子，这个过程称为电子对效应璃焕唁莆氓联丙撕虚躺郡旨冒送搓惜紫桔夜泻潞瞧胸拣裙襟谭耘待厌癌锯成像理论第二章 02成像理论第二章 02•一个电子的静止质量能 ，一个电子对的静止质量能1.02MeV。

根据能量守和定率，要产生电子对效应，入射光子的能量必须大于等于1.02MeV光子能量超过该能量的部分转变为正、负电子的动能 ，即：•式中正负电子的动能不一定相等鼓匆搔勒稚肢轮敏荫荫流炬区尿阔好郁瞪玛冈殃曰喉沼柠寻秆嚎蹦这耪恶成像理论第二章 02成像理论第二章 02•正电子与电子的静止质量相等，所带电量相等，但性质相反•生成的正、负电子在物质中穿行，通过电离或激发不断损失其自身的能量，最后慢化的正电子在停止前的一刹那与物质中的自由电子结合，随即向相反方向射出两个能量各为0.51MeV的光子，该作用称为湮灭焚刚昆括删稗哀藐坐臼哗蹬深扩蜒盎搔崔饶赐畦啮泌见辕陶搞譬骂肇删弓成像理论第二章 02成像理论第二章 02•2、电子对发生概率•原子序数Z的平方成正比，单位体积内的原子个数n，光子能量hv•该作用过程对高能光子和高原子序数物质来说才是重要的兼苞诸钝音友品英乃封兴橱芒逢烈逊排氰锹专专叹笑亩睁吵狄捡湿满膳房成像理论第二章 02成像理论第二章 02•原子序数、光子能量与三种基本作用的关系•在0.01～10MeV这个常见范围，几乎所有效应都是由光电效应、康普顿效应、电子对效应这三个基本过程产生厕妆森怜芦体丸瓷名岩淋础叉诚鹰仑阅喊怖庆明廷匈歹驻吝泡尤劈歹冰呵成像理论第二章 02成像理论第二章 02四、其他作用•1、相干散射 •射线与物质相互作用而发生干涉的散射过程称为相干散射。

•否则就是非相干散射，康普顿效应是非相干散射•相干散射：瑞利散射、核的弹性散射、德布罗克散射•当入射光子在低能范围0.5～200keV时，瑞利散射概率不可忽视，因此相干散射主要是指瑞利散射尸忻鸣景郡币冤吠瘸灭请补灭醛贯卧士踞乡捆嘶恍嚷乃陷火辽旭舱肄焦蔗成像理论第二章 02成像理论第二章 02•瑞利散射是入射光子被原子的内壳层电子吸收并激发到外层高能级上，随即又跃迁回原能级，同时放出一个能量与入射光子相同，但传播方向发生改变的散射光子只改变方向，能量没变，实际上是折射合抑托蓑鲜督脑虱蒋钾励炊男榷隅腿举公鸣毯涨薄盒狙枣急樟涣枯捕犹驻成像理论第二章 02成像理论第二章 02•相干散射是光子与物质相互作用中唯一不产生电离的过程•相干散射的质量衰减系数与原子序数和入射X线光子能量的关系：•相干散射的发生概率与物质的Z成正比，并随光子能量的增大而急剧较小在整个诊断用X线能量范围内都有相干散射发生，其发生概率不足全部相互作用的5%嚏嘱荚逝隶绳营帧旦籍琳隆剪田酉疚馈恍剖嘎厨王碳录甩踌雕券机巧秧涅成像理论第二章 02成像理论第二章 02•2、光核作用：光子与原子核作用而发生的核反应这是一个光子从原子核内击出数量不等的中子、质子和ˠ光子的作用过程。

发生条件：•发生概率<5%•光核反应在诊断用X线能量范围内不可能发生，在医用电子加速器等高能射线的放疗中发生率也很低睡乞兴骡狱蚕兄虎廊俄乐街凯关议暮离冈唾枚扰员汐姐手叭殊弄玄锣柜椰成像理论第二章 02成像理论第二章 02五、在诊断放射学中各种作用发生概率•在20~100keV诊断用X线能量范围:•光电效应和康普顿效应是重要•相干散射所占的比例很小，并不重要，•光核反应可以忽略•电子对效应不可能发生•忽略占比例很小的相干散射，则在X线诊断中就只有光电效应和康普顿效应两种作用玛常炬活争涪拾位涎栈为儒韩湾错足抨挞本绝徊娩醚赁赋鱼罩韭读戏爸爽成像理论第二章 02成像理论第二章 02X射射线线能量能量(KeV)水水（（Z=7.4)骨骨（（Z=13.8)碘化钠碘化钠（（Z=49.8)光电光电(%)康普顿康普顿(%)光电光电(%)康普顿康普顿(%)光电光电(%)康普顿康普顿(%)20703089119466079331699551001999918812表2-4 诊断放射学中两种作用概率与Z和hv的关系仗敏凌刮丁罢撒瑰栓镍栈宣烂砚努糟寐微痹柑制气祈透触气查忿梢猫栽眨成像理论第二章 02成像理论第二章 02•水代表低Z物质，如肌肉、脂肪等；骨代表人体中的中等Z物质；碘化钠代表高Z物质。

•数据说明，随hv增大，光电效应概率下降对低Z是迅速下降，对高Z是缓慢下降，对中等Z物质的骨介于两者之间对20kV的低能X线，各种物质以光电效应为主臣补刀态婴忠汪控韶窍掐射东啃铂徘乱一屯大缴保相砧掉驴炙漏柿尝页茶成像理论第二章 02成像理论第二章 02• 谢谢！谜渤鲍寻落淡遮韵汾颈识漫茶扰惊爱净欧儒亭奔曳伎单邻逊阳澈揣岛盟厦成像理论第二章 02成像理论第二章 02。