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第八章第八章X射线成像原理8.1 引言引言 1895年伦琴发现X射线（也叫伦琴射线） X射线激发涂有铂青化钡的纸板发出荧光 X射线是波长很短的电磁波，具有波粒二象性 X射线强大的穿透能力使人们很快意识到它在医学成像中的应用前景，1896年英国医生就摄取了一位妇女手指的X射线照片诊断用的X射线波长一般在0.008～0.031nm易透射性组织中等透射性组织不易透射性组织气体、脂肪组织结缔组织、肌肉组织、软骨、血液骨骼28.1 引言引言 X射线除具有电磁波的共同属性外，还有以下特有性质：l X射线在均匀、各向同性的介质中，是直线传播的不可见电磁波l X射线不带电，不受外界磁场和电场的影响l 穿透性： X射线对大多数物质是透明或半透明的l 荧光效应：透视检查的基础l 电离效应：使空气产生正、负离子（测量依据）l 摄影效应：可以使涂有卤化银的胶片感光l 生物效应：损伤细胞、放射治疗（注意防护）38.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理 产生X射线的激发机理是使高速行进的电子流突然受阻产生定向、实用的X射线应具备四个条件：l 电子源发射电子（阴极）；l 受电子轰击而辐射X射线的物体（阳极靶）；l 加速电子的电位差（管电压）；l 高真空环境（减小电子能量损耗，避免氧化）。

X线发生装置，主要包括 X线管、变压器和操作台 48.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理玻璃外壳阴极阳极 发射电子的电子源，且能使电子聚焦后去撞击阳极，一般由发射电子的灯丝和聚焦电子的凹面阴极体组成阳极（anode）又称阳靶，功能是产生X射线，分为固定式和旋转式钨（74）、钼（42）阴极（cathode）除了初聚焦电子之外，还防止二次电子危害常用的阴极有圆焦点型和线焦点型58.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理 旋转式阳极是将阳极和阳极体做成圆盘状，并用小电机带动旋转（2800～8500转/分），可以使热量均匀分散到整个靶面上，避免局部过热旋转阳极的X射线管比固定阳极X射线管功率大得多 一般由原子序数较高的耐高温金属钨、钼制成为了散热，通常将阳极靶镶嵌在铜制衬底上固定阳极的X射线管仅适用于管电流较小、曝光时间较长的便携式牙科和骨科X光机中u 固定式阳极u 旋转式阳极68.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理 X射线的转换效率主要由两个因素决定：阳极材料的原子序数Z和自由电子本身的能量（管电压）8-1））阳极材料一般选择钨74转换效率的一般表达式为： X射线管中，阴极发射的热电子，经阴、阳两极间的电场加速后，电子速度非常高。

100KV管电压下，速度可达0.55c这么高速的电子流与靶物质相互作用，能量损失，速度骤减，相互作用十分复杂78.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理 一般，可以将电子的能量损失分为碰撞损失和辐射损失u 碰撞损失 指高速电子与目标物质原子核的外层电子作用而损失的能量，全部转化为热能u 辐射损失 指高速电子与原子核的内层电子或原子核相互作用而损失的能量，不足电子总能量的百分之一 辐射损失分轫致辐射（产生连续X射线）和标识辐射（产生标识X射线）88.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理u 经典电磁学理论的解释 当一个带电体在外电场中速度变化时，将向外辐射电磁波轫致辐射：高速电子在进入和离开原子核附近的强电场区域时，向外辐射电磁波而损失能量，电磁波的频率由损失能量决定电子的这种能量辐射叫轫致辐射 轫致辐射产生能量为hv的电磁波称为光子不同电子对应的辐射损失不同，大量的X光子组成具有频率连续的X光谱 （8-2） 短波极限波长对应的X光子能量最大，只与管电压有关98.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理标识辐射：原子核的核外电子处于不同能级：靠近原子核的电子，结合能大，定态能级低；离原子核较远的外层电子，结合能小，定态能级高。

当高速电子能量大于内层电子的结合能时，将以一定概率打出内层电子，成为自由电子（光电子），使原子内电子层出现空位按照能量分布最低原则，处于高能态的外层电子必然向内层跃迁填补空位在跃迁过程中，释放出的多余能量，以X射线辐射的形式表现出来，称为标识辐射标识辐射的特点：①标识X射线的波长仅取决于阳极靶物质（与其它因素无关）每一种元素的标识X射线的波长是固定不变的；②壳层越接近原子核，最低激发电压越大；③对于给定的靶产生的单色X射线，K系标识X射线的强度要比L、M等系的X射线强度大得多108.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理X射线谱相相对对强强度度0波波 长长150KV100KV60KV标识辐射标识辐射轫致辐射轫致辐射118.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理 管电压（KV）X射线光子相对数标识X射线（％）连续X射线（％）801090100198112024761502872表8.2 钨靶X射线固有滤过后产生的两种X射线比例128.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理u X射线管的焦点实际焦点：指灯丝发射的电子，经聚焦加速后，投射在阳极靶上的面积有效焦点：指实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投影的面积，即照射在胶片上的有效面积，也称为目视焦点。

电子束θbsinθaba阳极体阳极体实际焦点有效焦点实际焦点的大小直接影响X射线管的散热和影像的清晰度面积越大，对散热有利，但是，会降低影像的清晰度138.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理 实际应用中，两方面都需考虑：一般将阳极倾角选取在15o～19o左右 两个焦点都具有面积量纲，通过靶角θ建立关系靶角越小，有效焦点的长度越小，有效焦点的面积也越小可以通过缩短灯丝长度或减小θ角来缩小有效焦点，但是，温度又会快速上升u 焦点的面积u 焦点的方位特性 在X射线管中，投影方向不同，有效焦点尺寸也不一样一般，靠近阴极方向的焦点大，而靠近阳极方向的焦点小148.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理u 焦点的X射线强度 指单位时间X射线的量，由光子数和光子的平均能量决定 由于抵达靶面各处的电子密度不尽相同，而且靶面各处的单个X光子的能量千差万别，所以，X射线强度在焦点处的分布是不均匀的 X射线管的焦点面积、焦点面上强度分布，以及被摄部位与胶片间的距离，都对X射线影像的清晰度有影响 焦点面积越小、强度分布接近高斯分布（矩形分布次之）、被摄体与胶片距离越近，图像越清晰158.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理 指大量速度极高的电子打在阳极靶上将产生很多热量，允许产热（或能承受热量）的最大负荷量叫做X射线管的容量。

X射线管的容量通常用其最高管电压与管电流的乘积来表示： u X射线管的容量Ue为管电压有效值，单位为kV，I单位为mA，P为容量，单位为kW （8-3）168.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理X射线管容量的影响因素：l 实际焦点的大小：焦点大，容量大l 管电压的高低：电压小，容量大l 管电流的大小：电流小，容量大；l X射线管的连续使用时间：时间短，容量大l 焦点上电子分布的情况：分布均匀，容量大l 阳极的构造方式及冷却方式：倾角大，油冷却178.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理 指X射线在空间某一点的强度，是单位时间内通过单位横截面积的辐射能量，由每一个光子具有的能量大小和光子数的多少决定u X射线的强度 在医学应用中，常用X射线的量和质来表示X射线的强度1）对于单色X射线，强度为：（（8-4））2）对于复色X射线，强度为：（8-5）188.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理3）连续X射线的总强度为：（8-6） K为常数，约为1.1~1.4×10-9，m约等于2，Z为原子序数，i为管电流，U为管电压 在X射线诊断中，常用一种简便的近似方法表示强度： 在管电压固定时，用X射线管的管电流与照射时间的乘积来间接反映X射线的量，以毫安秒为单位。

用毫安数表示X射线的强度 目前测量X射线强度的较好方法是测定空气中产生电离电荷的多少，以此来反映X射线强度的大小198.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理 X射线的质一般用于表示X射线的硬度，即穿透物质的能力，与管电压与滤过有关u X射线的质 医学上，把X射线的硬度分为四类：极软、软、硬、极硬不同硬度的X射线用途各异， X射线影像使用前两种较软的X射线表8.3 X射线的硬度分类名称管电压（kV）最短波长（nm）主要用途极软X射线5~200.25~20.062软组织摄影、表皮治疗软X射线20~1000.062~20.012透视和摄影硬X射线100~2500.012~20.005较深组织治疗极硬X射线250以上0.005以下较深组织治疗208.2 X射线管的工作原理射线管的工作原理u X射线的滤过与硬化l 对于单色X射线，X光子能量相同，有相同的穿透本领，波长均匀，无须滤过l 医用X射线束是连续谱， 光子能量不同，频率也不同，需要滤过l 滤过作用有管壁的固有滤过和照射前的附加滤过附加滤过提高了X射线的有效能量，使线质变硬 管电压较低时，采用铝滤波板；管电压较高时，采用铜铝滤波板。

半价层指使X射线束的强度减弱为原来的一半时所需要的吸收层的厚度半价层越厚，表示X射线越硬硬X射线：高的管电压、选用原子序数较大的材料做阳极靶、选择原子序数较大和厚度较大的滤过板218.2 X射线的产生与传播射线的产生与传播 在阳极靶不同方位角，X射线的辐射强度是不同的，主要取决于入射电子能量、靶物质及靶厚度u X射线辐射场的角分布 对于薄靶，低能电子束产生的X射线强度分布，主要集中在与电子束垂直的方向上；而高能电子束产生的X射线集中向前方，X射线束变窄 对于厚靶（医疗诊断用），愈靠近阳极一侧， X射线辐射强度下降得越多而且，靶角越小，下降程度越大，产生所谓阳极效应228.3 X射线与物体的相互作用 X射线与物体相互作用时表现的衰减、穿透和滤过作用是X射线影像技术中需要考虑的因素8.3.1 微观作用机制 目前，在X射线诊断技术中，其能量范围是10KeV～300KeV，属于低能范畴在低能范围时，X射线与物质相互作用的主要形式为光电效应和康普顿散射通常光子能量在0.01~10MeV范围内，光子与物质作用的三种形式都存在当能量在0.8~4.0MeV时，康普顿散射占主导地位；光子能量在0.01～0.8MeV时，光电效应占主导地位；在4.0～10MeV时，电子对效应占优势。

23 指入射光子的能量完全被原子吸收：一部分用来克服电子的结合能；一部分转化为电子的动能新的光电子的动能等于入射光电子的能量减去该出射光电子在原来原子壳层中的结合能入射光子能量若低于该结合能时，不会发生（内）光电效应u 光电效应（光电子吸收）8.3 X射线与物体的相互作用 生物组织中，多数原子K层电子的结合能为0.5KeV，而X射线影像技术中X射线的能量为10~100keV之间，完全可以发生光电效应入射光子入射光子原子原子电子电子光子光子光电子吸收示意图光电子吸收示意图强结合能强结合能24 指入射光子在自由电子上的非弹性碰撞，一般发生于入射光子的能量比电子在原子核中的结合能大得多情况入射光子与电子碰撞后，将产生散射康普顿散射的发生概率与单位面积内的电子总数成正比康普顿散射在原子序数高的物质中发生的可能性大 u 康普顿散射8.3 X射线与物体的相互作用康普顿散射示意图入射光子入射光子原子核原子核电子电子弱结合能弱结合能散射光子散射光子动能25 理想情况下（在均均匀匀介介质质中），单单能能窄窄束束X射线在物质中的衰减可以表示为：（8-7）u X射线的衰减I0是入射X射线强度，I是穿透厚度为x的均匀物质后X射线的强度，µ为线性衰减系数，与物质的密度成正比。

X射线在物质内传播过程中的强度减弱，由扩散衰减（能量的分散）和吸收衰减（与物质的相互作用）引起8.3 X射线与物体的相互作用 如果用质量衰减系数表示，也可以表示为：（8-8）式中，µm= µ/ ρ为质量衰减系数，Xm=X· ρ是质量厚度26各部分的元素组成也不尽相同，比如：软组织中的水占75％，蛋白质和脂肪、碳水化合物占23％，K、Na、Cl、Fe等元素占2％，所以，人体中物质与X射线的相互作用比较复杂 实际情况中，医用X射线不是单能窄束，人体也不是单一物质骨骼软组织肺消化道腔体内气体8.3 X射线与物体的相互作用这样，混合物的衰减系数为：（8-9）式中，µmi是组成混合物各元素的质量衰减系数，Pi表示第i种元素在混合物中的质量比例高原子序数的物质对X射线有较强的衰减，对于混合物，常用有有效效原原子子序序数数来描述对X射线的衰减27混合物的有效原子序数为：（8-10） 式中，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 一般常用水来代表人体中的低原子序数物质（如肌肉、脂肪、体液等）；用钙代表中等原子序数物质（如骨骼）；阳性造影剂（碘化钠）为高原子序数物质。

8.3 X射线与物体的相互作用光电效应作用的百分数X射线能量（KeV）水（Z＝7.4）骨（ Z＝13.8 ）碘化纳（ Z＝49.8 ）206.589946073195100298828 这样，X射线通过人体的衰减公式，可以修正为：（8-11）此式又称为单能宽束X射线衰减公式式中，B为积累因子，µ’为被检物质的有效线性衰减系数，d为被检物质的厚度8.3 X射线与物体的相互作用X射线衰减需要考虑的因素：① X射线的软、硬② 物质的原子序数③ 物质的密度④ 每千克物质所含电子数 一般而言，入射光子能量越小，吸收物质的密度越大，原子序数越高，每千克电子数越多时，衰减越大298.4 8.4 X射线透视射线透视 应用荧光屏来观察X射线穿透人体影像的检查方法称为X射线透视（X-ray fluoroscopy ） 人体各组织、器官在密度、厚度等方面存在差异，对X射线的衰减不同，可在荧光屏上形成由明暗不同的点构成的影像如果投照厚度一定，则荧光屏上暗的地方表明对应人体组织器官密度高，X射线吸收多，亮的地方表示组织器官密度低，X射线吸收少医生根据解剖学和病理学知识，分析影像，判断该组织器官的形态和功能。

u 工作原理308.4 8.4 X射线透视射线透视 X射线管和荧光屏装在一个C形臂的两端荧光屏由荧光纸、铅玻璃和薄胶合板组成，装于一个框架中薄胶合板在荧光纸之前，保护荧光纸；铅玻璃防止X射线对工作人员的伤害；荧光纸在二者之间，纸面涂有荧光物质u 基本结构 普通X射线透视简单、方便、费用低廉，但是存在一些局限和不足：l 被检者和医生不可避免地受到X射线的剂量辐射；l 不能留下客观记载；l 两次影像转换（X射线影像→荧光屏→人眼），容易使图像不清楚318.4 8.4 X射线透视射线透视 为了提高X射线透视的影像亮度，50年代研制出了第一代X射线影像增强器，80年代研制出第二代X射线影像增强器－平板型影像增强管 第一代影像增强器：光电变换→电子透镜聚焦→电光转换第二代影像增强器：光电变换→加速→电光转换→光电变换→加速→电光转换 影像增强器提高了影像的亮度，使X射线电视、电影、磁带录像和遥控得以实现，摆脱了暗室操作，为隔室操作、会诊、教学提供了条件，也使X射线影像的存储方式发生了变革 328.5 X射线摄影射线摄影 透过人体的X射线作用在胶片上，各组织器官对X射线的衰减不同，对胶片的感光程度不同，形成X射线投影像。

X射线胶片的感光度较高，需要的X射线剂量比透视少很多，可以比透视显示更细微的病变，可以长时间保存，并可走出暗室，在日光下读片但是，X射线摄影不能现场直接观察，需要在暗室显影、定影处理后，才能获得人眼可以观察的影像 X射线摄影与传统相机摄影原理有一些稍微不同：u 普通X射线摄影l 与普通光源相比，胶片对X射线（透射性）的感光效果要差，所以，X射线胶片的感光层涂得厚l X摄影的曝光量比普通光摄影大l 尽管银离子的线度为1µm，胶片上实际感光颗粒大小为100～200µm338.5 X射线摄影射线摄影 X摄影胶片上影像的黑白与荧光屏上影像的明暗正好相反：在透视荧光屏上，骨骼部位是暗的，在摄影胶片上，骨骼部位是淡色的高密高密组织组织低密低密组织组织X射线束射线束摄影摄影透视透视相同厚度相同厚度不同密度不同密度相同密度相同密度不同厚度不同厚度X射线束射线束厚厚薄薄348.5 X射线摄影射线摄影 在实际的X射线摄影中，可以采用增感屏来增大胶片的感光，缩短曝光时间，提高影像清晰度：金属增感屏（质量好） VS荧光增感屏 (速度快) VS 金属荧光增感屏u 特殊X射线摄影l 软X射线摄影 发射管电压在40kV以下的低能量X射线，主要用来提高密度相差不大的肌肉、脂肪等软组织之间的对比度；358.5 X射线摄影射线摄影 指使用高于120kV管电压产生的X射线进行检查。

适用于胸部，可以减少与骨骼重叠的软组织的图像模糊l 高千伏X射线摄影 通过X射线管焦点、肢体和胶片之间的协调匀速运动，起到突出选定层，模糊其他层的效果 指将某种造影剂引入欲检查的器官内或者周围，使器官与周围组织形成明显的密度差异，从而提高它们之间的影像对比度l 体层X射线摄影 l X射线造影摄影36。