医用X射线机 系统 复习总结 2012.12 朱秀委， 668282 xiuwei_zhu / xiuwei_zhu 课程成绩 卷面题型 章节分布 课程主要内容 n X射线及其成像基本原理 n X射线机系统构成与应用 n X射线管 n 高压发生装置 n 数字化探测器 n 辅助装置 n 临床应用 第二章 X射线及其成像基本原 理 第一节 X射线的本质 第二节 X射线的效应 第三节 X射线与物质的相互作用 第四节 X射线的产生 第五节 X射线成像的过程及其影响因素 n波粒二象性 n干涉，衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波； n光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一 种粒子； n正确理解波粒二象性 个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往 表现为波动性. 高的光子容易表现出粒子性；低的光子容易表现出波动性. 光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现 为 粒子性. 由光子的能量E=h，光子的动量表示式也可以看出，光的波动性 和 粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有 表 示波的特征的物理量频率和波长. n粒子性 X光子的能量决定了其穿透能力，生物效应与此相关。 X射线的波长范围为：0.01100埃。 医用X射线波段为：0.011埃， 其中诊断为0.11埃，治疗为0.010.1埃。 物理效应 n穿透作用：X射线穿过物体时不被吸收的本领 n影响因素： X射线能量；物质本身结构和原子性质 n因此： 光子能量越大，X射线波长越短，穿透率越强; 物质原子序数高、密度大，吸收多，则穿透弱 物理效应 n荧光效应 某些荧光物质受到X射线照射后，物 质原子发生电离或被激发处于受激状态。当被 激发的原子恢复到基态时，电子能级跃迁发出 可见光和紫外光，即荧光 n影响因素： X射线强弱 物质本身特性 物理效应 n电离作用：物质受到X射线照射，原 子核外电子脱离原子轨道，称为电离 作用。 物理效应 n热作用 : 吸收X射线能量最终大部分转换为热能 n干涉、衍射、反射、折射作用 与可见光类似 化学效应 n感光作用: X射线照射使得目标物质感光 其实还是利用电离作用，使卤化银发生光化学反应，沉淀 出 银颗粒。 n用于X射线摄影和工业探伤等 n着色作用: 脱水作用 生物效应 n生物细胞经一定量X射线照射后，可以产 生生长抑制、损伤甚至坏死，即为X射线 的生物效应。 n随机效应 致癌效应和遗传效应,与剂量无关 n非随机效应 剂量存在阈值,血液和造血器官变 化 生物效应 nX射线对人体不同组织的破坏作用不同。 n生长力强和分裂活动快的组织，对X射线 越敏感。 n神经、淋巴、生殖系统、肿瘤等。 n生物效应归根结底也是电离作用。 第三节 X射线与物质的相互 作用 n与原子中的电子、原子核、带电粒子 的电场以及原子核的介子场发生相互 作用。 n与大小近似于其波长的结构发生作用 低能X射线 整个原子作用 中能量X射线 电子云作用 高能X射线 原子核作用 X线与物质相互作用的特点 1、吸收与物质的光学性质无关（体现粒子 性） 2、作用的原子性（微观范围） 3、每次作用光子损失大部或全部的能量 4、作用过程的复杂性 X射线与物质作用的类型 最主要有四种作用： 光电效应（吸收） 康普顿效应（非弹性散射 ） 电子对效应（吸收） 瑞利散射（弹性散射 ） 光电效应 （一）产物 特征特征X X线、光电线、光电 子和俄歇电子子和俄歇电子 （二）发生条件 hW+E hW 概念：X X线光子与原子线光子与原子内层电子作用，将电子作用，将 其其全部全部能量交给轨道电子，电子获得能量后能量交给轨道电子，电子获得能量后 脱离轨道飞出。脱离轨道飞出。 （三）光电效应发生的几率 相关因素： a、光子能量 h b、原子序数 Z c、轨道电子结合能 W hWhW时，产生光电效应时，产生光电效应 在能发生光电效应的前提下（hW）： 1、X线光子能量稍大于轨道电子结合能时，最 易发生光电效应（对应有临界波长） 2、发生几率反比于光子能量三次方 光1/（h）3 3、发生几率正比于电子的结合能 光W （1）内层电子比外层电子更易发生光电效应 （2）高Z比低Z更易发生光电效应 （3）低能X线：光Z4 高能X线、高Z： 光Z5 （四）光电效应产生的特征X线 人体各组织在X线照射下，发生光电 效应所产生的特征X线，为低能长波，将 全部被自身吸收。 人体组织中：Ca （20） 4keV 人工造影剂：I （53） 33.2keV Ba（56） 37.4keV 诊断X线：20100keV （五）光电效应对照片质量的影响 有利于提高照片质量 （1）能量全转化、全吸收，无散射线，减少照 片灰雾 （2） 光Zn，指数级正比例关系，增强天然组 织间对比 n全部吸收，诱发生物损伤 （六）光电效应对被检者的影响 乳腺X摄影 康普顿效应 概念：光子与原子的外层轨道电子作用时， 交给轨道电子部分能量后，改变频率和方向 散射，而轨道电子脱离原子轨道射出。 （一）产物：反冲电子和散射光子 (二) 发生条件： h W 光电效应与康普顿效应的比较 1、作用对象不同：内层电子/外层电子 2、作用条件不同：稍大于W/远大于W 3、对光子能量的吸收程度不同：全部吸收/少量吸 收 4、能量分配不同：特征X线/散射X线 5、对照片质量的影响不同：增强对比/降低对比 6、对被检者的危害程度不同：危害大/危害小 电子对效应 概念：在原子核电场或电子场中，一个入射光 子突然消失而转化为一对正、负电子 （一）产物：正、负电子 （二）发生条件：光子能量极高 n核电场：E光1.02MeV（对应2个电子的静止质量 ） n电子场：E光2.04MeV（对应4个电子的静止质量 ） n核电场发生几率电子场发生几率 （三）在诊断X线范围内，电子对效应一般不 可能出现 1.02M eV1020k eV 诊断X线管电压：30150kV n光电效应 n康普顿效应 n电子对效应 X射线的衰减规律：I: 衰减后强度 I0：入射强度 u：衰减系数 x：穿过的距离 不同的作用， 不同的u值。 （二）原子序数Z和光子能量h与三种基本作用 的关系 光子能量范围 0.01MeV100MeV时，三种基本作用为 ： 光电效应 康普顿效应 电子对效应 *临界元素Z：对应一定h，两种效应几率相等的Z 1、光子能量低于0.8MeV时，光电效应和康 普顿效应同时发生 2、光子能量在0.84MeV时，无论原子序数 多少及光子能量如何变化，康普顿效应都 占主导地位。 3、光子能量大于4MeV时，康普顿效应和电 子对效应同时发生 （三）在诊断X线中各种基本作用发生的相 对几率 1、诊断X线范围多在20100keV，此时电 子对效应不可能发生 2、（诊断意义上）X线与物质的基本作用 有三种：光电效应、康普顿效应和相干散 射，前两种占主导 3、光电效应和康普顿效应的发生几率同组织Z有关 水（软组织）/低Z：低能光电效应占优；高能康普顿效应占 优 骨骼/较高Z：低能光电效应占优；高能康普顿效应占优 碘化钠/极高Z：能量范围内光电效应全程占优 B X线的减弱规律 （一）X线强度减弱的两种方式 1、距离所致的减弱： I1/r2 2、物质所致的减弱： a、光子能量 b、原子序数 c、物质密度 d、每克电子数 （二）（吸收物质）影响X线减弱的因 素 1、光子能量h 光子能量，透过量 2、原子序数Z 低Z物质，光子能量 ，透过量 高Z物质，光子能量 ，透过量还可能 3、物质密度d 衰减强度密度 （四）物质对连续X线的吸收规律 （1）各能谱成分吸收速率不一样，总吸收 不遵循指数衰减规律。 （2）连续X线通过吸收体以后，强度减少 ，能谱变窄。 （3）平均能量越高，减弱速率越小。 吸收体厚度递增， X线穿透后： 能谱变窄；高端能量不变；低端能量下降 ABCD n连续X线依次通过1cm水后： 平均能量越来越高 强度衰减率越来越小 能谱变窄，低端能量提升 射线硬化 n物质对连续X线的吸收难以定量分析 第四节 X射线的产生 n原理：在真空中的X射线管内，用高速运 动的电子束撞击靶材，电子因突然受阻而 转换为具有相应能量的X射线光子。 高速运动的电子流 射线 X 射线 中子流 高能 辐射流 在突然被减速时均 能产生X射线 X射线的产生 结构：结构： a)a)电子源电子源 阴极：产生电子，与温度有关阴极：产生电子，与温度有关 b)b)电子加速通道电子加速通道 高压装置：真空强电场高压装置：真空强电场 c)c)靶材靶材 阳极：经受电子撞击产生阳极：经受电子撞击产生X X射线射线 X射线的产生 说明： （一）电子动能转变为X射线的能量不到 1%，99% 以上都转变为热能，使阳极温度升高。因此 被轰击区域应用熔点高的物质钨来作； 根据功率的不同采用散热片、通风冷却、 阳极作成中空用水或油循环冷却； 铜圆柱 钨板 电子束 X射线的产生 旋转阳极 电子束 大功率的X射线管，多采用旋转阳极 （二） 理论和实验表明，靶Z越大，发生X 射线的 效率越高。 钨Z=74 X射线的产生 （三）实际焦点与有效焦点 实际焦点：灯 丝发射的电子 ，经聚焦加速 后，投射到阳 极靶上的积。 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。 c d a b 电子束 X射线的产生 （三）实际焦点与有效焦点 实际焦点愈大X射线管的散热愈好；有 效焦点愈小，所成的像愈清晰。 长灯丝形成的焦点叫大焦点，治疗用。 短灯丝形成的焦点叫小焦点，诊断用。 X射线管 电子枪：产生电子并将电子束聚 焦，钨丝烧成螺旋式，通以电流 钨丝烧热放出自由电子。 金属靶：发射x射线，阳极靶通常 由传热性好熔点较高的金属材料 制成，如铜、钻、镍、铁、铝等 。 X射线产生的物理过程 改变管电流 改变管电压 控制强度的方法 X射线强度的表示：管电流的mA数。 用管电流的毫安数（mA）和辐射时间（s）的乘积 表示X射线的总辐射量， 单位：mAs 通常采用的方法是： 在管电压保持一定的条件下，通过调节管电流 来控制X射线的强度。 X射线产生的物理过程 n(3) 电子束作用于靶面 高速电子打到靶材，与靶原子发生作用，使得 靶材上电子产生跃迁并产生X射线。 这些作用又分为4个并行、独立的物理过程： 电离过程 激发过程 弹性散射 轫致辐射 X射线产生的物理过程 电离过程 原子的外层价电子或内层电子，在高速电子作用下脱 离原子轨道，使原子变成离子的过程。 电离过程向外发射2种光谱： （1）低能光谱：紫外、可见、红外，被阳极吸收； （2）高能光谱：X射线 X射线产生的物理过程 激发过程 高速电子（或二次电子）将原子外层电子推入高能级 的空壳层，使原子处于激发态的过程。 处于激发态的原子发射光学光谱，这些能量导致固体分 子热