医学影像成像原理

Z4、1/（hν）3 、 边界吸收
康普顿效应 hv >> Ei 每克电子数、1/hν
电子对效应 hv ≥ 2mc2 Z2 、原子密度n
光核反应 hv 极高
五、 X线成像中各种作用发生的概率
结论：
光子能量较低时,几乎所有元素都以光电效应为 主
光子能量在0.8～4MeV时，无论Z多大，康普顿 效应都占主导地位
光子能量>5MeV时电子对效应占优势 在20～100keV的诊断X线范围内，光电效应和
康普顿效应是重要的，相干散射概率低，电子 对效应不可能发生
X线成像中作用几率与有效原子序数和能量的关系
X线能 量keV
水（7.4）
光 电 康普顿 （%） （%）
骨（13.8）
光 电 康普顿 （%） （%）
X线强度衰减原因？
休息片刻
碘化钠（49.8）
光电 （%）
康普顿（%）
20 70 30 89 11 94 6
60 7 93 31 69 95 5
100 1 99 9 91 88 12
X线成像中各种作用
对Z较低的软组织，在射线能量很低时光电效应为主 低能光子对高Z吸收物质，光电效应是主要作用形式，
它能使照片产生很好对比度，但会增加被检者的X线 剂量。 康普顿效应是X线在人体内最常发生的作用，是X线 诊断中散射线的最主要来源
3、光电效应发生的概率：
m

c1 A
Z 4 3
光子能量与电子结合能相近
光子能量与光电效应
K （88KeV）
- L （10KeV） ---
--
--
--
-
-
12 90 30
0
10Ke V
铅原子光电吸收
4、原子边界限吸收效应
光 电
L限
质 量
K限
衰
减
系
数
水和铅光电吸收情况 随光子能量变化
1 10
100 100 0
结论：散射线的频率与X射线频率一致
康普顿解释：X光子具有能量、动量
产生条件： h v >> EB
散射光子
φ
-
θ
--
-
-
-
- +++ -
-
-
-
--
反冲电子
结果：入射光子的能量被部分吸收，方向与
X光子与电子发生弹性碰撞:
h v >> EB
e
自由 电子
静止 电子
质量 h v/c2 速度 C
能量 h v 动量 h/λ
me
0
mec2 h/λ
定量计算
光子 0
y
电子
m0
v0 0
光子 h
j
c
x

电子 mv
p1

h c
n
j
p1

h 0
c
n0


p2 mv
光子
e 电子
撞前
E1

h o ,
p1

h 0
c
no
E2 moc2
p2 0
撞后
E1 h
E2 mc 2
p1

h
c
n
p2 mv
第二节 X线与物质的相互作用
冯发文
一、光电效应
产生条件： h v > EB
E光电子= h v - EB
光电子
-
--
T-
-
-
- +++ -
标识辐射
-
-
俄歇电子
--
-
结果：入射光子的能量被
内层电子完全吸收
1、光电效应的实质：
物质原子吸收X线能产生电离
2、产生的次级粒子： 负离子（光电子、俄歇电子） 正离子（失去电子的原子） X光子（标识辐射）


p2 mv
康普顿公式
0 c (1 cosj )
理论结果与实验相符，康普顿获1927年诺贝尔物理奖
•证实光子具有质量、能量、动量---光具有粒子性 •证明了爱因斯坦光子理论的正确性 • 证明了能量守恒、动量守恒定律的普适性



为什么有的X光子波长并未改变？
思考题：
X先检查中摆位时及关机后有无X线？ X线可以转弯吗？ X线为什么不能穿过铅玻璃，而可见光可以？ X线可以穿过人体、木材、纸，而可见光不能？ 无线电可以穿墙入室，而X线不能穿过墙体？ 手机放在文具盒（铁皮）里的能否收到信号，
X线可以穿过吗？
…
电磁波与物质的相互作用
射

线
散射体
源

光子与离子实
光子
-
+++ -
-
离子实
3、康普顿效应发生的概率：
康普效应的概率： σm= λ*（ z *c/A）
其中z *c/A 为：每克电子数 除氢外几乎相等
4、康普顿效应在X成像中的影响
增加照片灰雾度 散射线防护 与光电效应相比受检者剂量较低
康普顿效应解释（光量子理论）
防护材料造影剂选取的依据
光子能量 KeV
5、光电效应中的标识辐射
与x线产生中标识辐射的区别？ 标识辐射与原子序数有关 碘：33.2kev 钡：37.4kev 钙：4kev
6、光电效应在X线成像中作用
有利：
无散射线、减少照片灰雾 完全被人体吸收，产生差异
有害：
增加辐射剂量
X光子与电子发生碰撞
ຫໍສະໝຸດ Baidu
建立方程
由能量守恒： h 0 m0c2 h mc 2
动量守恒：
h 0
c
no

h
c
n mv
余弦定理：
m2v2

( h 0
)2

( h
)2

2( h 0
)( h

) cos j
c
c
cc
质速关系：
p1

h c
n
m m0

1 (v )2
c
j
p1

h 0
c
n0
电磁辐射分类：
γ = 伽马射线 X射线: HX = 硬X射线 SX = 软X射线 紫外线: EUV = 极端紫外线 NUV = 近紫外线 红外线: NIR = 近红外线 MIR =中红外线 FIR = 远红外线 微波: EHF = 极高频 SHF = 超高频 UHF = 特高频 无线电波: VHF = 甚高频 HF = 高频 MF = 中频 LF = 低频 VLF = 甚低频 ULF = 特低频 ELF = 极低频
e
h v >= EB h v >> EB
非弹性碰撞
?
光电效应
二、康普顿效应
1、康普顿效应的发现： 发现X光子散射后频率改变 吴有训实验论证
~ j 实验



波长偏移量

射

散射角
线
散射体
源

2、康普顿效应的解释
经典理论电磁理论
物质中的电子X射线的电场作用下受迫振动，而向周围 辐射同频率的电磁波的过程
X光子与外层电子和离子实发生弹性碰撞
外层电子
散射光子能量减低波长增加
离子实
能量不变波长不变
三、 电子对效应
-
+ +
-
光子能量hv ≥ 2mec2 =1.02MeV
四、其它作用
相干散射 光核反应等
第二节 X光子与原子碰撞
发生条件
发生概率因素
相干散射 hv < Ei Z、1/hν
光电效应 hv ≥ Ei