医学影像物理学复习整理NEW

医学影像物理学复习整理

(四种成像技术的物理原理，基本思想等)

第一章：X射线物理

第一节：X射线的产生

医学成像用的X射线辐射源都是利用高速运动的电子撞击靶物质而产生的。

1.产生X射线的四个条件：

（1）电子源

（2）高速电子流（包括高电压产生的强电场和高度真空的空间）

（3）阳极靶

2.X射线管结构及其作用（阴极，阳极，玻璃壁）

（1）阴极：包括灯丝，聚焦杯，灯丝为电子源，聚焦杯调节电流束斑大小和电子发射方向。（2）阳极：接收阴极发出的电子；为X射线管的靶提供机械支撑；是良好的热辐射体。（3）玻璃壁：提供真空环境。

3.a.实际焦点：灯丝发射的电子，经聚焦加速后撞击在阳极靶上的面积称为实际焦点。

b.有效焦点：X射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投影的面积，称为有效焦点。

c.有效焦点的面积为实际焦点面积的sinθ倍。(θ为靶与竖直方向的夹角)

补充：影响焦点大小的因素有哪些？

答：灯丝的形状、大小及在阴极体中的位置、管电流、管电压和阳极的靶角θ有关。管电流升高，焦点变大；管电压升高，焦点变小。

4.碰撞损失：电子与原子外层电子作用而损失的能量。

5.辐射损失：电子与原子内层电子或原子核作用而损失的能量。

.a.标识辐射（特征辐射）：高速电子与原子内层电子发生相互作用，将能量转化为标识辐射。

b.韧致辐射：高速电子与靶原子核发生相互作用，将能量转化为韧致辐射。

6. a. 连续X射线

短波极限(λmin)：连续X射线强度是随波长的变化而连续变化的，每条曲线有一个峰值，曲线在波长增加方向上无限延展，但强度越来越弱，在波长减小的方向上，曲线都存在一个最短波长，称短波极限。

光子能量的最大极限(hv max)等于入射电子在X射线管加速电场中所获得的能量eU，即光子最短波长为：λmin=1.24/U（nm）。连续X射线的短波极限只与管电压有关。且与其成反比。最大光子能量对应的光子最短波长。

b.特征X射线

产生条件：管电压U满足入射电子动能>靶原子某一壳层电子结合能

7.X射线的产生机制：电子与物质的相互作用，X射线是高速运动的电子在与物质相互作用

中产生的。韧致辐射是产生连续X射线的机制。

影响X射线能谱的大小和相对位置的因素：

管电流——能谱幅度

管电压——能谱幅度和位置

附加滤过——能谱幅度，在低能时更加有效

靶材料——能谱幅度和特征X射线位置

电压波形——能谱幅度，在高能时更加有效

第二节：X射线辐射场的空间分布

1.X射线强度：X射线在空间某一点的强度是指单位时间内通过垂直于X射线传播方向上的

单位面积上的光子数量与能量乘积的总和。

补充：X射线强度是由光子数量和光子能量两个因素决定。

2. X射线的量与质

X射线的质(x-ray quality)又称线质，表示X射线的硬度，即穿透物质本领的大小。与光子能量有关。由管电压和滤过间接表示。通常以千伏数（kV）为单位。

X射线的量(x-ray quantity)决定于X射线束中的光子数。由管电流与照射时间间接表示通常以毫安秒(mA?s)为单位。

3．各种因素对X射线强度的影响

影响因素（增加）X射线的质X射线的量

毫安秒不变增加

管电压增加增加

靶原子序数增加增加

附加滤过增加降低

距离不变降低

电压脉动降低降低

管电流不变增加

第三节：X射线与物质的相互作用

1.X射线与物质三种作用形式：光电效应，康普顿效应，电子对效应

2.光电效应：能量为hv的X射线光子通过物质时，与物质原子的轨道电子发生相互作用，

把全部能量传递给这个电子，光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子（光电子）；原子的电子轨道出现一个空位而处于激发状态，他将通过发射标识X射线或俄歇电子的形式很快回到基态，这个过程成为光电效应。

补充：产生条件：入射光子、轨道电子、相互作用能量守恒hv=Ee+Eb. Ee:光电子的动能,Eb:原子第i层电子的结合能，光电质量衰减系数与Z的3次方成正比，随原子序数的增大，光电效应的发生概率迅速增加。

3.诊断放射学中的光电效应：

利：能产生质量好的影像，原因是：（1）不产生散射线，减少照片灰雾（2）可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别，产生高对比度的X射线照片，对提高诊断的准确性有好处。

弊：入射X射线通过光电效应可全部被人体吸收，增加了受检者的剂量。

4.康普顿效应:当入射X 射线光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失一部

分能量，并改变运动方向，电子获得能量而脱离原子，这个过程成为康普顿效应。

5.诊断放射学中的康普顿效应：散射线增加了照片灰雾，降低了影像的对比度，但与光电

效应相比受检者的剂量较低。散射较强，医生和技术人员应注意防护。

6.电子对效应:当X 射线光子从原子核旁经过时，在原子核库伦场的作用下形成一对正负

电子，此过程称为电子对效应。产生条件：hv=E++E-+2mec2

7.各种相互作用的相对重要性：光子能量处于10keV——100MeV能量范围的低能端部分，

光电效应占优势；中间部分，康普顿效应占优势；高能端部分电子对效应占优势。8．X射线的基本特征

（1）X射线的穿透作用（2）荧光作用（3）电离作用（4）热作用（5）化学和生物效应

*X射线的穿透作用是X射线医学影像学的基础。

第四节：X射线在物质中的衰减

包括距离所致的衰减（扩散衰减）和物质所致的衰减（吸收衰减）

X射线强度衰减的平方反比定律：X射线点源在向空间各方向辐射时，若不考虑物质的吸收，与普通点光源一样，在半径不同球面上的X射线强度与距离（即半径）的平方成反比。

一、单能X射线在物质中的衰减规律

1. 单能窄束X射线在物质中的衰减规律

半价层(half-value layer,HVL) ：X射线强度衰减到其初始值一半时所需某种物质的衰减厚度。

宽束X射线:含有散射线成分的X射线束。

积累因子B：表示在物质中所考虑的那一点的光子计数率与未经相互作用原射线光子计数率之比。

二、连续X射线在物质中的衰减规律

决定X射线衰减程度的因素：X射线本身的性质，物质的密度，原子序数，每千克物质含有电子数。

三、X射线的滤过

滤过：X射线管出口放置一定均匀厚度的金属，预先把X射线束中的低能成分吸收掉，将X射线的平均能量提高，这种过程就是所谓滤过。

铝当量（mm Al）：是指一定厚度的铝板与其它滤过材料相比，对X射线具有相同的衰减效果，此铝板厚度就是该滤过材料的铝当量。

实际滤过板可选择某种物质使它通过光电效应大量吸收低能成分，而高能成分通过时仅有极少量的康普顿散射吸收和光电效应吸收，绝大部分高能射线可通过。

理想滤过板

低能成分全部吸收

高能成分全部透过

单能X射线由于具有同样的穿透本领，无需滤过，其线质可用X射线光子的能量或半价层表示。但对连续X射线来说，光子能量不同，当通过滤过物质后，能量分布有不同的变化，要描述它的线质比较困难。在不需严格的能谱分析情况下，通常可用半价层、有效能量等表示。

三、化合物的有效原子序数

是指在相同照射下，1kg混合物或化合物与1kg单元素物质所吸收的辐射相同时，此元素的原子序数就称为化合物的有效原子序数。

康普顿散射占优势时，电子密度成为衰减的主要因素。

四、X射线在人体内的衰减

人体各种组织器官的密度，有效原子序数，厚度不同，对X射线的吸收程度各不一样。当X射线穿过人体组织，由于透过量不同，从而形成带有信息的X射线影像，这种影像是肉眼看不见的，当它到达荧光屏或X射线胶片时，将不可见的X射线影像变为可见光影像。观察分析这种深浅不同的影像，就能帮助判断人体各部分组织器官的正常或病理的形态，