X射线成像原理..

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8.2 X射线管的工作原理
X射线的强度
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。 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：
I N hv
2）对于复色X射线，强度为：
（8-4）
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8.2 X射线管的工作原理
X射线管容量的影响因素：
实际焦点的大小：焦点大，容量大。 管电压的高低：电压小，容量大。 管电流的大小：电流小，容量大； X射线管的连续使用时间：时间短，容量大。 焦点上电子分布的情况：分布均匀，容量大。 阳极的构造方式及冷却方式：倾角大，油冷却。
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8.2 X射线管的工作原理
固定式阳极
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。
旋转式阳极
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。
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。
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8.2 X射线管的工作原理
焦点的面积
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。
150
28
72
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8.2 X射线管的工作原理
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。
实际焦点 电子束
阳极体 θ 有效焦点 bsinθ a
a
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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。
Itotal Ni hvi
（8-5）
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8.2 X射线管的工作原理
3）连续X射线的总强度为：
Itotal K Z i U
m
（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。
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8.2 X射线管的工作原理
X射线的质
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。
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
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8.2 X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。
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。
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）。
生物效应：损伤细胞、放射治疗（注意防护）。
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8.2 X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： 电子源发射电子（阴极）；
受电子轰击而辐射X射线的物体（阳极靶）； 加速电子的电位差（管电压）；
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。
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8.2 X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）。 转换效率的一般表达式为：
1.4 10 ZV
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（8-1）
阳极材料一般选择钨74。 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。
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。
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。
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8.2 X射线管的工作原理
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。
诊断用的 X 射线波长一般在 0.008～0.031nm。
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8.1 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：
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。
X射线不带电，不受外界磁场和电场的影响。
穿透性： X射线对大多数物质是透明或半透明的。
荧光效应：透视检查的基础。 电离效应：使空气产生正、负离子（测量依据）。 摄影效应：可以使涂有卤化银的胶片感光。
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8.3 X射线与物体的相互作用
光电效应（光电子吸收）
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。 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。 原子 强结合能 入射光子 电子 光子 光电子吸收示意图
min
12.4 ( nm) U
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短波极限波长对应的X光子能量最大，只与管电压有关。
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8.2 X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。
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8.2 X射线管的工作原理
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。 玻璃外壳 阴极 阳极
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。
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8.2 X射线管的工作原理
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。
极软X射线
软X射线 硬X射线
5~20
20~100 100~250
0.25~20.062
0.062~20.012 0.012~20.005
软组织摄影、表皮治疗
透视和摄影 较深组织治疗
极硬X射线
250以上
0.005以下
较深组织治疗
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8.2 X射线管的工作原理
X射线的滤过与硬化
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。 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。 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。
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电子
8.3 X射线与物体的相互作用
X射线的衰减
理想情况下（在均匀介质中），单能窄束 X 射线在物质中 的衰减可以表示为：
I I0e x
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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。
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8.2 X射线的产生与传播
X射线辐射场的角分布
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。
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。
第八章
X射线成像原理
8.1 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。 易透射性组织 气体、脂肪组织 中等透射性组织 结缔组织、肌肉组 织、软骨、血液 不易透射性组织 骨骼
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8.2 X射线管的工作原理
X射线谱 轫致辐射 相 对 强 度
60KV
标识辐射
150KV 100KV
0
波长
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8.2 X射线管的工作原理
表8.2 钨靶X射线固有滤过后产生的两种X射线比例 X射线光子相对数
管电压（KV）
80 100 120
标识X射线（％）
10 19 24
连续X射线（％）
90 81 76
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8.3 X射线与物体的相互作用
康普顿散射
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。 弱结合能 入射光子 原子核 动能 散射光子 康普顿散射示意图
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8.2 X射线管的工作原理
X射线管的容量
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：
Ue I P 1000
（8-3）
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。