影像物理学

轨道电子从外层向内层的跃迁产生了特征X射线。由于不同原子的结合能不同，其产生的特征X射线 的能量也千差万别。 4、影响X射线发射谱的因素 从阴极射向阳极的加速电子不是都具有峰值动能 诊断X射线管靶相对比较厚 低能X射线更容易被靶自身吸收 4 附加过滤器滤掉低能X射线。 X射线波长的分类及应用：
Z3 3 （h）
3、光电子的角分布
相对于X射线光子的入射方向，光
电子沿不同角度方向运动概率不同，形成所谓角分布。设 β 是光电子速度与光速之比。光电子的角分布如图;
4、放射诊断学中的光电效应 有利的方面：能产生好的影像X射线不产生散射，大大减 少了照片的灰雾可以增加人体组织和造影剂对射线的吸 收差别，产生高对比度的照片，对提高诊断的准确性有好 处。钼靶乳腺X射线摄影就是利用低能X射线在软组织中因 光电吸收明显的差别产生高对比照片的。 有害的方面：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。因此，除乳腺摄影外，都采用高千 伏X射线摄影，以减少光电效应吸收而降低吸收剂量。
一、主要内容：1、各种医学成像的辐射波（X射线、γ射线、射频
波、 红外线、超声波等）：产生、性能、特点；产生装置的设计原理；辐 射波与人体组织相互的物理机制 2、各种成像的物理原理：辐射波形成过程；数据采集过程；图像重建过程 3、图像质量保证和控制的物理原理。需要表达的人体信息：解剖、生理、心 理三种类型（正常与异常）
N-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;hv-单个光子的能量。因此，N个能量相同的
X射线的总强度：
I IEmax/ Nhomakorabea
N
i
i
hvi
连续X射线谱的强度：
I
E N ( E )dE
0
在医用X射线诊断的实际工作中，连续X射线的总强度（IC)与管电压（U）、管电流（i）、靶原子序数 （Z）的关系可近似为 n
一、X射线与物质相互作用系数 1、线性衰减系数与截面 截面是描述粒子与物质
相互作用概率的物理量，定义为一个入射粒子与单
位面积上一个靶粒子发生相互作用的概率，用符号 δ 表示，单位是m2.如果一个粒子与物质的相互作 用有多种相互独立的作用方式，则相互作用的总截
面是：
i
i
设X射线光子平行入射如图1-1，靶粒子数为n,密度密度为ρ，入射光子
根据电磁学理论，电子经过辐射损失的能量为∆E，通过辐射产生的x射线频率由∆E=hᶹ。在连续X射线谱 中有一个最短波长，称为短波极限（λmin)。X射线管中，电子加速电场中获得能量是eU,所以，hᶹmax=eU λmin=hc/eU=1.14/U(nm) 3、特征X射线 高速运动的电子与原子的内层电子相互作用产生辐射。一种不连续的，它只有几条特殊 的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射，特征光谱和靶材料有关。
数为N0,在厚度x处的光子数为N，光子穿过dx厚度是有dN个光子与物 质发生作用，则有：
dN
Nndx
N N0enx N0eux
u n
线性衰减系数，表示X光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率，单位是m-1. 线性衰减系数越小光子的穿透能力越强，与入射光子的数量无关，会受到温度、 u n 气压的影响。质量衰减系数
第二节 X射线场的空间分布
X射线在介质中传播时不是一条直线，辐射是有空间分布的。这个分布特点对医
学应用有着重要意义。掌握它的特点是很重要的。可以从以下几个方面认识它的 分布特性：
1. X射线的强度 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。设能量相同的x射线的强度为I/，则 I/=N.hv
名称 极软X射线X射线 软X射线X射线 硬X射线X射线 极硬X射线X射线
管电压（kv）kv） 5~20 20~100 100~250 250以上以上
最短波长（nm）nm） 主要用途 0.25~0.062 0.062~0.012 0.012~0.005 0.005以下以下 软组织摄影、表皮治疗 透视和摄影 较深组织治疗 深部组织治疗
第一节 X射线的产生
一、X射线管
X射线产生的三个条件：1、电子源 2、高速运动的电子流（高电压产生强电场；高度的 真空空间） 3、X射线靶 X射线管：高速电子撞击金属靶面产生 X射线的真空电子器件。按照产生电子的方式,X射线 管可分为充气管和真空管两类。 X射线管的结构：
1、阴极 是X射线管的负极，由灯丝和聚焦罩两部分组成。灯丝的加热电流称为 灯丝电流（几个至几十个安培）；阴极与阳极间的强电压称为管电压（40-140KV）； 阴极与阳极间的电流称为管电流（几个到几百个毫安培）；三者之间的关系如下：
它是19世纪末20世纪初物理学的三大发现(X射线-1895年、放射线-1896年、电子1897年)之一，这一发现标志着现代物理学的产生。 是波长介于紫外线和γ射线 之间的电磁波。其波长很短约介于0.01~100埃之间。 X射线的发现：1895年11月8日傍晚，他研究阴极射线。为了防止外界光线对放 电管的影响，也为了不使管内的可见光漏出管外，他把房间全部弄黑，还用黑色 硬纸给放电管做了个封套。为了检查封套是否漏光，他给放电管接上电源，他看 到封套没有漏光而满意。可是当他切断电源后，却意外地发现一米以外的一个小 工作台上有闪光，闪光是从一块荧光屏上发出的。然而阴极射线只能在空气中进 行几个厘米，这是别人和他自己的实验早已证实的结论。于是他重复刚才的实验， 把屏一步步地移远，直到2米以外仍可见到屏上有荧光。伦琴认为这不是阴极射线 了。伦琴经过反复实验，确信这是种尚未为人所知的新射线，便取名为X射线。
二、X射线的产生机制
1、电子与物质的相互作用 X射线是高速运动的电子与物质相互作用产生的。电子以高能高速（0.55c) 的状态撞击钨靶，高速电子到达靶面，运动突然受到阻止，其动能的一小部分便转化为辐射能，以 X 射线的形式放出.电子的能量损失分为：碰撞损失和辐射损失 碰撞损失：高速运动的电子与物质相互作用产生时只涉及原子的外层电子。高速运动的电子与外层电子 相互作用产生时，可以使原子激发或电离。主要产生热量，99.1% 辐射损失：高速运动的电子与物质相互作用产生时，只涉及原子的内层电子和原子核。特征辐射：高 速运动的电子与原子的内层电子相互作用产生辐射。一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种 发射线状光谱的辐射叫做特征辐射，特征光谱和靶材料有关。轫致辐射：当高速电子流撞击阳极靶受 到制动时，电子在原子核的强电场作用下，速度的量值和方向都发生急剧的变化，一部分动能转化为光 子的能量而辐射出去，这就是轫致辐射。 x射线管在管电压较低的时，被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度，只发射连续光谱的辐射。 2、连续X射线 当高速电子流撞击阳极靶受到制动时，电子在原子核的强电场作用下，速度的量值和 方向都发生急剧的变化，一部分动能转化为光子的能量而辐射出去，辐射出的X射线能谱是连续的。
0
的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这
种现象称为康普顿效应(Compton Effect)。用经典电磁理论来解释康普顿效应时遇到了困难（单色电磁 波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起受迫振动，向各方向辐射同频率的电磁波）。康普顿借助 于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释。他认为这是光子和 电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，康普顿假设光子和电子、质子这样的实物粒子一样，不仅 具有能量，也具有动量，碰撞过程中能量守恒，动量也守恒．按照这个思想列出方程后求出了散射前后 的波长差，结果跟实验数据完全符合，这样就证实了他的假设。


2、质能转换系数和质能吸收系数 为了方便描述光子与物质相互作用时产生的能 量转移和吸收
二、光电效应 光电效应是指，当光线照射在金属表面时,金属中有电子逸出的现象,称为光电效应 1、作用过程 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核的束缚成为自由电子（光电子）；原子的内层 出现空位轨道，原子处于激发态，外层电子回迁填补空位，并发射特征X射线，这个过程称为X射线的光 电效应。 由能量守恒知：hv=Ee+Eb 其中，hv是入射X射线的能量；Ee光电子的动能；Eb是原子第i层电子的结合 能 2、作用系数 若X射线光子通过单位距离的吸收物质时，因光电效应而导致的衰减称为光电线性减系 数，用符号uT表示，而光电质量系数用符号uT/p表示，则有：
Z3 3 （h）
三、康普顿效应 1、作用过程 当入射X射线光子与原子内的一个轨道 电子相互作用，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，这个过程称为康普顿 效应（康普顿散射）损失能量后的X光子称为散射光 子，获得能量后的电子称为反冲电子。
美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射 光中除了有原波长λ 0的x光外，还产生了波长λ >λ
根据图1-20，由相对论的能量和动量守恒定律，推导出散射光子能量hʋ/和反冲电子动能E的计算公式：
hv'
hv 1 (1 cos )
二、主要作用：1、x射线物理学是医学影像学的开拓者
2、医学影像学的发展是物理学发展的充分体现。X射线、磁共振、核物理等。
第一章 X射线物理
本章将介绍X射线的产生过程、辐射场及在物质中的 衰减。 X射线是一种波长极短，能量很大的电磁波，X射线 的波长比可见光的波长更短（约在0.001～100纳米， 医学上应用的X射线波长约在0.001～0.1纳米之间）， 它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。
医学影像物理学
主讲：***
课程简介
全书共分六部分（十二章） 1、X射线（物理原理；成像方法） 2、磁共振（物理原理；成像方法） 3、核医学（物理原理；成像方法） 4、超声波（物理原理；成像方法） 5、红外线（物理原理；成像方法） 6、电离辐射（物理原理；防护方法）
绪论
医学影像物理学 本质：物理学+医学影像 目的：解决生命科学的问题 方法：利用物理学的基本原理，借助仪器设备对生 命体开展分析、解释、处理
I C K1iZU
特征X射线的总强度（Ik ) 2、X射线的量与质
I k K2i(U U k )n
X射线的量决定于X射线束中的光子数。 X射线的质又称线质，它表示X射线的硬度，即穿透物质本领的大小。
3、影响X射线强度的因素
靶材料、管电压、过滤器、管电流、距离。
二、X射线强度的空间分布 从X射线管焦点上产生的X射线，在空间各个方向上的分布是不均匀的，即在不同方向角上的辐射强度 是不同的。这种不均匀的分布称为辐射强度空间分布或称辐射场的角分布。 1.薄靶周围X射线强度的空间分布：如图
2、阳极 阳极就是X射线管的正极。两类：固定（小型机）、旋转（大型机） 阳极的主要功能：（1）是一个导电体，把阴极发射出来的电子流通过射线管电 缆与阴极形成一个回路。（2）阳极为X射线靶提供支撑。（3）是一个良好 的热辐射体。 X射线靶：镶嵌在阳极上，受电子轰击的部分。通常为钨合金（钼、铑） 钨靶的特点：①原子序数高Z=74，产生X射线的效率高②热传导性与阳极的铜材 料几乎完全相同③具有很高的熔点3410℃ 3、X射线管的焦点 实际焦点：面积大小会影响到散热和影响的清晰度。 有效焦点：圆形比较理想。 大多数X射线管的焦点不是一个常数，随管电流和管电压而变化。
2.厚靶周围X射线的强度的空间分布
医疗诊断方面的X射线管的阳极靶较厚，称为厚靶X射线管。
第三节 X射线与物质的相互作用 当X射线通过物质时，X射线光子 与物质发生相互作用，结果射线的一 部分能量或全部转移给物质，如果吸 收物质是生物组织，足够的能量可以
沉寂在细胞内，破坏其再生殖能力。
但大部分能量转化为热量，产生非生 物效应。这个过程相当复杂，如图： X射线与物质相互作用的主要过程有光 电效应、康普顿效应、电子对效应。 还可产生相干散射、光核反应。