投影X线成像系统

2
0
所以：
C

I1 I2 I1

e1
e[1(l1l2 )2l2 ] e1l1
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根据表达式可以得出如下结论： 在X-ray成像系统中，图象的对比度仅仅与被
探查物体的厚度L2及被探查物与周围组织间的线 性衰减系数之差有关，而与照射对象的总厚度无 关（理想情况下）。 为了 提高图像的对比度,通常采取以下措施: (1): 使用造影剂 (2): 克服散射对图像对比度的影响(滤线栅) (3): 多能量摄影
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X射线的能量由增强屏吸收，并将其能 量的一部分（大约5～20%）转变为光线。 此光线将使胶片曝光。由于增强屏对光线较 敏感，使胶片曝光所需的实际X射线辐射剂 量大幅度地降低。但使用增强屏会使图像产 生一定程度的模糊。
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X射线
片基 感光乳胶
片基 传统胶片摄影系统 增感屏 感光乳胶
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(d):生物效应:X线是一种电离辐射。生物细 胞经一定量的X线照射后会受到损害甚至坏 死。利用X线的这个效应，可以用放射治疗 的方法来破坏肿瘤组织。当然，人体受到一 定剂量X线的照射后，也会导致正常组织的 损伤。
特别注意：x线照射具有累加性质
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辐射的生物效应
1) 躯体效应和遗传效应
尔奖。
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1. X线的基础知识
(1)X线的产生
在医学诊断用的X线管 中，被加热的灯丝发射出 电子，在30~200千伏高压 的作用下，灯丝射出的电 子被吸引到阳极靶子上， 这些电子与靶内的原子相 互作用产生X射线，X射线 穿过管壁发射出来。
旋转阳极式X线管
左图： 生物医学工程BME
旋转式阳极式X线管
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(2)胶片摄影系统 X射线胶片摄影与X射线透视的不同在
于用摄影胶片代替透视的荧光屏。入射的X 射线在胶片上形成潜影，然后经过显影、 定影处理，将影像固定在胶片上。
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用X射线直接对胶片曝光的效率是比较 低的。在临床中使用屏-胶片系统作为投影X 射线成像系统的接收器。它是由涂上感光乳 胶的胶片和与胶片紧密接触的一个或两个荧 光增强屏组成的。荧光增强屏是涂有荧光材 料的薄层。
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光子流量增益＝输出屏发出的光子数 输入屏发出的光子数
面积缩小增益＝ 输入屏面积 ＝（输入屏直径）2 输出屏面积 （输出屏直径）2
亮度增益＝光子流量增益×面积缩小增益
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荧光屏是一种无源器件，只能将吸收的部 分X射线能量转换为光能；而影像增强管则是 一个可以在转换过程中增添能量的有源器件。 影像增强管所产生的图像比荧光屏图像要亮得 多，质量也要好得多。其图像可在明室中观察。
透视方法除了可以观察组织形态、位置 外，还可以观察脏器的运动。这是透视检查 方法的一个优点。
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第一代的荧光透视
接收器是一块平板荧光 屏。平板荧光屏透视检 查方法的主要缺点是屏 的亮度比较低，观察起 来比较吃力。放射科医 生在进行透视工作前， 一般要在黑暗环境中待 15分钟左右才能使自己 的眼睛适应黑暗环境。 只能提供一个重叠的阴 影像。
评价成像系统与图象质量的客观标准
1.对比度 要求病灶组织和周围组织间形成较大的反差，以利
于病灶的检查。
对比度分析简单模型
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就该模型而言，其对比度的定义如下：
C I1 I2
由于
I I1 I0 * e1 1l1
I I * e[ 1 (l1 l2 )2l2 ]
Ee

E2 (1 cos ) meC 2 E (1 cos )
Ee ：电子的动能 E γ : γ 射线的能量
入射γ 射线
θ :散射角（如图）
meC2 :电子的静态质量能
康普顿散射引起的副作用：
θ
Compton电子
Compton效应
（1）：降低图象的对比度
（2）：增加检测人员的X线的吸收剂量 生物医学工程BM2E0
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为解决荧光屏亮 度低的问题，现代X 射线成像系统中都采 用了影像增强管。影 像增强管的引入是透 视X射线成像系统的 一项重大改进。
影像增强管 生物医学工程BME
在影像增强管中，X射线的输入荧光屏和 一个光电阴极紧密相接。入射X射线与荧光屏 作用后产生可见光，可见光又使光电阴极产生 电子，这些电子经过一个透镜系统加速后聚焦 到输出荧光屏上。输入荧光屏的直径为 1 5 0 mm～550mm， 输 出 屏 的 直 径 为 1 6 mm～ 35mm。由于输出面积减小及电子加速等原因 使亮度的总增益达到5000倍左右。
射线的产生
1) X射线的产生
I. 特征X射线：原子核外电子的跃迁 II. 连续X射线：高速运动电子与靶原子核作用
连续X射线的能量：
h ：普朗克常数 c ：光速 V ：加速电子的电场电压 e ：电子电荷量 ν max ：X射线的频率 λ min ：X射线的波长
h max eV
m in
c
max
I. 相干散射 II. Compton效应 III. 光电效应
相干散射（只改变方向，无能量损失）
生物医学工程BM1E8
射线的衰减
射线与物质的相互作用
不带电粒子与物质的相互作用(X射线、 γ 射线)
I. 相干散射 II. 光电效应 III. Compton效应
光电效应的能量供受关系：
Ee E Ei
被探查物
μm
Ud 记 录 器
问题成因: 物体的运动 解决方案: 加大管电流,缩短成像时间
生物医ห้องสมุดไป่ตู้工程BME
*屏不锐度 由于记录器引起的图像模糊
3:分辨力 指系统所能分辨的两个相邻物体间的最小距离.
用单位距离里的线对数（即单位距离中所含的线 条条数）来表达 4:调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)-----频 域 MTF=|H(f)/H(0)|
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在X线产生的过程中 伴生出大量的热，只有 少于1%的入射电子能量 转换成了X射线，99%的 转化成热能，为了使热 能从被轰击的区域尽快 散除，以免损坏靶面， 现代X线管中设计了旋转 阳极。
阴极
势
动
能
能
100
0
高能 电子 (100keV)
50
50
阳极
0
100
X线
热量
低能 电子
焦斑
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片基
X射线
增感屏－胶片系统
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X射线摄影照片的分辨率比较高，用 摄影胶片作为X射线图像的永久记录仍然 是目前临床上常用的方法。但是，为了得 到照片，必须配备一套冲洗设备，操作过 程也比较麻烦。 注意区分： 透视和平片摄影图像的明暗区域
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透视和胶片的区别
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射线的产生
1) X射线的产生
I. 特征X射线：原子核外电子的跃迁 II. 连续X射线：高速运动电子与靶原子核作用
特征X射线的能量: h ：普朗克常数
+
h

hc


En1

En2
ν ：X射线的频率 λ ：X射线的波长 c ：光速
En1：轨道能级（外）
En2：轨道能级（内）
特征X射线
生物医学工程BME7
生物医学工程 医学成像技术
第二章.投影X线成像技术
生物医学工程BME
第二章.投影X线成像技术
X-Ray Tube Focal Plane
Film
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X-ray产生
1895 年德国物理学家伦琴在研究阴极射线管中气体放电现
象时，用一只嵌有两个金属电极（一个阳极，一个阴极）的
密封玻璃管，将管内空气抽出，并在电极两端加上几万伏的
高压。为了防止高压放电时的光线外泄，在玻璃管外面套上
一层黑色纸板，他在暗室中进行这项实验时，偶然发现距管
子2m 远的地方，一块用铂氰化钡溶液浸洗过的纸板发出了
明亮的荧光。再进一步试验，用纸板、木板、书都遮挡不住
这种荧光，更令人惊奇的是，当用手去拿这块发荧光的纸板
时，竟在板上看到了手骨的影像。当时伦琴认定这是一种人

hc eV
连续X射线
+
生物医学工程BME8
(2)X线的性质 X线在本质上属电磁波。诊断用X线
的波长大约在0.5～0.001A的范围中，相 当于光子能量为25Kev至1Mev。X线具 有以下基本性质：
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物理特性：
(a)穿透作用: X线波长短，能量大，能 穿透一般光线不能穿透的物质。用来检 查人体内部器官的结构是很合适的。 (b)荧光作用: 当X线照射某些物质时可 产生荧光，利用这一性质，可以在荧光 屏上直接观察X线图像。
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使用造影剂
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滤线栅
管电压75KV，无滤线栅 管电压75KV，有滤线栅
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2.不锐度 衡量图像模糊程度的指标
*几何不锐度 (被检查的物体静止) 造成原因:放射源有一定的尺寸
解决:将探查物尽可能接近记录器
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*移动不锐度
X线管
。 。
2. 投影X线成像系统 最早的X线成像方法是靠投影成像，
也被称作传统的X线成像方式。投影成像 又可分透视和摄影两种不同的方式。
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早期X线机
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2.2投影X射线成像设备
(1)荧光透视成像系统 X线管发出的X射线穿过人体投射到荧光
屏上，荧光屏将入射的射线能量转换成光。 由于人体不同的组织对X线的衰减不同，穿过 人体后的X线强度也随之发生变化。在荧光屏 上就可以看到与人体组织结构对应的明暗阴 影。
眼看不见但能穿透物体的射线。由于当时无法解释它的原理，
不明它的性质，故借用数学中代表未知数的“X”作代号，称
为X 射线，一直延用至今。由于伦琴发现了X 射线，逐渐形
成了一门崭新的学科——医用放射诊断学。他的发现在人类
历史上具有极其重要的意义，它为自然科学的医学开辟了一
条崭新的道路。为此，1901 年伦琴荣获物理学第一个诺贝
临床症状表现在受照者后代身上 临床症状表现在受照者本人身上
2) 随机性效应和非随机性效应
如：躯体效应中的 癌症和遗传效应
如：白内障、皮肤的良 性损伤、造血障碍、生 育能力损害等躯体效应
生物医学工程BM1E3
化学特性：
（e）感光作用：能使胶片感光，胶片乳剂中的溴化 银受X光照射感光，经过化学显影，还原出黑水的 金属银颗粒。
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(c)电离作用:具有足够能量的X线光子不仅能 击脱物质原子轨道上的电子，使该物质产生 一次电离，而且脱离原子的电子又与其它原 子相碰，还会产生二次电离。气体分子被电 离后，其电离电荷很容易被收集，于是人们 可以根据气体分子电离电荷的多少来测定X线 的剂量。许多X线检测器就是利用这一原理制 成的。
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现代的投影X射线成像设备都采用影像增 强管-电视系统。它包含影像增强管、光学图像 分配系统和一个包括摄像机、监视器的闭路视 频系统及辅助电子设备。其中的光学系统用于 将图像从影像增强管的输出屏传递到视频摄像 管的输入屏。
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影像增强器－电视系统
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闭路视频系统用导线或电缆传输图像，其工 作原理与一般广播电视中的视频系统基本相同。 电视系统不仅可以使医生在正常光线下借助监 视器进行观察，而且可以用录相带作为 X射线 影像的永久记录。视频系统的引入是荧光透视 成像系统的又一项重大改进。
γ 射线
Ee ：电子的动能
E γ : γ 射线的能量
Ei :第i层电子结合能
+
光电效应
光电子
生物医学工程BM1E9
射线的衰减
射线与物质的相互作用
不带电粒子与物质的相互作用(X射线、 γ 射线)
I. 相干散射
出射γ 射线
II. 光电效应
III. Compton效应
+
Compton效应的能量供受关系：
（f）脱水作用（着色作用）：某些物质经X光长期 照射后，因结晶脱水而逐渐改变颜色。
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(3) X线与人体组织的作用 当X射线穿过物体时，入射X线中的一部
分能量将从射线束中消失。一方面是由于物质 的吸收，即部分X线能量转换成其它形式的能 量；另一方面是由于散射，即部分X射线改变 了原来的传播方向。实际上，只有一部分X射 线穿过被探查物体沿原方向继续向前传播。这 部分射线被称为透射分量。
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假设用一种单一能量的X线照射厚度为d 的物体，其入射射线强度为Io，透射后的强 度为I，则有：
I Io eμd
μ称为线性衰减系数，表示特定能量的X射 线照射某种特定的物质时单位距离上的衰减 分数。
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X线的衰减
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射线的衰减
射线与物质的相互作用 不带电粒子与物质的相互作用(X射线、 γ 射线)