成像理論第二章03

1、 第三節(jié) X線的衰減規(guī)律 一、距離引起的衰減 從X線管焦點發(fā)出的X線向空間的各個方向輻射時，X線強度的衰減遵循平方反比法則，即在焦點為中心而半徑不同的各球面上的X線強度與距離的平方成反比的規(guī)律2114 rPIW 2224 rPIW 212221rrII 二、物質(zhì)引起的衰減規(guī)律 當(dāng)X線通過物質(zhì)時，產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和相干散射等，在此過程中由于散射和吸收使X線強度衰減，這一衰減稱為物質(zhì)所致衰減。 輻射通過物質(zhì)時的衰減規(guī)律： 1、吸收物質(zhì)的性質(zhì) 2、物質(zhì)厚度 3、輻射自身的性質(zhì) X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律是X線攝像、透視、造影檢查、CT檢查、放射治療及屏蔽防護設(shè)計的依據(jù) （一）單能窄束X線的衰減規(guī)

2、律 1、單能窄束X線 由相同能量光子組成的X線稱為單能線，它具有單一的波長或頻率。 窄束X線：指不包括散射成分的X射線束，通過物質(zhì)層后的X線光子，僅由未經(jīng)相互作用或未經(jīng)碰撞的原射線光子所組成。 窄束不指幾何上細(xì)小，沒有散射光子就是窄束 圖2-24 窄束X線的裝置 2、衰減規(guī)律 （1）吸收體不存在時，記錄輻射強度I0 （2）強度變化與吸收體厚度、原強度等的關(guān)系: （2-35） 線性衰減系數(shù)，物理意義X線穿過單位厚度的物質(zhì)層時，其強度減少的百分?jǐn)?shù)，單位/m。II x 的性質(zhì) （1）隨輻射束中光子能量的增加而減小 （2）近似正比于吸收物質(zhì)的密度， 與物質(zhì)物理狀態(tài)有關(guān) 將（2-35）式積分，即單能窄束

3、X線的指數(shù)衰減規(guī)律： （2-38） 式中， I0 、I分別是X線入射到物體表面時強度和透過厚度為x的物體的強度；x為吸收物質(zhì)的厚度。0 xII e 將（2-35）式變換 x表示面積為1平方米，厚度為x m的體積所包含物質(zhì)層的質(zhì)量，稱為質(zhì)量厚度，單位 面密度 2kg mII x 稱為質(zhì)量衰減系數(shù)，表示X線在穿過質(zhì)量厚度為 1 的物質(zhì)層后X線強度減少的分?jǐn)?shù)值，單位 與物質(zhì)的密度和物理狀態(tài)無關(guān)，與波長、吸收物質(zhì)原子序數(shù)關(guān)系： 式（2-38）可表示為： Xm表示質(zhì)量厚度 只適用于窄束單能輻射 /m 2kg m21m kg/m 34mKZ0m mxII e 例如水、冰和水蒸汽，雖然它們的密度和物理狀態(tài)不

4、同，但它們的質(zhì)量衰減系數(shù)都一樣，質(zhì)量厚度為lkgm-2”的水、冰和水汽對X線都有同等量的衰減。 圖2-25a表示單能窄束X線強度隨吸收體厚度增加按指數(shù)衰減；圖2-25b半對數(shù)坐標(biāo)，射線強度與吸收厚度關(guān)系為直線，直線斜率就是0dNN e單能窄束X線通過物質(zhì)時只有光子數(shù)減少，無光子能量變化 線性衰減系數(shù)就是入射光子在物質(zhì)中穿行單位距離時，平均發(fā)生總的相互作用的概率，是各種線性衰減系數(shù)總和 總質(zhì)量衰減系數(shù): 在X線屏蔽計算中要有線性衰減系數(shù)和質(zhì)量衰減系數(shù)ccohkccohmk （二）寬束X線的衰減規(guī)律 1、衰減規(guī)律 寬束X線是含有散射線成分的X線束。 實際中,X線大多為寬束，真正窄束情況極少 圖2-

5、24中除去兩個準(zhǔn)直器，在吸收體中發(fā)生散射的光子，可能穿過屏蔽層到達探測器，這便是寬束的情況。 寬束與窄束的區(qū)別： 寬束與窄束的主要區(qū)別就在于散射的影響。 （1）窄束把散射光子當(dāng)作被物體吸收的光子處理，因為散射光子不能到達探測器 （2）寬束情況下，吸收體中產(chǎn)生的散射光子經(jīng)一次或多次散射仍可到達探測器而被記錄 窄束衰減規(guī)律處理寬束問題 窄束的質(zhì)量衰減系數(shù)將高估吸收體的衰減能力，對屏蔽是不安全的。 質(zhì)能吸收系數(shù)是計算光子能量被吸收體真正吸收的概率，用它代替質(zhì)量衰減系數(shù)計算寬束的衰減，對防護是安全的 質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù) 在X線與物質(zhì)的三個主要作用過程中，X線光子能量都有一部分轉(zhuǎn)化為電子(光電子、

6、反沖電子及正負(fù)電子對)的動能，而另一部分則被一些次級光子(特征X線光子、康普頓散射光子及湮滅輻射光子)所帶走，這就是說，總的衰減系數(shù)可以表示為兩部分的和，即： =tr+p 式中，tr為X線光子能量的電子轉(zhuǎn)移部分；p為X線光子能量的輻射轉(zhuǎn)移部分。 對于輻射劑量學(xué)而言，重要的是確定X線能量的電子轉(zhuǎn)移部分，最后在物質(zhì)中被吸收的就是來自這一部分能量。 X線能量的電子轉(zhuǎn)移部分，等于： tr=a+a+ka (2-43) 其中，tr稱為線性能量轉(zhuǎn)移系數(shù)，表示X線光子在物質(zhì)中穿行單位長度距離時，由于各種相互作用，其能量轉(zhuǎn)移給電子的份額。tr的SI單位是m-1。a、a、ka分別為光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)

7、過程中光子能量轉(zhuǎn)移為電子能量的線能量轉(zhuǎn)移系數(shù)。 同樣，可得相應(yīng)的質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)為： (2-44) 質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)表示X線在物質(zhì)中穿行質(zhì)量厚度為kgm-2時，因相互作用其能量轉(zhuǎn)移給電子的份額。tr/的SI單位是m2kg-1。traaak 質(zhì)能吸收系數(shù)質(zhì)能吸收系數(shù) 光子在與物質(zhì)相互作用過程中轉(zhuǎn)移給次級電子的能量，有一部分通過韌致射損失掉了，真正被物質(zhì)所吸收的能量應(yīng)等于光子轉(zhuǎn)移給次級電子的能量減去因軔致輻射而損失的能量。用g表示能量變?yōu)檐愔螺椛涞姆蓊~，則： en=tr(1g) (2-45) 表示X線光子能量真正被物質(zhì)吸收的份額。式中en稱為線性能量吸收系數(shù)，它表示X線在物質(zhì)中穿行單位長度時，其能量真正被

8、物質(zhì)吸收的份額。 en/叫做質(zhì)能吸收系數(shù)，它的SI單位同樣是m2kg-1。1entrg 線性衰減系數(shù)線性衰減系數(shù) 表示X線在穿過單位厚度的物質(zhì)層時，其強度減少的百分?jǐn)?shù)值。線性衰減系數(shù)的SI單位是m-1 質(zhì)量衰減系數(shù)質(zhì)量衰減系數(shù)m m /，表示X線在穿過質(zhì)量厚度為1kg.m-2的物質(zhì)層后X線強度減少的分?jǐn)?shù)值。SI單位是“m2.kg-1” 線性能量轉(zhuǎn)移系數(shù)線性能量轉(zhuǎn)移系數(shù)tr tr 表示X線光子在物質(zhì)中穿行單位長度距離時，由于各種相互作用，其能量轉(zhuǎn)移給電子的份額。tr的SI單位是m-1 質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù) 表示X線在物質(zhì)中穿行質(zhì)量厚度為kgm-2時，因相互作用其能量轉(zhuǎn)移給電子的份額。tr/的

9、SI單位是m2kg-1 質(zhì)能吸收系數(shù)質(zhì)能吸收系數(shù) en/叫做質(zhì)能吸收系數(shù)，它的SI單位同樣是m2kg-1，表示X線在物質(zhì)中穿行單位長度時，其能量真正被物質(zhì)吸收的份額。 寬束的衰減規(guī)律比較復(fù)雜，在圖2-25b并不是直線，而出現(xiàn)彎曲?？稍谡闹笖?shù)衰減規(guī)律上加積累因子B0 xIBI e 2、積累因子B 積累因子是描述散射光子影響的物理量，反應(yīng)了寬束與窄束的差別。 B表示物質(zhì)中一點的光子總計數(shù)率與未經(jīng)碰撞的原射線光子計數(shù)率之比 （2-43） 為物質(zhì)中所考慮的未經(jīng)碰撞的原射線光子的計數(shù)率， 為在物質(zhì)中散射光子的計數(shù)率，1snsnnnNNNNBNNN nNsNN 物理意義：其大小反應(yīng)了散射光子數(shù)對總光子

10、數(shù)的貢獻 寬束B1; ，窄束B=10sN (三)連續(xù)X線的衰減 1、衰減特點 窄束和寬束的衰減規(guī)律只是對單能X線而言；連續(xù)能譜X線束是波長從某一最小值到某一最大值的各種能量光子組成的混合射線 連續(xù)X線穿過一定厚度的物質(zhì)層時，各能譜成分的衰減速率并不一樣，它不遵守單一的指數(shù)衰減規(guī)律 理論上，描述連續(xù)能譜窄束X線的衰減 連續(xù)X線通過物質(zhì)層時，其量和質(zhì)都變化 變化規(guī)律：強度變小，硬度變大（質(zhì)提高） 這個規(guī)律就是X線透過物體的硬化。物體對低能X線的線性吸收系數(shù)大，對高能X線的線性吸收系數(shù)小些121201020nxxnxnIIIII eI eI e 討論：隨吸收厚度增加，強度變化規(guī)律？能譜變化規(guī)律？ 隨

11、著吸收物體厚度的增加，X線強度不斷衰減，而能譜不斷變化。低能成份衰減的快；越到后來高能成份越多，能譜變窄X線平均能量越來越高 管電壓的峰值決定了X線束的最大光子能量，因此重復(fù)濾過X線束，其平均能量只能越加趨近于管電壓對應(yīng)的最大值。 可見，X線管的激發(fā)電壓和窗口處的濾過條件，決定X線管所發(fā)射X線束線質(zhì)的重要條件 2、X線濾過 診斷用X線：連續(xù)能譜的混合射線，低能X線被皮膚和淺表組織吸收，透不過人體，對診斷不起作用，卻大大增加被檢查者的皮膚照射量。 目的：獲得最佳的圖像質(zhì)量、保護被檢查者 方法：在X線管窗口處放置均勻厚度的金屬片，預(yù)先將X線低能成分吸收掉，將X線平均能量提高 分類：固有濾過、附加濾

12、過 （1）固有濾過：指X線管組件本身的濾過 從X線管陽極靶面到不可拆卸的濾過板之間濾過的總和，它包括X線管的管壁、絕緣油、套管上的窗口和不可拆卸的濾過板 鋁當(dāng)量（mmAl）:是指一定厚度的鋁和一定厚度的其他物質(zhì)對X線具有同等量的衰減效果時，鋁板厚度稱為濾過物質(zhì)的鋁當(dāng)量。 一般X線機的固有濾過：0.52mmAl 個別情況需要使用低濾過X線，因濾過雖然提高X線的平均能量，但降低組織的對比度。對軟組織攝影則需要低濾過X線,以增加軟組織對比度。把X線管的玻璃壁換上鈹（Z=4），它比玻璃能透過更多的低能射線，這種X線具有最小的固有濾過，最適合軟組織攝像，特別是乳腺攝像 2、附加濾過、附加濾過 包括可折卸

13、濾包括可折卸濾過板、選擇濾過板、選擇濾過板、遮光器過板、遮光器的濾過等。的濾過等。 （1）濾過板的選擇 附加濾過板的使用針對被攝的人體組織對X線能量的需要，在X線診斷中通常選用Al和Gu作濾過板 對低能X線采用Al濾過，鋁Z=13，對低能有很好濾過作用 高能X線采用Gu和Al復(fù)合濾過板（ Gu 不能單獨作濾過板），銅Z=29，對高能射線濾過 復(fù)合濾過板 包括兩層或更多層的不同物質(zhì) 復(fù)合濾過板使用：從X線窗口由里向外，按原子序數(shù)由高到低排列，銅面向X線管，鋁面向被檢測者 原因：銅產(chǎn)生8keV的特征輻射，增加被檢查者的皮膚照射量，可用鋁層吸收；鋁的特征輻射1.5keV,由空氣吸收 固有濾過和附加濾

14、過總和稱為總濾過 （2）濾過板的厚度 2-5 不同厚度的鋁濾過板對不同能量的單能射線衰減的百分?jǐn)?shù) 國際上，建議診斷X線的總濾過(包括固有濾過和附加濾過)如下： 工作電壓50kVp以下，總濾過0.5mmAl； 工作電壓5070kVp，總濾過1.5mmAl； 工作電壓70kVp以上，總濾過2.5mmAl。 （3）濾過板厚度對被檢者照射劑量的影響使用低濾過高千伏攝影使用低濾過高千伏攝影,對受檢者十分有害，而厚對受檢者十分有害，而厚度濾過技術(shù)對受檢者降低劑量有重要意義。度濾過技術(shù)對受檢者降低劑量有重要意義。鋁板厚度(mmAl)皮膚照射量(C/kg)照射量下降百分?jǐn)?shù)(%)00.51.03.06.1410

15、-44.78 10-43.28 10-41.20 10-40224780 （4）濾過對照射條件的影響 濾過板大量吸收低能光子，少量吸收高能光子。為補償對高能射線的衰減，一般采用適當(dāng)增加照射時間的辦法 實驗表明：采用高千伏、厚濾過、適當(dāng)增加照射時間，被檢查者的所受照射劑量大幅減少，起保護作用 （5）楔形或梯形濾過板：在攝影部位的厚度相差太大的情況下，會使照片的黑化度差異太大，造成診斷困難，為此使用楔形或梯形濾過板三、X線通過人體的衰減規(guī)律 X線進入人體后，一部分被吸收和散射，另一部分透過人體沿原方向傳播。透過的X線按特定形式分別，便形成X線影像。 透過X線與衰減X線同等重要。 X線全部透過，膠片

16、呈現(xiàn)均勻黑色，沒有任何影像；如果X線全部衰減，則照片呈現(xiàn)一片白色，也沒有X線影像。 X線影像是人體的不同組織對射線不同衰減的結(jié)果 X線在人體中主要是光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)使其衰減。X線衰減不但與其波長有關(guān)還與物質(zhì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般物質(zhì)原子序數(shù)Z高、密度大，吸收X線多，X線穿透性差。 射線能量從20100keV（診斷用X線能量范圍），X線的康普頓效應(yīng)衰減系數(shù)僅減少20%，光電效應(yīng)的衰減系數(shù)減少99%以上。所以在低kV時以光電效應(yīng)為主，在高kV時以康普頓效應(yīng)為主 1、人體的構(gòu)成元素和組織密度 人體內(nèi)除少量的鈣、磷等中等原子序數(shù)物質(zhì)外，其余全由低原子序數(shù)物質(zhì)組成。人體吸收X線最多的是由Ca3(PO4

17、)2組成的門牙，吸收X線最少的是充滿氣體的肺。 人體各組織對X線的衰減按骨、肌肉、脂肪、空氣的順序由大變小。 有些組織比其它組織能衰減更多的射線，這種差別的大小就形成了X線影像的對比度。 為了增加組織間的對比度，還常用各種人工造影檢查，來擴大X線的診斷范圍。 用碘和鋇作對比劑，能比高原子序數(shù)的物質(zhì)吸收更多的射線，從而形成X線影像的高對比度 對密度差很小的軟組織的X線攝影，必須采用低kV技術(shù)，用光電作用的不同來擴大對比度，以獲得理想的X線照片。但用低kV照像又會增加被檢者的X線劑量 四、影像X線衰減的因素 X線通過物質(zhì)時，決定衰減程度的因素： 射線的性質(zhì)、吸收物質(zhì)的性質(zhì)（即密度、原子序數(shù)、克電子數(shù)） （1）射線性質(zhì) 一般入射光子的能量越大，X線的穿透力就越強。線性衰減系數(shù)隨入射光子的能量增大而減小，穿過相同的吸收體，射線束的高能成分透過率大。 表2-7：透過光子的百分?jǐn)?shù)隨射線能量的增加而增加。 一般射線能量越高，通過光子的百分?jǐn)?shù)越大。唯一例外對于高原子序數(shù)的吸收物質(zhì)并不完全遵守這個規(guī)律。（2）原子序數(shù) 光電衰減系數(shù)與原子序數(shù)Z四次方成正比，而康普頓效應(yīng)與Z成正比，因此，Z越高的物質(zhì)吸收X線越多。 投射量隨入射X線的能量增加而增加的規(guī)律，對低Z物質(zhì)是正確的，對高Z物質(zhì)則不然，當(dāng)射線能量增加時，透過量還可能下降。 原因：當(dāng)射線能