第二章 放射物理基礎醫(yī)學影像成像理論

2024/1/261醫(yī)學影像成像理論第二章

放射物理基礎主要內(nèi)容第一節(jié)X線的產(chǎn)生和性質(zhì)第二節(jié)X線與物質(zhì)的相互作用第三節(jié)X線的衰減規(guī)律2024/1/262第一節(jié)X線的產(chǎn)生和性質(zhì)1.1X線的發(fā)現(xiàn)1.2X線的本質(zhì)和特性1.3X線的產(chǎn)生1.4X線的產(chǎn)生原理1.5X線的量與質(zhì)1.6影響X線量與質(zhì)的因素1.7X線產(chǎn)生效率1.8X線強度空間分布2024/1/263一、X線的發(fā)現(xiàn)2024/1/264二、X線的本質(zhì)和特性2024/1/265〔一〕X線的本質(zhì)是一種電磁波。波長很短，大約與晶體內(nèi)呈周期排列的原子間距同一數(shù)量級，在1×10-10m左右。與可見光、紅外線、紫外線、γ射線一樣，屬于電磁輻射(electromagneticradiation)，是電磁波；這些電磁波的本質(zhì)完全相同，波長或頻率有差異。2024/1/266X線波長很短，介于紫外線和射線之間，約為10-8～10-12m；頻率很高，約在3×1016～3×1020Hz。由于光子能量不同，電磁輻射分為電離輻射和非電離輻射。非電離輻射：微波、紅外線、可見光等，由于光子能量小，不能引起物質(zhì)電離的輻射；電離輻射：紫外線、X線、γ射線等，于光子能量大，能使物質(zhì)產(chǎn)生電離的輻射。1.X線具有波動性X線與其它電磁波一樣具有波動和微粒性；與可見光一樣具有衍射、偏振、反射、折射等現(xiàn)象。波動性表現(xiàn)在以一定的波長和頻率在空間傳播；是一種橫波，傳播速度在真空中與光速相同，可以用波長、頻率(frequency)描述。2.X線具有微粒性波動性不能解釋它的光電效應、熒光作用、電離作用等；只能用愛因斯坦的光量子理論，即把X線束看做是由一個個微粒--X光子組成的來解釋。與物質(zhì)相互作用發(fā)生能量交換時，突出表現(xiàn)了它的粒子性。微粒性主要表現(xiàn)為X線光子在輻射和吸收時具有能量、質(zhì)量和動量。X線的波長、頻率、波速c和能量E、質(zhì)量m關(guān)系：

E=hνλ=c/ν

(2-1)h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34J·s。2024/1/267〔二〕X線的特性1、物理特性：穿透性、熒光作用、電離作用、熱作用穿透性：X線的能量很大，波長很短，穿透力很強。穿透性與其波長、物質(zhì)的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)有關(guān)。Z高、ρ大的物質(zhì)，吸收X線多，穿透性差。不透過性組織：骨骼系統(tǒng)，含有大量的鈣質(zhì)，鈣的Z(20)較高，骨吸收X線最多；中等透過性組織：軟組織(結(jié)締組織、肌肉、軟骨等)及體液都是由氫、碳、氮、氧等低Z原子組成，ρ與水相近；可透性組織：脂肪組織成分與軟組織相似，但排列稀疏，ρ比軟組織小，X線的透過性較好；肺部、胃腸道、副鼻竇及乳突內(nèi)等均含有氣體，也是由氫、氮、氧等組成，但分布非常稀疏，密度很小，透過性能很好。2024/1/268熒光作用：X線照射某些物質(zhì)時，物質(zhì)的原子被激發(fā)或電離；當恢復到基態(tài)時，放射出可見熒光的物質(zhì)，如CaWO4、鉑氰化鋇、銀激活的硫化鋅等。透視用的熒光屏，攝影用的增感屏，影像增強器中的輸入屏和輸出屏，測定輻射量的閃爍晶體、熒光玻璃等是利用X線的熒光作用制造的。電離作用：具有足夠能量的X光子能擊脫物質(zhì)原子的軌道電子產(chǎn)生一次電離，脫離原子的電子再與其它原子碰撞，還會產(chǎn)生二次電離。在固體和液體中，電離后的正、負離子能很快地復合不易收集；氣體中的電離電荷卻很容易收集起來。根據(jù)電離電荷的多少來測定X線的照射(exposure)量。多種測定照射量儀器的探頭，如電離室、正比計數(shù)管、蓋革-彌勒計數(shù)管等都是利用這個原理制成。電離作用是X線對于肌體損傷和治療的根底，但同時對人體也有傷害。2024/1/269熱作用：物質(zhì)吸收X線能量，最終絕大局部都便成熱能，使物體升溫。物質(zhì)吸收X線能量，最終絕大局部都將變?yōu)闊崮?，使物體產(chǎn)生溫升。測定吸收劑量的量熱法是利用X線的熱作用。2024/1/26102、化學特性感光作用：當X線照射到膠片上的時候，溴化銀藥膜起化學變化，出現(xiàn)銀粒沉淀。著色作用：某些物質(zhì)如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶等，經(jīng)X線長期照射后，其結(jié)晶體脫水而改變顏色。3、生物效應特性X線在生物體內(nèi)能產(chǎn)生電離和激發(fā)作用，使生物體產(chǎn)生生物效應。生物細胞特別是增殖性強的細胞，經(jīng)一定量的X線照射后，可以產(chǎn)生抑制、損傷、甚至壞死。人體組織吸收一定量X線后，因其對X線敏感程度的不同而出現(xiàn)種種反響，這一作用可在放射治療中得到充分應用。X線對人體的正常組織有一定的損傷作用，必須注意非受檢部位和非治療部位的屏蔽防護，放射工作者應注意自身防護。2024/1/2611三、X線的產(chǎn)生在發(fā)現(xiàn)X線之后，人們在研制產(chǎn)生X線設備的過程中，發(fā)現(xiàn)每當高速帶電粒子撞擊物質(zhì)而突然受阻減速時能產(chǎn)生X線的規(guī)律。因此現(xiàn)在所使用的人工輻射源，都是利用高速帶電粒子撞擊靶物質(zhì)而產(chǎn)生的。〔一〕X線產(chǎn)生條件1、電子源：陰極2、高速電子流：有兩個方面，其一是高壓電場，使電子獲得高速動能；其二是高真空度環(huán)境，使電子在高速運動中免遭氣體分子的阻擋而降低能量，同時也能保護燈絲不致因氧化而被燒毀。3、適當障礙物---靶：陽極2024/1/2612(二)X線產(chǎn)生裝置醫(yī)用X線機分為診斷機和治療機兩大類。用于透視、攝影和特殊檢查的X線機統(tǒng)稱為診斷用X線機；診斷用X線機的管電壓一般在40～150kV。用于疾病治療的統(tǒng)稱為治療用X線機。由主機、機械裝置及輔助設備等幾局部組成。主機：是產(chǎn)生X線的最根本組成部件，由X線管、高壓發(fā)生器、控制臺組成。(二)X線產(chǎn)生裝置

(二)X線產(chǎn)生裝置1．X線管X線機的心臟。是高真空度的熱電子式X線管。X線管是在特制的玻璃管內(nèi)插入兩個電極，一個是產(chǎn)生和發(fā)射熱電子的陰極(負極)〔cathode〕；一個是陽極(anode)，也叫陽極靶面(anodetarget)，是高速電子撞擊的目標。管內(nèi)真空度高達10-6mm汞柱。圖2-1陰極由燈絲和集射罩組成。燈絲電壓愈高，溫度愈高，每秒鐘蒸發(fā)出的電子數(shù)愈多。在陰極和陽極間加上高電壓時，從燈絲中蒸發(fā)出來的熱電子在強電場的作用下奔向陽極形成管電流。陽極主體是銅圓柱體，對著陰極的端面上鑲嵌著一塊鎢板(鎢靶)；是高速電子撞擊的目標，產(chǎn)生X線的地方。從陰極飛來的高速電子的動能，99%以上都在陽極上變?yōu)闊崮埽坏?％的能量變?yōu)閄線能。陽極材料既要熔點高、導熱性能好；又要Z高，可提高X線的產(chǎn)生效率。圖2-1(二)X線產(chǎn)生裝置實際焦點(actualfocalspot)

：陰極燈絲射向陽極的高速電子流，經(jīng)聚焦后撞擊在陽極靶面上的面積(焦點)。X線管的燈絲是螺管狀，理想的實際焦點在靶面上形成的是一近似矩形。實際焦點的大小取決于聚焦槽的形狀、寬度和深度。聚焦槽與燈絲位置及其電位分布影響陰極電子流的分布，形成主焦點與副焦點。圖2-2(二)X線產(chǎn)生裝置有效焦點(effectivefocalspot)

：實際焦點在X線投射方向上的投影面積。一般為長方形。陽極角：陽極面與X線投射方向之間的夾角。一般在10°～20°。管殼的作用是維持一個高真空度的空間，并起著固定陽極和陰極的作用。主焦點與副焦點：圖2-2(二)X線產(chǎn)生裝置2．高壓發(fā)生器

X線管需要的電能應滿足：一個是使X線管燈絲加熱放射出電子；另一個是使這些電子加速奔向陽極。X線發(fā)生器中設有燈絲電路和高壓電路，還有限時電路控制X線的照射時間。(二)X線產(chǎn)生裝置3．控制臺

是X線機的控制中心。有多個開關(guān)和選擇鍵(旋扭)，如電源開關(guān)、工作方式選擇鍵、mA選擇鍵、kV選擇鍵、照射時間選擇鍵等。4．機械裝置和輔助設備

檢查床、立柱、支架、軌道等四、X線的產(chǎn)生原理(一)電子與物質(zhì)相互作用高速電子被靶物質(zhì)阻止的過程復雜。高速電子帶負電荷，在物質(zhì)中主要與原子核的正電場及軌道電子的負電場發(fā)生作用。高速電子被靶物質(zhì)阻止的過程是很復雜的，所謂碰撞是帶電粒子之間的經(jīng)典庫侖力之間的相互作用，電子在碰撞過程中的能量損失可分為碰撞損失和輻射損失。碰撞損失只涉及原子的外層電子，這局部能量將全部變?yōu)闊?；輻射損失涉及內(nèi)層電子和原子核。電子與靶原子因碰撞而損失能量過程，就是發(fā)生能量轉(zhuǎn)換的過程。2024/1/2622這兩種產(chǎn)生的機制是：韌致輻射〔連續(xù)放射〕和標識輻射〔特征輻射〕。總之，運動電子在物質(zhì)中碰撞的結(jié)果，導致能量的轉(zhuǎn)換，電子的動能變?yōu)闊崮?、電離能和輻射能。即(二)X線產(chǎn)生原理X線是在能量轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的。X線組成：連續(xù)X線、特征X線。是這兩種成分組成的混合射線。1．連續(xù)X線

連續(xù)輻射又稱軔致輻射(bremsstrahlung)。它是高速電子與靶原子核相互作用時產(chǎn)生的、具有連續(xù)波長的X線。連續(xù)輻射構(gòu)成連續(xù)X線譜(continuousX-rayspectrum)，與可見光的白光相似，是包括多種能量光子的混合射線。(1)連續(xù)X線產(chǎn)生的物理過程：軔致輻射是輻射損失的一種，是產(chǎn)生連續(xù)X線的機制。當一個帶電體在外電場中速度變化時，帶電體將向外輻射電磁波。高速電子進入到原子核附近的強電場區(qū)域、然后飛離強電場區(qū)域完成一次電子與原子核的相互作用時，電子的速度大小和方向必然發(fā)生變化。電子向外輻射電磁波損失能量△E，電磁波的頻率由△E=hν確定。電子的這種能量輻射叫軔致輻射，這種輻射所產(chǎn)生能量為hν的電磁波稱為X線光子。由于每個高速電子與靶原子作用時的相對位置不同，且每個電子與靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用對應的輻射損失也不同，因而發(fā)出的X線光子頻率也互不相同。大量的X線光子組成了具有頻率連續(xù)的X線光譜。圖2-3圖2-4(2)連續(xù)X線的最短波長：X線強度是隨波長的變化而連續(xù)變化的。每條曲線都有一個峰值；曲線在波長增加的方向上都無限延展，強度越來越弱；在短波方向上，曲線都存在一個波長極限，稱為最短波長(λmin)。隨著kV升高，輻射強度均相應地增強；同時，各曲線所對應的強度峰值和λmin的位置均向短波方向移動。光子能量(E)與頻率(v)成正比，與波長(λ)成反比，如果波長最短(λmin)，那么頻率最高(νmax)，光子能量最大。圖2-4(2)連續(xù)X線的最短波長：圖2-3(3)影響連續(xù)X線的因素：原子序數(shù)、管電流、管電壓原子序數(shù)Z：kV(U)、mA(i)一定時，與陽極靶面的Z成正比，即I連∝Z。陽極靶面的原子序數(shù)Z越高，X線的強度越大。管電流(mA)：在管電壓U、靶材料(Z)一定時，X線的強度取決于管電流。mA越大，在X線管中被加速的電子數(shù)量越多，產(chǎn)生的X線強度也就越大，即I連∝mA。管電壓(UorkV)：X線束中光子的最大能量等于被加速電子的動能，電子的動能E＝eU，改變U，光子的最大能量也改變了，整個X線譜曲線的形狀將發(fā)生變化。

圖2-5最大強度對應的波長值稱為最強波長。

X線診斷中，以λ最強為中心，鄰近兩側(cè)的波段起主要作用。連續(xù)X線的總強度：連續(xù)X線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X線的總強度，即：由于濾過不同，連續(xù)X線的平均能量，一般為最大能量的1/3～1/2，如最高能量為100keV的連續(xù)X線，其平均能量在40keV左右。平均波長約為最短波長的2.5倍。即：[例]管電壓為100kV時，產(chǎn)生連續(xù)X線的最短波長、最強波長、平均波長和最大光子能量。解：產(chǎn)生連續(xù)X線的最短波長為：最強波長：平均波長：最大光子能量：2．特征X線

特征輻射又稱標識輻射(characteristicradiation)，與連續(xù)輻射的產(chǎn)生機理完全不同。(1)特征X線產(chǎn)生的物理過程：鎢的X線譜，管電壓65kV時為連續(xù)X線；管電壓升至100kV、150kV和200kV時，在三條連續(xù)譜線上疊加了一組波長位置不變、強度很大的線狀光譜。線狀光譜的波長與kV無關(guān)，完全由靶材料性質(zhì)決定。不同靶材料都有自己特定的線狀光譜，它表征靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)特性。這種輻射稱為特征輻射，由此產(chǎn)生的X線稱為特征X線。圖2-6圖2-7(2)特征X線的激發(fā)電壓：靶原子的軌道電子在原子中具有確定的結(jié)合能，只有當入射高速電子的動能大于其結(jié)合能時，才有可能被擊脫造成電子空位，產(chǎn)生特征X線。特征X線是在原子內(nèi)層電子的躍遷中產(chǎn)生的。產(chǎn)生特征X線必須有一個激發(fā)電壓(即kV)，例如，要激發(fā)K系射線，高速電子的能量(eUk)至少要≥擊脫一個K電子所作的功(Wk)，K系的激發(fā)電壓應滿足：

表2-2幾種靶材料產(chǎn)生K、L系特征輻射的激發(fā)電壓(kV)

靶材料ZK系激發(fā)電壓L系激發(fā)電壓鋁(A1) 13 1.56 0.09銅(Cu) 29 8.98 0.95鉬(Mo) 42 20.00 2.87銀(Ag) 47 25.5 3.97錫(Sn) 50 29.18 4.14鎢(W) 74 69.51 12.09鉛(Pb) 82 88.00 15.86(3)影響特征X線的因素：K系特征X線強度(Ik)：i為管電流；U為管電壓；Uk為K系激發(fā)電壓；K2和n均為常數(shù)，n約等于1.5～1.7。K系特征X線的強度與i成正比，kV大于激發(fā)電壓時才發(fā)生K系放射，并隨kV的繼續(xù)升高K系強度迅速增大。X線兩種成分中特征X線只占很少一局部。鎢靶X線管，低于K系激發(fā)電壓(69.51kV)不會產(chǎn)生K系輻射；管電壓在80～150kV時，特征X線只占10％～28％；管電壓高于150kV，特征X線相對減少；高于300kV時，兩種成分相比，特征X線可以忽略。醫(yī)用X線主要使用的是連續(xù)輻射，但在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的光譜分析中使用的是特征輻射。五、X線的量與質(zhì)X線強度：指在垂直于X線傳播方向單位面積上、單位時間內(nèi)通過光子數(shù)量與能量乘積的總和。常用X線強度來表示X線的量。1．X線的量

X線光子的數(shù)目。對于由相同能量的光子組成的單能輻射，其輻射強度為：N為單位時間內(nèi)通過單位橫截面積上的X線光子數(shù)；hv為每個光子的能量。對于輻射是由能量完全確定的(hν1、hν2…)光子組成的線狀譜，輻射強度：對于輻射是由一切可能能量(由零至某一最大值Emax)的光子組成的連續(xù)譜，其輻射強度為：每秒通過S面積的輻射能E：

X線強度的SI單位是：J·m-2·s-1。由于X線光子的能量大，穿透本領強，直接準確地測定X線的量是困難的，但可用間接的方法來測量。在X線的診斷應用中，可以用X線管的管電流mA與照射時間s的乘積來反響X線的量，通常以mAs為單位。2．X線的質(zhì)表示X線的硬度，即穿透物質(zhì)本領的大小。X線的質(zhì)只與光子能量有關(guān)，與光子數(shù)無關(guān)。一般X線束的成分是連續(xù)能譜，當它穿透物質(zhì)后能量分布又有不同變化，完整地描述它的線質(zhì)比較復雜。常用表示射線穿透能力的半價層(halfvaluelayer，HVL)來表示X線的質(zhì)。半價層HVL：是使一束X線的強度衰減到其初始值一半時所需要的標準物質(zhì)的厚度。診斷用X線常用鋁作為表示HVL的物質(zhì)，HVL愈大表示X線的質(zhì)愈硬。X線診斷中，以X線管管電壓(kV)值來近似描述X線的質(zhì)。kV愈高，電子從電場中得到的能量愈多，撞擊陽極靶的力量愈強，產(chǎn)生的X線的穿透本領愈大。kV愈高，也提高了X線的強度：系數(shù)K取決于高壓整流方式，指數(shù)n由管電壓、線束的濾過條件等決定。六、影響X線產(chǎn)生的因素X線管的靶物質(zhì)、kV、mA以及高壓波形都是直接影響X線量與質(zhì)的因素。〔一〕影響X線量的因素1.靶物質(zhì)連續(xù)X線的強度與靶物質(zhì)的原子序數(shù)(atomnumber)Z成正比(I連∝Z)。kV和mA都相同，陽極靶的Z高，X線的強度也正比地增大?！惨弧秤绊慩線量的因素錫的Z為50，K系特征X線為25～29keV；鎢的Z為74，K系特征X線約在58～70keV；鉛的Z＝82，K系特征X線在72～88keV。特征X線完全由靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)特性決定。靶物質(zhì)的Z愈高，軌道電子的結(jié)合能就愈大，特征X線的能量也就愈大，就需要更高的激發(fā)電壓?！惨弧秤绊慩線量的因素2.管電壓X線束中的最大光子能量等于高速電子的最大動能，電子的最大動能又決定于kV的峰值。改變kV也就改變了最大光子的動能，整個X線譜的形式也將隨之發(fā)生變化。mA不變時，隨著kV的增高，連續(xù)X線譜的λmin和λ最強都向短波方向(高能端)移動，X線束中的高能成分增多，X線的質(zhì)提高。X線強度與kV的平方成正比：I∝kV2〔一〕影響X線量的因素3.管電流電流的大小并不影響X線的質(zhì)，但在一定的kV下，X線的強度決定于mA。mA愈大，撞擊陽極靶面的電子數(shù)愈多，產(chǎn)生的X線強度也就愈大。實際X線強度與mA成正比：I∝mA〔一〕影響X線量的因素4.高壓波形X線發(fā)生器使用的都是脈動高壓，有單相半波和全波；三相六脈沖和十二脈沖。不管高壓波形怎樣，λmin只決定于kV的峰值(kVp)。但脈動電壓時的X線輻射強度都比峰值相應的恒定電壓的低。在kVp相同的情況下，六脈沖和十二脈沖所產(chǎn)生的X線比全波整流的硬線成分多，且在mA相同的情況下，X線的輻射強度也比較高。是因為全波整流的X線管工作的大局部時間都比峰值時的恒定電壓低，六脈沖和十二脈沖的電壓更接近蜂值時的恒定電壓?！惨弧秤绊慩線量的因素總之，X線的量與靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z，管電壓的平方，管電流及照射時間成正比。〔二〕影響X線質(zhì)的因素X線的質(zhì)僅取決于管電壓的千伏值：kV七、X線的產(chǎn)生效率在X線管中產(chǎn)生的X線的能量與加速電子的所消耗電能的比值，叫做X線的產(chǎn)生效率。在X線管中產(chǎn)生的X射線，絕大多數(shù)都是連續(xù)X線，特征X線比例極少；忽略比例極少的特征X線，即可表示為連續(xù)X線的功率〔Ｘ線的總強度〕比上電子消耗的功率iU。由此可見，X線的產(chǎn)生效率與管電壓和靶物質(zhì)的原子序數(shù)成正比。研究說明絕大局部的高速電子能最后會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。產(chǎn)生效率是極低的，往往缺乏0.01。2024/1/2652八、X線強度空間分布1．厚靶周圍X線強度的空間分布陽極效應：靠近陽極端的射線最弱，靠近陰極端的最強的現(xiàn)象。而且靶角愈小，下降的程度愈大。這種愈靠近陽極，X線強度下降得愈多的現(xiàn)象，就是“足跟〞效應，也稱陽極效應。圖2-10圖2-11當靶面陽極角為20°時，在通過X線管長軸且垂直于焦點平面的平面內(nèi)測定，那么近陽極端X線強度小，近陰極端X線強度大。最大值在110°處，分布是非對稱性的。在通過X線管短軸且垂直于焦點平面的平面內(nèi)測定，90°處最大，其分布根本上是對稱的。陽極效應的影響假設規(guī)定：X射線束中心線(0°)的強度為100%2024/1/2655在放射工作中，當成像解剖結(jié)構(gòu)厚度上或密度上差異較大時，陽極效應就很重要。因此成像時一般采用如下方法：①一般來說，應使肢體長軸與X線管長軸平行，并將厚度大、密度高的部位置于陰極側(cè)，這樣可使成像的探測器輻射量較為均勻。②盡量使用中心線附近強度均勻的X射線束攝影。2024/1/26562．薄靶周圍X線強度的空間分布圖2-13表示不同kV下不同薄靶中產(chǎn)生的X線在周圍空間的分布情況。不同角度上的矢徑長度代表在該方向上X線強度，即從電子束入射的靶點到各曲線的長度表示X線在該方向上的強度。高能電子束沖擊靶時產(chǎn)生的X線集中向前方，X線束變窄。圖2-13圖2-14表示一薄靶在不同kV下，產(chǎn)生的X線強度在靶周圍分布的變化情況。工作電壓在100kV左右時，X線在各方向上強度根本相等。kV升高時，X線最大強度方向逐漸趨向電子束的入射方向，其他方向的強度相對減弱，X線的強度分布趨于集中。圖2-143．X線機周圍劑量場的分布在X線機周圍工作環(huán)境中，劑量場的分布情況是輻射防護的重要參考資料，可借以發(fā)現(xiàn)潛在的異常高劑量區(qū)，采取必要的防護措施，減輕工作人員接收照射的危害。還可根據(jù)劑量場的資料，計算連續(xù)的允許工作時間，及估算X線工作者在特定時間內(nèi)將受到的照射量。復習1.X線的本質(zhì)2.X線的根本特性(1)物理特性：穿透性、熒光、電離、熱作用(2)化學效應：感光作用、著色作用(3)生物效應3.X線產(chǎn)生條件(根本條件):電子源、高速電子流、靶面X線管：實際焦點、有效焦點4.X線產(chǎn)生原理連續(xù)X線的最短波長、最強波長、平均波長影響連續(xù)X線的因素：靶物質(zhì)、管電流、管電壓特征X線：產(chǎn)生物理過程、激發(fā)電壓、影響因素復習5.X線的量與質(zhì)(X線強度)(1)X線的量：mAs、kV2

(2)X線的質(zhì)：kV6.影響X線產(chǎn)生的因素(1)靶物質(zhì)(2)管電壓(3)管電流(4)高壓波形7.X線產(chǎn)生效率:很低，＜1%8.X線強度空間分布(1)厚靶周圍X線強度的空間分布(陽極效應)(2)薄靶周圍X線強度的空間分布(3)X線機周圍劑量場的分布第二節(jié)、X線與物質(zhì)的相互作用2.1光電效應2.2康普頓效應2.3電子對效應2.4其他作用2.5在診斷放射學中各種作用發(fā)生的概率2024/1/2662X線是一種能量很大的電磁輻射，當它與物質(zhì)相互作用的時候，能產(chǎn)生初級電子和次級光子，通過電離和激發(fā)過程把能量傳遞給物質(zhì)。X線與物質(zhì)相互作用，不像電子那樣通過屢次小能量的損失逐漸耗盡其能量，而是在一次相互作用過程中就可損失大局部或全部能量。X線與物質(zhì)的相互作用都是和原子發(fā)生的。這是因為組成分子的各原子間的結(jié)合力非常小，不能阻止能量很大的光子，射線的分子效應完全是由于原子的變化造成的。X線在物質(zhì)中可以引起物理、化學和生物各種效應，這些效應的產(chǎn)生不是簡單的能量轉(zhuǎn)換，而是一個很復雜的過程。2024/1/26632024/1/2664圖2-15X光子在生物組織中的吸收及生物效應過程一、光電效應1.光電效應光電效應(photoelectric

effect)也稱光電吸收。能量為hv的光子通過物質(zhì)時與物質(zhì)原子的內(nèi)層軌道電子相互作用，將全部能量交給電子，獲得能量的電子擺脫原子核的束縛成為自由電子(即光電子)，而光子本身整個地被原子吸收，這樣的作用過程稱為光電效應。2024/1/2665根據(jù)愛因斯坦光電效應方程，假設軌道電子的結(jié)合能為EB，那么光電子的動能為:E=hv-EB放出光電子的原子變?yōu)檎x子，原子處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，其電子空位很快被外層電子躍入填充，同時放出特征X線光子。有時，特征X線在離開原子前，又將外層電子擊脫，該電子稱為俄歇電子。光電效應的實質(zhì)是物質(zhì)吸收X線使其產(chǎn)生電離過程，此過程中產(chǎn)生次級粒子:①負離子(光電子、俄歇電子);②正離子(喪失電子的原子);③特征輻射。2.光電效應發(fā)生概率：物質(zhì)原子序數(shù)Z的影響、入射光子能量的影響、原子邊界限吸收的影響(1)物質(zhì)原子序數(shù)Z的影響:光電效應的概率與Z的四次方成正比，即:光電效應概率∝Z4 軌道電子與原子核結(jié)合得愈緊密，就愈容易發(fā)生光電效應。對于高Z物質(zhì)，其軌道電子的結(jié)合能較大，不僅K層而且其他殼層上的電子也較容易發(fā)生光電效應。但對低Z物質(zhì)，只有K電子結(jié)合能較大，所以光電效應幾乎都發(fā)生在K層。再者，由原子的內(nèi)層脫出光電子的概率比由外層脫出光電子的概率要大得多。假設入射光的能量大于K電子結(jié)合能，那么光電效應發(fā)生在K層的概率占80%，比外層高出4-5倍。2024/1/26672.光電效應發(fā)生概率(2)入射光子能量的影響:光電效應發(fā)生的條件是入射光子能量必須等于或大于軌道電子結(jié)合能。但光子能量愈大光電效應的發(fā)生概率反而迅速減小。理論與實驗都證明，光電效應的概率大約與光子能量的三次方成反比，即:2024/1/26682.光電效應發(fā)生概率(3)原子邊界限吸收的影響:如果測出某一種物質(zhì)對不同波長射線的光電質(zhì)量衰減系數(shù)μm(massattenuationcoefficient)，就可以繪出μm與入射光子能量hv變化的關(guān)系圖。物質(zhì)原子的邊界限吸收特性有很大的實用價值，可在防護材料的選取，復合防護材料配方及陽性比照劑的制備等方面得到應用。2024/1/26693.光電效應中的特征輻射X線產(chǎn)生中的特征輻射與光電效應中的特征輻射的意思完全一樣，唯一的差異是擊脫電子的方式不同：在X線管中擊脫軌道電子的是從陰極飛來的高速電子，而在光電效應中那么是X線光子，它們的結(jié)果都是造成電子空位，產(chǎn)生特征輻射。2024/1/2670碘和鋇都是X線檢查中常用的比照劑，其特征輻射具有較高的能量(碘是33.2keV;鋇是37.4keV)，能穿過人體組織到達膠片產(chǎn)生灰霧。鈣是人體內(nèi)原子序數(shù)最高的主要元素，它的K特征輻射只有4keV，遠小于X線光子能量，在其發(fā)生后的幾毫米之內(nèi)就被吸收了。人體內(nèi)其他元素的特征輻射的能量就更小了?？梢?，人體各組織由X線照射所產(chǎn)生光電效應的特征輻射將全被組織吸收。二、康普頓效應1.康普頓效應康普頓效應(Comptoneffect)又稱康普頓散射，是射線光子能量被局部吸收而產(chǎn)生散射線的過程。當具有能量為hv的入射光子與原子的軌道電子相互作用時，光子交給軌道電子一局部能量后，其頻 率發(fā)生改變并與入射方向成ψ角射出(散射光子)，如獲得足夠能量的軌道電子那么脫離原子束縛與光子入射方向成θ角的方向射出(反沖電子)。2.康普頓效應發(fā)生概率:實驗和理論證明康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)為σm：式c2=c1N0中是一個常數(shù)?？灯疹D效應的發(fā)生概率受兩個方面的影響。(1)物質(zhì)的原子序數(shù):康普頓效應的發(fā)生概率與物質(zhì)的Z成正比。但此關(guān)系只適合氫和其他元素的比較，因為除了氫元素外，大多數(shù)材料幾乎有相同的(每克電子數(shù))，因此，幾乎所有物質(zhì)的σm都相同。 (2)入射光子能量:康普頓效應發(fā)生概率與入射X線波長成正比，即與入射光子能量成反比：上式表示入射光子的能量比電子的結(jié)合能大很多才能發(fā)生康普頓效應。隨著入射光子能量增加康普頓效應越來越重要，而光電效應很快降低。2024/1/26743.反沖電子及散射光子在康普頓散射中，只有光子能量遠遠超過電子在原子中的結(jié)合能時，才容易發(fā)生康普頓效應。在實際處理時，通常忽略軌道電子的結(jié)合能，把康普頓效應看成是入射光子與自由電子的碰撞。碰撞時假設光子從電子邊上擦過，其偏轉(zhuǎn)角度很小，反沖電子獲得的能量也很小，這時散射光子卻保存了絕大局部能量；如果碰撞更直接些，光子的偏轉(zhuǎn)角度增大，損失的能量增多；正向碰撞時，反沖電子獲得的能量最多，這時被反向折回的散射光子仍保存一定的能量。必須指出，光子可在0°-180°的整個空間范圍內(nèi)散射，而反沖電子飛出的角度那么不超過90°。2024/1/26753.反沖電子及散射光子散射光子的能量隨散射角φ的增大而減小，在康普頓散射中，散射光子仍保存了大局部的能量，傳遞給反沖電子的能量是很少的。小角度偏轉(zhuǎn)的光子，幾乎仍保存其全部能量。這就會產(chǎn)生一個問題，小角度的散射線不可防止地要到達膠片產(chǎn)生灰霧而降低照片的質(zhì)量。其原因是，散射線的能量大，濾過板不能將它濾除;由于它的偏轉(zhuǎn)角度小，所以也不能用濾線柵把它從有用線束中去掉。2024/1/26764.散射光子和反沖電子的角分布康普頓散射光子的角分布強烈地依賴于入射光子的能量。對0.1MeV的低能光子產(chǎn)生的散射光子對稱于90°角分布，隨著光子能量的增加，散射光子趨于前方。從曲線上一點到作用點的距離表示在該方向上散射線的強度。這是一個平面圖，如果以X線的入射方向為軸旋轉(zhuǎn)一周就成為散射線強度的空間分布圖。2024/1/26772024/1/2678三、電子對效應1.電子對效應在原子核場中，一個具有足夠能量的光子，在與靶原子核發(fā)生相互作用時，光子突然消失，同時轉(zhuǎn)化為一對正、負電子，這個作用過程稱為電子對效應(electricpaireffect)。2024/1/26792.電子對效應的發(fā)生概率實驗證明，電子對效應質(zhì)量衰減系數(shù)km

∝nZ2lnhν，所以電子對效應的發(fā)生概率與物質(zhì)的原子序數(shù)Z2成正比，與單位體積內(nèi)的原子個數(shù)n成正比，也與光子能量的對數(shù)值成正比?？梢姡撟饔眠^程對高能光子和高原子序數(shù)物質(zhì)來說才是重要的。需要說明的是:在0.01-10MeV這個最常見的能量范圍內(nèi)，除少數(shù)例外，幾乎所有效應都是由光電效應、康普頓效應和電子對效應這三個根本過程產(chǎn)生的。圖2-22對范圍很寬的入射光子能量hν和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z簡單明了地指出了這三種主要相互作用的相對重要性。四、其他作用1.相干散射射線與物質(zhì)相互作用而發(fā)生干預的散射過程稱為相干散射(coherentscattering)。否那么就是非相干散射，康普頓散射即為非相干散射。相干散射包括瑞利散射、核的彈性散射和德布羅克散射。與康普頓散射相比，核的彈性散射和德布羅克散射的概率非常低，可以忽略不計。當入射光子在低能范圍如0.5-200keV時，瑞利散射的概率不可忽

略，因此相干散射主要是指瑞利散射。2024/1/2681瑞利散射是入射光子被原子的內(nèi)殼層電子吸收并激發(fā)到外層高能級上，隨即又躍遷回原能級，同時放出一個能量與入射光子相同，但傳播方向發(fā)生改變的散射光子。這種只改變傳播方向，而光子能量不變的

作用過程稱為瑞利散射。這實際上就是X線的折射。相干散射是光子與物質(zhì)相互作用中唯一不產(chǎn)生電離的過程。相干散射的發(fā)生概率與物質(zhì)的Z成正比，并隨光子能量的增大而急劇地減少。在整個診斷用X線能量范圍內(nèi)都有相干散射發(fā)生，其發(fā)生概率缺乏全部相互作用的5%，對輻射屏蔽的影響不大，但在總的衰減系數(shù)計算中要考慮相干散射。相干散射的質(zhì)量衰減系數(shù)與原子序數(shù)和入射X線光子能量的關(guān)系為:2024/1/26822.光核作用就是光子與原子核作用而發(fā)生的核反響。這是一個光子從原子核內(nèi)擊出數(shù)量不等的中子、質(zhì)子和γ光子的作用過程。對不同物質(zhì)只有當光子能量大于該物質(zhì)發(fā)生核反響的閾值時，光核反響才會發(fā)生。其發(fā)生率不到主要作用過程的5%，因此，從入射光子能量被物質(zhì)吸收的角度考慮，光核反響并不重要。但是應注意，某些核素在進行光核反響時不但產(chǎn)生中子，而且其反響的產(chǎn)物是放射性核素。光核反響在診斷用X線能量范圍內(nèi)不可能發(fā)生，在醫(yī)用電子加速器等高能射線的放療中發(fā)生率也很低。2024/1/2683五、在診斷放射學中各種作用發(fā)生的概率在20-100keV診斷用X線能量范圍內(nèi)，只有光電效應和康普頓效應是重要的，相干散射所占的比例很小，并不重要，光核反響可以忽略，電子對效應不可能產(chǎn)生。假設忽略占比例很小的相干散射，那么在X線診斷中就只有光電效應和康普頓效應兩種作用形式。2024/1/2684第三節(jié)X線的衰減規(guī)律3.1距離引起的衰減3.2物質(zhì)引起的衰減規(guī)律3.3X線通過人體的衰減規(guī)律3.4影響X線衰減的因素2024/1/2685一、距離引起的衰減X射線與物質(zhì)相互作用過程中，物質(zhì)吸收了X射線后，X射線強度的減弱，即為衰減，包括距離所致的擴散衰減和物質(zhì)所致的吸收衰減。距離衰減的規(guī)律為X射線的強度與距離的平方成反比〔真空條件下〕。診斷用X射線通過被檢體時，X射線光子與人體主要發(fā)生光電效應、康普頓效應和相干散射，在此過程中由于散射和吸收，使得X射線強度衰減。2024/1/2686二、物質(zhì)引起的衰減規(guī)律2024/1/2687〔一〕單能窄束X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律由相同能量的光子組成的射線稱為單能X射線，分為單能窄束和單能寬束。1.單能窄束X線：是指不包括散射成分的射線束，其衰減規(guī)律如下式中，I0為X射線到達物體外表時的強度I為透過物體后的強度x為吸收物體的厚度μ為線性衰減系數(shù)2024/1/26882.衰減規(guī)律〔二〕單能寬束X射線的衰減規(guī)律寬束X射線是指含有散射成分的X射線束。實際使用的X射線多為寬束X射線。寬束X射線的衰減中μ值不再是一個常數(shù)，它與吸收物質(zhì)的形狀、面積、厚度，探測器與吸收體之間的距離和光子的能量等有關(guān)，因此寬束X射線的衰減規(guī)律比較復雜，常常在窄束X射線衰減規(guī)律的根底上引入積累因子B加以修正。