1、X射線成像原理2 1895年倫琴發現X射線（也叫倫琴射線）。 X射線激發涂有鉑青化鋇的紙板發出熒光。 X射線是波長很短的電磁波，具有波粒二象性。 X射線強大的穿透能力使人們很快意識到它在醫學成像中的應用前景，1896年英國醫生就攝取了一位婦女手指的X射線照片。診斷用的X射線波長一般在0.0080.031nm。3 X射線除具有電磁波的共同屬性外，還有以下特有性質：l X射線在均勻、各向同性的介質中，是直線傳播的不可見電磁波。l X射線不帶電，不受外界磁場和電場的影響。l 穿透性： X射線對大多數物質是透明或半透明的。l 熒光效應：透視檢查的基礎。l 電離效應：使空氣產生正、負離子（測量依據）。l

2、 攝影效應：可以使涂有鹵化銀的膠片感光。l 生物效應：損傷細胞、放射治療（注意防護）。4 產生X射線的激發機理是使高速行進的電子流突然受阻。產生定向、實用的X射線應具備四個條件：l 電子源發射電子（陰極）；l 受電子轟擊而輻射X射線的物體（陽極靶）；l 加速電子的電位差（管電壓）；l 高真空環境（減小電子能量損耗，避免氧化）。X線發生裝置，主要包括 X線管、變壓器和操作臺。 5玻璃外殼陰極陽極 發射電子的電子源，且能使電子聚焦后去撞擊陽極，一般由發射電子的燈絲和聚焦電子的凹面陰極體組成。陽極（anode）又稱陽靶，功能是產生X射線，分為固定式和旋轉式。鎢（74）、鉬（42）。陰極（cathod

3、e）除了初聚焦電子之外，還防止二次電子危害。常用的陰極有圓焦點型和線焦點型。6 旋轉式陽極是將陽極和陽極體做成圓盤狀，并用小電機帶動旋轉（28008500轉/分），可以使熱量均勻分散到整個靶面上，避免局部過熱。旋轉陽極的X射線管比固定陽極X射線管功率大得多。 一般由原子序數較高的耐高溫金屬鎢、鉬制成。為了散熱，通常將陽極靶鑲嵌在銅制襯底上。固定陽極的X射線管僅適用于管電流較小、曝光時間較長的便攜式牙科和骨科X光機中。u 固定式陽極u 旋轉式陽極7 X射線的轉換效率主要由兩個因素決定：陽極材料的原子序數Z和自由電子本身的能量（管電壓）。91.4 10 ZV（8-1）陽極材料一般選擇鎢74。轉換效

4、率的一般表達式為： X射線管中，陰極發射的熱電子，經陰、陽兩極間的電場加速后，電子速度非常高。100KV管電壓下，速度可達0.55c。這么高速的電子流與靶物質相互作用，能量損失，速度驟減，相互作用十分復雜。8 一般，可以將電子的能量損失分為碰撞損失和輻射損失。u 碰撞損失 指高速電子與目標物質原子核的外層電子作用而損失的能量，全部轉化為熱能。u 輻射損失 指高速電子與原子核的內層電子或原子核相互作用而損失的能量，不足電子總能量的百分之一。 輻射損失分軔致輻射（產生連續X射線）和標識輻射（產生標識X射線）。9u 經典電磁學理論的解釋 當一個帶電體在外電場中速度變化時，將向外輻射電磁波。軔致輻射：

5、高速電子在進入和離開原子核附近的強電場區域時，向外輻射電磁波而損失能量，電磁波的頻率由損失能量決定。電子的這種能量輻射叫軔致輻射。 軔致輻射產生能量為hv的電磁波稱為光子。不同電子對應的輻射損失不同，大量的X光子組成具有頻率連續的X光譜。 min12.4()nmU（8-2） 短波極限波長對應的X光子能量最大，只與管電壓有關。10標識輻射：原子核的核外電子處于不同能級：靠近原子核的電子，結合能大，定態能級低；離原子核較遠的外層電子，結合能小，定態能級高。 當高速電子能量大于內層電子的結合能時，將以一定概率打出內層電子，成為自由電子（光電子），使原子內電子層出現空位。按照能量分布最低原則，處于高能

6、態的外層電子必然向內層躍遷填補空位。在躍遷過程中，釋放出的多余能量，以X射線輻射的形式表現出來，稱為標識輻射。標識輻射的特點：標識X射線的波長僅取決于陽極靶物質（與其它因素無關）。每一種元素的標識X射線的波長是固定不變的；殼層越接近原子核，最低激發電壓越大；對于給定的靶產生的單色X射線，K系標識X射線的強度要比L、M等系的X射線強度大得多。11X射線譜相相對對強強度度0波波 長長150KV100KV60KV標識輻射標識輻射軔致輻射軔致輻射12表8.2 鎢靶X射線固有濾過后產生的兩種X射線比例13u X射線管的焦點實際焦點：指燈絲發射的電子，經聚焦加速后，投射在陽極靶上的面積。有效焦點：指實際焦

7、點在垂直于X射線管軸線方向上投影的面積，即照射在膠片上的有效面積，也稱為目視焦點。電子束bsinaba陽極體陽極體實際焦點有效焦點實際焦點的大小直接影響X射線管的散熱和影像的清晰度。面積越大，對散熱有利，但是，會降低影像的清晰度。14 實際應用中，兩方面都需考慮：一般將陽極傾角選取在15o19o左右。 兩個焦點都具有面積量綱，通過靶角建立關系。靶角越小，有效焦點的長度越小，有效焦點的面積也越小。可以通過縮短燈絲長度或減小角來縮小有效焦點，但是，溫度又會快速上升。u 焦點的面積u 焦點的方位特性 在X射線管中，投影方向不同，有效焦點尺寸也不一樣。一般，靠近陰極方向的焦點大，而靠近陽極方向的焦點小

8、。15u 焦點的X射線強度 指單位時間X射線的量，由光子數和光子的平均能量決定。 由于抵達靶面各處的電子密度不盡相同，而且靶面各處的單個X光子的能量千差萬別，所以，X射線強度在焦點處的分布是不均勻的。 X射線管的焦點面積、焦點面上強度分布，以及被攝部位與膠片間的距離，都對X射線影像的清晰度有影響。 焦點面積越小、強度分布接近高斯分布（矩形分布次之）、被攝體與膠片距離越近，圖像越清晰。16 指大量速度極高的電子打在陽極靶上將產生很多熱量，允許產熱（或能承受熱量）的最大負荷量叫做X射線管的容量。 X射線管的容量通常用其最高管電壓與管電流的乘積來表示： 1000eU IP u X射線管的容量Ue為管

9、電壓有效值，單位為kV，I單位為mA，P為容量，單位為kW。 （8-3）17X射線管容量的影響因素：l 實際焦點的大小：焦點大，容量大。l 管電壓的高低：電壓小，容量大。l 管電流的大小：電流小，容量大；l X射線管的連續使用時間：時間短，容量大。l 焦點上電子分布的情況：分布均勻，容量大。l 陽極的構造方式及冷卻方式：傾角大，油冷卻。18 指X射線在空間某一點的強度，是單位時間內通過單位橫截面積的輻射能量，由每一個光子具有的能量大小和光子數的多少決定。u X射線的強度 在醫學應用中，常用X射線的量和質來表示X射線的強度。1）對于單色X射線，強度為：IN hv（8-4）2）對于復色X射線，強度

10、為：totaliiINhv（8-5）193）連續X射線的總強度為：mtotalIK Z i U （8-6） K為常數，約為1.11.410-9，m約等于2，Z為原子序數，i為管電流，U為管電壓。 在X射線診斷中，常用一種簡便的近似方法表示強度： 在管電壓固定時，用X射線管的管電流與照射時間的乘積來間接反映X射線的量，以毫安秒為單位。用毫安數表示X射線的強度。 目前測量X射線強度的較好方法是測定空氣中產生電離電荷的多少，以此來反映X射線強度的大小。20 X射線的質一般用于表示X射線的硬度，即穿透物質的能力，與管電壓與濾過有關。u X射線的質 醫學上，把X射線的硬度分為四類：極軟、軟、硬、極硬。不

11、同硬度的X射線用途各異， X射線影像使用前兩種較軟的X射線。表8.3 X射線的硬度分類21u X射線的濾過與硬化l 對于單色X射線，X光子能量相同，有相同的穿透本領，波長均勻，無須濾過。l 醫用X射線束是連續譜， 光子能量不同，頻率也不同，需要濾過。l 濾過作用有管壁的固有濾過和照射前的附加濾過。附加濾過提高了X射線的有效能量，使線質變硬。 管電壓較低時，采用鋁濾波板；管電壓較高時，采用銅鋁濾波板。半價層指使X射線束的強度減弱為原來的一半時所需要的吸收層的厚度。半價層越厚，表示X射線越硬。硬X射線：高的管電壓、選用原子序數較大的材料做陽極靶、選擇原子序數較大和厚度較大的濾過板。22 在陽極靶不

12、同方位角，X射線的輻射強度是不同的，主要取決于入射電子能量、靶物質及靶厚度。u X射線輻射場的角分布 對于薄靶，低能電子束產生的X射線強度分布，主要集中在與電子束垂直的方向上；而高能電子束產生的X射線集中向前方，X射線束變窄。 對于厚靶（醫療診斷用），愈靠近陽極一側， X射線輻射強度下降得越多。而且，靶角越小，下降程度越大，產生所謂陽極效應。23 X射線與物體相互作用時表現的衰減、穿透和濾過作用是X射線影像技術中需要考慮的因素。8.3.1 微觀作用機制 目前，在X射線診斷技術中，其能量范圍是10KeV300KeV，屬于低能范疇。在低能范圍時，X射線與物質相互作用的主要形式為光電效應和康普頓散射

13、。通常光子能量在0.0110MeV范圍內，光子與物質作用的三種形式都存在。當能量在0.84.0MeV時，康普頓散射占主導地位；光子能量在0.010.8MeV時，光電效應占主導地位；在4.010MeV時，電子對效應占優勢。24 指入射光子的能量完全被原子吸收：一部分用來克服電子的結合能；一部分轉化為電子的動能。新的光電子的動能等于入射光電子的能量減去該出射光電子在原來原子殼層中的結合能。入射光子能量若低于該結合能時，不會發生（內）光電效應。u 光電效應（光電子吸收） 生物組織中，多數原子K層電子的結合能為0.5KeV，而X射線影像技術中X射線的能量為10100keV之間，完全可以發生光電效應。入

14、射光子入射光子原子原子電子電子光子光子光電子吸收示意圖光電子吸收示意圖強結合能強結合能25 指入射光子在自由電子上的非彈性碰撞，一般發生于入射光子的能量比電子在原子核中的結合能大得多情況。入射光子與電子碰撞后，將產生散射。康普頓散射的發生概率與單位面積內的電子總數成正比。康普頓散射在原子序數高的物質中發生的可能性大。 u 康普頓散射康普頓散射示意圖入射光子入射光子原子核原子核電子電子弱結合能弱結合能散射光子散射光子動能26 理想情況下（在均勻介質均勻介質中），單能窄束單能窄束X射線在物質中的衰減可以表示為：0 xII e（8-7）u X射線的衰減I0是入射X射線強度，I是穿透厚度為x的均勻物質

15、后X射線的強度，為線性衰減系數，與物質的密度成正比。X射線在物質內傳播過程中的強度減弱，由擴散衰減（能量的分散）和吸收衰減（與物質的相互作用）引起。 如果用質量衰減系數表示，也可以表示為：0mmXII e（8-8）式中，m= / 為質量衰減系數，Xm=X 是質量厚度。27各部分的元素組成也不盡相同，比如：軟組織中的水占75，蛋白質和脂肪、碳水化合物占23，K、Na、Cl、Fe等元素占2，所以，人體中物質與X射線的相互作用比較復雜。 實際情況中，醫用X射線不是單能窄束，人體也不是單一物質。骨骼軟組織肺消化道腔體內氣體這樣，混合物的衰減系數為：mmiip（8-9）式中，mi是組成混合物各元素的質量

16、衰減系數，Pi表示第i種元素在混合物中的質量比例。高原子序數的物質對X射線有較強的衰減，對于混合物，常用有效原子序數有效原子序數來描述對X射線的衰減。28混合物的有效原子序數為：12.942.94()iiZa Z（8-10） 式中，ai為第i種元素在單位體積中電子數的占有比率，Zi為第i種元素的原子序數。 一般常用水來代表人體中的低原子序數物質（如肌肉、脂肪、體液等）；用鈣代表中等原子序數物質（如骨骼）；陽性造影劑（碘化鈉）為高原子序數物質。光電效應作用的百分數29 這樣，X射線通過人體的衰減公式，可以修正為：0dIBI e（8-11）此式又稱為單能寬束X射線衰減公式。式中，B為積累因子，為被

17、檢物質的有效線性衰減系數，d為被檢物質的厚度。X射線衰減需要考慮的因素： X射線的軟、硬 物質的原子序數 物質的密度 每千克物質所含電子數 一般而言，入射光子能量越小，吸收物質的密度越大，原子序數越高，每千克電子數越多時，衰減越大。30 應用熒光屏來觀察X射線穿透人體影像的檢查方法稱為X射線透視（X-ray fluoroscopy ）。 人體各組織、器官在密度、厚度等方面存在差異，對X射線的衰減不同，可在熒光屏上形成由明暗不同的點構成的影像。如果投照厚度一定，則熒光屏上暗的地方表明對應人體組織器官密度高，X射線吸收多，亮的地方表示組織器官密度低，X射線吸收少。醫生根據解剖學和病理學知識，分析影

18、像，判斷該組織器官的形態和功能。u 工作原理31 X射線管和熒光屏裝在一個C形臂的兩端。熒光屏由熒光紙、鉛玻璃和薄膠合板組成，裝于一個框架中。薄膠合板在熒光紙之前，保護熒光紙；鉛玻璃防止X射線對工作人員的傷害；熒光紙在二者之間，紙面涂有熒光物質。u 基本結構 普通X射線透視簡單、方便、費用低廉，但是存在一些局限和不足：l 被檢者和醫生不可避免地受到X射線的劑量輻射；l 不能留下客觀記載；l 兩次影像轉換（X射線影像熒光屏人眼），容易使圖像不清楚。32 為了提高X射線透視的影像亮度，50年代研制出了第一代X射線影像增強器，80年代研制出第二代X射線影像增強器平板型影像增強管。 第一代影像增強器：光電變換電子透鏡聚焦電光轉換第二代影像增強器：光電變換加速電光轉換光電變換加速電光轉換 影像增強器提高了影像的亮度，使X射線電視、電影、磁帶錄像和遙控得以實現，擺脫了暗室操作，為隔室操作、會診、教學提供了條件，也使X射線影像的存儲方式發生了變革。 33 透過人體的X射線作用在膠片上，各組織器官對X射線的衰減不同，對膠片的感光程度不同，形成X射線投影像。 X射線膠片的感光度較高，需要的X射線劑量比透視少很多，可以比透視顯示更細微的病變，可以長時間保存，并可走出暗室，在日光下讀片。但是，X射線