醫學成像技術節第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五一、x射線與物質相互作用系數作用截面（反應截面）一個入射粒子與單位面積上一個靶粒子發生相互作用的概率

σ=-（△I/I）/N·△xb（1b=10-23m2）（巴恩/原子，bam）N：靶物質的靶粒子密度（單位體積內的靶粒子數）△x：通過的靶物質的厚度N·△x：表示底面積為單位面積，長為△x的柱體內的靶粒子數（單位面積內的靶粒子數）如單個粒子與物質的相互作用有多種形式，即存在多個相互作用的截面，則總的相互作用截面等于

第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五

線性衰減系數μlinearattenuationcoefficient表示1：X射線光子與每單位厚度的物質發生相互作用的概率μ（線性衰減系數）=σ·n（m-1）n：靶物質單位體積內的靶粒子數可見：即作用截面與衰減系數只是同一物理性質的不同表達方式

表示2：X射線束穿過靶物質時在單位厚度上入射X射線光子數減少的百分數

dx：光子穿過的物質薄層厚度dN：穿過dx薄層時，有dN個光子與物質發生了作用對于每一種作用形式，定義其相應的線性衰減系數，總的線性衰減系數等于第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五質量衰減系數massattenuationcoefficient

線性衰減系數與吸收物質的密度成正比，物質密度越大，線性衰減系數越大，x射線衰減的程度越大，透射能力越弱。而物質的密度隨溫度或氣壓的變化而變化，因此線性衰減系數也會隨溫度和氣壓的變化而變化。為避免這一缺陷，定義了質量衰減系數：μm=μ/

=σ

n/

（m2kg-1）

物理意義：X光子穿過物體與單位質量厚度的物質發生相互作用概率.總質量衰減系數等于各分質量衰減系數之和。

第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五二、主要作用形式光電效應（吸收）（photoelectriceffect）康普頓效應（散射）（comptonscattering）電子對效應（electricpaireffect）下一頁第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五定義：

X光子通過物質時，與物質原子的內層電子或束縛電子發生相互作用，把全部能量傳遞給該電子，光子消失，獲得能量的電子掙脫原子束縛成為自由電子（光電子）；原子的電子軌道出現一個空位處于激發態，它將通過發射標識x射線的形式回到基態。次級粒子：光電子，正離子，新的光子（標識輻射光子）

PhotoelectricEffecte-+photoelectronCharacteristicX-raylineX-rayphoton第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五

作用對象：

X-射線與物質原子的內層電子或束縛電子相互作用。

過程：

若光子能量大于束縛電子的結合能。

1）電子被光子擊出：“光電子”產生。光子本身消失了，

2）物質的原子被電離，原殼層處留下空位。

3）“光電子”繼續撞擊物質中的其它原子，它的動能以熱的形式消耗在附近晶格中；

4）

空位為外層電子（自由電子）所填充，產生輻射，發出標識X-射線光子。5)原子內殼層電離時，所缺一個電子留下的空位由原子內較高能量的電子來補充，但這時并不發出輻射而把躍遷的能量交給另一個較高能量的電子，使之激發到原子外面成為自由電子，這個電子就是俄歇電子

第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五1.在0°和180°方向沒有光電子2.入射X光子能量很低時，垂直入射方向出現光電子的頻率最大；隨入射X光子能量增加，角分布逐漸傾向沿光子入射方向第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五發生條件：

入射光電子的能量＜某殼層結合能，光電效應不發生。光電子動能=入射光電子的能量-該出射光子在原所在原子殼層中的結合能

普通x射線影像技術中，x線能量10-300KeV，生物體K系電子結合能≈0.5KeV，所以完全可以發生光電效應，且光電效應占主導地位。作用系數：因光電效應而導致的X射線光子衰減的系數稱為光電衰減系數實驗證明光電質量衰減系數∝Z3

/（?ν）3

即：原子序數越大，電子在原子中束縛的越緊，其參與光電效應的概率越大；x射線光子能量增大，光電效應概率迅速減小

第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五光電效應在診斷放射學中的應用：1.無散射線，大大減少了照片的灰霧度2.X射線造影：利用射線衰減與原子序數∝z3，使用造影劑來增加人體組織與造影劑之間的吸收差別，提高影像對比度.3.軟X攝影：利用低能射線在軟組織中因光電吸收的明顯差別產生高對比度照片，詳見第二章。4.高千伏攝影：低能時，入射的射線通過光電效應可全部被人體吸收，受檢者受射線劑量增加，所以應盡量減少光電效應的發生。一般利用光電效應中射線質量衰減系數（即發生概率）與光子能量3次方成反比的原理，在實際工作中采用高千伏攝影，減少光電效應的發生，可降低射線劑量。第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五習題：放射診斷學中的光電效應a.優點

提高成像質量b.缺點

入射X線通過光電效應幾乎全部被人放療時增加對腫瘤組織的劑量因光電轉換減少散射線，故減少照片灰霧利用造影劑可增加對比度體吸收，增加了受檢者的劑量，對人體有負面作用。返回第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五發生過程：當入射X射線光子和原子內一個軌道電子發生相互作用時，光子損失一部分能量，并改變運動方向，成為散射光子；電子獲得能量而脫離原子，成為反沖電子，這個過程稱為康普頓效應，

第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五作用對象：X-射線與物質原子的外層電子或自由電子相互作用。入射X-射線光子把一部分能量傳給電子。1）入射光子與自由電子碰撞中，一部分能量轉移給自由電子，自己的能量下降，頻率降低，波長變長，獲得能量的自由電子脫離原子，稱為反沖電子。電子沿一角度反沖彈出，動能通過電離和激發過程最后變成熱消耗掉；2)光子并不消失，但能量減小（從而它的頻率降低），方向改變，這個光子稱散射光子；3)結果:原射線方向下的光子數就減少（衰減）了。第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五

注:康普頓效應的散射線，是X線檢查中最大的散射線來源,且充滿整個檢查室空間。必須引起工作人員和防護人員的重視,并采取防護措施.①散射光子可在0°-180°的整個空間范圍內散射，反沖電子只能出現在0°-90°的范圍內。②隨著入射射線能量的增加，反沖電子和散射光子都表現為前沖趨勢第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五作用系數：

因康普頓效應導致的衰減的系數稱為康普頓衰減系數。實驗證明：康普頓質量衰減系數∝1/?ν即:入射光子能量越大，康普頓衰減系數越小。與吸收物質的原子序數無關。所有物質康普頓質量衰減系數幾乎相同（除氫元素外，大多數材料具有相同每克電子數）。

但康普頓效應發生概率單位體積內的電子總數，通常原子序數高的物質較高，發生康普頓散射的可能性也大一些。第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五康普頓散射效應在診斷放射學中的應用：

診斷x射線放射學中，由人體組織引起的諸多衰減因素中最重要的是康普頓散射，是造成衰減的主要因素。同時散射線增加照片的灰霧，對成像會產生影響，降低了圖像的對比度；由患者身上散射射線的能量與原射線相差很小，且較均勻的分散在整個空間，成為對檢查人員的照射，但與光電效應相比受檢者的劑量較低。返回第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五定義：入射光子與原子核周圍的電場相互作用時，一個光子的全部能量會轉變成具有靜止質量的一個負電子和一個正電子的現象產生的正負電子對在物質中損失能量后，達到熱平衡，正電子在熱平衡時與物質中的負電子產生淹沒光子，發出兩個0.511MeV的射線，方向相反。這兩個射線產生的時間非常短，與物質再次相互作用產生光電效應與康普頓效應，產生次級快速電子。第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五作用對象：X-射線與物質原子在原子核區相互作用過程：

X-射線光子的能量>1.02Mev

產生電子對（一個電子和一個正電子）二者靜止質量所對應于的能量各為：光子有可能在原子核的電場中發生湮滅第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五產生條件電子對效應中的電子總動能Eke=?ν-1.022Mev∴光子能量?ν＞1.022Mev（正負電子的靜止能量）湮滅輻射：正負電子的靜止質量相等，電荷量相等，電性相反，一般情況下，各自得到1/2Eke

，當他們通過物質時，會通過電離或者激發逐漸喪失其動能，當正電子動能完全喪失時，會與物質中的自由電子復合，兩電子消失，產生飛行方向相反能量各為0.511Mev的兩個光子的現象。第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五作用系數：

①電子對效應的質量衰減系數與原子序數成正比。②當能量較低時，作用系數隨X射線光子能量線性增加；高能時，隨射線光子能量的變化逐漸變慢（對數關系）。所以，電子對效應的截面與Z成正比，隨X射線能量增大而增大。返回第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五

A.相干散射X線與物質作用的其他過程

射線與物質相互作用而產生干涉(衍射)的散射過程叫相干散射。比如X線對年晶體衍射產生的勞厄斑就是相干散射現象.相干散射是唯一不產生電離的過程。

光子與原子核作用發生核反應的過程。比如釋放中子、質子、β粒子和γ光子等。光核作用在X線診斷過程中不能發生，在放療中發生率也很低。

B.光核作用第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五X線引發效應小結光核作用++eehfhfhf’+hfZee-e+第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五

在探測x射線時，主要利用x射線與物質的三種相互作用（光電效應、康普頓效應與電子對效應）。這三種效應，一次作用損失掉全部或大部分能量，然后產生次級電子，再在物質中產生電離與激發等效應，我們可以對其產生的電子進行探測。這三種效應互相競爭，其產生的截面與x射線的能量以及物質的特性有關.

總結：作為整體效應，不管哪種作用占優勢，X線能量↑，光電效應發生的概率↓，衰減量↓，透過量↑。第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五三、各種相互作用的相對重要性總的質量衰減系數總結：

①0.01-0.8Mev，光電效應占主導0.8-4.0Mev，康普頓散射占主導4.0-10Mev，電子對效應占優勢醫學影像中，x射線能