X射線知識第五節(jié)X射線在人體內(nèi)的衰減第一節(jié)X射線的產(chǎn)生第二節(jié)X射線輻射場的空間分布第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用第四節(jié)X射線在物質(zhì)中的衰減內(nèi)容第一節(jié)X射線的產(chǎn)生一、X射線管(X-raytube)二、X射線產(chǎn)生機(jī)制產(chǎn)生條件主要組成一、X射線管(X-raytube)陰極陽極電子源高速電子流陽極靶強(qiáng)電場高真空度空間一、X射線管(X-raytube)主要組成陰極陽極電子源高速電子流陽極靶產(chǎn)生條件一、X射線管(X-raytube)X射線管(俗稱球管)照片早期的放射治療用X線管一、X射線管(X-raytube)1.陰極(cathode)技術(shù)指標(biāo)一、X射線管(X-raytube)陰極是X射線管的負(fù)極組成聚焦杯燈絲空間電荷及其效應(yīng)燈絲電流管電壓管電流4.6A4.2A4.4A02001601204024080管電壓(kV)管電流(mA)4080120160管電壓和燈絲電流對管電流的影響靶是電子轟擊的區(qū)域2.陽極(anode)類型固定旋轉(zhuǎn)

傳導(dǎo)電子機(jī)械支撐熱輻射體功能一、X射線管(X-raytube)陽極是X射線管的正極鎢作為靶材料的原因：①鎢原子序數(shù)較高，產(chǎn)生X射線的效率高和產(chǎn)生高能X射線；②鎢能夠有效散熱的金屬；③鎢具有很高的熔點(diǎn)3410℃元素元素符號原子序數(shù)K特征X射線熔點(diǎn)鎢鉬銠WMORh74424559.0keV17.4keV19.7keV3410OC2600OC3200OCX射線靶的特征2.陽極(anode)靶一、X射線管(X-raytube)3.X射線管的焦點(diǎn)(focalspot)實(shí)際焦點(diǎn)有效焦點(diǎn)實(shí)際焦點(diǎn)大小意義測量方法一、X射線管(X-raytube)一、X射線管(X-raytube)實(shí)際焦點(diǎn)有效焦點(diǎn)實(shí)際焦點(diǎn)大小意義測量方法3.X射線管的焦點(diǎn)(focalspot)實(shí)際焦點(diǎn)有效焦點(diǎn)實(shí)際焦點(diǎn)大小意義測量方法一、X射線管(X-raytube)3.X射線管的焦點(diǎn)(focalspot)

靶表面與X射線輸出方向的夾角稱為靶傾角θ。經(jīng)過投影后，有效焦點(diǎn)的長度a則變成了。雙角度靶面能夠產(chǎn)生兩種尺寸的焦點(diǎn)焦點(diǎn)的一般形狀理想有效焦點(diǎn)是圓形實(shí)際形狀雙香蕉狀一、X射線管(X-raytube)3.X射線管的焦點(diǎn)(focalspot)管電流和管電壓對有效焦點(diǎn)長度的影響一、X射線管(X-raytube)3.13.23.33.53.43.73.63.83.90200400600管電流(mA)焦點(diǎn)大小(mm)50kVp80kVp110kVp3.X射線管的焦點(diǎn)(focalspot)二、X射線產(chǎn)生機(jī)制1.電子與物質(zhì)的相互作用2)高速電子與靶原子核發(fā)生相互作用，將能量轉(zhuǎn)化為軔致輻射(bremsstrahlungradiation)

。1)高速電子電離原子的內(nèi)層電子，將能量轉(zhuǎn)化為標(biāo)識輻射(characteristicradiation)

；碰撞損失(collisionloss)輻射損失(radiationloss)軔致輻射產(chǎn)生二、X射線產(chǎn)生機(jī)制2.連續(xù)X射線2.連續(xù)X射線軔致輻射產(chǎn)生二、X射線產(chǎn)生機(jī)制2.連續(xù)X射線存在最短波長(λ

min)

X射線強(qiáng)度連續(xù)變化每條曲線有一個(gè)峰值波長增加方向上無限延展，強(qiáng)度越來越弱二、X射線產(chǎn)生機(jī)制30kV20kV40kV50kV0.10123456780.020.040.060.08波長(nm)相對強(qiáng)度I鎢靶較低管電壓連續(xù)X射線發(fā)射譜2.連續(xù)X射線

光子能量的最大極限(hmax)等于入射電子在X射線管加速電場中所獲得的能量eU，即光子最短波長為：二、X射線產(chǎn)生機(jī)制3.特征X射線二、X射線產(chǎn)生機(jī)制

產(chǎn)生條件管電壓U滿足：入射電子動(dòng)能>靶原子某一殼層電子結(jié)合能3.特征X射線二、X射線產(chǎn)生機(jī)制

產(chǎn)生條件管電壓U滿足：入射電子動(dòng)能>靶原子某一殼層電子結(jié)合能3.特征X射線二、X射線產(chǎn)生機(jī)制3.特征X射線二、X射線產(chǎn)生機(jī)制幾種靶材料產(chǎn)生K、L系特征X射線的激發(fā)電壓(kV)靶材料原子序數(shù)K系激發(fā)電壓L系激發(fā)電壓鋁(Al)銅(Cu)鉬(MO)鎢(W)鉛(Pb568.8917.459.088.00.090.952.8712.0915.864.影響X射線發(fā)射譜的因素主要因素經(jīng)后的發(fā)射譜靶自吸收固有濾過附加濾過電子動(dòng)能多次作用二、X射線產(chǎn)生機(jī)制低能X射線吸收外部濾過1.00.5

0.010102030405060708090100110光子能量(keV)相對光子數(shù)100kV管電壓下鎢靶X射線發(fā)射譜4.影響X射線發(fā)射譜的因素二、X射線產(chǎn)生機(jī)制因素影響管電流管電壓附加過濾靶材料管電壓波形能譜幅度能譜幅度和位置能譜幅度,在低能時(shí)更加有效能譜幅度和特征X射線譜位置能譜幅度,在高能時(shí)更加有效影響X射線能譜的大小和相對位置的因素第二節(jié)X射線輻射場的空間分布

一、X射線強(qiáng)度二、X射線強(qiáng)度的空間分布2.X射線強(qiáng)度(x-rayintensity)一、X射線強(qiáng)度

單能X射線的強(qiáng)度I為

多種光子組成的線狀譜強(qiáng)度為連續(xù)X射線能譜的強(qiáng)度為診斷中連續(xù)X射線總強(qiáng)度K系特征X射線強(qiáng)度2.X射線的量與質(zhì)由管電流與照射時(shí)間間接表示通常以毫安秒(mA·s)為單位。X射線的質(zhì)(x-rayquality)X射線的量(x-rayquantity)又稱線質(zhì)，由管電壓和濾過間接表示通常以千伏數(shù)（kV）為單位。一、X射線強(qiáng)度

3.影響X射線強(qiáng)度的因素構(gòu)成靶物質(zhì)的原子序數(shù)管電流管電壓

附加濾過

電壓脈動(dòng)一、X射線強(qiáng)度

3.影響X射線強(qiáng)度的因素各種因素對X射線強(qiáng)度的影響影響的結(jié)果增加增加增加降低降低降低不變增加增加增加不變降低毫安秒管電壓靶原子序數(shù)濾過距離電壓脈動(dòng)X射線的量X射線的質(zhì)影響因素(增加)一、X射線強(qiáng)度

二、X射線強(qiáng)度的空間分布管電壓較高時(shí)采用穿透式靶管電壓較低時(shí)利用反射式靶主要取決于入射電子能量靶物質(zhì)靶厚度1．薄靶周圍X射線強(qiáng)度的空間分布X射線輻射強(qiáng)度在空間的分布情況很復(fù)雜二、X射線強(qiáng)度的空間分布管電壓較高時(shí)采用穿透式靶管電壓較低時(shí)利用反射式靶主要取決于入射電子能量靶物質(zhì)靶厚度1．薄靶周圍X射線強(qiáng)度的空間分布X射線輻射強(qiáng)度在空間的分布情況很復(fù)雜2．厚靶周圍X射線強(qiáng)度的空間分布“足跟”效應(yīng)(陽極效應(yīng))焦點(diǎn)的大小和形狀

改變二、X射線強(qiáng)度的空間分布二、X射線強(qiáng)度的空間分布2．厚靶周圍X射線強(qiáng)度的空間分布二、X射線強(qiáng)度的空間分布2．厚靶周圍X射線強(qiáng)度的空間分布二、X射線強(qiáng)度的空間分布2．厚靶周圍X射線強(qiáng)度的空間分布陽極效應(yīng)對有效焦點(diǎn)大小和形狀的影響

陽極效應(yīng)的另一個(gè)重要的后果就是改變了有效焦點(diǎn)的大小和形狀第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用一、X射線與物質(zhì)相互作用系數(shù)二、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)

三、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)五、X射線與物質(zhì)的其它相互作用過程四、電子對效應(yīng)(electricpaireffect)六、各種相互作用的相對重要性七、X射線基本特性主要過程次要過程光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對效應(yīng)相干散射光核反應(yīng)第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用X線光子進(jìn)入生物組織電子沿徑跡損失能量康普頓效應(yīng)電子對效應(yīng)光電效應(yīng)高速電子光子軔致輻射電離激發(fā)熱物化階段生化階段生物階段

射線與生物組織相互作用的結(jié)果X第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用多種相互獨(dú)立的作用1.線性衰減系數(shù)與截面一、X射線與物質(zhì)相互作用系數(shù)截面單能平行X射線光子束水平入射-dN=

Nndx=n為線性衰減系數(shù)

單位：m2一、X射線與物質(zhì)相互作用系數(shù)1.線性衰減系數(shù)與截面線性衰減系數(shù)μ各種相互作用的總線性衰減系數(shù)單位為m-1或cm-1質(zhì)量衰減系數(shù)單位是m2kg-1或cm2g-1一、X射線與物質(zhì)相互作用系數(shù)1.線性衰減系數(shù)與截面2.質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)和質(zhì)能吸收系數(shù)線性能量轉(zhuǎn)移系數(shù)h─光子的能量Etr─轉(zhuǎn)移給帶電粒子的動(dòng)能總轉(zhuǎn)移系數(shù)一、X射線與物質(zhì)相互作用系數(shù)單位為m-1或cm-1等于各轉(zhuǎn)移系數(shù)之和光子在物質(zhì)中穿行單位距離時(shí)，其總能量由于各種相互作用而轉(zhuǎn)移給帶電粒子動(dòng)能的份額質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)(massenergytransfercoefficient)質(zhì)能吸收系數(shù)(massenergyabsorptioncoefficient)g為次級電子的動(dòng)能因輻射而損失的份額。一、X射線與物質(zhì)相互作用系數(shù)2.質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)和質(zhì)能吸收系數(shù)，式中ρ為物質(zhì)密度,是該能量的入射X射線光子穿過“質(zhì)量厚度”為ρdl的物質(zhì)層時(shí)，其總能量中因相互作用而轉(zhuǎn)移給帶電粒子動(dòng)能的份額，E是入射X射線光子的能量，N是入射X射線光子數(shù)

二、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)1.作用過程h

:光子能量Ee:光電子的動(dòng)能EB:原子第i層電子的結(jié)合能h=Ee+EB

2.作用系數(shù)光電線性衰減系數(shù)，符號光電質(zhì)量衰減系數(shù)，符號二、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)1.作用過程光電效應(yīng)發(fā)生的概率隨光子能量的變化水鉛LK2.作用系數(shù)水和鉛的光電質(zhì)量衰減系數(shù)與X射線光子能量的關(guān)系二、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)1keV10keV100keV1MeV10MeV光子能量光電質(zhì)量衰減系數(shù)3.光電子角分布二、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)4.診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)影像質(zhì)量好1)無散射線，減少了照片灰霧射線通過光電效應(yīng)可全部被人體吸收，增加L了受檢者的輻射劑量。2)增加吸收差別，對比度高利:弊:二、光電效應(yīng)(photoelectriceffect)三、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)1.作用過程三、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)1.作用過程2.作用系數(shù)康普頓線性衰減系數(shù)，用符號“”表示康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)與入射光子能量之間的關(guān)系康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)，用符號“

”表示三、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)3.散射光子和反沖電子的角分布散射光子0°～180°三、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)0.1MeV1.0MeV10MeV康普頓散射光子的角分布3.散射光子和反沖電子的角分布1.0MeV0.1MeV10MeV反沖電子0°～90°三、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)

康普頓反沖電子的角分布4.診斷放射學(xué)中的康普頓效應(yīng)從受檢者身上產(chǎn)生的散射線能量與原射線相差很少，并且散射線比較對稱地分布在整個(gè)空間，醫(yī)生和技術(shù)人員必須重視，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施。(2)散射線增加了照片的灰霧，降低了影像的對比度，但與光電效應(yīng)相比受檢者的劑量較低。三、康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)1.作用過程四、電子對效應(yīng)(electricpaireffect)1.作用過程四、電子對效應(yīng)(electricpaireffect)2.作用系數(shù)

當(dāng)h

>2mec2時(shí)

當(dāng)h>>2mec2時(shí)電子對線性衰減系數(shù)，用符號“”表示；電子對質(zhì)量衰減系數(shù)，用符號“”表示。四、電子對效應(yīng)(electricpaireffect)五、X射線與物質(zhì)的其它相互作用過程1.相干散射(coherentscattering)光子與原子核作用而發(fā)生的核反應(yīng)。光核反應(yīng)在診斷X射線能量范圍內(nèi)不可能發(fā)生。相干散射質(zhì)量衰減系數(shù)與原子序數(shù)和入射X射線光子能量的關(guān)系可表示為：2.光核反應(yīng)不產(chǎn)生電離過程六、各種相互作用的相對重要性1.總的衰減系數(shù)高能端部分電子對效應(yīng)占優(yōu)勢2.各種相互作用的相對重要性10keV100MeV能量范圍的低能端部分光電效應(yīng)占優(yōu)勢中間部分康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢2.各種相互作用的相對重要性六、各種相互作用的相對重要性七、X射線的基本特性1.X射線穿透作用2.X射線熒光作用3.X射線電離作用4.X射線熱作用5.X射線的化學(xué)和生物效應(yīng)X射線除具有電磁波的共性外，還具有以下的基本特性。易透性組織中等透射性組織不易透射性組織氣體脂肪組織結(jié)蒂組織肌肉組織軟骨血液骨骼

人體組織對X射線的穿透性第四節(jié)X射線在物質(zhì)中的衰減擴(kuò)散衰減距離所致

X射線強(qiáng)度衰減的平方反比定律X射線攝影、透視及X-CT檢查的基本依據(jù)屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)的理論根據(jù)吸收衰減物質(zhì)所致

強(qiáng)度減弱

一、單能X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律二、連續(xù)X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律三、X射線的濾過第四節(jié)X射線在物質(zhì)中的衰減一、單能X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律1.單能窄束X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律

半價(jià)層(half-valuelayer,HVL)寬束X射線:積累因子B寬束B>1；理想窄束B=1近似計(jì)算二、連續(xù)X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律連續(xù)能譜窄束X射線衰減特點(diǎn)：X射線強(qiáng)度變小，硬度變大（質(zhì)提高）1.單能窄束X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律二、連續(xù)X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律1.單能窄束X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律連續(xù)能譜窄束X射線衰減連續(xù)能譜X射線與單能X射線通過物質(zhì)時(shí)衰減的比較二、連續(xù)X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律光子數(shù)水模厚度/cm100kV單能X射線100kV連續(xù)能譜X射線1.單能窄束X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律連續(xù)能譜窄束X射線衰減二、連續(xù)X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律1.單能窄束X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律連續(xù)能譜X射線隨吸收物質(zhì)厚度的變化連續(xù)能譜窄束X射線衰減決定衰減程度的四個(gè)因素X射線本身的性質(zhì)物質(zhì)密度原子序數(shù)每千克物質(zhì)含有的電子數(shù)二、連續(xù)X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律1.單能窄束X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律單能窄束X射線透過10cm水模的百分?jǐn)?shù)能量（keV）透過百分?jǐn)?shù)（%）能量（keV）透過百分?jǐn)?shù)（%）203040500.042.57.010.0608010015013.016.018.022.0連續(xù)能譜窄束X射線衰減三、X射線的濾過固有濾過附加濾過總濾過X射線管出口放置一定均勻厚度的金屬，預(yù)先把X射線束中的低能成分吸收掉，將X射線的平均能量提高，這種過程就是所謂濾過。鋁當(dāng)量（mmAl）是指一定厚度的鋁板與其它濾過材料相比，對X射線具有相同的衰減效果，此鋁板厚度就是該濾過材料的鋁當(dāng)量。三、X射線的濾過實(shí)際濾過板可選擇某種物質(zhì)使它通過光電效應(yīng)大量吸收低能成分，而高能成分通過時(shí)僅有極少量的康普頓散射吸收和光電效應(yīng)吸收，絕大部分高能射線可通過。

理想濾過板低能成分全部吸收高能成分全部透過銅是很好的濾過物質(zhì)低能射線高能射線鋁是很好的濾過物質(zhì)

單能X射線由于具有同樣的穿透本領(lǐng)，無需濾過，其線質(zhì)可用X射線光子的能量或半價(jià)層表示。但對連續(xù)X射線來說，光子能量不同，當(dāng)通過濾過物質(zhì)后，能量分布有不同的變化，要描述它的線質(zhì)比較困難。在不需嚴(yán)格的能譜分析情況下，通?？捎冒雰r(jià)層、有效能量等表示。三、X射線的濾過三、X射線的濾過單能X射線光子能量與半價(jià)層的關(guān)系0.008460.01050.0230.0710.1590.2970.4851.011.683.484.94224.274.133.710.94.882.611.600.7680.4620.2230.1570.00830.3260.7602.304.567.029.3012.815.218.721.126.27.903.391.120.5650.3670.2770.2010.1700.1380.1221015203040506080100150200HVL(mm)HVL(mm)

銅鋁光子能量（keV）第五節(jié)X射線在人體內(nèi)的衰減一、人體的物質(zhì)組成二、混合物和化合物的質(zhì)量衰減系數(shù)三、化合物的有效原子序數(shù)四、X射線在人體中的衰減一、人體的物質(zhì)組成骨骼、軟組織、肺和消化道以及腔體內(nèi)的氣體組成人體組織中所含元素質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)（%）元素脂肪組織

肌肉

骨

水HCNONaMgPSKCa11.257.31.130.3

0.06

10.212.33.572.90.080.020.20.50.30.0078.427.62.741.0

7.07.00.2

14.71