醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)第一章X射線物理

（投影成像、CT、DSA、CR、DR、造影術(shù)）醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)投影X射線機(jī)床邊用可移動(dòng)X射線機(jī)便攜式X射線機(jī)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)口腔全景X線機(jī)手術(shù)用C臂X射線影像設(shè)備胃腸診斷用X射線設(shè)備醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)§1.1X線的產(chǎn)生●X線管的結(jié)構(gòu)●●●X線的產(chǎn)生X射線管的焦點(diǎn)X射線的基本特性醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)X射線管的結(jié)構(gòu)為醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)X射線管由封裝于真空玻璃管內(nèi)的燈絲陰極和陽(yáng)極靶組成;升壓變壓器T1輸出的交流高壓經(jīng)整流后加在陰極和陽(yáng)極之間；燈絲變壓器T2為燈絲供電，燈絲溫度由電位器Ｒ控制。X射線機(jī)的基本線路X射線機(jī)的基本線路醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)產(chǎn)生實(shí)用的定向X射線的四個(gè)條件（普通射線管的結(jié)構(gòu)）1.有電子源（陰極），能根據(jù)需要發(fā)射足夠多的電子2.有受電子轟擊而輻射X射線的物體（陽(yáng)極靶）3.加在陰陽(yáng)極間加速電子（管電流）使其獲得足夠大動(dòng)能的電位差（管電壓）4.有一個(gè)高度真空的環(huán)境（玻璃外殼）使電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中盡可能減少能量損耗保護(hù)燈絲不被氧化下一頁(yè)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)1.陰極（cathode）作用：發(fā)射電子的電子源，且能使電子聚焦后撞擊陽(yáng)極組成燈絲：鎢(電子發(fā)射率大，熔點(diǎn)高，不易蒸發(fā)，易加工絲，加燈絲電壓）發(fā)射電子，形成燈絲電流（區(qū)別于加速后形成的管電流）。凹面陰極體（聚焦杯）鉬：聚焦電子限制焦點(diǎn)的大?。ǔ蹙劢梗┓乐苟坞娮釉斐傻奈：Γㄊ占坞娮樱﹫A焦點(diǎn)型：燈絲成螺旋形，安放在碗狀陰極槽中（多用）線焦點(diǎn)型：燈絲成長(zhǎng)螺旋形，放在長(zhǎng)形凹槽中，一般有大小兩個(gè)焦點(diǎn)，大焦點(diǎn)發(fā)射大管電流，用于攝影，小焦點(diǎn)用于透視和發(fā)射小管電流用于攝影返回分類醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)影響管電流的因素(i)

電壓飽和：燈絲電流一定時(shí)，管電壓升高，管電流在一定范圍內(nèi)增高，但隨管電壓增高，管電流升高到某一臨界值，不再隨管電壓而變化，且保持一恒定值；該臨界值的大小隨燈絲加熱電流的增加而增大加熱電流一定時(shí)，燈絲能發(fā)射的熱電子數(shù)目一定，管電壓從零開始升高，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極的電子數(shù)也增多，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，燈絲所發(fā)射的電子已經(jīng)全部到陽(yáng)極，出現(xiàn)電壓飽和。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)(ii)溫度飽和：當(dāng)管電壓一定，且低于某一較低臨界電壓值時(shí)，管電流不隨燈絲電流的繼續(xù)增高而增高。燈絲發(fā)射的電子不能全部到達(dá)陰極，而產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)，即使燈絲發(fā)射的電子再多，因受空間電荷的阻擋，到達(dá)陽(yáng)極的電子數(shù)目也不會(huì)顯著增加。

總結(jié)：在x線管額定燈絲加熱電流下，電壓飽和的臨界值都很低，可見管電流的大小仍取決于燈絲加熱電流（燈絲電壓）。診斷中為了獲得較大的管電流和有用的X射線能量，要選取大的燈絲電流和40-140KV之間的管電壓。返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)初聚焦作用的實(shí)現(xiàn)：使凹面陰極體具有比燈絲電位更低的電位，凹面陰極體排斥電子，起到初聚焦作用二次電子：陽(yáng)極反射的電子或陽(yáng)極過(guò)熱等情況下可發(fā)射的電子，被稱為二次電子，可撞擊燈絲使其斷裂，撞在玻璃殼上可造成玻璃破裂。返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)2.陽(yáng)極（anode）作用：受高速電子轟擊產(chǎn)生X射線分類：旋轉(zhuǎn)式：陽(yáng)極和陽(yáng)極體做成圓盤狀，用小電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，使陽(yáng)極時(shí)刻以新的靶面接受電子束的撞擊，使產(chǎn)生的熱量均勻分散到整個(gè)靶面，避免局部過(guò)熱，可使用的X線管功率大得多。固定式：耐高溫的鎢（熔點(diǎn)高，蒸汽壓低，蒸發(fā)少，可延長(zhǎng)壽命）、鉬鑲嵌在銅制陽(yáng)極體（導(dǎo)熱系數(shù)大）上。缺點(diǎn)：鎢導(dǎo)熱率低，不易散熱，電子撞擊靶與靶物質(zhì)發(fā)生作用，在轟擊處集中產(chǎn)生大量熱。適用于管電流小，曝光時(shí)間長(zhǎng)的便攜式牙科或者床邊機(jī)

靶材料的原子序數(shù)Z越大，電子能量轉(zhuǎn)化為X射線的能量越多。因此，鎢(Z=74)和它的合金是最合適的靶材料。返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)

一、軟X射線管軟X線：

20KV到50KV管電壓產(chǎn)生的X線，能量較低，無(wú)法穿透較厚的受檢體，大劑量時(shí)，能提高軟組織影像的反差應(yīng)用：乳腺、結(jié)締組織、脂肪、血管及腫瘤的邊緣顯示較清晰

與普通X線管區(qū)別：普通X線管用鎢靶，出射窗用硬質(zhì)玻璃窗或鈹窗（吸收軟X線，防止受檢體接受較大的皮膚劑量）軟X線管用鉬靶（特征x射線輻射），出射窗用薄玻璃窗（軟X線的固有濾過(guò)率?。鱼f片吸收硬x線特殊X射線管種類管電壓(kV)最短波長(zhǎng)(?)最大頻率(MHz)應(yīng)用極軟線軟線硬線極硬線5~2020~100100~250250以上2.5~0.620.62~0.120.12~0.05小于0.05(1.2~4.8)1012(4.8~25)1012(25~60)1012

大于601012軟組織攝影及表皮治療透視與照相較深部組織治療深部組織治療醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)Mammography乳腺造影術(shù)Benignlesion-Fibroadenoma

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)二、金屬X線管結(jié)構(gòu)：將射線管易形成鎢層的玻璃部分用鋼制殼代替應(yīng)用：X線電影，CT等優(yōu)點(diǎn)：沒有玻璃殼那種鎢蒸發(fā)形成鎢層所致X線管損壞的危險(xiǎn)，所以鎢燈絲可以加熱到較高的溫度

返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)x線的產(chǎn)生燈絲加熱→陰極發(fā)射電子→管電壓加速→高速電子→靶物質(zhì)與其作用，能量損失，速度驟減碰撞損失：電子與原子核的外層電子作用而損失能量→熱能，99℅

輻射損失：電子與原子核的內(nèi)層電子或原子核作用而損失能量→輻射x射線，1%連續(xù)x線標(biāo)識(shí)x線一般的X射線發(fā)射譜應(yīng)如圖醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)連續(xù)x射線產(chǎn)生的物理過(guò)程韌致輻射(bremsstrahlung)：當(dāng)一個(gè)高速電子進(jìn)入到原子核附近的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，受到原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用就會(huì)驟然減速，然后飛離強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，從而完成一次電子與原子核的相互作用，電子的速度大小與方向必然發(fā)生變化，電子將向外輻射電磁波從而損失能量△E，電磁波的頻率由△E=?ν確定，電子的這種能量輻射叫韌致輻射，這種輻射所產(chǎn)生的能量為?ν的電磁波稱為X射線光子電子離子光子軔致輻射醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)連續(xù)x線譜：由于每個(gè)高速電子與靶原子相互作用時(shí)的相對(duì)位置不同，且每個(gè)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(duì)應(yīng)的輻射損失也不同，因而發(fā)出的x光子頻率也互不相同，大量的x光子組成具有頻率連續(xù)的x光譜（左圖）。

當(dāng)管電壓較低時(shí)，只產(chǎn)生連續(xù)X射線。左圖是管電壓分別為20kV、30kV、40kV、50kV時(shí)的連續(xù)X射線譜。由圖可見，當(dāng)管電壓增大時(shí)，各波長(zhǎng)強(qiáng)度都隨之增大。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)

1.連續(xù)譜的x射線強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化而連續(xù)變化。2.每個(gè)曲線都有一個(gè)峰值2.波長(zhǎng)增加的方向上曲線無(wú)限延展，但強(qiáng)度越來(lái)越弱，波長(zhǎng)減小的方向上，曲線存在一個(gè)短波極限波長(zhǎng)

min3.隨著管電壓升高，輻射強(qiáng)度相應(yīng)增強(qiáng)，同時(shí)各曲線所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度峰值和短波極限的位置均向短波方向移動(dòng)

返回可見醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)短波極限波長(zhǎng)

min：定義：此時(shí)對(duì)應(yīng)的光子能量最大，即電子與原子核在一次相互作用中損失其全部的能量eU=?mv2，產(chǎn)生能量為?νmax=?c/min的光子輻射，相互作用中能量守恒則

?mv2=?νmax所以eU=?c/minmin=?c/eU（?、c、e為常數(shù)）

min=1.24/U（nm)物理意義：對(duì)于每一個(gè)給定的管電壓（即電子被加速獲得的能量）都對(duì)應(yīng)一個(gè)短波極限波長(zhǎng)

min，且min數(shù)值只與管電壓有關(guān)，不受其他任何因素的影響。返回

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)標(biāo)識(shí)（特征）x射線的產(chǎn)生定義：

x射線譜中除連續(xù)x射線譜外，還有幾個(gè)特別的波長(zhǎng)，其射線強(qiáng)度非常大，相對(duì)于連續(xù)x射線，稱為標(biāo)識(shí)x射線，其本質(zhì)為高速電子與內(nèi)層電子發(fā)生作用產(chǎn)生。

當(dāng)管電壓增加到70kV以上時(shí)，出現(xiàn)線狀譜，如右圖所示。

實(shí)驗(yàn)表明，線狀譜的波長(zhǎng)取決于陽(yáng)極靶的材料。不同元素制成的靶具有不同的線狀譜，可以用這些線狀譜作為元素的標(biāo)識(shí)，因此，這些線狀譜稱為標(biāo)識(shí)X射線譜。

鎢在較高管電壓下的X射線譜

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)標(biāo)識(shí)射線：a)高速電子與原子內(nèi)（K-）層電子作用；b)將K層電子擊出，一方面形成光電子，一方面在K層留下空穴；c)外層電子填補(bǔ)K層空穴，由于外層電子具有更高的能級(jí)，它有回到內(nèi)層的傾向。當(dāng)它回到內(nèi)層（例如K-層）填補(bǔ)空穴時(shí)，發(fā)出射線。射線的波長(zhǎng)取決于靶物質(zhì)的原子序數(shù)，而與外加電壓無(wú)關(guān)。故稱為特征射線或標(biāo)識(shí)射線

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)產(chǎn)生機(jī)制示意圖

當(dāng)轟擊陽(yáng)極靶的高速電子的能量足夠高時(shí)，可以使靶原子的內(nèi)層電子脫離原子核的束縛。比如，K層電子被擊出，則L、M、N等外層電子就會(huì)躍遷到K層，從而放出光子。光子的能量等于兩個(gè)能級(jí)差。這樣就形成了K線系。標(biāo)識(shí)X射線發(fā)生原理示意圖以K層標(biāo)識(shí)X射線為例醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)由內(nèi)而外K，L，M，能級(jí)步步上升，從L到K，能級(jí)由-10kev降到-70Kev，余下的能量以標(biāo)識(shí)射線發(fā)出！醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)標(biāo)識(shí)x射線的特點(diǎn)總結(jié)：

1.標(biāo)識(shí)x射線的波長(zhǎng)取決于陽(yáng)極靶物質(zhì)，與x線產(chǎn)生過(guò)程中的其他因素?zé)o關(guān)。不同靶物質(zhì)原子內(nèi)部能級(jí)結(jié)構(gòu)不同，因此輻射光子的能量和波長(zhǎng)也不同即標(biāo)識(shí)輻射代表了靶原子的特點(diǎn)，且隨著靶原子序數(shù)的增加，標(biāo)識(shí)X射線的能量也增加（表1-2）。

2.每種元素各系（K、L、M等）的標(biāo)識(shí)x射線的波長(zhǎng)固定不變（右圖）。

3.醫(yī)用診斷x射線中，僅K系標(biāo)識(shí)x射線有用，其他各系，如L、M、N系，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能量較低，均被x線管管壁和濾過(guò)層吸收

4.標(biāo)識(shí)x射線只在一定的高壓下才能產(chǎn)生

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)標(biāo)識(shí)x線產(chǎn)生的條件：產(chǎn)生標(biāo)識(shí)x線的激發(fā)電壓U應(yīng)滿足

eU≧w（某層的結(jié)合能）

eU=wU=w/e（最低激發(fā)電壓）

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)

激發(fā)電壓特點(diǎn)：

對(duì)于給定靶原子，各線系的最低激發(fā)電壓大小按其相應(yīng)的電子空位產(chǎn)生的殼層內(nèi)電子結(jié)合能大小順序排列，殼層越接近原子核，最低激發(fā)電壓越大。即UK﹥UL﹥UM。所以在產(chǎn)生K系標(biāo)識(shí)x線的同時(shí)必定伴隨其他各系的激發(fā)和輻射，但由于L、M、N等各系的光子能量小，輻射強(qiáng)度弱，常被管壁（固有濾過(guò)）吸收不能射出，所以大多數(shù)元素的X射線譜中只有該元素的K系標(biāo)識(shí)譜線（表1-2）。

標(biāo)識(shí)X射線對(duì)化學(xué)元素分析非常有用。醫(yī)學(xué)診斷和治療中使用的X射線主要是連續(xù)X射線，標(biāo)識(shí)X射線在X射線的強(qiáng)度中所占的分量很小。

返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)實(shí)際焦點(diǎn)和有效焦點(diǎn)實(shí)際焦點(diǎn)：燈絲發(fā)射的電子經(jīng)聚焦加速，投射在陽(yáng)極靶上的面積的實(shí)際面積。即電子轟擊在靶面上的面積（長(zhǎng)為A，寬為B）有效焦點(diǎn)：實(shí)際焦點(diǎn)在垂直于x射線管軸線方向上投影的面積，即x射線照射在膠片上的有效面積。（長(zhǎng)為Asin

，寬為B）：靶傾角，靶表面與x射線輸出方向的夾角。越小，有效焦點(diǎn)的面積越小。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)

實(shí)際焦點(diǎn)的大小直接影響x射線管的散熱和影像清晰度，面積越大，散熱越好，但有效焦點(diǎn)的面積增大，膠片上所成影像清晰度受影響。若縮短燈絲長(zhǎng)度或減小靶角來(lái)縮小有效焦點(diǎn)，則實(shí)際焦點(diǎn)必然縮小，單位面積上電子密度增加，實(shí)際焦點(diǎn)的溫度快速上升，陽(yáng)極則不能承受較大的功率。所以陽(yáng)極傾角一般取6o-17o。對(duì)大多數(shù)射線管來(lái)說(shuō)，焦點(diǎn)一般隨管電壓的增大而減小，隨管電流的增大而增大（圖1-5）。一般診斷用的X射線管采用小焦點(diǎn)，焦點(diǎn)越小，在熒光屏上或照相底片上所成的像就越清晰。治療用的X射線管采用大焦點(diǎn)。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6°的斜角，以減少靶面對(duì)出射X射線的阻礙。

返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)X射線在均勻的、各向同性的介質(zhì)中，是直線傳播的不可見的電磁波，具有光的一切特性（波粒二象性，傳播中表現(xiàn)為散射、反射、衍射等，與物質(zhì)相互作用表現(xiàn)其粒子性，具有質(zhì)量、能量和動(dòng)量。X射線不帶電，不受外界磁場(chǎng)或者電場(chǎng)的影響。X射線有貫穿本領(lǐng)X射線有熒光作用X射線有電離作用X射線有化學(xué)和生物效應(yīng)返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)波長(zhǎng)短，能量高，物質(zhì)對(duì)其吸收弱，貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，取決于X線能量：越高能，穿透性越強(qiáng)被穿透物質(zhì)本身結(jié)構(gòu)和原子性質(zhì)空氣，紙張，水，肌肉，木材鉛，銅，鋁，骨人體不易透射組織：鈣質(zhì)（結(jié)石，鈣化，畸胎瘤），骨骼中等透射性組織：軟組織（肌肉，軟骨，結(jié)締組織），體液（血液，腦脊液），密度與水相近易透射性組織：脂肪，胃腸道（積氣，積液），肺、鼻竇、乳突內(nèi)含有氣體醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)左側(cè)上頜竇粘膜增厚返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)x射線肉眼看不見，X射線照射鎢酸鈣、鉑氰化鋇、銀激活的硫化鋅鎘等熒光物質(zhì)，物質(zhì)原子被激發(fā)或者電離，當(dāng)被激發(fā)的原子恢復(fù)到基態(tài)時(shí)，便放出熒光。應(yīng)用：x射線透視的熒光屏，x攝影用增感屏，影像增強(qiáng)器的輸入輸出屏，閃爍計(jì)數(shù)器中的閃爍晶體，熒光玻璃等。

返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.1節(jié)X光子撞擊物質(zhì)原子中的電子，使電子脫離原子產(chǎn)生第一次電離，該高能電子又與其他原子作用可產(chǎn)生二次電離。應(yīng)用：1.X射線照射量測(cè)量?jī)x的探頭氣體分子被電離后，其電離電荷易被收集，收集氣體中的電離電荷，測(cè)知其強(qiáng)弱可知x射線照射量。

2.X射線損傷防護(hù)和腫瘤放射治療的基礎(chǔ)