X射线基本原理.ppt

1、X射线基础知识,万东医疗 2009,大纲1 X射线发现与发展2 X射线的产生和性质3 X射线与物质的作用与成像4 X射线的防护5 X射线基础术语6 讨论,1 X射线发现与发展,X射线的发现 1895年伦琴 1901年诺贝尔物理奖放射性的发现 1896年贝克勒尔（铀） 1898年居里夫妇 （钋、镭） 1903年诺贝尔物理奖电子的发现 1897年汤姆生 1906年诺贝尔物理奖,人类研究微观世界的“三大发现”,e -,射线,X射线,图1 三大发现的关系,原子电子,高速电子,X射线发现与发展,1895年11月8日,德国物理学家W.C.Rontgen在其实验室作CRT实验时发现X射线,也称伦琴射线190

2、1年,伦琴因此成为第一个诺贝尔物理学奖得主。发现X射线后三个月,协助首例外科手术,20min拍摄1张头颅片之后X射线应用迅速发展,广泛用于物质结构分析、工业探伤、科研等领域在临床上的应用, X射线摄影/透视,X射线CT,剂量控制与图象质量,诊断X射线的技术发展一直致力于用尽量低的剂量获得清晰影像：提高X射线产生的效率 X射线管、高压发生控制提高X射线的质量 高压发生控制、滤过、限束器、滤线栅提高X射线影像信息的获取能力 床面板、增感屏、闪烁屏、数字化探测器提高X射线系统影像 焦点、SID/SOD、准直、参数的组合、后处理,发展对比,仅以相同kV相同mA临床胸片摄影条件作对比,可近似认为DOSE

3、正比于kV2*mAs,表1 不同X射线摄影系统的胸片曝光条件对比,放射性来自？X射线来自？电子/光子？,问题思考,2 X射线的产生和性质,X射线的本质和特性,X射线本质上是电磁波, 介于紫外线和伽玛射线之间,具备高能量和穿透力波长短2X10-96X10-12m,频率高3X10163X1020Hz波粒二象性,传播时体现波动性,与物质作用时体现粒子性物理特性 - 穿透性(原子序数高密度大不易穿透,例如骨骼) - 荧光作用(荧光屏增感屏闪烁屏) - 电离作用(可用于测量X射线,导致机体损伤,用于机体治疗) - 热作用化学效应 - 感光作用(摄影/工业探伤) - 着色作用(物质结晶体脱水变色)生物效应

4、(电离和激发) - 对增殖性强的细胞的抑制损伤坏死 - 放射治疗 - 对正常细胞的损伤,注意放射防护,表2 人体组织对X射线的透过性,X射线的产生,高速电子撞击物质突然受阻产生X射线1、电子源(加热的灯丝)2、靶面(电子撞击的物质)3、高速电子流高电压产生的强电场真空度较高的空间 - 电子高速运动中不受气体分子阻挡 - 保护灯丝不致因氧化而烧毁,X射线管,图2 X射线管,X射线谱,医用诊断X射线主要使用连续X线。物质结构光谱分析时使用特征X线。连续X射线最短波长,只与管电压有关。,图3 X射线谱,强度,波长,特征X线,连续X线,连续辐射又称轫致辐射a) 高速电子遇原子核受阻后,能量损失, 损失

5、的动能以光子形式放出。 b) 电子作用核场区的深度不一样,受阻程度不一样,能量损失不一样，释放出光子的能量不一样，由此形成连续的射线谱。,连续X射线的产生原理,图4 连续X线产生原理,特征X线又称标识X线。 高速电子能大于原子内（K-）层电子的结合能时；a) 将K层电子击出，K层形成空穴；b) 外层电子跃迁回K层填补空穴，释放光子。 该跃迁以量子能级释放能量，量子能级仅取决于靶物质的原子序数，而与外加电压无关。 由此形成特征X线。,特征X射线的产生原理,图5 特征X线产生原理,I=KiZUnK=1.1X10-91.4X10-9i:管电流Z:靶材料原子序数U:管电压n:2最大强度约在最短波长的1

6、.5倍处。平均能量为最大能量的1/31/2。,X射线的强度与平均能量,X射线的量与质,1通常用X射线的强度表示X射线的量，即垂直于X射线传播方向单位面积上、单位时间内通过的光子数量与能量乘积的总和2X射线的量即X光子的数目，可以用管电流mA与照射时间s的乘积即mAs来反应3一定管电压下，管电流越大，单位时间撞击阳极靶面的电子数越多，激发的X线光子正比增加；照射时间长，X线量正比增大4X射线的质又称线质，仅与光子能量有关，表示X射线的硬度，即穿透物质的能力，通常以管电压（kV值）近似描述5管电压对阴极电子加速，使其获得足够能量撞击阳极靶面，管电压越高，撞击能量越大，激发的X射线光子强度越高，穿透

7、能力越大,=KZU约99%都转变成热能出射X射线不足阳极靶面产生X射线的10%,利用率很低高原子序数的材料/高熔点的材料恒定的高压,X射线的产生效率,X射线/光子/电磁波？单色/单能X射线？连续X线与靶物质/管电压？特征X线与靶物质/管电压？X射线机/X光机?,问题思考,3 X射线与物质的作用及成像,光电效应(吸收效应) - X射线光子与原子内层电子作用,被原子吸收,内层电子摆脱原子成为自由电子的过程 - 发生几率与光子能量的3次方成反比 - 低kV摄影或采用造影剂时,光电效应居主,产生好的对比度,但组织吸收X射线多,光电效应,康普顿效应(散射效应) - X射线光子与原子外层电子作用,改变频率

8、和角度散射出去,外层电子摆脱原子成为自由电子的过程 - 高kV摄影时,康普顿效应居主, 组织吸收X射线少,但散射线多,既影响影像,又为防护提出了较高要求,康普顿效应,真空状态的衰减规律： 射线强度的衰减与距离的平方成反比窄束X线的衰减规律：I=I0e-ux 射线强度的衰减与物质的密度、厚度成指数衰减关系宽束X线的衰减规律：I=BI0e-ux 主要考虑散射线的影响，在窄束衰减规律基础上引入修正因子连续X线 - 随吸收物质厚度的增加,强度衰减,能谱变窄,向高能转移 - 采用滤过,改变射线能谱,吸收低能射线,保护患者,X射线的衰减,X射线的滤过,X线滤过 - 固有滤过 - 附加滤过,散射线的抑制和消

9、除,X线管发射的原发X射线进入机体后的两种情况1、透射即X射线穿过人体，将其部分能量消耗在体内，使其本身的能量衰减，这种衰减了的原发X射线含有人体组织密度信息，是X线摄影成像时要充分利用的2、散射即X射线和人体组织发生康普顿效应改变方向，任意方向的散射线不能产生与人体解剖形态有关的影响密度，仅增加灰雾度，导致影像的对比度下降滤线栅板是用于滤除摄影时人体产生的散射线的有效部件,散射线的抑制和消除,图6散射线,图7 滤线栅,可见光,X射线成像,滤过,荧光,感光,光电转换,反射,滤线栅,图9 X射线成像,图8 可见光成像,X射线成像正是由于人体组织对X射线的透过性(衰减)不同,而形成的对比信息在胶片

10、上,完全透过呈黑色,完全不透过呈白色,图10 X射线图象,高对比摄影？低kV，骨骼，对比剂，光电效应，人体吸收高kV摄影？短时间，矽肺，康普顿效应乳腺摄影？软射线，高对比，高分辨，光电效应,问题思考,4 X射线的防护,X射线的防护,患者低能射线的滤除：滤过限束器的使用：防止其它部位受辐射铅防护用具的使用：保护腺体（晶状体、甲状腺、性腺）医生依靠距离的防护隔室操作铅防护用具的使用：保护腺体（晶状体、甲状腺、性腺）,孕妇?14岁以下儿童透视/摄影?,问题思考,5 X射线基础术语,Radiography 摄影 Tomography 断层摄影Bucky 滤线器摄影Fluorography 透视APR

11、器官程序摄影AEC 自动曝光IBS/ABC 自动透视DSI 数字点片图象SFC 点片(摄影)PF 脉冲透视HLF 高剂量透视CINE 电影摄影DSA 数字减影血管造影,临床功能基础术语,系统部件基础术语,X-Ray Generator X线高压发生器X-Ray Tube Assembly X线管组件Collimator 限束器HV-Cable 高压电缆Radiography Table 摄影床Diagnose Table 诊断床Standby 立式摄影架Ceiling 吊架C-arm C形臂I.I (Image Intensifier)影像增强器CCD Camera CCD摄象机X-Ray T

12、V X线电视系统,数字影像系统基础术语,DR（数字摄影系统）CR（计算机摄影系统）IP板WORKLIST登录工作站ACQUIRE采集工作站REPORT诊断工作站PACS（图象存储与传输系统）DICOM标准（医学影像数字传输协议）HIS（医院信息系统）RIS（放射信息系统）,发生器、X射线管组件指标基础术语,kV 管电压 40125/150;/40110/120/125mA 管电流 101000;0.380ms/s （摄影）加载时间 0.00110smAs （摄影）电流时间积 0.11000min/s （透视）加载时间 kHz主逆变频率 25/33/40/50/100/200PPS 脉冲透视速率

13、 1/2.5/6.25/12.5/25/FPS CINE/DSA速率 1/2.5/6.25/12.5/25/kW 标称功率20/32/40/50/63/80/100? 阳极靶角RPM 阳极转速 3000/9000mm焦点 0.6/1.2HU阳极热容量 300KHU/1.5MHU,图象系统指标基础术语,?GHz 主频 2.0?GB 硬盘 80G/160G?寸监视器 14/17/19/21?”影像增强器 9/12?K?K 探测器像素 1K/3K/4K?LP/mm 极限分辨率 1.2/2.0/3.4/5PPS 脉冲透视速率 1/2.5/6.25/12.5/25/FPS CINE/DSA 速率 1/2

14、.5/6.25/12.5/25/LIH 末帧保持?s 成像速度（DR/CR）?uGy 静态成像剂量 5?uR 动态成像剂量 50,机电系统指标基础术语,?kg 床面承载 135?N 锁止力/启动力 100N/50N?mm 床面纵向/横向移动行程 ?mm/s （行程）运动速度 100? /s （角度）运动速度 10?mm SID 1000/1100/1500/1800?C形臂/床身/管组件/探测器旋转角度?L 栅密度 （每厘米线条数）40/70/80/?m 栅焦距 1/1.2/1.5?:? 滤线栅格比 8:1/10:1/12:1?”?” 胶片/分割/平板探测器尺寸 1417,表3 公司部件型代号,系统构成,表4 新东方1000医用诊断X射线机系统构成,大C/悬C/落地C/头端C？管球/球管？胸片架？主床/副床？遮光器？拍片机？胃肠机？全身/多功能DR？,问题思考,6 讨论,