第二章 投影X线成像系统A

第二章投影X射线成像系统ProjectionX-rayImagingSystem2.1概述1）气体X线管、感应圈时期（1895～1913年）早期用玻璃底板成像，后期开始应用钨酸钙增感屏。伦琴当时使用的X线机，其管电压只有40～50kV，管电流仅有1mA，拍摄一张手骨照片用30min～1h。2）热电子X线管、变压器高压发生器时期（1913～1930年）制成并改进了荧光屏。3）防电击、防散射X线装置的实用化时期（1930～1960年）4）高条件、大容量、控制技术现代化时期（1960年以后）大功率旋转阳极X线管问世，X线影像增强器研制成功，X线电视、录像和动态摄影应用。一、诊断用X线机发展史与现状二、X线机的组成通用型：临床各科室共同使用。专用型：满足不同临床需要，如心血管造影X线机，骨科X线机，牙科X线机，胸科X线机等。不同功能X线机的机械装置－胃肠诊断机–胸片机–普通拍片机–心血管造影机–断层摄影机–牙科专用机–儿科专用机–手术用X线机普通摄影用X线机X线机的组成框图控制装置高压发生装置X线管装置X线电源机械装置与辅助装置1)X-ray发生装置---球管和高压发生器2)X-ray接收装置---胶片或影像增强器I.有电视信号处理系统--有透视功能II.无电视信号处理系统--无透视功能(注：早期的透视功能X线机是利用荧光屏显示图像的)3)X-ray图像数字化处理系统----硬件及软件处理系统4)X-ray附属装置：病床、球管支架、防护设备等2.2X线和X线管一、X射线的产生及其性质1）X射线的发现德国科学家(1845-1923)WilhelmConradRoentgen1895年发现X线.为此，伦琴获1901年诺贝尔物理学奖。X线投照2)X射线产生的必要条件I.有电源;II.必须有高压电场及真空条件下的电子流;III.必须有适当的阻挡物(金属靶面)来承受高速电子的能量，使高速电子所带的动能转变成X射线。3)X射线的产生I.连续X射线：高速运动电子与靶原子核作用。II.特征X射线：原子核外电子的跃迁。连续辐射/韧致辐射：高速带电粒子在靶物质的原子核电场作用下，改变运动方向和速度，所损失的动能中，有一部分转化为能量等于hν的光子辐射出去。由于各带电粒子与原子核相互作用情况不同，所以辐射出来的X射线光子能量也不一样，具有连续的能谱分布+连续X射线9)()(4.12maxminmaxoAkVVeVhcceVhh：普朗克常数c：光速V：加速电子的电场电压e：电子电荷量νmax：X射线的频率λmin：X射线的波长连续X射线的能量：钨的连续X线谱3)X射线的产生特征辐射/标识辐射：当高速电子与阳极靶面撞击时，也可能与原子的内层电子相互作用而将内层电子轰出，使原子呈不稳定状态。当具有较高势能的外层电子填补内层电子空位时，即释放出多余的能量。这种能量的辐射称为特征辐射。特征X射线的能量:21nnEEhchh：普朗克常数ν：X射线的频率λ：X射线的波长c：光速En1：轨道能级（外）En2：轨道能级（内）+特征X射线标识X射线谱示意图标识辐射的X射线波长是由跃迁的电子能量差决定的，与高速电子的能量（管电压）无直接关系，主要决定于靶物质的原子序数，原子序数越高，产生的标识辐射的波长越短。X射线包括连续放射线和特征放射线。二、X射线的基本特性X线的频率:3×1016-3×1020Hz波长:0.01-100A医学用波长：0.01-1A诊断用：0.01-1A治疗用：0.01-0.1AX线的性质1）X射线在均匀、各向同性的介质中直线传播2）X射线具有穿透作用3）X射线的电离作用4）X射线的荧光作用5）X射线生物效应1.X射线的物理特性本质与普通光线一样，都属电磁波，但波长比可见光更短，介于紫外线与γ射线之间。与普通光线一样具有微粒—波动二重性，每个X射线光子具有一定的能量E=hυ，并以光的速度直线传播。同时服从光的反射、折射、散射和衍射等一般规律。1）穿透作用X射线的波长很短，对各种物质都具有程度不同的穿透能力。影响因素：与X射线的能量、被穿透物质结构和原子性质有关。同一X射线，对原子序数较低元素组成的物体贯穿本领较强，对原子序数较高元素组成的物体贯穿本领相对较弱。X射线对人体不同组织的穿透性不同——X射线医学成像的基础人体组织对X射线的穿透性易透射组织中等透射性组织不易透射性组织气体结缔组织骨骼肌肉组织脂肪组织软骨血液2）荧光作用当射线照射某种物质时，能够发出荧光，具有这种光特性的物质称为荧光物质。如钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等荧光物质受X射线照射时，物质原子被激发或电离，当被激发的原子恢复到基态时，便可放出荧光。X射线荧光作用的应用：X射线透视荧光屏、增感屏、影像增强器、闪烁计数器等。3）电离作用具有足够能量的X射线光子不仅可从原子中击脱电子产生一次电离，脱离了原子的电子还能与其他原子碰撞产生二次电离。X射线电离作用的应用：X射线剂量仪器探头原理及X射线损伤和治疗的基础。2.X射线的化学特性1）感光作用X射线与可见光一样，可使胶片感光。胶片乳剂中的溴化银受X射线照射感光，经化学显影，还原出黑色的金属银颗粒，其黑度取决于感光程度。X射线摄影即是利用其化学感光作用，使组织影像出现在胶片上。2）脱水作用/着色作用某些物质经X射线长期照射后，因结晶体脱水而逐渐改变颜色。如荧光屏、增感纸、铅玻璃等经X射线长期照射后都会逐渐变色。X-Ray是波长很短的电磁波。X-Ray是一种不可见光。X-Ray可以穿透物体。X-Ray可以使化学物质发生反应;产生荧光。X-Ray可以产生生物效应,破坏细胞,改变基因。不同密度组织(厚度相同)与X线成像的关系在人体结构中，胸部的肋骨密度高，对X线吸收多，照片上呈白影；肺部含气体密度低，X线吸收少，照片上呈黑影。X线穿透低密度组织时，被吸收少，剩余X线多，使X线胶片感光多，经光化学反应还原的金属银也多，故X线胶片呈黑影；使荧光屏所生荧光多，故荧光屏上也就明亮。高密度组织则恰相反。不同厚度组织(密度相同)与X线成像的关系A.X线透过梯形体时，厚的部分，X线吸收多，透过的少，照片上呈白影，薄的部分相反，呈黑影。白影与黑影间界限分明。荧光屏上，则恰好相反B.X线透过三角形体时，其吸收及成影与梯形体情况相似，但黑白影是逐步过渡的，无清楚界限。荧光屏所见相反。C.X线透过管状体时，其外周部分，X线吸收多，透过的少，呈白影，其中间部分呈黑影，白影与黑影间分界较为清楚。荧光屏所见相反二、X线的衰减1、主要作用形式1)相干散射2）光电吸收3）康普顿散射Ⅰ.光电效应(photoelectriceffect)X射线光子的能量全部给予壳层电子，一部分使其克服核的结合能脱离轨道，成为光子，而另一部分则作为光电子动能被带走。25+X射线光电效应光电子光电效应的产物：光电子、正离子、荧光放射+X射线光电效应光电子光电效应的能量供受关系：ieEExEEe：电子的动能Ex:X射线的能量Ei:第i层电子结合能产生几率与X射线光子能量的三次方成反比，与物质原子序数的四次方成正比。Ⅱ.Compton效应(Comptonscattering)入射X射线与物质原子束缚较弱的电子相碰撞，光子的一部分能量传给电子，并将它从原子中击出（反冲电子），能量减小了的光子，波长增大并且改变运动方向，成为散射光子。这种改变波长和方向的散射称为康普顿散射。+入射X射线Compton效应Compton电子出射X射线θ康普顿散射是X射线在生物组织内衰减的主要原因。+入射X射线Compton效应Compton电子出射X射线Compton效应的能量供受关系：Ee：电子的动能Ex:X射线的能量θ:散射角（如图）meC2:电子的静态质量能)cos1()cos1(22xexeECmEEθ康普顿散射原理图2.X射线在人体组织中的衰减总的衰减系数：人体的组织结构：骨、肌肉、脂肪不同组织的衰减系数不同PRC3.X射线在介质中的衰减规律（1）线性衰减系数μI为穿过某一物质后的X射线强度；I0为射入该物质之前的X射线强度；μ为该物质的吸收系数（不同物质的μ值不同，由物质的物理特性决定）；X为该物质的厚度；II0XdxIdIxoeII衰减公式：衰减方程：32ddzzyxIyxIid]),,,(exp[)(),(zideII入射强度，出射强度厚度为iIdIz当为位置和能量的函数时三、X线管的结构1.X线球管－－X线机的心脏器件产生定向、实用的X射线应具备的四个条件：a.电子源（阴极）发射电子；b.受电子轰击而辐射X射线的物体（阳极靶）；c.加速电子使其增加动能的电位差（管电压）；d.高真空环境（玻璃外壳）。原理：电子流以高速撞击金属靶面会产生X-Ray。电子流---球管阴极灯丝提供。高速---高压发生器提供加载至球管。X射线阳极阴极灯丝变压器高压变压器管电压高速电子流X线机主要部件示意图X线的发生程序：接通电源，经过降压变压器，供X线管灯丝加热，产生自由电子并云集在阴极附近。当升压变压器向X线管两极提供高压电时，阴极与阳极间的电势差陡增，处于活跃状态的自由电子，受强有力的吸引，使成束的电子，以高速由阴极向阳极行进，撞击阳极钨靶原子结构。此时发生了能量转换，其中约1%以下的能量形成了X线，其余99%以上则转换为热能。前者主要由X线管窗口发射，后者由散热设施散发。1）固定阳极X线管阳极（anode）功能：产生X射线靶面材料：钨、钼等阳极罩：吸收二次电子阴极（cathode）功能：发射电子，对轰击靶面的电子聚焦，使其具有一定的形状和大小，形成X线管的焦点。类型：圆焦点型，线焦点型（线焦点型散热优于圆焦点型）二次电子（能量约为原来的90％）的危害：撞击灯丝使其断裂；轰击玻璃壳内壁使其温度升高放出气体，降低管内真空度，或造成玻璃破裂；轰击靶面辐射散射X线，降低成像质量。阳极靶阴极灯丝真空玻璃管焦点固定阳极X线管的基本构造玻璃壳：功能：支撑阴、阳两极并保持管内真空度。特点：结构简单，价格低，真空度高，X线的量和质可任意调节；产生X线的效率低（99.8％以上的能量转变为热，焦点尺寸大，瞬时负载功率小；适宜于连续负载，管电流小、曝光时间长的便携式牙科和骨科用X光机中。2)旋转阳极X线管工作原理：负载时，圆盘状靶面高速转动，从偏离管轴中心线的阴极头发射出电子，轰击在转动靶面的转动环形面积上。X射线管的内部结构旋转阳极技术通过阳极旋转来扩大焦点面积，提高球管的散热率，从而提高球管的功率。旋转阳极球管旋转速率有2700rpm、8500rpm(3倍频)，甚至16000rpm(6倍频)。N=120f/P(rpm)N为转子转速；f为电源频率；（转/分）P为定子极数，一般为2极旋转阳极球管的靶面3）大功率X线管特点：大直径阳极靶（120mm），增大阳极靶面的实际面积；阳极高速旋转，缩短曝光时间；阳极角度由普通管的17°～21°减小到9°～14°。适用于：短曝光时间并承受高压（X线电影摄影和连续X线摄影）4）特殊X线管①栅控X线管/三极X线管基本原理：在普通X线管的阴极和阳极之间加上一个控制栅极，当栅极加上负电位时，管电流被截至，无X射线输出；当负电位消失时，管电流导通，输出X射线。特点：灯丝发射特性比一般X线管差，不适用于大容量的X线机。可获得微焦点，适用用于放大X射线摄影；可使病人和操作者接受的X线辐射剂量减少，X线管负载降低；能实现快速断续X线摄影，提高X线影像清晰度。②软X射线管用于软组织摄影；采用极薄的玻璃窗作出射窗；采用钼靶；③金属X线管能提高灯丝温度，增加X线管的负荷；适用于短时间曝光，承受高负载，如X射线电影、体层摄影、CT装置等。④陶瓷绝缘X线管将陶瓷绝缘后放入金属外壳内，主要用于连续X射线摄影，体层摄影和电影摄影等。3.X线管的规格（1）构造参数（2）电参数：最高管电压最大管电流最长曝光时间X线管的能量（3）X线管的阳极特性、灯丝发射特性（4）X线管的瞬间负荷特性（5）X线管的连续负载