X射线基本原理

X射线基础知识万东医疗©2009大纲1X射线发现与发展2X射线的产生和性质3X射线与物质的作用与成像4X射线的防护5X射线基础术语6讨论1X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-γ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•1901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正比于kV2*mAs工频高频DRkV686868mA100100100ms100020050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2X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2X10-9~6X10-12m,•频率高3X1016~3X1020Hz•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(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射线的透过性可透性组织中等透过性组织不透过性组织气体结缔组织骨骼脂肪组织肌肉组织含钙的组织软骨血液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1阳极靶盘2转子（阳极散热棒）3定子线圈4灯丝5玻壳图2X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3X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=1.1X10-9~1.4X10-9i: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1.5倍处。平均能量为最大能量的1/3~1/2。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2．X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4．X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，穿透能力越大•η=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3X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滤线栅影像获取系统X-ray可见光X射线成像滤过荧光感光光电转换反射滤线栅图9X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上,完全透过呈黑色,完全不透过呈白色图10X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4X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5X射线基础术语•Radiography摄影•Tomography断层摄影•Bucky滤线器摄影•Fluorography透视•APR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-RayGeneratorX线高压发生器•X-RayTubeAssemblyX线管组件•Collimator限束器•HV-Cable高压电缆•RadiographyTable摄影床•DiagnoseTable诊断床•Standby立式摄影架•Ceiling吊架•C-armC形臂•I.I(ImageIntensifier)影像增强器•CCDCameraCCD摄象机•X-RayTVX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40~125/150;/40~110/120/125•mA管电流10~1000;0.3~80•ms/s（摄影）加载时间0.001~10s•mAs（摄影）电流时间积0.1~1000•min/s（透视）加载时间•kHz主逆变频率25/33/40/50/100/200•PPS脉冲透视速率1/2.5/6.25/12.5/25/•FPSCINE/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3000/9000•mm焦点0.6/1.2•HU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1.2/2.0/3.4/5•PPS脉冲透视速率1/2.5/6.25/12.5/25/•FPSCINE/DSA速率1/2.5/6.25/12.5/25/•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•?mmSID1000/1100/1500/1800•?°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14×17表3公司部件型代号CBC(形)臂CB-4DJ吊架DJ50GC(导)管床GC-2GFS高(频)(高压)发生(装置)GFS501-1FJ附件FSB发生(器)变(压器)FSB302-1FSK发生(器)控(制台)FSK302-1LS立(式)摄(影架)LS-3SC摄(影)床SC4-4SZ摄(影)装(置)SZ-5TX图象TX-DSI1000XS限束(器)XS1-2XDSX射线探测器系统XDS3000ZC诊(断)床ZC25SY-2ZZ支柱ZZ-5系统构成部件名称部件型号数量制造商高压发生器GFS501-11万东X射线管组件E7876X1TOSHIBA高压电缆75kV/20m2万东限束器XS1-21万东平板探测器4343R1VARIANDR摄影装置SZ-11万东表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