X射线基本原理精讲.ppt

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1、X射线基础知识万东医疗万东医疗 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射线的发现射线的发现 1895年伦琴年伦琴 1901年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖放射性的发现放射性的发现 1896年贝克勒尔（铀）年贝克勒尔（铀）1898年居里夫妇年居里夫妇（钋、镭）（钋、镭）1903年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖电子的发现电子的发现 1897年汤姆生年汤姆生 1906年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖人类研究微观世界的“三大发现”e-射线X射线图图1 三大发现的关系三大发现的关系原子电子高速电子X射线发现与

2、发展1895年年11月月8日日,德国物理学家德国物理学家W.C.Rontgen在其实验室作在其实验室作CRT实验时发现实验时发现X射线射线,也称伦琴射线也称伦琴射线1901年年,伦琴因此成为第一个诺贝尔物理学奖得主。伦琴因此成为第一个诺贝尔物理学奖得主。发现发现X射线后三个月射线后三个月,协助首例外科手术协助首例外科手术,20min拍摄拍摄1张头颅片张头颅片之后之后X射线应用迅速发展射线应用迅速发展,广泛用于物质结构分析、工业探伤、广泛用于物质结构分析、工业探伤、科研等领域科研等领域在临床上的应用在临床上的应用,X射线摄影射线摄影/透视透视,X射线射线CT剂量控制与图象质量 诊断诊断X射线的技

3、术发展一直致力于用尽量低的剂量获得清晰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：影像：提高提高X射线产生的效率射线产生的效率 X射线管、高压发生控制射线管、高压发生控制提高提高X射线的质量射线的质量 高压发生控制、滤过、限束器、滤线栅高压发生控制、滤过、限束器、滤线栅提高提高X射线影像信息的获取能力射线影像信息的获取能力 床面板、增感屏、闪烁屏、数字化探测器床面板、增感屏、闪烁屏、数字化探测器提高提高X射线系统影像射线系统影像 焦点、焦点、SID/SOD、准直、参数的组合、后处理、准直、参数的组合、后处理发展对比 仅以相同仅以相同kV相同相同mA临床胸片摄影条件作对比临床胸片摄影条件

4、作对比,可近似认为可近似认为DOSE正正比于比于kV2*mAs工频工频高频高频DRkV686868mA100100100ms100020050表表1 不同不同X射线摄影系统的胸片曝光条件对比射线摄影系统的胸片曝光条件对比放射性来自？放射性来自？X射线来自？射线来自？电子电子/光子？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射线本质上是射线本质上是电磁波电磁波,介于紫外线和伽玛射线之间介于紫外线和伽玛射线之间,具备高能量和穿具备高能量和穿透力透力波长短波长短2X10-96X10-12m,频率高频率高3X10163X1020Hz波粒二象性波粒二象性,传播时体现波动性传播时体现波动性

5、,与物质作用时体现粒子性与物质作用时体现粒子性物理特性物理特性 -穿透性穿透性(原子序数高原子序数高密度大不易穿透密度大不易穿透,例如骨骼例如骨骼)-荧光作用荧光作用(荧光屏荧光屏增感屏增感屏闪烁屏闪烁屏)-电离作用电离作用(可用于测量可用于测量X射线射线,导致机体损伤导致机体损伤,用于机体治疗用于机体治疗)-热作用热作用化学效应化学效应 -感光作用感光作用(摄影摄影/工业探伤工业探伤)-着色作用着色作用(物质结晶体脱水变色物质结晶体脱水变色)生物效应生物效应(电离和激发电离和激发)-对增殖性强的细胞的抑制对增殖性强的细胞的抑制损伤损伤坏死坏死 -放射治疗放射治疗 -对正常细胞的损伤对正常细胞

6、的损伤,注意放射防护注意放射防护表表2 人体组织对人体组织对X射线的透过性射线的透过性可透性组织可透性组织中等透过性组织中等透过性组织不透过性组织不透过性组织气体气体结缔组织结缔组织骨骼骨骼脂肪组织脂肪组织肌肉组织肌肉组织含钙的组织含钙的组织软骨软骨血液血液X射线的产生高速电子撞击物质突然受阻产生高速电子撞击物质突然受阻产生X射线射线1、电子源、电子源(加热的灯丝加热的灯丝)2、靶面、靶面(电子撞击的物质电子撞击的物质)3、高速电子流、高速电子流高电压产生的强电场高电压产生的强电场真空度较高的空间真空度较高的空间 -电子高速运动中不受气体分子阻挡电子高速运动中不受气体分子阻挡 -保护灯丝不致因

7、氧化而烧毁保护灯丝不致因氧化而烧毁X射线管1阳极靶盘阳极靶盘2转子（阳极散热棒）转子（阳极散热棒）3定子线圈定子线圈4灯丝灯丝5玻壳玻壳图图2 X射线管射线管X射线谱医用诊断医用诊断X X射线主要使用连续射线主要使用连续X X线。线。物质结构光谱分析时使用特征物质结构光谱分析时使用特征X X线。线。连续连续X X射线最短波长射线最短波长,只与管电压有关。只与管电压有关。图图3 X射线谱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连续辐射又称轫致辐射a)高速电子遇原子核受阻后高速电子遇原子核受阻后,能量损失能量损失,损失的动能以光子形式放出。损失的动能以光子形式放出。b)电子作用核场区的深

8、度不一样电子作用核场区的深度不一样,受阻程度不一样受阻程度不一样,能量损失不一样，释能量损失不一样，释放出光子的能量不一样，由此形成连续的射线谱。放出光子的能量不一样，由此形成连续的射线谱。连续X射线的产生原理图图4 连续连续X线产生原理线产生原理特征特征X线又称标识线又称标识X线。线。高速电子能大于原子内（高速电子能大于原子内（K-）层电）层电子的结合能时；子的结合能时；a)将将K层电子击出，层电子击出，K层形成空穴；层形成空穴；b)外层电子跃迁回外层电子跃迁回K层填补空穴，释层填补空穴，释放光子。放光子。该跃迁以量子能级释放能量，量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

9、数，能级仅取决于靶物质的原子序数，而与外加电压无关。而与外加电压无关。由此形成特征由此形成特征X线。线。特征X射线的产生原理图图5 特征特征X线产生原理线产生原理I=KiZUnK=1.1X10-91.4X10-9i:管电流管电流Z:靶材料原子序数靶材料原子序数U:管电压管电压n:2最大强度约在最短波长的最大强度约在最短波长的1.5倍处。倍处。平均能量为最大能量的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 1通常用通常用X X射线的强度表示射线的强度表示X X射线的量，即垂直于射线的量，即垂直于X X射线传播方向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

10、乘积的总和单位面积上、单位时间内通过的光子数量与能量乘积的总和2 2X X射线的量即射线的量即X X光子的数目，可以用管电流光子的数目，可以用管电流mAmA与照射时间与照射时间s s的乘的乘积即积即mAsmAs来反应来反应3 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，激发的越多，激发的X X线光子正比增加；照射时间长，线光子正比增加；照射时间长，X X线量正比增大线量正比增大4 4X X射线的质又称线质，仅与光子能量有关，表示射线的质又称线质，仅与光子能量有关，表示X X射线的硬度，射线的硬度，即穿透物质的能力，通常以管

11、电压（即穿透物质的能力，通常以管电压（kVkV值）近似描述值）近似描述5 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，激发的电压越高，撞击能量越大，激发的X X射线光子强度越高，穿透能射线光子强度越高，穿透能力越大力越大=KZU约约99%都转变成热能都转变成热能出射出射X射线不足阳极靶面产生射线不足阳极靶面产生X射线的射线的10%,利用率很低利用率很低高原子序数的材料高原子序数的材料/高熔点的材料高熔点的材料恒定的高压恒定的高压X射线的产生效率X射线射线/光子光子/电磁波？电磁波？单色单色/单能单能X射线

12、？射线？连续连续X线与靶物质线与靶物质/管电压？管电压？特征特征X线与靶物质线与靶物质/管电压？管电压？X射线机射线机/X光机光机?问题思考3 X射线与物质的作用及成像光电效应光电效应(吸收效应吸收效应)-X射线光子与原子内层电子作用射线光子与原子内层电子作用,被原子吸收被原子吸收,内层电子摆脱原子成内层电子摆脱原子成为自由电子的过程为自由电子的过程 -发生几率与光子能量的发生几率与光子能量的3次方成反比次方成反比 -低低kV摄影或采用造影剂摄影或采用造影剂时时,光电效应居主光电效应居主,产生好的对比度产生好的对比度,但组织但组织吸收吸收X射线多射线多光电效应康普顿效应康普顿效应(散射效应散射

13、效应)-X射线光子与原子外层电子作用射线光子与原子外层电子作用,改变频率和角度散射出去改变频率和角度散射出去,外层外层电子摆脱原子成为自由电子的过程电子摆脱原子成为自由电子的过程 -高高kV摄影时摄影时,康普顿效应居主康普顿效应居主,组织吸收组织吸收X射线少射线少,但散射线多但散射线多,既影响影像既影响影像,又为防护提出了较高要求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：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射线强度的衰减与距离的平方成反比窄束窄束X线的衰减规律：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射线强度的衰减与物质的密度、厚

14、度成指数衰减关系宽束宽束X线的衰减规律：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连续X线线 -随吸收物质厚度的增加随吸收物质厚度的增加,强度衰减强度衰减,能谱变窄能谱变窄,向高能转移向高能转移 -采用滤过采用滤过,改变射线能谱改变射线能谱,吸收低能射线吸收低能射线,保护患者保护患者X射线的衰减X射线的滤过X线滤过线滤过 -固有滤过固有滤过 -附加滤过附加滤过散射线的抑制和消除X X线线管管发发射的原射的原发发X X射射线进线进入机体后的两种情况入机体后的两种情况1 1、透射、透射即即X X

15、射射线线穿穿过过人体，将其部分能量消耗在体内，使人体，将其部分能量消耗在体内，使其本身的能量衰减，其本身的能量衰减，这这种衰减了的原种衰减了的原发发X X射射线线含有人体含有人体组织组织密度信息，是密度信息，是X X线摄线摄影成像影成像时时要充分利用的要充分利用的2 2、散射、散射即即X X射射线线和人体和人体组织发组织发生康普生康普顿顿效效应应改改变变方向，任方向，任意方向的散射意方向的散射线线不能不能产产生与人体解剖形生与人体解剖形态态有关的影响有关的影响密度，密度，仅仅增加灰增加灰雾雾度，度，导导致影像的致影像的对对比度下降比度下降滤线栅滤线栅板是用于板是用于滤滤除除摄摄影影时时人体人体

16、产产生的散射生的散射线线的有效部件的有效部件散射线的抑制和消除图图6散射线散射线图图7 滤线栅滤线栅影像获取系统影像获取系统影像获取系统影像获取系统X-ray可见光可见光X射线成像滤过滤过荧光荧光感光感光光电光电转换转换反射反射滤线栅滤线栅图图9 X射线成像射线成像图图8 可见光成像可见光成像X射线成像正是由于人体组织对射线成像正是由于人体组织对X射线的透过性射线的透过性(衰减衰减)不同不同,而形成的对而形成的对比信息比信息在胶片上在胶片上,完全透过呈黑色完全透过呈黑色,完全不透过呈白色完全不透过呈白色图图10 X射线图象射线图象高对比摄影？低高对比摄影？低kV，骨骼，对比剂，光电效应，人体吸

17、收，骨骼，对比剂，光电效应，人体吸收高高kV摄影？短时间，矽肺，康普顿效应摄影？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射线的防护患者患者低能射线的滤除：滤过低能射线的滤除：滤过限束器的使用：防止其它部位受辐射限束器的使用：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）铅防护用具的使用：保护腺体（晶状体、甲状腺、性腺）医生医生依靠距离的防护依靠距离的防护隔室操作隔室操作铅防护用具的使用：保护腺体（晶状体、甲状腺、性腺）铅防护用具的使用：保护腺体（晶状体、甲状腺、性腺）孕妇孕妇?1

18、4岁以下儿童透视岁以下儿童透视/摄影摄影?问题思考5 X射线基础术语Radiography 摄影摄影 Tomography 断层摄影断层摄影Bucky 滤线器摄影滤线器摄影Fluorography 透视透视APR 器官程序摄影器官程序摄影AEC 自动曝光自动曝光IBS/ABC 自动透视自动透视DSI 数字点片图象数字点片图象SFC 点片点片(摄影摄影)PF 脉冲透视脉冲透视HLF 高剂量透视高剂量透视CINE 电影摄影电影摄影DSA 数字减影血管造影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线高压发生器线高压发生器X-Ray Tube Assembly

19、X线管组件线管组件Collimator 限束器限束器HV-Cable 高压电缆高压电缆Radiography Table 摄影床摄影床Diagnose Table 诊断床诊断床Standby 立式摄影架立式摄影架Ceiling 吊架吊架C-arm C形臂形臂I.I(Image Intensifier)影像增强器影像增强器CCD Camera CCD摄象机摄象机X-Ray TV X线电视系统线电视系统数字影像系统基础术语DR（数字摄影系统）（数字摄影系统）CR（计算机摄影系统）（计算机摄影系统）IP板板WORKLIST登录工作站登录工作站ACQUIRE采集工作站采集工作站REPORT诊断工作站诊

20、断工作站PACS（图象存储与传输系统）（图象存储与传输系统）DICOM标准（医学影像数字传输协议）标准（医学影像数字传输协议）HIS（医院信息系统）（医院信息系统）RIS（放射信息系统）（放射信息系统）发生器、X射线管组件指标基础术语kV 管电压管电压 40125/150;/40110/120/125mA 管电流管电流 101000;0.380ms/s（摄影）加载时间（摄影）加载时间 0.00110smAs（摄影）电流时间积（摄影）电流时间积 0.11000min/s（透视）加载时间（透视）加载时间 kHz主逆变频率主逆变频率 25/33/40/50/100/200PPS 脉冲透视速率脉冲透视

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

22、透视速率脉冲透视速率 1/2.5/6.25/12.5/25/FPS CINE/DSA 速率速率 1/2.5/6.25/12.5/25/LIH 末帧保持末帧保持?s 成像速度（成像速度（DR/CR）?uGy 静态成像剂量静态成像剂量 5?uR 动态成像剂量动态成像剂量 50机电系统指标基础术语?kg 床面承载床面承载 135?N 锁止力锁止力/启动力启动力 100N/50N?mm 床面纵向床面纵向/横向移动行程横向移动行程?mm/s（行程）运动速度（行程）运动速度 100?/s（角度）运动速度（角度）运动速度 10?mm SID 1000/1100/1500/1800?C形臂形臂/床身床身/管组

23、件管组件/探测器旋转角度探测器旋转角度?L 栅密度栅密度（每厘米线条数）（每厘米线条数）40/70/80/?m 栅焦距栅焦距 1/1.2/1.5?:?滤线栅格比滤线栅格比 8:1/10:1/12:1?”?”胶片胶片/分割分割/平板探测器尺寸平板探测器尺寸 1417表表3 公司部件型代号公司部件型代号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-D

24、SI1000XS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-11万东表表4 新东方新东方1000医用诊断医用诊断X射线机系统构成射线机系统构成大大C/悬悬C/落地落地C/头端头端C？管球管球/球管？球管？胸片架？胸片架？主床主床/副床？副床？遮光器？遮光器？拍片机？拍片机？胃肠机？胃肠机？全身全身/多功能多功能DR？问题思考6 讨论