影像设备-ch2概要

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1、医学成像技术,王志强（副教授）,教材：医学影像设备学(徐跃 第3版),川北医学院医学影像学院 影像设备教研室,Medical imaging Technology,第二章 X线发生装置,教学内容： 第一节 X线管（产生X线的器件） 第二节 高压发生器（产生并为为X线管提供高压） 第三节 控制台（控制X线的量与质） 教学目的 1、掌握X线发生装置的基本组成、工作原理； 2、熟悉各类球管的结构及性能特点； 3、熟悉高压发生器的结构及工作原理； 4、熟悉控制台的作用及工作原理。,第二章 X线发生装置,X线管,X线机成像原理示意图,第二章 X线发生装置,X线成像设备包括：普通X线成像设备、数字X线成像

2、设备及X线CT成像设备三大类。,X线机的基本结构,第二章 X线发生装置,X线发生装置组成,控制台,高压发生器,X线管,第二章 X线发生装置,X线基本知识复习,一、X线的本质与特征 X线的本质：电磁波，频率介于紫外线与射线之间， 具有波粒二相性。 X线的特征： 1、X线的物理效应：穿透、荧光、电离、热作用，干涉，衍射，反射、折射。 2、X线的化学效应：感光、着色 3、X线的生物效应：对细胞抑制、损伤、坏死,第二章 X线发生装置,二、X线的“质”与“量”、X线强度,1、用X线的质描述X线的穿透能力； 与入射X线的能量有关；与X线的频率有关，与X线光子数无关；与通过的介质的结构、密度有关，与通过的距

3、离有关。 在临床中常用加在X线管两端的管电压描述X线的穿透能力，单位为KV。,第二章 X线发生装置,2、 用X线的量描述X线的强度,即单位时间内通过横截面的光子数。 在临床中常用管电流与曝光时间乘积描述X线的量，单位为mAS。决定胶片或荧光屏上亮度等级。 在治疗中用X线对空气的电离量表示，单位库/千克，即在温度为0度，气压760mmHg时使1ml空气（0.01293g)产生1静电单位时为1伦琴的X线剂量。,第二章 X线发生装置,3、X线强度,在垂直X线传播方向上单位时间内所通过单位面积上的所有光子数与每个光子能量的乘积。单位为：焦耳/平方米.秒。 管电压高，管电流大，照射时间长，其X线强度越大

4、。,第二章 X线发生装置,掌握X线管结构； 掌握X线管作用； 掌握X线产生过程（原理）； 掌握X线管分类 掌握X线管的特性：散热、聚焦、加速、成像参数电参数、几何参数等,第一节 X线管,教学目的：,第二章 X线发生装置,X线管分类,按结构分： 1、固定阳极X线管 2、旋转阳极X线管 3、特殊X线管(栅控X线管、X软线管、金属X线管） 按阳极靶材料分： 1、钨靶X线管 2、鉬靶X线管 3、合金X线管,第二章 X线发生装置,第二章 X线发生装置,一、固定阳极X线管,主要由阴极、阳极、玻璃壳三部分组成。,第一节 X线管,作用：产生X线 结构：阳极 （阳极头、阳极帽、阳极柄、玻璃圈）；阴极（灯丝、阴极

5、头、阴极套、玻璃芯）；高真空玻璃容器（管壳）,（一）结构,第二章 X线发生装置,X线产生原理：高速电子打靶，轫致辐射和特征辐射 X线谱线：连续谱线叠加特征谱线 特点：高真空，防散射，热阴极，绝缘。 优点：散热性能良好，连续瞬时负载。结构简单，价格低。用在小容量X线机。 缺点：焦点尺寸大、瞬时功率小。,第二章 X线发生装置,1、阳极 （1）阳极作用 接受高速电子轰击产生X线；同时将曝光时产生的热量传递到管外；吸收二次电子和散乱射线,（2）阳极结构 阳极头、阳极帽、玻璃圈和阳极柄四部分构成,第二章 X线发生装置,1）阳极头：由靶面和阳极体构成,靶面作用：承受高速运动的电子束轰击产生X线，称为曝光。

6、靶面根据材料不同，有钼靶、钨靶、合金靶等。 阳极体：无氧铜制成，散热作用。 无氧铜阳极体及钨靶构成的阳极头特点：X线产生效率高、散热性能佳。,99%转化为热!,第二章 X线发生装置,1）阳极头：由靶面和阳极体构成,固定阳极X线管功率特点：高速电子始终轰击静止靶面同一位置，且靶面最大承受功率是一定（200W/mm2）,故功率有限。 二次电子：电子束轰击靶面时，从靶面反射和释放出来的少量电子。二次电子危害：降低玻璃管内真空度或击穿玻璃壳；产生非焦点散乱X射线，降低影像清晰度。,第二章 X线发生装置,2）阳极帽：作用是保护X线球管（吸收二次电子）和提高影像清晰度（吸收散乱X线）。,高速电子束入射窗口

7、,X线辐射通道，加玻窗可以吸收软X射线，降低皮肤剂量,第二章 X线发生装置,3）可阀圈：阳极与玻璃壳的过度连接部分。,4）阳极柄：固定X线管并将曝光热量传导到变压油中。,第二章 X线发生装置,2、阴极 （1）阴极作用 发射电子，并对电子束进行聚集。,（2）阴极结构 灯丝、聚焦罩、阴极套和玻璃芯柱等四部分构成。,第二章 X线发生装置,1）灯丝：由钨丝制成，作用是发射热电子。,灯丝发射热电子原理：灯丝加热电压越高辐射电子越多。改变灯丝加热电压可改变灯丝加热电流，进而改变管电流。,灯丝电子辐射特性曲线：指数关系。,第二章 X线发生装置,大小双焦点等构成的双焦点阴极：,2）聚焦罩：又名聚焦槽或集射罩或

8、阴极头，作用聚焦。,第二章 X线发生装置,3）玻璃壳：将阴极和阳极高真空密封在一起。,4）玻璃芯柱：固定阴极在玻璃壳上。,固定阳极X线管优点：结构简单、价格低廉。,固定阳极X线管缺点：焦点尺寸大、瞬时负载功率小（仅200W/mm2）。 常用于小型X线影像设备中。,第二章 X线发生装置,分实际焦点、有效焦点两种。,（二）焦点,2、有效焦点 实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投影的面积。宽度不变为a，长度为bsin。,1、实际焦点 阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺旋形灯丝产生长方形焦点。,固定

9、阳极X线管的焦点,有效焦点宽度不变； 长度=实际焦点长度bsin,第二章 X线发生装置,3、有效焦点与成像质量 有效焦点尺寸越大，散热性能越好，但几何模糊就越大，影像清晰度越差。 有效焦点尺寸越小，散热性能越差，但图像清晰度好。,小焦点可使影像清晰。但是焦点越小，在焦点上集聚的能量越高，产生的热量也就越高。最终将导致焦点靶面熔化。,第二章 X线发生装置,*双焦点技术 在透视时使用小焦点，在摄影时使用大焦点。,解决办法：双焦点技术、旋转阳极技术、飞焦点技术 和油循环或水冷却技术,第二章 X线发生装置,*旋转阳极技术,通过阳极旋转来扩大焦点轰击面积，提高球管的散热率，从而提高球管的功率。,旋转阳极

10、球管,旋转阳极球管的靶面,第二章 X线发生装置,*飞焦点技术,单位时间内提高CT的信息采集效率，特点是阴极发射的电子束在高速飞向阳极过程中，被偏转线圈产生的偏转磁场改变了其垂直入射点。可以在不增加辐射功率的情况下获得更多的信息量。,第二章 X线发生装置,*油循环或水冷却技术,真空 油,在CT中使用油循环X线管 在心血管造影X线机中使用油和水循环X线球管,第二章 X线发生装置,4、焦点的方位性 X线中心线应对准影像中心，即实际焦点中心、X线输出窗中心与投影中心应三点一线。,5、焦点增涨 缺点：焦点增涨引起影响清晰度下降。,管电流,电子数目,库伦斥力,焦点增涨,影像清晰度,第二章 X线发生装置,二

11、、旋转阳极X线管,结构与固定阳极X线管基本一样。只是，阳极靶由电机带动，转速（3000r/min，7000r/min，9000r/min等)。,优点：瞬时负载功率大、焦点小。较好地解决了提高功率与缩小焦点之间的矛盾。,第二章 X线发生装置,20-150kW,焦点：11(单位：mm) 微焦点：0.030.03,旋转阳极的结构：靶面、转子、转轴、轴承四部分组成。,图2-9 旋转阳极X线管的焦点,旋转阳极技术：通过阳极旋转来扩大电子流轰击靶面的面积，提高球管的散热率，从而提高球管的功率。,第二章 X线发生装置,图2-10 旋转阳极结构,靶盘与靶面,第二章 X线发生装置,转子：无氧铜制成，通过钼杆与靶

12、盘和靶面连为一体。,轴承与轴承的润滑：轴承多数采用耐热合金钢制成，润滑剂采用固体润滑材料（二硫化钼、银、铅等）。目前，最先进的采用液态金属轴承。,旋转阳极X线管的转速没达到规定值不允许曝光！,大功率X线管：阳极靶面的直径作到120mm，增大靶面实际面积、缩短曝光时间，承受瞬时高负荷，X线电视摄影、连续高负荷摄影。这类X线管带热交换装置。,第二章 X线发生装置,3、特殊X线管,金属陶瓷大功率X线管：在X线管的中间用钢制管壳，在阳极端用玻璃壳。管的金属部分接地。,金属陶瓷大功率X线管、三级X线管、软X线管、CT用X线管,陶瓷绝缘X线管：把阳极的两端的轴承用陶瓷绝缘。,第二章 X线发生装置,三极X线

13、管（栅控线管） 阴、阳极之间加了一个控制栅极，电子控制阴极发射、截止电子，实现快速、连续X线摄影。,第二章 X线发生装置,结构特点：三极X线管（栅控X线管）在阴阳两级之间加上一个控制极。 工作原理：在栅极加一个对阴极而言是负电位（25kv)或负脉冲，管电流截止，不发生X线，当负电位或负脉冲消失，管电流导通，发生X线。 临床运用 ：X线电视系统 ，DSA中，200帧/秒。摄影时间缩短到10s。实际临界值1ms，灯丝发射特性差，不能产生较大管电流，常用于容量较小的线机中。,第二章 X线发生装置,无栅三极X线管：阴极头加负偏压，可得到微焦点。阴极头既起聚焦作用，又起栅极作用。,因此，三极X线管的特性

14、，不仅取决于灯丝加热电流和管电压，还取决于栅极电位的变化。,第二章 X线发生装置,软X线管（钼靶线管）,要求:固有过滤小；低管电压时能产生较大管电流；焦点小。,结构特点：铍窗(原子序数为4，固有滤过很小) ；钼靶（能产生特征X线）；极间距离短。,0.063nm 0.07nm,临床实验证明:软组织摄影时最适宜的X线波长是0.06-0.09nm。加上0.03mm的钼片，对小于0.063nm的稍硬X线具有选择性吸收作用，对于大于0.07nm的较软X线被钼片本身吸收，余下的X线正好适合作乳腺组织摄影用。,第二章 X线发生装置,灯丝,管套,阳极靶面,阳极,液态金属轴承,液态金属轴承球管,第二章 X线发生

15、装置,液态金属轴承球管,一颗永动的心,由液态金属填充的轴承间隙,第二章 X线发生装置,CT用X线管,在大功率情况下，较长时间的连续辐射X线，阳极在短时间内将积聚巨大的热量。,要求X线管能承受连续脉冲曝光的负荷量，对于中、大型DSA设备，设备，一般X线管热容量应在HU以上，管电压范围40150kV，管电流通常为8001250mA。,高散热率 不能有等待时间， 不能过热停机！,第二章 X线发生装置,靶面材料多采用复合靶结构，配有较大体积的石墨基以增大热容量，外壳多为金属陶瓷材料。 采用油或水循环冷却系统，使产生的热量尽快扩散。,第二章 X线发生装置,MRM 球管 “透心凉”冷却：冷却油直接进入阳极

16、靶面,高散热率,第二章 X线发生装置,四、X射线管的特性与电参数,（一）阳极特性曲线,阳极特性曲线:在一定的灯丝加热电流下,管电压与管电流之间的关系。,空间电荷,第二章 X线发生装置,阴极电子区域:a：灯丝前段无阻力；b：灯丝侧面小阻力；c:灯丝后端形成空间电荷，随管电压升高而逐渐飞向阳极。,空间电荷,比例区,饱和区,（二）灯丝发射特性曲线,灯丝发射特性曲线：在一定的管电压下, 管电流与灯丝加热电流之间的关系。,当KV增加或减少管电流亦会增加减少 ，故要空间电荷补偿。,第二章 X线发生装置,（三）X射线管的电参数,1、管电压与最高管电压,最高管电压：加于X线管两极间的最高峰值电压，单位是kV。 最高管电压是由X线管的长度、形状、绝缘介质的种类以及管套的形式决定的；如超过最高电压允许值会使管壁放电甚至击穿。,2、管电流与最大管电流,最大管电流：X线管在某一管电压和某一曝光时间内所允许的最大管电流平均值，单位是mA。