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1、医学影像物理学,选用教材：张泽宝主编医学影像物理学 课程类型：选修课（1学分） 学时安排：15学时（每周3学时） 授课教师：杨 栋（抗癌研究中心）,医学影像学,物理学,电子学,设备学,检查学,诊断学,电离辐射,非电离辐射,基本技术路线,探测对象,成像信息,数字化处理,数字图像,第一章,普通X射线影像,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,玻壳,阴极,阳极,X光,X射线管的特性,灯丝,电子束,靶,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,产生X射线的条件,电子源 受电子轰击能发出X射线的靶 加速电子的强电场 高度真空的环境,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,+,内层电子,外层电子,原子核,
2、高速电子,碰撞损失 collisionloss,热能,辐射损失 radiationloss,X射线,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,轫致辐射（bremsstrahlung）,+,高速电子从原子核附近强电场飞过引发的辐射 E = hv 轫致辐射产生连续X光谱,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,相对强度,50KV,40KV,30KV,钨在较低管电压下的连续X射线谱,最短波长的X光子能量最大 对应电子与原子核一次作用损失全部能量,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,连续X射线谱最短波长 min = 12.4 / U（nm） min 的数值仅与
3、管电压U 有关 不受其他任何因素的影响,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,标识辐射（characteristic X-radiation）,+,高速电子击出原子内层电子所引发 标识辐射产生固定波长的X射线谱,标识辐射,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,相对强度,钼靶 X射线管的光谱,标识X射线的波长仅取决于阳极靶物质 每一种元素的标识X射线波长固定不变,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,实际焦点和有效焦点,焦点具面积量纲 越大 实际焦点越大 对散热越有利 对成像质量不利,a,a,bsin,b,实际焦点,有效焦点,靶角,第一章 普通X射线
4、影像,X射线管的特性,焦点的方位特性 焦点面上靠向阴极方向的焦点较大 焦点的X线量分布 焦点面上X射线强度分布是不均匀的,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,半影对影像清晰度的影响,点光源 （有效焦点）,d,f,物体,胶片,半影,半影造成 影像边缘 模糊不清,线光源,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,半影 P 的大小,P = d S / ( f d ),式中 d 为物体和胶片的距离 S 为有效焦点的面积 f 为光源与胶片的距离,第一章 普通X射线影像,X射线管的特性,X射线管的容量 管球由热承受力决定的最大负荷量 影响容量的因素 实际焦点/管电压电流/开机时间/冷却,第一章 普通X射
5、线影像,X射线辐射场的空间分布,X射线的物理性质 波长极短不可见 不受电磁场影响 具很强贯穿本领 照射物体发荧光 使原子产生电离 引发光化学反应,第一章 普通X射线影像,X射线辐射场的空间分布,单色X射线的强度 I N hv 连续X射线的强度 I min I（） d,光子密度,光子能量,第一章 普通X射线影像,X射线辐射场的空间分布,连续X射线最强处波长 m 2 min 2.48 / U (nm) X射线诊断中（U固定时）常用 管电流的毫安数 X射线强度 量,第一章 普通X射线影像,X射线辐射场的空间分布,X射线的硬度（hardnees） 穿透物质的能力 质,硬度 管电压(kV) 最短波长(n
6、m) 主要用途 极软 5 20 0.25 0.062 软组织摄影 软 20 100 0.062 0.012 透视和摄影 硬 100 250 0.012 0.005 浅层组织治疗 极硬 250 0.005 深层组织治疗,第一章 普通X射线影像,X射线辐射场的空间分布,X射线的滤过和硬化,I,I,滤波板,线质变硬,滤去长波成分,第一章 普通X射线影像,X射线辐射场的空间分布,薄靶辐射场的角分布,特点 随管电压升高最强辐射趋向电子束的入射方向,电子束,100kV,500kV,4MV,20MV,90o,-90o,第一章 普通X射线影像,X射线辐射场的空间分布,厚靶辐射场的角分布,特点 因靶的吸收效应靠
7、阳极一侧辐射较弱,电子束,O,c,b,a,X射线,Ia,Ib,Ic,第一章 普通X射线影像,X射线在介质中的衰减,低能X射线与物质作用的主要形式,光电效应（photoelectric effect） 康普顿散射（Compton scattering） 电子对效应（electric pair effect）,第一章 普通X射线影像,光电效应,+,产生条件：入射光子的能量大于原子内层电子的结合能,X射线在介质中的衰减,光电子,X光子,标识 辐射,第一章 普通X射线影像,康普顿散射,入射光子与材料中自由电子作用损失部分能量成为波长变长的散射光,X射线在介质中的衰减,入射X光,光栏准直系统,散射X光,
8、石墨 散射体,（散射角）,第一章 普通X射线影像,电子对效应,入射光子与原子核周围电场相互作用将全部能量转化为一对正负电子 在医学影像使用的X射线能量较小光电效应为主而电子对效应不发生,X射线在介质中的衰减,第一章 普通X射线影像,作用概率与作用截面,X射线在介质中的衰减, -I / I0,（I / I ）/（ N x ）,式中 I0 - 入射强度 I - 出射强度 N - 靶粒子密度 x - 靶厚度,入射光子通过靶时与靶粒子相互作用的发生概率,每一靶粒子对入射光子的有效的能量转移面积,第一章 普通X射线影像,单能窄束X射线的衰减规律,X射线在介质中的衰减,I,吸收体厚度,I Io e - x
9、,称为线性衰减系数, N,其中,第一章 普通X射线影像,半价层（half value layer）,X射线在介质中的衰减,使X射线束的强度衰减为原来一半时所需要的吸收层的厚度,半价层与X射线硬度及原子序数有关,第一章 普通X射线影像,X射线在介质中的衰减,当入射X射线能量和吸收介质确定时 线性衰减系数 与介质密度呈正比 为消除影响而引入质量衰减系数m,m = /,质量衰减系数反映介质本身的吸收特性而与其状态无关,质量衰减系数与线性衰减系数的关系,第一章 普通X射线影像,X射线在人体组织内的衰减,在相同光子能量条件下通常 钙 碘 钠 氧 碳 氢 骨骼 肌肉 水 空气,不同介质的质量衰减系数,第一
10、章 普通X射线影像,X射线在人体组织内的衰减,高原子系数元素对X射线有较强的衰减 对于化合物常用有效原子系数 Z 表示,化合物的有效原子系数,Z （ ai Zi 2.94）1 / 2.94,式中 ai 第 i 种元素在单位体积中电子数占有率 Zi - 第 i 种元素的原子系数,第一章 普通X射线影像,连续能谱X射线的衰减规律,I = I1+ I2+ - - - - + In = I01e - 1 x + I02 e - 2 x + - - - - + I0n e - n x,连续能谱X射线可看成多个单能窄束X射线之和,X射线在人体组织内的衰减,第一章 普通X射线影像,当连续能谱X射线通过物质层
11、时 强度变小（量减少） 硬度变大（质提高）,X射线在人体组织内的衰减,1000,40,650,474,365,288 光子,57 keV,47,52,55,平均能量,水,水,水,水 (厚1cm),第一章 普通X射线影像,X射线在人体组织内的衰减,光子数,1000,800,600,400,水厚度（mm）,1,2,3,4,0,200,100kV 单能X射线,100kV 连续能谱X射线,第一章 普通X射线影像,X射线在人体组织内的衰减,决定衰减程度的因素,X射线的性质 吸收物质的性质,光子数,密度,能量,原子序数,每克电子数,第一章 普通X射线影像,X射线在人体组织内的衰减,人体的物质组成,骨骼 /
12、 软组织 / 管腔内气体,除直接透射部分外 主要为光电效应和康普顿散射,X射线与人体的相互作用,第一章 普通X射线影像,X射线透视与X射线摄影,X射线透视（X-ray fluoroscopy）,人体各器官组织密度和厚度存在差异 对投照其上的X射线衰减各不相同 因而各处的X射线透射情况也不相同 透射X射线打在荧屏上便获得荧光影像,第一章 普通X射线影像,X射线透视与X射线摄影,X射线摄影（roentgengram）,用胶片代替荧光屏 由于X射线的光化学作用使胶片感光 因各器官组织对X射线的衰减不同 胶片感光以后便形成黑白影像,第一章 普通X射线影像,X射线透视与X射线摄影,X射线影像增强管,可见
13、光,X射线,输入屏,光电阴极,聚焦电极,阳极,管压2530kV,输出屏,X射线透过人体投照在输入屏转换为荧光图像,光电子,荧光光子作用到光电阴极再转换为光电子影像,光电子经电场加速并聚焦后在输出屏上又转换成荧光图像,第一章 普通X射线影像,X射线透视与X射线摄影,普通 X线影像,影像亮度提高,增强 X线影像,数千倍,意义 间接摄影 / 电视观察 / 数字成像,第一章 普通X射线影像,特殊X射线摄影,软X射线摄影,软X射线在组织中的衰减 受组织密度影响较大 因此采用软X射线摄影 利于提高软组织影像对比度,软组织成像,基本原理,适用范围,第一章 普通X射线影像,特殊X射线摄影,高千伏X射线摄影,管
14、电压高于120kV 组织吸收以康普顿散射为主 不同组织的影像密度差减少 利于观察细小及含气结构,胸部摄影,基本原理,适用范围,第一章 普通X射线影像,特殊X射线摄影,体层摄影（tomography）,普通X射线摄影所得影像是不同体层影像的重叠 体层摄影突出地显现欲观察层面而模糊其他层面,A,B,第一章 普通X射线影像,特殊X射线摄影,X射线造影及造影剂,病灶,病灶,未使用造影剂 病灶影像模糊,使用造影剂后 病灶影像清晰,作用是提高关注物与周边环境的影像密度差异,第一章 普通X射线影像,X射线影像质量,评价医学影像质量的参数,对比度与对比度分辨力,模糊与细节可见度,噪声 伪影 畸变,图像内不同点的光密度差异,能分辨细节的最小对比度值,图像点线度的扩展,图像可分辨细节的最小极限,图像与观测物尺度的不对应,图像光密度随机出现的
