第二章 投影X线成像系统A

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1、第二章,投影X射线成像系统,Projection X-ray Imaging System,2.1 概述,1）气体X线管、感应圈时期（18951913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4050kV，管电流仅有1mA，拍摄一张手骨照片用30min1h。 2）热电子X线管、变压器高压发生器时期（19131930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（19301960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

2、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 有电视信号处理系统- 有透视功能 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、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,2.2 X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),Wilhelm Conrad Roentgen,1895年发现X线.为此，伦琴获1901年诺贝尔物理学奖。,2) X射线产生的必要条件 有电源; 必须有高压电场及真空条件下的电子流; 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 连续X射线：高速运动电子与靶原子核作用。 特征X射线：原子核外电子的跃迁。 连续辐射/韧致

4、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h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,9,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 max ：X射线的频率 min ：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

5、种能量的辐 射称为特征辐射。,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:31016- 31020Hz,波长:0.01-100A,医学用波长： 0.01-1A 诊断用： 0.01-1A 治疗用： 0.01-0.1A,X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

6、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=h，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

7、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

8、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

9、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

10、、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,. 光电效应(photo electric effect) 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,光电效应的产物：光电子、正离子、荧光放射,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。,.Compton效应(Compton scattering),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

11、种改变波长和方向的散射称为康普顿散射。,康普顿散射是X射线在生物组织内衰减的主要原因。,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,3. X射线在介质中的衰减规律,（1）线性衰减系数,I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； 为该物质的吸收系数（不同物质的值不同，由物质的物理特性决定）； X为该物质的厚度；,32,入射强度 ，出射强度 厚度为,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；

12、 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

13、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。,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

14、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

15、,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1721减小到914。 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 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。,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； 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。 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线管的连续负载特性,