第一章 普通X射线成像(1).ppt
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第一章 普通X射线成像 (General/traditional X-ray Imaging )
第一节、X射线管的特性
(X射线管的结构、X射线的产生、X射线管的焦点及焦点的性能参量、X射线管的容量)
第二节、X射线辐射场的空间分布
(X射线的物理特征、X射线的强度、X射线的滤过和硬化、辐射场的角分布)
第三节、X射线在介质中的衰减
(作用概率与截面、主要作用形式、扩散衰减、吸收衰减的规律)
第四节、X射线在人体组织内的衰减
(混合物和化合物得质量衰减系数
、化合物的有效原子序数、连续能谱
X射线在物质中的衰减规律、X射线在
人体组织内的衰减)
X-Rays
第一节、X射线管的特性
* 1、X射线管的结构
* 2、X射线的产生
* 3、X射线管的焦点及焦点的性能参量
* 4、X射线管的容量
* 阴极。一般由发射电子的灯丝和聚焦电子的凹面阴极体组成。用低压电源对灯丝加热，引起热发射，提供足够数量的电子，且使电子聚焦后去撞击阳极。常用两种类型，圆焦点型和线焦点型。
* 阳极。功能是产生X射线, 按结构分有固定式和旋转式两种。 固定式阳极一般为镶嵌在铜制圆柱柱端斜面上的小钨块(靶), 仅适用于管电流小，曝光时间较长的便携式牙科和骨科用的X光机中。旋转阳极是将阳极和阳极体做成圆盘状，并用小电机带动旋转，这样阳极时刻都以"新的靶面"接受电子束的轰击，使产生的热量均匀分散到整个靶面上，避免了局部过热。
*特殊X射线管 ：
1)栅控X射线管：在阴极和阳极之间加上控制栅极，控制管电流的截至和导通，从而控制X射线的截至和导通。
? 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。
2)软X射线管：用于对乳房等软组织进行X射线摄影，以提高X射线影像的反差。软X射线的能量较低，管壁对X射线的吸收不容忽视；产生软X射线的管电压较低，20～50KV，造成了灯丝发射电子的困难。
软X射线管采用钼靶，发射率虽比钨靶低(0.57倍)，但具有一19.5KeV标识辐射的优点，此辐射经具有特征吸收特性的锆(Zr)的滤过层，可获得近于单色(0.07mm)的软X射线，从而可获得较为理想的摄影效果。
* X射线管的电特性：
* 1)管电压与管电流之间的关系：与饱和二极管类似，即管电流的大小主要决定于灯丝加热电流或灯丝电压。随着管电压的升高，管电流在一定范围内也增加。但是，随着管电压的增大，管电流升高到某一临界值时，就不再随管电压而变化，且保持一恒定值，即达到"电压饱和"。临界值的大小随灯丝加热电流的增加而增大。
* 2)灯丝电流与管电流之间的关系：当管电压一定，且低于某一较低的临界值时，管电流并不随灯丝电流的继续增加而升高。当加热电流低于某i0值时，灯丝还不能有足够的热电子发射，则管电流为零。当灯丝电流大于i0时，管电流开始缓慢增长，随着灯丝电流的不断升高，管电流的增大才显著起来，曲线也越陡。
1.1.2X射线的产生
* 在X射线管中，从阴极发射的热电子，经阴、阳两极间的电场加速后，电子的速度已非常高。此高速电子与靶物质相互作用，能量损失，速度骤减。这种相互作用十分复杂，一般情况下，电子在失去它的全部能量前要经受很多次同靶原子的碰撞，其能量损失分为碰撞损失 (collision loss)和辐射损失(radition loss)两种情况。碰撞损失只涉及高速电子与外层电子的作用，碰撞损失的能量将全部转化为热能。而辐射损失则涉及高速电子与内层电子和原子核的作用。通过辐射损失的能量，大部分是以X射线的形式辐射出去的，它不足电子总能量的1%。
The electrons are first emitted from a heated filament, by a process called thermionic emission.
They are then accelerated across the evacuated X-ray tube, under the action of a large voltage across the tube, the filament forming the negative cathode and the target being positive anode. On strikingthe target, the electrons lose most (about 99%) of their energy in low-energy collisions with target atoms, resulting in a substantial heating of the target.
The rest of the electron energy (usually less than 1%) reappears as X-ray radiation.
* A rapidly-rotating anode is generally used. Its bevelled edge forms the (tungsten) target surfaceon to which the electron beam is focused. The target area under bombardment is constantly changing, thus reducing local heat concentration. (You can often hear the whirring of the anode motor during the taking of an X-ray.
* Copper, being an excellent heat conductor, is used for the anode mountings.
* Oil, circulating in the outer housing,, assistswith convectivecooling (as well as providing electrical insulation).
* 1)连续谱的形状与靶的材料无关。
* 2)连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电压。
*3￡(c)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。
1.1.3X射线管的焦点及
焦点的性能参量
X射线管焦点性能参量
X射线管焦点的方位特性
焦点的X线量分布
* 1、X光子数目；
* 2、每个X光子的平均能量。
X射线的量就是X射线能量在某一时间内的积累，单位时间的X射线的量就是X射线的强度。
阶梯直槽的电位分布及电子轨迹
管球焦点对成像的影响
* 有效焦点大小的影响：有效焦点越小，得到的影像越清晰。当有效焦点为点光源时，胶片上的图像界线分明，图像边界的清晰度高；当有效焦点是面积为S，线度为AB的面光源时，胶片上图像边缘区域P由于线光源AB不能完全投照其上而出现半阴影，这种半阴影在X射线影像中称为半影，半影的出现影响着影像的清晰度，使影像的边缘模糊不清，严重时甚至造成影像无从辨认。
管球焦点对成像的影响
* 焦点面上X射线强度的分布不均匀产生的影响：若有效焦点的大小相同，但在焦点面上X射线强度的分布不均匀，那么所成影像的分辨率不同，也将使密度分辨率变差。焦点中央X射线强度越强，半影的影响越小，即高斯分布的X射线强度产生的X射线影像具有较高的分辨力。其次是矩形的均匀分布，又称矩形分布。分辨力最差的是双峰分布。
1.1.4X射线管的容量
* 大量速度极高的电子打在阳极靶上将产生很多热量，允许产热(或能承受热量)的最大负荷量，称为X射线管的容量。
* 影响容量的因素有：
* 实际焦点的大小
* 管电压的高低
* 管电流的大小
* X射线管连续使用时间
* 焦点上电子分布的情况
* 阳极的构造及冷却方式
第二节、X射线辐射场的空间分布
* 1、X射线的物理特征
* 2、X射线的强度
* 3、X射线的滤过和硬化
* 4、辐射场的角分布
影响连续X射线强度的因素
1.2.4辐射场的角分布
* 从阳极靶上发射的X射线在不同的方位角上，辐射强度不同。这种不均匀分布称为辐射强度空间分布或辐射场的角分布。它主要取决于入射电子的能量、靶物质及靶厚度等因素。
* 薄靶周围X射线强度的角分布
* 厚靶产生的X射线空间分布
薄靶周围X射线强度的角分布
厚靶产生的X射线空间分布
* 用于医疗诊断方面的X射线管，其阳极靶较厚。当高能电子轰击靶面时，不仅与靶面原子相互作用辐射X射线，而且还穿透到靶物质内部的一定深度，因此，除了靶表面辐射X射线外，在靶的深层，也能向外辐射X射线。如图1-21，越靠近OC方向，穿过靶的厚度越厚，靶本身对它的吸收也越多；越靠近OA方向，靶对它吸收越少。
第三节、X射线在介质中的衰减
* 1、作用概率与截面
* 2、主要作用形式
* 3、扩散衰减
* 4、吸收衰减的规律
1.3.1作用概率与截面
* 作用概率η：表示射线通过物质层时强度的相对减弱，也表示一个粒子与物质相互作用的概率。
I0为入射强度， I为出射强度，ΔI =I-I0，- ΔI/I0表示束流减弱的程度。
* 作用截面σ：一个入射粒子与一个靶粒子发生相互作用的概率。
N为靶物质的靶粒子密度(单位体积内的靶粒子数)，ΔX为靶物质的厚度。
射线强度与作用截面之间的关系
* 光电效应
在光电子出射方向上，光电子的数量与入射X射线的能量有关。
各种作用发生的相对几率
1.3.3扩散衰减
* 引起X射线在物质内传播过程中的强度减弱，包括扩散衰减(能量分散)和吸收衰减(与物质相互作用)两方面。
* 扩散衰减：若不考虑介质的吸收，在半径不同的球面上，X射线强度的减弱遵守反平方规律：
式中I1、I2分别表示半径为r1和r2的球面上X射线的强度。应注意此式只适用于点源的球面发射；故在一般的X射线影像中，改变X射线管焦点到胶片的距离来调节X射线的强度。
Attenuation Coefficient
Attenuation Coefficient
* Coefficient depends on the property of the material.
* Density (Bone has a high density compared to soft tissues)
* Chemical Make-up (Lead blocks x-rays; lead screening used to protect patient & technicians)
第四节、X射线在人体组织内的衰减
* 1、混合物和化合物得质量衰减系数
* 2、化合物的有效原子序数
* 3、连续能谱X射线在物质中的衰减规律
* 4、X射线在人体组织内的衰减
第一章 普通X射线成像 (General/traditional X-ray Imaging )
第一节、X射线管的特性
(X射线管的结构、X射线的产生、X射线管的焦点及焦点的性能参量、X射线管的容量)
第二节、X射线辐射场的空间分布
(X射线的物理特征、X射线的强度、X射线的滤过和硬化、辐射场的角分布)
第三节、X射线在介质中的衰减
(作用概率与截面、主要作用形式、扩散衰减、吸收衰减的规律)
第四节、X射线在人体组织内的衰减
(混合物和化合物得质量衰减系数
、化合物的有效原子序数、连续能谱
X射线在物质中的衰减规律、X射线在
人体组织内的衰减)
X-Rays
第一节、X射线管的特性
* 1、X射线管的结构
* 2、X射线的产生
* 3、X射线管的焦点及焦点的性能参量
* 4、X射线管的容量
* 阴极。一般由发射电子的灯丝和聚焦电子的凹面阴极体组成。用低压电源对灯丝加热，引起热发射，提供足够数量的电子，且使电子聚焦后去撞击阳极。常用两种类型，圆焦点型和线焦点型。
* 阳极。功能是产生X射线, 按结构分有固定式和旋转式两种。 固定式阳极一般为镶嵌在铜制圆柱柱端斜面上的小钨块(靶), 仅适用于管电流小，曝光时间较长的便携式牙科和骨科用的X光机中。旋转阳极是将阳极和阳极体做成圆盘状，并用小电机带动旋转，这样阳极时刻都以"新的靶面"接受电子束的轰击，使产生的热量均匀分散到整个靶面上，避免了局部过热。
*特殊X射线管 ：
1)栅控X射线管：在阴极和阳极之间加上控制栅极，控制管电流的截至和导通，从而控制X射线的截至和导通。
? 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。
2)软X射线管：用于对乳房等软组织进行X射线摄影，以提高X射线影像的反差。软X射线的能量较低，管壁对X射线的吸收不容忽视；产生软X射线的管电压较低，20～50KV，造成了灯丝发射电子的困难。
软X射线管采用钼靶，发射率虽比钨靶低(0.57倍)，但具有一19.5KeV标识辐射的优点，此辐射经具有特征吸收特性的锆(Zr)的滤过层，可获得近于单色(0.07mm)的软X射线，从而可获得较为理想的摄影效果。
* X射线管的电特性：
* 1)管电压与管电流之间的关系：与饱和二极管类似，即管电流的大小主要决定于灯丝加热电流或灯丝电压。随着管电压的升高，管电流在一定范围内也增加。但是，随着管电压的增大，管电流升高到某一临界值时，就不再随管电压而变化，且保持一恒定值，即达到"电压饱和"。临界值的大小随灯丝加热电流的增加而增大。
* 2)灯丝电流与管电流之间的关系：当管电压一定，且低于某一较低的临界值时，管电流并不随灯丝电流的继续增加而升高。当加热电流低于某i0值时，灯丝还不能有足够的热电子发射，则管电流为零。当灯丝电流大于i0时，管电流开始缓慢增长，随着灯丝电流的不断升高，管电流的增大才显著起来，曲线也越陡。
1.1.2X射线的产生
* 在X射线管中，从阴极发射的热电子，经阴、阳两极间的电场加速后，电子的速度已非常高。此高速电子与靶物质相互作用，能量损失，速度骤减。这种相互作用十分复杂，一般情况下，电子在失去它的全部能量前要经受很多次同靶原子的碰撞，其能量损失分为碰撞损失 (collision loss)和辐射损失(radition loss)两种情况。碰撞损失只涉及高速电子与外层电子的作用，碰撞损失的能量将全部转化为热能。而辐射损失则涉及高速电子与内层电子和原子核的作用。通过辐射损失的能量，大部分是以X射线的形式辐射出去的，它不足电子总能量的1%。
The electrons are first emitted from a heated filament, by a process called thermionic emission.
They are then accelerated across the evacuated X-ray tube, under the action of a large voltage across the tube, the filament forming the negative cathode and the target being positive anode. On strikingthe target, the electrons lose most (about 99%) of their energy in low-energy collisions with target atoms, resulting in a substantial heating of the target.
The rest of the electron energy (usually less than 1%) reappears as X-ray radiation.
* A rapidly-rotating anode is generally used. Its bevelled edge forms the (tungsten) target surfaceon to which the electron beam is focused. The target area under bombardment is constantly changing, thus reducing local heat concentration. (You can often hear the whirring of the anode motor during the taking of an X-ray.
* Copper, being an excellent heat conductor, is used for the anode mountings.
* Oil, circulating in the outer housing,, assistswith convectivecooling (as well as providing electrical insulation).
* 1)连续谱的形状与靶的材料无关。
* 2)连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电压。
*3￡(c)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。
1.1.3X射线管的焦点及
焦点的性能参量
X射线管焦点性能参量
X射线管焦点的方位特性
焦点的X线量分布
* 1、X光子数目；
* 2、每个X光子的平均能量。
X射线的量就是X射线能量在某一时间内的积累，单位时间的X射线的量就是X射线的强度。
阶梯直槽的电位分布及电子轨迹
管球焦点对成像的影响
* 有效焦点大小的影响：有效焦点越小，得到的影像越清晰。当有效焦点为点光源时，胶片上的图像界线分明，图像边界的清晰度高；当有效焦点是面积为S，线度为AB的面光源时，胶片上图像边缘区域P由于线光源AB不能完全投照其上而出现半阴影，这种半阴影在X射线影像中称为半影，半影的出现影响着影像的清晰度，使影像的边缘模糊不清，严重时甚至造成影像无从辨认。
管球焦点对成像的影响
* 焦点面上X射线强度的分布不均匀产生的影响：若有效焦点的大小相同，但在焦点面上X射线强度的分布不均匀，那么所成影像的分辨率不同，也将使密度分辨率变差。焦点中央X射线强度越强，半影的影响越小，即高斯分布的X射线强度产生的X射线影像具有较高的分辨力。其次是矩形的均匀分布，又称矩形分布。分辨力最差的是双峰分布。
1.1.4X射线管的容量
* 大量速度极高的电子打在阳极靶上将产生很多热量，允许产热(或能承受热量)的最大负荷量，称为X射线管的容量。
* 影响容量的因素有：
* 实际焦点的大小
* 管电压的高低
* 管电流的大小
* X射线管连续使用时间
* 焦点上电子分布的情况
* 阳极的构造及冷却方式
第二节、X射线辐射场的空间分布
* 1、X射线的物理特征
* 2、X射线的强度
* 3、X射线的滤过和硬化
* 4、辐射场的角分布
影响连续X射线强度的因素
1.2.4辐射场的角分布
* 从阳极靶上发射的X射线在不同的方位角上，辐射强度不同。这种不均匀分布称为辐射强度空间分布或辐射场的角分布。它主要取决于入射电子的能量、靶物质及靶厚度等因素。
* 薄靶周围X射线强度的角分布
* 厚靶产生的X射线空间分布
薄靶周围X射线强度的角分布
厚靶产生的X射线空间分布
* 用于医疗诊断方面的X射线管，其阳极靶较厚。当高能电子轰击靶面时，不仅与靶面原子相互作用辐射X射线，而且还穿透到靶物质内部的一定深度，因此，除了靶表面辐射X射线外，在靶的深层，也能向外辐射X射线。如图1-21，越靠近OC方向，穿过靶的厚度越厚，靶本身对它的吸收也越多；越靠近OA方向，靶对它吸收越少。
第三节、X射线在介质中的衰减
* 1、作用概率与截面
* 2、主要作用形式
* 3、扩散衰减
* 4、吸收衰减的规律
1.3.1作用概率与截面
* 作用概率η：表示射线通过物质层时强度的相对减弱，也表示一个粒子与物质相互作用的概率。
I0为入射强度， I为出射强度，ΔI =I-I0，- ΔI/I0表示束流减弱的程度。
* 作用截面σ：一个入射粒子与一个靶粒子发生相互作用的概率。
N为靶物质的靶粒子密度(单位体积内的靶粒子数)，ΔX为靶物质的厚度。
射线强度与作用截面之间的关系
* 光电效应
在光电子出射方向上，光电子的数量与入射X射线的能量有关。
各种作用发生的相对几率
1.3.3扩散衰减
* 引起X射线在物质内传播过程中的强度减弱，包括扩散衰减(能量分散)和吸收衰减(与物质相互作用)两方面。
* 扩散衰减：若不考虑介质的吸收，在半径不同的球面上，X射线强度的减弱遵守反平方规律：
式中I1、I2分别表示半径为r1和r2的球面上X射线的强度。应注意此式只适用于点源的球面发射；故在一般的X射线影像中，改变X射线管焦点到胶片的距离来调节X射线的强度。
Attenuation Coefficient
Attenuation Coefficient
* Coefficient depends on the property of the material.
* Density (Bone has a high density compared to soft tissues)
* Chemical Make-up (Lead blocks x-rays; lead screening used to protect patient & technicians)
第四节、X射线在人体组织内的衰减
* 1、混合物和化合物得质量衰减系数
* 2、化合物的有效原子序数
* 3、连续能谱X射线在物质中的衰减规律
* 4、X射线在人体组织内的衰减