第一章 非数字化X线摄影设备
第一节 x线摄影理论基础
?射线的波粒二象性
放射线分为电磁辐射和粒子辐射,由于两者在通过物质时均能引起电离作用,所以也
可统称为电离辐射?在临床放射诊断与治疗中常用的射线如X线或1,线都属于电磁辐射,
在真空中以光速传播,也和自然光一样同样具有粒子性和波动性的特点?X线与v线性质
相似,1,线是放射性物质如60钴原子核由不稳定状态转化为稳定状态时产生的;X线
则是由加速到很高速的电子冲击靶所产生的?电磁辐射不能直接使物质电离,本身不带电,
它要通过与物质作用使其原子核释放出次级带电粒子后再使物质电离?光子具有的能量
与振动的频率成正比,即
E:h~c
九
式中,A为波长;h为普朗克常数;c为光速?
射线与物质的相互作用
一光电效应
光子与原子的内层电子相互作用图1-1-1,是具能量为E的光子作用于原子的内层
电子后,把内层轨道卜的X线轰击出来形成光电子,而外层轨道卜的电子市即填补内层电
子空位产生特征辐射标识X线或俄歇电子Auger电子,这一过程被称为光电效应
光电吸收?爱因斯坦认为在光电效应中一个电子只能吸收一个光子?俄歇电子是当外层
电子填补内层轨道空穴时,多余的能董给了更外层轨道电子,使后者脱离原子谓之俄歇电
子?光电效应中,光子的全部能量用于光电子的产生和它的动能上?光电吸收与射线能量
歇电子
P光电子
图1-1-1光电效应的产生过程E?被照物质原子系数Z关系密切,光电吸收过程与1E3成正比,而与Z3成正比?当光子能量刚好击脱轨道上的电子时发生光电吸收的概率最大,当入射光子能量很大时光电效应基本不发生?光子在继续运动中把能量传递给介子产生次级电离?
二康普顿效应
康普顿效应又称康普顿-吴有训效应图1-1-2?光子与外层电子发生作用发生两种情况?其中一种称为相干散射,是作用于结合能较大的电子仅引起电子的振动,光子只发生运动方向改变而不损失能量波长不变,好比一只小球碰撞到一个很大的球?另一种情况是康普顿效应,λ散射光子作用于外层电子后损失能量运动改变方向的同时波长变长?频率变小而自身成为散射光子康普顿光子,与此同时核外电子被击脱成为反冲电子?
康普顿效应由于是光子与外层电子的相互作用,所以与原子系数无关,即骨与软组织或其他脏器在康普顿过程中吸收的射线能量基本相同?康普顿效应时吸收系数随能量增加而减少?光子的能量和频率密切相关的,E=hν,因入射光子的能量E大于散射光子的能量E′,,因此νν′?用一束X线照射石墨,其散射出X线波长大于入射线,这也是康普顿效应的经典实验?
三电子对效应电子对吸收
电子对效应发生于光子与原子核的相互作用图1-1-3?当入射光子的能量大于1.02MeV时,光子在接近原子核时受原子核的强烈影响而突然消失而转变成一对正负电子,其能量关系为
E入射光子=1.02MeV+ε+正电子动能+ε?负电子动能
正负电子再与原子作用时激发和电离原子,损失能量?运动减慢的正电子最后与原子中自由电子相结合,形成能各具有0.51MeV能量?方向相反的两个光子,称为电子对湮没?电子对效应的临界能量是1.02MeV,光子超过此能量后,此效应随能量增加而增加,其质量吸收系数与原子系数Z成正比?
四光致分解效应h入射光子◆8负电子0
0.51MeV光亍
吣№咣子◆批子
图1-1-3 电子对效应的广:生过程
五不同吸收效应的相对重要性
上述各种光子吸收效应的产生依赖于射线能量和吸收介质的原子系数?表1-1-1中列
出了组织内各种不同能量的光子吸收方式?低能射线有很强的光电效应,高能射线
2MeV几乎全部为康普顿效应?当能量大于50MeV以上时,电子对吸收为主要形式?
以骨和肌肉组织做比较,肌肉的组织成分是H和O,和水的成分差不多,它们的吸收本领
大致如下:l4x2+84=4098;骨的组织成分主要是Ca3P043,其吸收本领为
204x3+154x2+84x8=614000;两者吸收本领的比值是骨肌肉=614004098=150倍?因此,透
视检查时骨头在荧光屏上显示为黑影,与肌肉有明显差别?提倡的是,因为X线能谱为连
续谱,与X线管电压相当的X线能量称为峰值能量?通常X线加速器等治疗机上所标的
峰值能量转换X线平均能量要乘以14~13?
表1-1-1 组织内各种不同能量的光子吸收方式
光子能量 吸收方式
50 keV以下 主要是光电吸收
60~90 keV 光电吸收‘j康普顿吸收同等重要
200 keV~2 MeV 主要是糜普顿吸收
5—10 MeV 电子对吸收变得明冠
50~100 MeV 主要是电子对吸收
三?X线的主要特性
x线的波动频率大约为可见光的103倍,其波长介于紫外线与v线之间范围为0.01~
iooA?与可见光相比,X线波长更短?具有更大的光子能量?穿透力更强?X线的波动性表
现在具有干涉?衍射?折射?反射等物理现象,我们通常以幅度?频率?相位等参数来捕述X
线?X线的粒子性可理解为无数个具有能量的光子,X线的许多特性都与X线的粒子性相关?
医用X线波长范围为o.oi~iA,其中医学诊断用X线波长范围为o.i~iA钨靶X线波长在
0.2A左右,钼靶X线波长在0.7A左右,放射治疗所用X线的波长范围为o.oi~o.1A?
X线的主要特性如下? 一穿透性
X线波长很短,具有很强的穿透力,并在穿透过程中受到一定程度的吸收即衰减?X
线穿透性是其成像的基础?X线摄影检查中,球管电压越高,所产生X线的波长越短,穿
透力也越强;反之,电压低所产生的X线穿透力也弱?另外,X线的穿透力还与被照体的
密度和厚度相关?
二荧光效应
X线能激发荧光物质如硫化锌镉及钨酸钙等,使波长短的X线转换成波长较长?
肉眼可见的荧光?荧光效应是X线透视检查的基础?
三感光效应
X线照射涂有溴化银的胶片,可以使胶片中的溴化银颗粒感光而产生潜影?感光的溴化
银中的银离子Ag+经显?定影处理被还原成金属银 Ag沉淀于胶片胶膜内,而未感光
的溴化银颗粒在定影及冲洗过程中被从胶片上洗掉?感光效应是X线摄影的成像基础?
四电离效应
X线通过任何物质都可产生电离效应?空气的电离程度与空气所吸收X线的量成正比,
通过测量空气电离的程度可计算出X线的量?X线进入人体产生电离作用,使人体产生生
物学方面的改变即生物效应,是放射防护学和放射治疗学的基础?
第二节 X线机的结构与性能指标
一?X线机基本结构
X线机通常南主机系统和辅助设备两部分构成?主机包括X线管?X线发生器和控制
装置等组成;辅助设备包括机械设备,即诊视床?摄影床?天地轨?悬吊等;影像处理系
统,影像增强器,电视系统,探测器,电影摄影机等?X线机系统jI:作流程如图1-2—1?
0列
高压发生器
图1-2-1 x线机系统工作流程图 一X线发生装置
X线发生装置包括高压发生器及球管?X线球管为高度真空二极管系统,其作用是将
电能转化为X线?高压发生装置主要功用是产生高电压并为X线提供高压电能,由高压
变压器?灯丝变压器X线整流器等构成?
1.高压发生器高压发生器按其T作频率有T频?中频?高频变压器,按电路有单相?
三相?可控硅?直流逆变等多种方式,按其功率有小功率?中功率和大功率之分,目前高
频直流逆变高压发生器已成为主流技术?在直流逆变电路方式的高频高压发生装置中,交
流电经过整流?平滑后变为直流,再经过逆变后变为中频或高频电压,经变压升压?
整流及滤波过程,输出近似于直流的?脉动率低的稳定电源供X线管使用?l:频高压发生
器因其射线中的无效成分过大已基本被禁用;可控硅电路方式可靠性差?频率难以提高而
逐步被淘汰放弃?
2.X线管X线管负责将电流转变为X线的装置,主要分固定阳极管?旋转阳极管?
栅X线软管?金属陶瓷旋转阳极管等类型?对X线管的控制包括高压?灯丝加热电流?
阳极启动控制?X线管发出的X线频谱不同频率上的功率分布与X线管的电压相
关,电压高则其高频成分多?穿透性更强,因此对于体胖受检者往往需要更高的管电
压?X线量与萁阴极灯丝温度相关,后者由灯丝电压决定?X线管球的规格包括耐压?
热容量?阳极旋转速度?焦点?预期寿命等?使用中所选择的规格需与临床用X线机
型相匹配?
二探测装置
射线探测装置的功能是把接收到的X线转换成电流或电压,并最终转换成影像?在
非数宁化的传统X线机上实现X线最终转换为图像的装置是X线胶片或荧光屏?
三辅助系统
不同临床用途的X线机辅助装置差异较大,但基本辅助装置有机械结构部件和摄影及
图像处理系统,其作用是确保X线能准确对准被测部位,并把X线转化为电信号进行接
收与处理,最终形成图像供临床医生诊断疾病?
辅助系统包括自动曝光探测系统?射线准直器和滤线器?计算机控制和显示系统?机
械系统等?自动曝光探测系统通过检测器计算X线剂量在达到设定值后切断高压,完成自
动曝光控制?射线准直器和滤线器用于去除成像过程中可降低成像质量的斜射线和二次激
发的杂散X线?计算机控制系统用于实现对整个系统的控制和信息处理?机械系统主要用
于承载病人和支撑结构等?
二?X线机的性能指标
一空间分辨率
空间分辨率指图像空间范围内的解像力或解像度,以能够分辨清楚图像中黑白相
间线条的能力来表示?一对黑白相间的线条称之为一个绂对,分辨率的线性表达单位是线
对毫米 LPmm,图像空间分辨率越高表示单位宽度范围内能够分辨清楚线对数越多?理论上讲,空间分辨率的提高不是无限的,与探测器对X线光子的检测灵敏度?动态范围?
信噪比等有密切关系?在临床X线摄影成像过程中,影响分辨率的因素有很多,例如X
线焦点?患者运动?曝光时间?探测器感光灵敏度?像素大小?计算机图像处理?显示器
性能等?系统中的每一个子系统发生变化都会影响整个系统的分辨率“木桶效应”?
二X线影像噪声
图像噪声由成像系统自身的本征噪声和X线量子噪声构成?系统本征噪声与探测器温
度有关;评价照射剂量和影像噪声最好的指标是探测器DQE,即探测器输出影像的信噪比
与输入影像信噪比的比值,该数值越大表示影像信噪比损失越小?DQE与探测器的感光材
料?结构和工艺有关,也与像素大小密切关联?图像噪声与每个像素单元接收的有效光子
数成反比,增大像素尺寸会降低图像噪声?提高检测灵敏度和DQE?但是,在探测器面积
一定的条件下为了增加空间分辨率又需要减小像素尺寸?增加像素密度,使像素的感光性
能越低?信噪比降低?动态范围变窄?因此,减小像素尺寸的方法不可能无限制地增大图
像分辨率,过度减小像素尺寸相反会导致噪声增加而引起图像质量的恶化?
三影像动态范围和对比分辨率
动态范围是衡量探测器性能昀一个关键指标,是指探测器能够线性探测出X线入射剂
量变化时的最高剂量与最低剂量之比?例如,DR探测器能线性探测出的剂量变化最低值
是lUGy,低于lUGy剂量时其输出都是0;能探测的最高值是lOmGy?那么,两输入剂量
高低之比lliGy:lOmGy=l:10000,为该探测器的动态范围?
四低密度分辨率
低密度分辨率是指相似密度的微小灰度差别的分辨能力,例如对肺组织内小结节或盘
状病灶的微小差别的分辨能力,低密度分辨率主要受噪声的影响?
五显示器的动态范围
需要明确的是,目前我们所用的图像显示设备的动态范围要远小于DR探测器能够记
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