《医学影像物理学》1-9章课后习题答案

第一章 X射线物理

1-1 产生X射线需要哪些条件？

答：这个题目实际上把高速电子轰击靶产生X射线这一事实在条件上予以明确。首先要有产生电子的阴极和被轰击的阳极靶，电子加速的环境条件即在阴极和阳极间建立电位差，为防止阴极和阳极氧化以及电子与中性分子碰撞的数量损失，要制造压强小于Pa1-2 影响X射线管有效焦点大小的因素有哪些？

答：影响有效焦点大小的因素有：灯丝大小、管电压和管电流、靶倾角。

1-3 在X射线管中，若电子到达阳极靶面的速度为1.5?10ms-1，求连续X射线谱的最短波长和相应的最大光子能量。

答：此题的思路是由动能公式

8?4的真空环境，为此要有一个耐压、密封的管壳。

1mv2求出电子的最大动能，此能量也是最大的光子能量，从而求出28最短波长。但当速度可与光速c=3?10ms-1相比较时，必须考虑相对论效应，我们可以用下面公式求出运动中电子的质量

me?m01?v2/c2?9.11?10?311?(1/2)2?1.052?10?30kg

h?max?11mev2??1.052?10?30?(1.5?108)2?1.18?10?14J?73.8keV 22

?min?hch?max?0.0169nm

此题的结果告诉我们，管电压为73.8KV。反过来，如果知道管电压，求电子到达阳极靶表面的电子速度时，同样需要考虑相对论效应。

1-4 下面有关连续X射线的解释，哪些是正确的？

A．连续X射线是高速电子与靶物质轨道电子相互作用的结果； B．连续X射线是高速电子与靶物质的原子核电场相互作用的结果； C．连续X射线的最大能量决定于管电压；

D．连续X射线的最大能量决定于靶物质的原子序数； E．连续X射线的质与管电流无关。 正确答案：B、C、E

1-5 下面有关标识X射线的解释，哪些是正确的？

A．标识X射线是高速电子与靶物质轨道电子相互作用的结果； B．标识X射线的质与高速电子的能量有关； C．标识X射线的波长由跃迁电子的能级差决定； D．滤过使标识X射线变硬；

E．靶物质原子序数越高，标识X射线的能量就越大。 正确答案：A、C、E

1-6 影响X射线能谱的因素有哪些？

答：电子轰击阳极靶产生的X射线能谱的形状（归一化后）主要由管电压、靶倾角和固有滤过决定。当然，通过附加滤过也可改变X射线能谱的形状。

1-7 影响X射线强度的因素有哪些？

答：X射线在空间某一点的强度是指单位时间内通过垂直于X射线传播方向上的单位面积上的光子数量与能量乘积的总和。可见，X射线强度是由光子数目和光子能量两个因素决定的。影响X射线强度（量与质）的因素很多，主要有：增加毫安秒，X射线的质不变、量增加，X射线强度增加；增加管电压，X射线的质和量均增加，X射线强度增加；提高靶物质原子序数，X射线的质和量均增加，X射线强度增加；增加滤过，X射线的质增加、但X射线的量减少，X射线强度减少；增加离X射线源的距离，X射线的质不变，X射线的量减少，X射线强度减少；管电压的脉动，X射线的质和量均减少，X射线强度减少。 1-8 原子放出X射线前是静止的，为了保持活动不变，当它发射X射线时，原子经历反冲。设原子的质量是M，X射线的能量为h?，试计算原子的反冲动能。

答：此题的关键在于利用X射线的动量和能量的关系：根据动量守恒，可知：Mvp?h?c。

?p?h?c

1(h?)22这样，原子的反冲动能Mv?22Mc2

1-9 X射线摄影中，光电效应和康普顿效应对影像质量和患者防护各有何利弊？

答：诊断放射学中的光电效应，可从利弊两个方面进行评价。有利的方面，能产生质量好的影像，其原因是：①不产生散射线，大大减少了照片的灰雾；②可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别，产生高对比度的X射线照片，对提高诊断的准确性有好处。钼靶乳腺X射线摄影，就是利用低能X射线在软组织中因光电吸收的明显差别产生高对比度照片的。有害的方面是，入射X射线通过光电效应可全部被人体吸收，增加了受检者的剂量。从全面质量管理观点讲，应尽量减少每次X射线检查的剂量。

康普顿效应中产生的散射线是辐射防护中必须引起注意的问题。在X射线诊断中，从受检者身上产生的散射线其能量与原射线相差很少，并且散射线比较对称地分布在整个空间，这个事实必须引起医生和技术人员的重视，并采取相应的防护措施。另外，散射线增加了照片的灰雾，降低了影像的对比度，但与光电效应相比受检者的剂量较低。

1-10 0.5cm的铝将单能X射线强度衰减到46.7%, 试求该光子束的HVL。

答：此题是衰减规律的简单应用。 根据衰减规律I?I0e??x，可知：46.7%I0?I0e?0.5?，从而求得线性衰减系数??1.523cm-1

?0.693，得：

再根据半价层HVL与线性衰减系数?的关系：HVL?? HVL=0.455cmAl

1-11 质量衰减系数、质能转移系数和质能吸收系数三者间的区别和联系怎样？

答：X射线光子与吸收物质发生相互作用时，一般情况下，光子的一部分能量以散射辐射的方式从吸收体中辐射掉，另一部分转化为高速电子或正电子的动能。

质量衰减系数

??表示入射X射线与物质相互作用的总概率，它包括所有可能发生的相互作用的概率

之和。质能转移系数

?tr?表示相互作用过程中光子能量转移给带电粒子的那部分份额的总和。不过，由于

光核反应及其它一些过程的发生概率很小，因而带电粒子的能量主要来自光电效应、康普顿效应和电子对

效应三个主要过程。传递给带电粒子的能量，其中又有一部分转移成韧致辐射。质能吸收系数

?en?表示扣

除韧致辐射后，光子交给带电粒子的能量用于造成电离、激发，从而真正被物质吸收的那部分能量所占的份额。

在数量上它们之间的关系为：

?tr?Etr????h?，

?en?Een?en?， ???(1?g)tr????h?

1-12 已知入射光子的能量为hν, 散射角为?,试求散射光子的能量。并分析低能入射和高能入射光子在90?方向上光子散射的情况。电子的静止能量为mec。

答：由能量守恒和动量守恒，可得，散射光子能量h??为：

2h???h?

1??(1?cos?)

?为入射光子能量hν和电子的静止能量m0c2的比值，mec2=0.511MeV。

当??900时，h???h?1??0。由于(1??)??，故h???h??=0.511MeV，这说明，不管入射

X射线光子的能量有多高，90散射光子的能量最大不超过0.511MeV。 1-13 X射线在物质中的衰减规律I答：I?I0e??x的适用条件是什么？

?I0e??x的适用条件是：单能、窄束、均匀物质。

1-14 若空气中各组分的质量百分比为氮75%，氧23.2%，氩1.3%，试计算在能量为20keV光子作用下，空气的质量衰减系数。已知氮、氧、氩的质量衰减系数分别为0.36、0.587、和8.31(m2?kg?1)。

答：根据混合物或化合物的质量衰减系数公式：

????()iPi来计算。 ??i空气的质量衰减系数为：

?????()NPN?()OPO?()ArPAr ???? =0.36×0.75+0.587×0.232+8.31×0.013 =0.514(m2/kg)

第二章 X射线影像

2-1 X射线信息影像形成的阶段是

A．X射线透过被照体之后 B.X射线照片冲洗之后 C．X射线到达被照体之前 D.在大脑判断之后

答：X射线到达被照体之前，不具有物体信息。X射线透射出被照体时，由于被照体对X射线的吸收衰减，使透射出的X射线强度产生不均匀分布，由此形成X射线信息影像。

正确答案：A 2-2 X射线照片图像形成过程中，起作用的是

A. X射线的穿透作用 B. X射线的荧光作用 C. 被照体对X射线吸收衰减的差异 D. X射线的光化学作用

答：由于X射线具有穿透作用，且不同的物体（组织）对X射线的吸收衰减不同，使透射出物体（组织）的X射线强度分布不均匀，携带了物体（组织）的信息，当其投照到胶片上后，X射线的光化学作用使胶片形成潜影。但因X射线的光化学作用使胶片形成潜影的效率较低，利用X射线荧光作用的增感屏得到广泛使用。在增感屏/胶片系统中，胶片潜影的形成，来自X射线光化学作用的贡献不足10%，其余为X射线的荧光作用使增感屏发出的荧光的贡献。

正确答案：A、B、C、D 2-3 关于X射线照片图像的形成，正确的说法是

A．X射线透过被照体之后的透射线和散射线，照射到胶片上形成照片图像 B．X射线照片图像是X射线被被照体吸收与散射后形成的 C．X射线照片图像是利用了X射线的直进性 D．X射线胶片接受到的散射线不形成图像

答：由于被照体对X射线的吸收衰减，使透射出的X射线强度产生不均匀分布，由此形成X射线信息影像，散射线对透射过被照体的X射线的强度分布规律没有影响，因此，散射线不形成影像，只能给照片带来灰雾。

正确答案：B、C、D 2-4 关于密度的定义，正确的说法是

A. 密度为胶片乳剂膜在光的作用下致黑的程度

B. 密度是由胶片乳剂曝光后，经冲洗还原出来的银颗粒沉积而形成的 C. 银颗粒沉积越多的地方，照片越黑，密度越高；反之亦然

D. 密度值用照片阻光率的常用对数表示

答：胶片感光层是感光灵敏的乳胶体薄层，在乳胶体中均匀地分布着卤化银微颗粒。X射线照射过的胶片，经过显影、定影后，胶片感光层中的卤化银被还原成金属银残留在胶片上，形成由金属银颗粒组成的黑色影像。胶片变黑的程度称为照片光密度（D）

D?lgI0I

式中I0是投照在胶片上曝光点的光强，I是曝光点的透射光强。

I0I越大，表示该曝光点吸收光的能力越大

I0（阻光能力强），I也被称为阻光率，胶片经冲洗还原出来的银颗粒沉积越多，照片越黑，光密度越大（高）。

正确答案：A、B、C、D

2-5 均匀X射线透过被照体之后，形成的X射线强度分布变化，称为

A．客观对比度 B．主观对比度 C．图像对比度 D．X射线对比度

答：强度均匀的X射线投照到人体，由于人体存在客观对比度（人体各种组织、器官间天然存在的密

度、原子序数及厚度的差异），对X射线衰减不同，使透射出人体的X射线强度分布发生了变化，这种X线强度的差异，称为X射线对比度（不可见的X射线信息影像），这是一种主观对比度。

X射线照片上相邻组织影像的光学密度差，称为图像（影像）对比度。图像对比度依赖于被照体不同组织吸收所产生的X射线对比度，以及胶片对X射线对比度的放大结果。

正确答案： B、D 2-6 关于图像对比度，正确的说法是

A．为提高乳腺组织各层次的对比，应选用软X射线

B．骨骼图像所以有很高的图像对比度，是因为组成骨骼元素的原子序数高 C．离体的肺组织图像，应具有很高的图像对比度 D．消化道必须通过对比剂，才能形成良好的图像对比度

E．高千伏摄影的照片，图像对比度均偏低

答：脂肪与软组织之间的物质密度差别不大，只有应用软X射线才能使它们显出光密度稍有不同的影

像。

组成骨骼元素的原子序数高、物质密度大，吸收X射线多，因此有很高的图像对比度。

具有生命力的肺与离体肺，虽然在组织结构上是相同的，但具有活力的肺组织内充满了空气。气体与血液、肌肉相比，X射线的吸收率为千分之一，反映在照片上就形成了高对比度的影像。

考虑到离体肺组织内空气的流失，因而不可能形成良好对比的影像。

消化道内虽含有气体、液体等，但在普通平片上得不到满意的显影，只能显出其外形，不能显示其内腔，所以必须通过对比剂，才能形成良好的图像对比度。

高千伏摄影时，由于X射线能量较大，光电吸收减少，所以照片的图像对比度均偏低 正确答案：A、B、D、E

2-7 客观对比度、图像对比度与成像系统的对比度分辨力三者之间存在怎样的关系？

答：客观对比度也称物理对比度，为物体各部分（被检者的组织器官）的密度、原子序数及厚度的差异程度。客观对比度的存在是医学成像最根本的物理基础。

图像对比度是可见图像中灰度、光密度或颜色的差异程度，是图像的最基本特征。

一个物体要形成可见的图像对比度，它与周围背景之间要存在一定的客观对比度，当某种物理因子作用物体后，能够形成一定的主观对比度，被成像系统的探测器检测出。如果客观对比度较小，成像系统的对比度分辨力低，则所得的图像对比度小，图像质量差，所以图像对比度的形成取决于客观对比度、主观对比度与成像系统的对比度分辨力。 2-8 可通过哪些方法形成主观对比度？

答：广义上讲主观对比度是某种物理因子（如X射线、超声波、射频电磁波、放射性核素等）与物体（人体）相互作用后所表现出的特征变化，或物体（人体）自身某种物理因子表现出的特征（如温度的分布），形成了某种物理因子对比度。当强度均匀的X射线投照到人体，由于人体存在客观对比度（人体各种组织、器官的密度、原子序数及厚度的差异），对X射线衰减不同，使透射出人体的X射线的强度分布发生了变化，形成X射线对比度。由于声遇到声阻抗不同的界面时，会产生反射，且在声阻抗差别越大的界面，声的反射越强，当强度均匀的超声波投照到人体，由于人体组织声阻抗的差别，不同的界面对超声波的反射不同，从而形成反映组织差异的超声对比度；利用多普勒效应，探测投射到流动血液上超声波频率的变化，则可形成另外一种超声对比度反映血流情况。人体不同的部位、组织温度有所不同，其红外辐射可形成红外对比度。引入体内的放射性核素会因参与体内物质的输运、集聚、代谢，而在空间有特定的分布，由此其衰变时发出的射线（如γ射线）便会形成放射性活度对比度。人体中能够产生核磁共振的自旋核（如1H）分布及所处的状态不同，当用静磁场、射频场激励这些自旋核，使其发生核磁共振时，它们所产生的核磁共振信号特性便会有所不同，从而形成核磁共振信号对比度。人体不同组织的电特性不同，给人体施加特定的电场，可形成电流对比度、电压对比度和阻抗对比度等。 2-9 图像的模糊度与哪些因素有关？

答：理想情况下，物体内每一个小物点的像应为一个边缘清晰的小点。但实际上，每个小物点的像均有不同程度的扩展，变得模糊（失锐）了。通常用小物点的模糊图像的线度表示物点图像的模糊程度，称为模糊度。

图像的模糊度与成像系统的空间分辨力有很大关系。成像系统的空间分辨力是成像系统区分或分开相互靠近的物体的能力，以单位距离（毫米或厘米）内可分辨线对（一个白线条与一个黑线条组成一个线对）的数目来表示，单位为LP/mm（或LP/cm），显然单位距离内可分辨的线对数越多，成像系统的空间分辨力越高，所得图像的模糊度越小。由于成像系统的对比度分辨力对成像系统的空间分辨力的有影响，所以也会对图像的模糊度产生影响。

2-10 图像对比度、细节可见度、噪声三者之间有怎样的关系？

答：细节可见度与图像对比度有关。图像对比度高，细节可见度高；图像对比度低，细节可见度低。 细节可见度减小的程度与细节结构的大小及图像的模糊度、图像对比度有关，当模糊度较低时，对于较大的物体，其图像对比度的减小，不会影响到细节可见度；如果物体较小，但其线度比模糊度大，则图像对比度的减小一般不会影响可见度；而当细节的线度接近或小于模糊度时，图像对比度的降低，会对细节可见度产生明显的影响。

噪声对图像中可见与不可见结构间的边界有影响。图像噪声增大，就如同一幅原本清晰的画面被蒙上了一层雾，降低了图像对比度，并减小细节可见度。在大多数医学成像系统中，噪声对低对比度结构的影响最明显，因为它们已接近结构可见度的阈值。图像对比度增大会增加噪声的可见度。 2-11 作为被照体本身，有哪些因素影响图像对比度

A．原子序数 B．形状 C．密度 D．厚度

答：原子序数越高，因光电效应产生的吸收就越多，X射线对比度就越大。骨骼由含高原子序数的钙、磷等元素构成，所以骨骼比肌肉、脂肪能吸收更多的X射线，在彼此间可形成较高的图像对比度。被照体的形状与图像对比度无关。组织密度越大，对X射线吸收越多，因此，密度差别大的组织也可以形成较明显的图像对比度。人体除骨骼外，其他组织的密度大致相同，只有肺是例外，具有生命力的肺是充满气体的组织，由于气体与血液、肌肉相比，X射线的吸收率为千分之一，可形成较高的图像对比度。

在原子序数、密度相同的情况下，图像对比度的形成取决于被照体的厚度差异。 正确答案：A、C、D 2-12 X射线光子统计涨落的照片记录称为

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