X线摄影的物理学基础

X线摄影的物理学基础

1．X线的产生与性质 1.1X线的产生 X线是由能量的转换而产生。产生X线的主要器件是X线管。它是用硬质玻璃做外套，内部真空，有两个相对的电极。一个是产生电子的阴极，也叫丝极或负极；另一个叫阳极，也叫靶成正极。当X线管两极间有高压时，阴极钨丝放散的电子，就获得能量，以高速冲向阳极。，由于阳极的阻止作用，使电子骤然减速而产生X线。 1.1.1 X线产生的条件 X线管之所以能产生X线，还必须具备以下三个条件。 ·电子源 钨丝通过电流加热后，即放射出电子。这些电子在灯丝周围形成空间电荷，也称电子云。 ·高速电子的产生 灯丝放散出来的电子，能以高速冲击阳极，还必须有两个条件。第一，必须在X线管的阴极和阳极间加以高电压，两极间的电位差使电子向阳极加速；第二，为防止电子与空气分子冲击而减速，X线管必须保持高度真空。 ·电子的骤然减速 高速电子的骤然减速，是阳极阻止的结果。此时电子的一部分能量转换为X线。因为阳极需要承受高速电子的冲击，所以靶物质(焦点面)，一般都是用高原子序数、高熔点的钨制成。阳极的作用有两个，阻击高速电子；完成高压电路的回路。 1.1.2X线产生的原理 X线产生的原理，就是高速电子和钨原子相互作用的结果。这是一个比较复杂的过程。简单地说，X线的产生就是利用靶物质的三种性质。即：核电场、轨道电子结合能、原子存在于最低能级的需要。 当X线管的电子束和钨靶相互作用时，每一个电子的能量等于它的电荷乘以X线管电压，即E=ev。E=电子能量，e=电子电荷，v=X线管电压(kVp)。因为电子的电荷不变，那么增加管电压，将会增加电子的能量(E)。 X线管电压用kVp来表示，它是指给电子加速的最大管电压；而用keV表示电子的能量。实际上，当管电压为100kVp时，电子束中只有很少数的电子能得到100keV的能量，而大多数的电子能量都要比100keV小。这是因为，X线管电压不是恒定的，而是脉动的。例如：在一个单相全波整流的电路中，电压从0到峰值的变化为100次／秒，这就造成冲击钨靶的电子能量有所不同。 电子在钨靶上丢失能量时，有两种不同的放射方式产生出X线，即连续X线和特性X线。 1.1.3连续X线 当高速电子接近原子核时，电子(带负电荷)由于受核电场(正电荷)的吸引，而偏离原来的方向。在方向改变时，电子因丢失能量而减速。此时电子所丢失的能量，直接以光子的形式放射出去。这样产生的X线为连续X线(图1)。电子在核电场减速，所放射的X线光子的能量，决定于(1)电子接近核的情况(2)电子的能量(3)核电荷。 一个高速电子在能量全部丢失之前，要进行多次这样的作用，要穿过许多原子层。每作用一次，就有一部分能量放射出去。此外，冲击钨靶的电子能量也不相同。有时一个电子，可能与原子核相碰，则电子的所有能量就呈现为一个单一X线光子。这样，就造成了普通放射波长分布的广泛性。这种放射只有不足于1%的能量转换为X线，而绝大部分转换为热。 放射的能量就是电子丢失的能量。因此，X线光子能量与电子能量(keV)有关，而电子的能量又与管电压(kVp)有关。X线光子能量的大小和它的波长成反比关系。也就是说，X

线光子的能量越大，它的波长就越短。如果一个电子与原子核相碰，其全部能量转换为X线光子，即是最短波长(λmin)。 λmin=1.24/V(kV) nm 例如，管电压是100kVp，电子能获得的最大能量是100keV，其产生的最短波长是λmin=1.24/100=0.0124nm。但是，其余大部分X线波长都比最短波长长得多。连续X线的最强度波长是最短波长的1.3-1.5倍。连续X线的波谱将随管电压升高而变化。 管电压升高时，最短波长向短波一侧移动； 管电压升高时，强度曲线向短波一侧移动； 管电压升高时，最强波长向短波一侧移动； 管电压升高时，产生的X线总能量将以管电压二次方比例增大； 阳极靶物质的原子序数大时，X线总能量增大； X线总能量将随管电流的增大而提高。 1.1.4特性X线 特性X线是高速电子冲击靶物质内层轨道电子而产生的。一个常态的原子经常处于最低能级状态，也就是说，它永远要保持其内层轨道电子是满足的。如果从钨原子移去一个电子，就会造成这个原子有剩余的正电荷，而成为正离子。原子在恢复正常状态时，K层电子空位常由L层电子补充，这是因为L层电子比K层电子的能量多。当电子从L层转换到K层时，将把多余的能量作为X线光子放出。这种放射就称为K特性放射。 由于特性X线是在原子内层轨道电子跃迁中产生的。因此，无论产生电子空位的原因如何，也无论造成这种空缺的冲击电子的能量大小，只要能造成空缺，则产生的特性X线都是一样的。例如，靶物质钨的K层电子结合能为69.5keV，具有70keV以上能量的冲击电子都可以击脱K层电子，而产生特性X线。但高速电子必须具有能击脱K层电子的最低能量，也即具有一个最低的激发电子压(也称限界电压)。 在X线诊断能量范围内，特性线产生的几率与管电压的关系大致为： 70kVp以下，不产生K特性X线； 80-150kVp，K特性X线占10-28%； 150kVp以上，特性X线减少。 1.1.5X线的产生效率 产生X线所消耗的总能量与阴极电子能量之比，称作X线发生效率。 η=X线消耗的总能量/阴极电子能量=K·V2ZI/VI=KVZ(%) (V：管电压，Z：靶物质原子序数，I：管电流，K：系数)，在X线诊断领域内，K=1.1×10-9。例如，管电压为100kV，靶物质为钨(W)原子序数是74时，X线产生的效率则为0.8%，而88.2%则为产生的热量。 1.2X线的本质与特性 1895年11月8日，德国物理学家威.康.伦琴在实验室内研究阴极射线管放电现象时发现X线。1901年伦琴因发现X线而获诺贝尔物理奖。 X线肉眼看不见，不带电，具有穿透、荧光、电离、感光等作用以及生物效应。 1.2 .1X线的本质 X线也称伦琴射线，X线本质是一种电磁波。它与无线电波、可见光、γ射线一样都具有一定的波长和频率。由于X线光子能量大，可使物质产生电离，故又属于电磁波中的电离辐射。 X线与其它电磁波一样，具有波动和微粒的二重性。X线的波动主要表现在以一定的波长和频率在空间传播；它的微粒性主要表现为光子形式在辐射和吸收时具有能量、质量和动量。

波动和微粒二重性是X线的客观属性，在不同条件下属性表现的侧重点会有所不同。如X线在传播中发生的反射、干涉、衍射等现象，突出表现了它的波动性；而在与物质作用发生能量交换时，又突出了微粒性的表现。 1.2 .2X线的特性 ·物理效应 体现为穿透性、荧光作用、热作用、干涉、衍射、反射、折射作用、电离作用。 ·化学效应 感光作用、着色作用。 ·生物效应 生物细胞在一定量的X线照射下，可产生抑制、损伤、甚至坏死。 1.3 X线强度 1.3.1 X线强度的定义 X线强度是垂直于X线束的单位面积上，在单位时间内通过的光子数和能量的总和，即线束中的光子数乘以每个光子的能量。在实际应用中，常以量与质的乘积表示X线强度。量是线束中的光子数，应用中表示X线量的是mAs。质则是光子的能量(也称穿透力)。连续X线波谱中每条曲线下的面积表示连续X线的总强度。 1.3.2影响X线强度的因素 X线强度(或X线产生)受管电压、管电流、靶物质及高压波形的影响。 ⑴靶物质 在一定的管电压和管电流下，放射量的多少决定于靶物质。靶物质的原子序数越高，产生X线的效率就越高。X线管选用钨或钨合金做为靶物质，即阳极焦点面，是因为它有较高的原子序数(Z=74)和相当高的熔点(3370℃)。 另外，还要注意区分，靶物质的原子序数与两种不同放射的关系。对连续X线来说，原子序数决定X线量的产生；而对特性X线来说，原子序数决定产生特性X线波长的性质。例如，钨K特性线的变化从57keV到69keV，而锡(Z=50)的K特性线是25～29keV，这就说明钨和锡的K特性线的波长性质不同。 ⑵管电压(kVp) X线光子的能量，取决于冲击电子的能量大小，而电子的能量又由管电压kVp来确定。所以，管电压决定产生X线最大能量的性质。例如，只有在管电压为峰值(kVp)时，才会有100keV或接近100keV的最大(最短波长)的X线光子产生。另外，增加管电压也将增加产生X线的量。所以X线强度的增加与管电压的平方成正比。 ⑶管电流(mA) 管电压的大小并不决定X线的质。但是在管电压一定下，X线强度决定于管电流。因为管电流愈大，冲击阳极靶面的电子数愈多，产生的X线光子数就多。 ⑷高压波形 X线发生器产生的高压都是脉动式的。由于不同的整流方式，单相全波、三相六脉冲、三相十二脉冲、变频发生器等，所产生的高压波形的脉动率有很大区别。而X线光子能量取决于X线的最短波长，也即决定于管电压的峰值。当整流后的脉动电压越接近峰值，其X线强度越大。 1.3.3X线质的表示方法 X线质有以下几种表示方法： ·半值层(HVL) 使X线强度衰减到初始值一半时，所需的标准吸收物质的厚度。它反映了X线束的穿透力，表征X线质的软硬程度。 ·电子的加速电压(管电压) ·有效能量 在连续X线情况下使用这一概念。 ·软射线与硬射线 将低能量X线称为软射线，高能量X线称为硬射线。 ·X线波谱分布 它表示了X线的波长分布或能量分布。此分布将根据X线管固有滤过、附加滤过、管电压、管电流、整流方式等因素而变化。 1.3.4X线的不均等性 诊断用X线为连续X线与特性X线的混合，主要为连续X线。连续X线的波长由最

短波长(λmin)到长波长领域有一个很广的范围。这种X线称为不均等X线。不均等X线由于滤过板的使用，长波长领域的X线被吸收，成为近似均等X线。 ·有效波长 单一能量波长的半值层等于连续X线的半值层时，此波长称作有效波长(λeff。 ·有效电压 产生有效波长的最短波长的管电压，称作有效电压。 ·有效能量 将有效电压用能量单位(keV)表示时，此能量为有效能量(或等效能量)。 1.3.5连续X线强度的空间分布 高速电子碰撞阳极靶面所产生的X线分布与靶面倾斜角度有关。 靶面倾斜20o角时，在通过X线管长轴且垂直于有效焦点平面内，近阳极端X线强度弱，近阴极端强，最大值在10o处，其分布是非对称性的。 在通过X线管短轴且垂直有效焦点平面内测定，在90o处最大，分布基本上是对称的。 靶面出现过热熔解而凹凸不平时，产生的X线强度分布就会改变上述规律，严重影响X线质量。 2．X线与物质的相互作用 X线与物质的相互作用形式有：相干散射、光电效应、康普顿效应、电子对效应、光核反应等。诊用X线领域，主要涉及光电效应和康普顿效应。 2.1相干散射 X线与物质相互作用能发生干涉的散射过程，称为相干散射。在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子能量跃迁到高能级，随即放出一个能量等于入射光子能量的散射光子。由于电子未脱离原子，故光子能量损失可忽略不计，相干散射不产生电离过程。在X线诊断能量范围内，相干散射产生的几率只占5%。 2.2光电效应 2.2.1光电效应的定义 X线与物质相互作用时，X线光子能量全部给予了物质原子的壳层电子。电子获得能量的电子摆脱原子核的束缚，成为自由电子。而X线光子则被物质的原子吸收。这一过程称为光电效应。 2.2.2光电效应的产物 光电效应，在摄影用X线能量范围内，是和物质相互作用的主要形式之一。它是以光子击脱原子的内层轨道电子而发生(图5)。有如特性放射的发生过程，但又不完全一样，其主要差别是击脱电子的方式不同。光电效应可产生三种东西。即：特性放射；光电子(也叫负离子)和正离子(即缺少电子的原子)。 在产生光电效应的过程中，当一个光子在击脱电子时，其大部分能量是用于克服电子的结合能，多余能量作为被击脱电子(光电子、负离子)的动能。由于带电粒子穿透力很小，当这个电子进入空间后，很快就被吸收掉。失掉电子的原子轨道上的电子空位，很快就有电子来补充。这个电子经常是来自同原子的L层或M层轨道上的电子，有时也可来自其它原子的自由电子。在电子落入K层时放出能量，产生特性放射。但因其能量很低，在很近的距离内则又被吸收掉。例如，钙是人体内最高原子序数的元素，它的最大能量的特性光子也只有4keV。这样小的光子能量，从它的发生点几个毫米内即可被吸收。但必须注意，常用造影剂碘和钡，所产生的特性放射，会有足够的能量离开人体，而使胶片产生灰雾。 2.2.3光电效应产生的条件 ⑴光子能量与电子结合能，必须“接近相等”才容易产生光电效应。就是说，光子的能量要稍大于电子的结合能或等于电子的结合能。例如，碘的K层电子结合能为33.2Kev，若光子能量为33.0Kev，就不能击脱该层电子。另一方面，一个有34Kev能量的光子，又比一个

具有100Kev能量的光子更容易和碘K层电子发生作用。这就是说，光子能量的增加，反而会使光电作用的几率下降。实际上，光电效应大约和能量的三次方成反比。即： 光电效应≈1/(能量)3 在实际摄影中，我们通过调整管电压的数值就可以达到调制影像的目的。 ⑵轨道电子结合的越紧，越容易产生光电效应。高原子序数元素比低原子序 数元素的轨道电子结合的紧。在低原子序数元素中，光电效应都产生在K层，因为这一类元素只有K层电子结合的比较紧。对高原子序数的元素，光子能量不足以击脱它的K层电子，光电效应常发生在L层M层，因为这两层轨道电子结合的都比较紧，容易产生光电效应。所以说，光电效应的几率，随原子序数的增高而很快的增加。其发生几率和原子序数的三次方成正式。 它说明摄影中的三个实际问题；不同密度的物质的影像，所以能产生明显对比影像的原因；密度的变化可明显的影响到摄影条件；要根据不同密度的物质，选择适当的射线能量。 2.2.4光电效应在X线摄影中的实际意义 ⑴光电效应不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾。 ⑵光电效应可增加射线对比度。X线影像的对比，产生于不同组织的吸收差异，这种吸收差别愈大，则对比度愈高。因为光电效应的几率和原子序数的三次方成正比，所以光电效应可扩大不同元素所构成的组织的影像对比。例如，肌肉和脂肪间的对比度很小，如果选用低kVp摄影，就可以利用肌肉和脂肪在光电效应中所产生的较大的吸收差别来获得影像。 ⑶在光电效应中，因光子的能量全部被吸收，这就使病人接受的照射量比任何其它作用都多。为了减少对病人的照射，在适当的情况下，要采用高能量的射线。 2.3康普顿效应 康普顿效应也称散射效应或康普顿散射。它是X线诊断能量范围内，X线与物质相互作用的另一种主要形式。当一个光子击脱原子外层轨道上的电子时，入射光子就被偏转以新的方向散射出去。光子的能量一部分作为反跳电子的动能，而绝大部分是作为光子散射(图6)。一个光子被偏转以后，能保留多大能量，由它的原始能量和偏转的角度来决定。偏转的角度愈大，能量的损失就愈多。散射光子的方向是任意的，光子的能量愈大，它的偏转角度就愈小。但是低能量的光子，在散射效应中，向后散射的多。在摄影用(40～150kVp)能量范围内，散射光子仍保留大部分能量，而只有很少的能量传给电子。 在摄影中所遇到的散射线，几乎都是来自这种散射。因为散射吸收是光子和物质相互作用中主要形式之一，所以在实际工作中我们无法避免散射线的产生，而只能想办法消除或减少它的影响。 2.4电子对效应与光核反应 电子对效应与光核反应，在诊断X线能量范围内不会产生。因为电子对效应产生所需要的光子能量是1.02MeV，而光核反应所需光子能量要求在7MeV以上。所以，这两种作用形式对X线摄影无实际意义。 2.5相互作用效应产生的几率 在诊断X线能量范围内，相干散射占5%，光电效应占70%，康普顿效应占25%。 ⑴对低能量射线和高原子序数的物质，光电效应是主要的，它不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾，因而可产生高对比度的X线影像。但会增加被检者的X线接收剂量。 ⑵散射效应是X线和人体组织之间最常发生的一种作用，几乎所有散射线都是由此产生的。它可使影像质量下降，严重时可使我们看不到影像的存在。但它与光电效应相比可减少病人的照射量。 ⑶它们之间的相互比率将随能量、物质原子序数等因素的改变而变化。就人体而言脂肪和肌肉的原子序数要低于骨骼。常用造影剂碘和钡属于高原子序数的元素。脂肪和肌肉除在

很低的光子能量而外，散射作用是主要的；造影剂的原子序数高，以光电效应为主；骨骼的作用形式，在低能量的主要是光电作用，而在高能量时则变为散射作用是主要的。 总之，X线和物质的各种相互作用都有它的重要性，就X线摄影而言，各种作用的结果，都造成了X线强度的减弱，这是X线影像形成的基本因素。 3．X线的吸收与衰减 3.1距离的衰减 X线强度在其传播过程中与距离平方成反比（此法则在摄影中常用来调节X线量）。X线量与距离平方成反比的法则在真空中是成立的，在有空气的空间内严格说是不成立的，在一般的摄影中，空气对X线的衰减可以忽略不计。 3.2物质吸收的衰减及其影响因素 3.2．1物质吸收的衰减过程 X线穿过物质时，与构成物质的原子、电子或原子核相互作用而被衰减，衰减的过程有：汤姆逊散射（古典散射），医用X线领域以外；光电效应吸收（τ）；康普顿—吴有训效应引起的散射和吸收（σ）；电子对吸收（K），发生在X线能是1.02MeV以上；光核反应吸收，发生在X线能17.5MeV左右。 3.2．2影响衰减的因素 衰减与X线的波长和透过物质因素有关。主要因素有： ⑴X线的能量：X线能量增加时，光电作用的百分数下降；当原子序数提高时，则光电作用增加。短波X线的μ值小； ⑵吸收物质的原子序数：原子序数大的物质μ值大； ⑶物质的密度：在一定厚度中，组织密度决定着电子的数量，也就决定了组织阻止射线的能力，物质密度大的μ值大； ⑷每克物质的电子数：电子数多的物质比电子数少的物质更容易衰减射线。一定厚度的电子数决定于密度，也就决定于1cm3的电子数，这是临床放射学中影响X线减弱的主要因素。 3.3人体对X线的衰减 人体各组织对X线的衰减按骨、肌肉、脂肪、空气的顺序由大变小，这一差别即形成了X线影像的对比度。 3.3.1组织密度 人体软组织的密度相当于水，是1g/cm3。人体的构成大部分是由肌肉、脂肪和碳水化合物组成的软组织、骨骼、肺和消化道内的气体组成；，有效原子序数为7.43；骨的密度是1.9g/cm3，有效原子序数是14；空气的密度是129.3×10-5g/cm3，有效原子序数是7.64。 3.3.2人体的线性衰减系数 在波长为1cm~0.1×10-8cm时测定的各组织的衰减系数为 肌内 μm=（2.2λ3＋0.18）×1=2.2λ3＋0.18 脂肪 μf=（1.8λ3＋0.18）×0.94=1.692λ3＋0.1692 骨 μb=（11λ3＋0.18）×1.9=20.9λ3＋0.342 空气 μa=（2.6λ3＋0.18）×0.0013=0.00338λ3＋0.000234 3.4X线的滤过 诊断用X线是一束连续能谱的混合射线。当X线透过人体时，绝大部分低能射线被组织吸收，增加了皮肤照射量，为此需要预先把X线束中的低能成分吸收掉，此即X线滤过。 3.4.1固有滤过 指X线机本身的滤过，包括X线管的管壁、绝缘油层、窗口的滤过板。固有滤过一般

用铝当量表示，即一定厚度的铝板和其他物质对X线具有同等量的衰减时，此铝板厚度称为滤过物质的铝当量。 3.4.2附加滤过 广义上讲，从X线管窗口至检查床之间所通过材料的滤过总和为附加滤过。在X线摄影中，附加滤过指X线管窗口到被检体之间所附加的滤过板。一般对低能量射线采用铝滤过板；高能射线采用铜与铝的复合滤过板，使用时铜面朝向X线管。 3.5 X线诊断能量中的X线减弱 人体各组织对X线的衰减按骨、肌肉、脂肪、空气的顺序由大变小。这一差别即形成了X线影像的对比度。为了增加组织间的对比度，还可借用造影剂扩大X线的诊断范围。 在X线诊断能量范围内，如果把X线的总衰减作为100，在42kVp下，对肌肉来说光电作用的康普顿散射作用所占比例相同；在90kVp下，散射作用占90%；由于骨的原子序数高，其光电作用是肌肉的2倍，骨对X线的减弱，在73kVp下光电作用与散射作用相同。对于密度差很小的软组织摄影，必须采用低电压技术，用以扩大光电作用所产生的对比度。

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