医学成像技术课件-2X射线的产生.pdf

医学成像 喻罡喻罡 副教授副教授 中南大学生物医学工程研究所中南大学生物医学工程研究所 X-射线产生 2 一、理解韧致辐射与标识（特征）辐射的产生原理 二、了解影响X射线发射谱的因素 目标 电磁辐射 E=hf=hc/波长 能量 h为普朗克常数 c 为光速 电磁辐射光谱 X X射线是由高速电子撞击物质的原子所产生的一种波长较短的电磁波，且具射线是由高速电子撞击物质的原子所产生的一种波长较短的电磁波，且具有波粒二象性有波粒二象性.波长范围在波长范围在0.0010.001nmnm-1nm1nm或更长或更长 波长波长0.1 0.1 0.1nm nm 软软X X射线射线 原子结构 原子结构：原子结构：原子核(Z 质子 与 N 中子)Z orbital electrons 原子序数（Z）确定原子的化学性质 原子质量数 A=Z+N 电子数=核内质子数（Z）Z A X 原子序数nt 原子质量数nt 能级 结合能（Binding Energy）一个电子的结合能等于使电子脱离原子所需的能量。结合能：与原子序数有关，随原子序数的增加而增加。注意：只有较高原子序数元素的K壳层电子所有的结合能是 在临床诊断用的X-射线光子的相同能量范围内。K-shell:69.5 keV L-shell:12 keV M-shell:3 keV N-shell:1 keV O-shell:0.1 keV 钨（Z=74)K-shell:2个电子个电子 L-shell:8个电子个电子 M-shell:18个电子个电子 N-shell:32个电子个电子 O-shell:50个电子个电子 电子辐射 电子辐射的两个基本原理：1.要使一个电子移至更高能级或脱离原子（电离），必须从某些能源获得能量。2.如果一个电子移至更低的能级，电子必须释放出能量，通常出现某种形式的辐射。X射线产生机制 1.电子源 2.高速电子流 3.产生X-射线的靶 X-射线管 X射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（就称靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料）。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，X射线从靶极发出。电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设计成转动式的。X-射线管 阳极:阳极是X射线管的正极,与电源中的正端连接.目前有两种类型阳极:固定阳极与旋转阳极.X射线管阳极的主要功能:(1)把电子的能量转换成X辐射(2)把转换过程中产生的热量散掉.转化效率:(1)阳极材料的原子序数(Z)(2)电子本身的能量 阳极靶面阳极靶面:是阳极中受电子轰击的区域,在固定阳极X射线管中,靶为一镶嵌在铜阳极上的钨合金.而在旋转阳极X射线管中,整个旋转的圆盘都是靶.目前钨是作为靶的主要材料主要原因是:(1)钨原子序数较大，可以产生高效率的射线。(2)钨的热传导性好，是一种有效的散热金属(3)钨材料具有很高的熔点(3410)。X-射线管 X射线靶的特征 元素 元素符号 原子序数 K特征X射线 熔点 钨 钼 铑 W MO Rh 74 42 45 59.0keV 17.4keV 19.7keV 3410OC 2600OC 3200OC 某些用于乳房射线管,其阳极使用钼制成.它产生的 标X射线光子所具有的能量很适合这种特殊应用.X-射线管 阴极:是射线管的负极，主要由灯丝和聚焦罩两部分组成。灯丝通常采用高熔点的钨丝材料绕制而成。阴极的主要作用是从电路中发射电子，并且把它们会聚成预先设计好的电子束聚焦在阳极靶面上。X-射线管 X-射线的焦点射线的焦点:实际焦点与有效焦点实际焦点与有效焦点 对X线成像质量影响最大的因素之一就是X线管的焦点。实际焦点-灯丝辐射的热电子在靶面上的轰击面积。有效焦点-实际焦点在X线投照方向上的投影。角度角度 电子束宽度电子束宽度 有效焦点有效焦点 实际焦点实际焦点 胶片胶片 X-射线管 角度越小角度越小-分辨率越好分辨率越好 电子束宽度电子束宽度 有效焦点有效焦点 实际焦点实际焦点 胶片胶片 角度角度 电子束宽度电子束宽度 增加实际焦点大小增加实际焦点大小 实际焦点实际焦点 胶片胶片 X-射线管 设实际焦点宽为a，长为b，则投影后宽度不变，长度为bsin ，即 有效焦点实际焦点sin 表示阳极靶面与线投照方向的夹角。一般固定阳极线管的靶角为1520度 减小有效焦点面积可通过减小靶角来实现，但靶角太小，由于线辐射强度分布的变化，投照方向的线量将大大减少。焦点大小对影像清晰度的影响焦点大小对影像清晰度的影响 X-Ray焦点焦点-有效焦点愈小有效焦点愈小,影像清晰度越高，图像锐利度越好。影像清晰度越高，图像锐利度越好。X射线产生机制 当高速电子束轰击金属靶时会产生两种不同的X射线。一种韧致辐射一种韧致辐射(连续连续X射线射线)，另一种是标识辐射另一种是标识辐射(特征特征X射线射线)。它们的性质不同、产生的机理不同，用途也不同。1.韧致辐射：是高速电子与靶原子核发生相互作用的结果,其释放的能谱是连续的.2.标识辐射：是高速电子与内层电子相互作用,产生标识辐射.也叫特征辐射,特征辐射的谱是线状的.韧致辐射 韧致辐射的产生 高速电子打到靶上，电子经过原子核附近,受到原子核吸引力的作用发生偏折减速,在这个碰撞过程中电子所损失的能量便以一个X射线光子的形式放出.X射线光子的最大能量由管电压的最大值决定。其中射线光子的最大能量由管电压的最大值决定。其中99%的能量转化为热能的能量转化为热能,只只有有1%的转化为的转化为X射线光子射线光子.韧致辐射 白辐射(white radiation)连续辐射(continuous radiation)刹车辐射(braking radiation)钨原子 K L 韧致辐射 高速电子动能200KeV 光子动能=200KeV-20KeV 靠近核区域发生碰撞的电子受力大，损失能量大，产生的光子的能量大。光子能量 光子相对数 韧致辐射 高速电子动能200KeV 光子动能=200KeV-150KeV 远离核区域发生碰撞的电子受力小，损失能量小，产生的光子的能量小。但或得的光子数多（面积大）。光子能量 光子相对数 韧致辐射 1.靠近核区域发生碰撞的电子受力大，损失能量大，产生的光子的能量大。2.远离核区域发生碰撞的电子受力小，损失能量小，产生的光子的能量小。但或得的光子数多（面积大）。3.韧致辐射的X射线最大的光子能量由入射的电子的最大能量决定。4.实际情况中，由于X射线通过的滤过物质的作用，所产生的曲线分布于理想情况下有明显差别。韧致辐射 高速电子-靶原子的相对位置 产生的X射线能量 库仑力 1/r2 r 1.高速电子与靶原子直接相互作用,产生能量高的X射线(概率低)2.高速电子离原子核很远，基本上没有受到原子核影响,产生能量低的X射线(概率低)3.通常情况下能量介于两个值之间的韧致辐射出现的频率比较高.大量的射线光子组成了 频率连续的射线谱 韧致辐射 诊断设备有滤过(固有滤过与附加滤过)1.低能X射线滤过吸收,减小剂量.(阳极表面,射线管的窗口与滤过物质)2.平均X射线能量约是1/3-1/2 Emax 3.X射线最大能量=入射的电子能量,由最大管电压决定 如果不采用滤过措施如果不采用滤过措施,光谱曲线基本上是三角光谱曲线基本上是三角形形.光谱曲线下的总面积表示产生光子的数目光谱曲线下的总面积表示产生光子的数目 光子分布=F(Energy)韧致辐射(连续X射线)存在最短波长(min),随管电压升高而变短,与阳极靶的材料无关.X射线强度连续变化 每条曲线有一个峰值 波长增加方向上无限 延展，强度越来越弱 韧致辐射 30kV 20kV 40kV 50kV 0.10 1 2 3 4 5 6 7 8 0.02 0.04 0.06 0.08 波长波长(nm)相对强度相对强度I 钨靶较低管电压连续X射线发射谱 韧致辐射 光子能量的最大极限(hmax)等于入射电子在X射线管加速电场中所获得的能量，即 于是得到短波限为 eUhcmin)()(24.1minnmkvU eUhmax韧致辐射 效率:X射线的效率定义为总的X射线能占电子传给阳极的总电能的百分率。决定生成效率的两个因素是（1）管电压（2）阳极材料的原子序数(Z):效率=(KV)x(Z)x(10-6)例子：实际临床诊断，100kev的管电压，靶材料为钨的管子（Z=74），X-射线的效率-0.7%标识辐射 产生标识辐射的相互作用如图所示。它主要与高速电子和原子轨道电子间的碰撞有关。其产生的必要条件是入射的电子的动能比原子里电子的结合能大必要条件是入射的电子的动能比原子里电子的结合能大 时时，这种作用这种作用才能发生才能发生。如果这种条件具备时并发生碰撞，轨道电子从原子被轰出，于是留下一个空位，由较高能级上的电子来填充。当这个电子填补这个空位时当这个电子填补这个空位时，它便以它便以X射线射线光子的形式释放出能量光子的形式释放出能量。所以称其为标识标识X辐射辐射。是因为该光子的能量能够说明作为阳极材料用的化学元素的特征。也就是说这种辐射与阳极材料所用的化学元素紧密相关。标识辐射 高速电子从从轨道K壳层上轰击出一个电子，此时留出的空穴由L壳层上的电子填充，此时便产生K壳层X射线.KLEEE碰撞 跃迁 空穴 X射线 不同元素具有自己独有的特征谱线，可以说明作为阳极材料的化学元素的特征。不同元素具有自己独有的特征谱线，可以说明作为阳极材料的化学元素的特征。标识辐射 尖峰是由“标识辐射”产生的 标识辐射 钨特征能量钨特征能量(keV)电子电子 结合能结合能 填充空穴的电子来源填充空穴的电子来源:射出层射出层 能量能量(keV)L层层 M层层 外层外层 K层 69.5 57.4 66.7 69.5 L层 12.1-9.3 12.1 M层 2.8-2.8 外层 0-0 标识辐射 钼靶钼靶 17kev 19.5kev 乳腺X射线成像 标识辐射 几种靶材料产生K、L系特征X射线的激发电压(kV)靶材料 原子序数 K系激发电压 L系激发电压 铝(Al)铜(Cu)钼(MO)钨(W)铅(Pb)13 29 42 74 82 1.56 8.89 17.4 59.0 88.0 0.09 0.95 2.87 12.09 15.86 X射线辐射场的空间分布 X射线强度 hNI 多种光子组成的线状谱强度为 iiihNI连续X射线能谱的强度为 EENEIEd)(max0 单能X射线的强度I为 X射线辐射场的空间分布 X射线的量与质 由管电流与照射时间间接表示 通常以毫安秒(mA s)为单位。X射线的质(x-ray quality):X射线光子的能量 X射线的量(x-ray quantity):X射线光子的数目 又称线质，由管电压和滤过间接表示 通常以千伏数（kV）为单位。X射线辐射场的空间分布 影响X射线强度的因素 构成靶物质 的原子序数 管电流 管电压 附加滤过 影响X-射线谱的因素 连续谱与毫安秒的关系连续谱与毫安秒的关系 输出光子数与管电流与曝光时间成正比（增加射线量）输出光子数与管电流与曝光时间成正比（增加射线量）管电流与曝光时间的改变不影响管电流与曝光时间的改变不影响X射线谱的形状射线谱的形状 （射线的质不变）（射线的质不变）毫安秒毫安秒(mas)=管电流管电流 I(mA)和曝光时间和曝光时间t(s)的乘积的乘积 影响X-射线谱的因素 连续谱与管电压的关系连续谱与管电压的关系 光子的最大能量则由电压光子的最大能量则由电压的最大值或峰值决定的最大值或峰值决定.入射的电子能量入射的电子能量69.569.5kevkev，不足以产生标识辐射不足以产生标识辐射 钨靶钨靶 管电压增加，射线的质和量管电压增加，射线的质和量增加。管电压影响射线的质增加。管电压影响射线的质与量。与量。影响X-射线谱的因素 连续谱与连续谱与靶材料之间的关系 靶材料的原子序数 X射线的光子数量 韧致辐射能量 标识辐射能量 影响X-射线谱的因素 各种因素对X射线强度的影响 影响的结果 增加 增加 增加 降低 降低 降低 不变 增加 增加 增加 不变 降低 毫安秒 管电压 靶原子序数 滤过 距离 电压脉动 X射线的量 X射线的质 影响因素(增加)X射线强度的空间分布 X射线辐射强度在空间的分布情况很复杂：入射电子能量，靶物质，靶厚度 管电压较低时 利用反射式靶 管电压较高时 采用穿透式靶 管电压升高,射线最大强度方向逐渐趋向电子束的入射方向,其他方向的强度分布所占比重减少,射线强度分布趋于集中.X射线强度的空间分布 阳极吸收X射线 X射线辐射强度大射线辐射强度大 X射线辐射强度小射线辐射强度小 靶倾斜角越小 X射线辐射强度下降强度愈大 足跟效应足跟效应 X射线强度的空间分布 阳极角 会影响足跟效应的程度，越小，足跟效应越显著。这在一定程度上制约了通过减小阳极角来减小有效焦点进而提高成像质量的努力，也使成像野的尺寸受到限制。X射线强度的空间分布 厚靶周围X射线强度的空间分布:足跟效应 阳极的X射线密度降低 X射线强度分布不均匀 X射线强度的空间分布 由于阳极对射线的吸收作用，使得阳极的X射线密度降低，阴极的X射线密度提高。阳极角度越陡峭，该现象越明显。足跟效应 明显 阳极 阴极 0度 问题 问题1：产生X射线需要哪些条件？问题2：影响X射线管有效焦点大小的因素有哪些?问题3:请解释韧致辐射的基本原理 问题4：请解释标识辐射的基本原理