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第二章第二章投影投影X射线成像系统射线成像系统Projection X-ray Imaging System.2.1 概述概述 1）气体气体X线管、感应圈时期（线管、感应圈时期（18951913年）年）早期用玻璃底板成像，后期开始应用钨酸钙增感屏。早期用玻璃底板成像，后期开始应用钨酸钙增感屏。伦琴当时使用的伦琴当时使用的X线机，其管电压只有线机，其管电压只有4050kV，管电流仅有，管电流仅有1mA，拍，拍摄一张手骨照片用摄一张手骨照片用30min1h。2）热电子）热电子X线管、变压器高压发生器时期（线管、变压器高压发生器时期（19131930年）年）制成并改进了荧光屏。制成并改进了荧光屏。3）防电击、防散射）防电击、防散射X线装置的实用化时期（线装置的实用化时期（19301960年）年）4）高条件、大容量、控制技术现代化时期（）高条件、大容量、控制技术现代化时期（1960年以后）年以后）大功率旋转阳极大功率旋转阳极X线管问世，线管问世，X线影像增强器研制成功，线影像增强器研制成功，X线电视、录线电视、录 像和动态摄影应用。像和动态摄影应用。一、诊断用一、诊断用X线机发展史与现状线机发展史与现状.二、二、X线机的组成线机的组成 通用型：临床各科室共同使用。通用型：临床各科室共同使用。专用型：满足不同临床需要，如心血管造专用型：满足不同临床需要，如心血管造影影X线机，骨科线机，骨科X线机，牙科线机，牙科X线机，胸科线机，胸科X线机等。线机等。.不同功能不同功能X线机的机械装置线机的机械装置胃肠诊断机胃肠诊断机胸片机胸片机普通拍片机普通拍片机心血管造影机心血管造影机断层摄影机断层摄影机牙科专用机牙科专用机儿科专用机儿科专用机手术用手术用X线机线机.普通摄影用普通摄影用X线机线机.X线机的组成框图线机的组成框图控制装置控制装置高压发生装置高压发生装置X线管装置线管装置X线线电源电源机械装置与辅助装置机械装置与辅助装置 1)X-ray 发生装置发生装置-球管球管和和高压发生器高压发生器1.2)X-ray 接收装置接收装置-胶片胶片或或影像增强器影像增强器I.有电视信号处理系统有电视信号处理系统-有透视功能有透视功能II.无电视信号处理系统无电视信号处理系统-无透视功能无透视功能(注：早期的透视功能注：早期的透视功能X线机是利用荧光屏显示图像的线机是利用荧光屏显示图像的)2.3)X-ray 图像数字化处理系统图像数字化处理系统-硬件及软件处理系统硬件及软件处理系统3.4)X-ray附属装置：病床、球管支架、防护设备等附属装置：病床、球管支架、防护设备等.2.2 X线和线和X线管线管一、一、X射线的产生及其性质射线的产生及其性质1）X射线的发现射线的发现德国科学家德国科学家(1845-1923)Wilhelm Conrad Roentgen1895年发现年发现X线线.为此，伦琴为此，伦琴获获1901年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。X线投照线投照.2)X射线产生的必要条件射线产生的必要条件I.有电源有电源;II.必须有高压电场及真空条件下的电子流必须有高压电场及真空条件下的电子流;III.必须有适当的阻挡物必须有适当的阻挡物(金属靶面金属靶面)来承受高速电子的来承受高速电子的能量，使高速电子所带的动能转变成能量，使高速电子所带的动能转变成X射线。射线。.3)X射线的产生射线的产生I.连续连续X射线：高速运动电子与靶原子核作用。射线：高速运动电子与靶原子核作用。II.特征特征X射线：原子核外电子的跃迁。射线：原子核外电子的跃迁。连续辐射连续辐射/韧致辐射：韧致辐射：高速带电粒子在靶物质的原子高速带电粒子在靶物质的原子核电场作用下，改变运动方向和速度，所损失的动能核电场作用下，改变运动方向和速度，所损失的动能中，有一部分转化为能量等于中，有一部分转化为能量等于h的光子辐射出去。由的光子辐射出去。由于各带电粒子与原子核相互作用情况不同，所以辐射于各带电粒子与原子核相互作用情况不同，所以辐射出来的出来的X射线光子能量也不一样，具有连续的能谱分布射线光子能量也不一样，具有连续的能谱分布+连续连续X射线射线9 h ：普朗克常数：普朗克常数 c ：光速：光速 V：加速电子的电场电压：加速电子的电场电压 e ：电子电荷量：电子电荷量max：X射线的频率射线的频率min：X射线的波长射线的波长连续连续X射线的能量射线的能量：.钨的连续X线谱.3)X射线的产生射线的产生 特征辐射特征辐射/标识辐射：当高速电子与阳极靶标识辐射：当高速电子与阳极靶面撞击时，也可能与原子的内层电子相互作面撞击时，也可能与原子的内层电子相互作用而将内层电子轰出，使原子呈不稳定状态。用而将内层电子轰出，使原子呈不稳定状态。当具有较高势能的外层电子填补内层电子空当具有较高势能的外层电子填补内层电子空位时，即释放出多余的能量。这种能量的辐位时，即释放出多余的能量。这种能量的辐射称为特征辐射。射称为特征辐射。特征特征X射线的能量射线的能量:h ：普朗克常数：普朗克常数：X射线的频率射线的频率：X射线的波长射线的波长 c ：光速：光速En1：轨道能级（外）：轨道能级（外）En2：轨道能级（内）：轨道能级（内）+特征特征X射线射线.标识标识X射线谱示意图射线谱示意图 标识辐射的标识辐射的X射线波长是由跃迁的电子射线波长是由跃迁的电子能量差能量差决定的，与决定的，与高速电子的能量（管电压）无直接关系，主要决定于靶高速电子的能量（管电压）无直接关系，主要决定于靶物质的物质的原子序数原子序数，原子序数越高，产生的标识辐射的波原子序数越高，产生的标识辐射的波长越短。长越短。.X射线包括连续放射线和特征放射线。.二、二、X射线的基本特性射线的基本特性X线的频率:31016-31020Hz波长:0.01-100A医学用波长：0.01-1A诊断用：0.01-1A治疗用：0.01-0.1A.X线的性质1）X射线在均匀、各向同性的介质中直线传播2）X射线具有穿透作用3）X射线的电离作用4）X射线的荧光作用5）X射线生物效应.1.X射线的射线的物理特性物理特性 本质与普通光线一样，都属电磁波，本质与普通光线一样，都属电磁波，但波长比可见光更短，介于紫外线与但波长比可见光更短，介于紫外线与射射线之间。线之间。与普通光线一样具有与普通光线一样具有微粒微粒波波动二重性，每个动二重性，每个X X射线光子具有一定的能射线光子具有一定的能量量E=E=h h，并以光的速度直线传播。同时，并以光的速度直线传播。同时服从光的反射、折射、散射和衍射等一般服从光的反射、折射、散射和衍射等一般规律。规律。.1 1 1 1）穿透作用）穿透作用）穿透作用）穿透作用 X X射线的波长很短，对各种物质都具有程度不同的穿透能力。射线的波长很短，对各种物质都具有程度不同的穿透能力。影响因素：影响因素：与与X X射线的射线的能量能量、被穿透、被穿透物质结构物质结构和和原子性质原子性质有关。有关。同一同一X X射线，对原子序数较低元素组成的物体贯穿本领较强，对射线，对原子序数较低元素组成的物体贯穿本领较强，对原子序数较高元素组成的物体贯穿本领相对较弱。原子序数较高元素组成的物体贯穿本领相对较弱。X X射线对人体不同组织的穿透性不同射线对人体不同组织的穿透性不同X X射线医学成像的基础射线医学成像的基础 人体组织对人体组织对X X射线的穿透性射线的穿透性 易透射组织易透射组织 中等透射性组织中等透射性组织 不易透射性组织不易透射性组织 气气 体体 结缔组织结缔组织 骨骼骨骼 肌肉组织肌肉组织 脂肪组织脂肪组织 软骨软骨 血液血液.2）荧光作用）荧光作用当射线照射某种物质时，能够发出荧光，具有这种光当射线照射某种物质时，能够发出荧光，具有这种光特性的物质称为特性的物质称为荧光物质荧光物质。如如钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等荧光物质等荧光物质受受X射线照射时，物质原子被激发或电离，当被激发射线照射时，物质原子被激发或电离，当被激发的原子恢复到基态时，便可放出荧光。的原子恢复到基态时，便可放出荧光。X射线荧光作用的应用：射线荧光作用的应用：X射线透视荧光屏、增感屏、影像增强器、闪烁计数射线透视荧光屏、增感屏、影像增强器、闪烁计数器等。器等。.3）电离作用）电离作用具有足够能量的具有足够能量的X射线光子不仅可从原子中击脱电射线光子不仅可从原子中击脱电子产生子产生一次电离一次电离，脱离了原子的电子还能与其他，脱离了原子的电子还能与其他原子碰撞产生原子碰撞产生二次电离。二次电离。X射线电离作用的应用：射线电离作用的应用：X射线剂量仪器探头原理及射线剂量仪器探头原理及X射线损伤和治疗的基射线损伤和治疗的基础。础。.2.X射线的化学特性射线的化学特性1）感光作用）感光作用X射线与可见光一样，可使射线与可见光一样，可使胶片感光胶片感光。胶片乳剂中的溴化银受胶片乳剂中的溴化银受X射线照射感光，经化学显射线照射感光，经化学显影，还原出黑色的金属银颗粒，其黑度取决于感影，还原出黑色的金属银颗粒，其黑度取决于感光程度。光程度。X射线摄影即是利用其化学感光作用，使组织影像射线摄影即是利用其化学感光作用，使组织影像出现在胶片上。出现在胶片上。.2）脱水作用）脱水作用/着色作用着色作用某些物质经某些物质经X射线长期照射后，因结晶体脱水而逐射线长期照射后，因结晶体脱水而逐渐改变颜色。如荧光屏、增感纸、铅玻璃等经渐改变颜色。如荧光屏、增感纸、铅玻璃等经X射射线长期照射后都会逐渐变色。线长期照射后都会逐渐变色。X-Ray是波长很短的电磁波。是波长很短的电磁波。X-Ray 是一种不可见光。是一种不可见光。X-Ray 可以穿透物体。可以穿透物体。X-Ray 可以使化学物质发生反应可以使化学物质发生反应;产生荧光。产生荧光。X-Ray 可以产生生物效应可以产生生物效应,破坏细胞破坏细胞,改变基因。改变基因。.不同密度组织不同密度组织(厚度相同厚度相同)与与X线成像的关系线成像的关系 在人体结构中，胸部的肋骨密度高，对在人体结构中，胸部的肋骨密度高，对X线吸收多，照片上呈白影；肺部线吸收多，照片上呈白影；肺部含气体密度低，含气体密度低，X线吸收少，照片上呈黑影。线吸收少，照片上呈黑影。X线穿透低密度组织时，被吸收少，线穿透低密度组织时，被吸收少，剩余剩余X线多，使线多，使X线胶片感光多，经光化学反应还原的金属银也多，故线胶片感光多，经光化学反应还原的金属银也多，故X线胶片线胶片呈黑影；使荧光屏所生荧光多，故荧光屏上也就明亮。高密度组织则恰相反。呈黑影；使荧光屏所生荧光多，故荧光屏上也就明亮。高密度组织则恰相反。.不同厚度组织不同厚度组织(密度相同密度相同)与与X线成像的关系线成像的关系 A.X线透过梯形体时，厚的部分，线透过梯形体时，厚的部分，X线吸收多，透过的少，照片上线吸收多，透过的少，照片上呈白影，薄的部分相反，呈黑呈白影，薄的部分相反，呈黑影。白影与黑影间界限分明。影。白影与黑影间界限分明。荧光屏上，则恰好相反荧光屏上，则恰好相反 B.X线透过三角形体时，其吸线透过三角形体时，其吸收及成影与梯形体情况相似，收及成影与梯形体情况相似，但黑白影是逐步过渡的，无清但黑白影是逐步过渡的，无清楚界限。荧光屏所见相反楚界限。荧光屏所见相反。C.X线透过管状体时，其外周部线透过管状体时，其外周部分，分，X线吸收多，透过的少，呈线吸收多，透过的少，呈白影，其中间部分呈黑影，白白影，其中间部分呈黑影，白影与黑影间分界较为清楚。荧影与黑影间分界较为清楚。荧光屏所见相反光屏所见相反.二、二、X线的衰减线的衰减1、主要作用形式1)相干散射2）光电吸收3）康普顿散射.光电效应光电效应(photo electric effect)X射线光子的能量全部给予壳层电子，射线光子的能量全部给予壳层电子，一部分使其克服核的结合能脱离轨道，一部分使其克服核的结合能脱离轨道，成为光子，而另一部分则作为光电子成为光子，而另一部分则作为光电子动能被带走。动能被带走。25+X X射线射线光电效应光电效应光电子光电子.光电效应光电效应的产物：光电子、正离子、荧光放射的产物：光电子、正离子、荧光放射+X X射线射线光电效应光电效应光电子光电子光电效应的能量供受关系：光电效应的能量供受关系：Ee：电子的动能：电子的动能Ex:X:X射线的能量射线的能量Ei:Ei:第第i i层电子结合能层电子结合能产生几率与产生几率与X射线光子能量的三射线光子能量的三次方成反比，与物质原子序数的次方成反比，与物质原子序数的四次方成正比。四次方成正比。.Compton效应效应(Compton scattering)入射入射X射线与物质原子束缚较弱的电子相碰撞，光射线与物质原子束缚较弱的电子相碰撞，光子的一部分能量传给电子，并将它从原子中击出子的一部分能量传给电子，并将它从原子中击出（反冲电子），能量减小了的光子，波长增大并（反冲电子），能量减小了的光子，波长增大并且改变运动方向，成为散射光子。这种改变波长且改变运动方向，成为散射光子。这种改变波长和方向的散射称为康普顿散射。和方向的散射称为康普顿散射。+入射入射X X射线射线Compton效应效应Compton电子电子出射出射X X射线射线.康普顿散射是康普顿散射是X射线在生物组织内衰减的主要原因。射线在生物组织内衰减的主要原因。+入射入射X X射线射线Compton效应效应Compton电子电子出射出射X X射线射线Compton效应的能量供受关系：效应的能量供受关系：Ee ：电子的动能：电子的动能E x:X:X射线的能量射线的能量 :散射角（如图）散射角（如图）m me eC C2 2:电子的静态质量能电子的静态质量能.康普顿散射原理图康普顿散射原理图.2.X射线在人体组织中的衰减射线在人体组织中的衰减 总的衰减系数：人体的组织结构：骨、肌肉、脂肪不同组织的衰减系数不同.3.X射线在介质中的衰减规律射线在介质中的衰减规律（1）线性衰减系数.I I为为穿穿过过某某一一物物质质后后的的X射线强度；射线强度；I I0 0为为射射入入该该物物质质之之前前的的X射线强度；射线强度；为为该该物物质质的的吸吸收收系系数数（不不同同物物质质的的值值不不同同，由由物物质质的的物理特性决定）；物理特性决定）；X X X X为该物质的厚度为该物质的厚度；II0 X衰减公式：衰减公式：衰减公式：衰减公式：衰减方程：衰减方程：衰减方程：衰减方程：32.入射强度 ，出射强度 厚度为当 为位置和能量的函数时.三、三、X X线管的结构线管的结构1.X线球管线球管X线机的心脏器件线机的心脏器件产生定向、实用的产生定向、实用的X射线应具备的四个条件：射线应具备的四个条件：a.电子源（阴极）发射电子；电子源（阴极）发射电子；b.受电子轰击而辐射受电子轰击而辐射X射线的物体（阳极靶）；射线的物体（阳极靶）；c.加速电子使其增加动能的电位差（管电压）；加速电子使其增加动能的电位差（管电压）；d.高真空环境（玻璃外壳）。高真空环境（玻璃外壳）。原理：原理：电子流电子流以以高速高速撞击撞击金属靶面金属靶面会产生会产生X-Ray。电子流电子流-球管阴极灯丝提供。球管阴极灯丝提供。高速高速-高压发生器提供加载至球管。高压发生器提供加载至球管。X射线射线阳极阳极阴极阴极灯丝灯丝变压器变压器高压高压变压器变压器管电压管电压高速电子流高速电子流.X线机主要部件示意图线机主要部件示意图 X线的发生程序：线的发生程序：接通电源，经过降压变压器，供接通电源，经过降压变压器，供X线管灯丝加热，产生自由电子线管灯丝加热，产生自由电子并云集在阴极附近。当升压变压并云集在阴极附近。当升压变压器向器向X线管两极提供高压电时，线管两极提供高压电时，阴极与阳极间的电势差陡增，处阴极与阳极间的电势差陡增，处于活跃状态的自由电子，受强有于活跃状态的自由电子，受强有力的吸引，使成束的电子，以高力的吸引，使成束的电子，以高速由阴极向阳极行进，撞击阳极速由阴极向阳极行进，撞击阳极钨靶原子结构。此时发生了能量钨靶原子结构。此时发生了能量转换，其中约转换，其中约1%以下的能量形以下的能量形成了成了X线，其余线，其余99%以上则转换以上则转换为热能。前者主要由为热能。前者主要由X线管窗口线管窗口发射，后者由散热设施散发。发射，后者由散热设施散发。.1）固定阳极）固定阳极X线管线管 阳极（阳极（anode）功能：产生功能：产生X射线射线 靶面材料：钨、钼等靶面材料：钨、钼等 阳极罩：吸收二次电子阳极罩：吸收二次电子 阴极（阴极（cathode）功能：功能：发射电子，对轰击靶面的电子聚焦，使其具有一定的形状和大小，发射电子，对轰击靶面的电子聚焦，使其具有一定的形状和大小，形成形成X线管的焦点。线管的焦点。类型：类型：圆焦点型，线焦点型（线焦点型散热优于圆焦点型）圆焦点型，线焦点型（线焦点型散热优于圆焦点型）二次电子（能量约为原来的二次电子（能量约为原来的90）的危害：）的危害：撞击灯丝使其断裂；轰击玻璃壳内壁使其温度升高放出气体，降低管内撞击灯丝使其断裂；轰击玻璃壳内壁使其温度升高放出气体，降低管内真空度，或造成玻璃破裂；轰击靶面辐射散射真空度，或造成玻璃破裂；轰击靶面辐射散射X线，降低成像质量。线，降低成像质量。阳极靶阳极靶阴极灯丝阴极灯丝真空玻璃管真空玻璃管焦点焦点固定阳极固定阳极X线管的基本构造线管的基本构造.玻璃壳：玻璃壳：功能：功能：支撑阴、阳两极并保持管内真空度。支撑阴、阳两极并保持管内真空度。特点：特点：结构简单，价格低，真空度高，结构简单，价格低，真空度高，X线的量线的量和质可任意调节；和质可任意调节；产生产生X线的效率低（线的效率低（99.8以上的能量转变为热，以上的能量转变为热，焦点尺寸大，瞬时负载功率小；焦点尺寸大，瞬时负载功率小；适宜于连续负载，管电流小、曝光时间长的便携适宜于连续负载，管电流小、曝光时间长的便携式牙科和骨科用式牙科和骨科用X光机中。光机中。.2)旋转阳极旋转阳极X线管线管 工作原理：负载时，圆盘状靶面高速转动，从工作原理：负载时，圆盘状靶面高速转动，从偏离管轴中心线的阴极头发射出电子，轰击在偏离管轴中心线的阴极头发射出电子，轰击在转动靶面的转动环形面积上。转动靶面的转动环形面积上。.X射线管的内部结构射线管的内部结构.旋转阳极技术旋转阳极技术旋转阳极技术旋转阳极技术 通过阳极旋转来扩大焦点面积，提高球管的散热率，通过阳极旋转来扩大焦点面积，提高球管的散热率，从而提高球管的功率。从而提高球管的功率。旋转阳极球管旋转阳极球管旋转速率有旋转速率有2700rpm、8500rpm(3倍频倍频)，甚至，甚至16000rpm(6倍频倍频)。N=120f/P(rpm)N为转子转速；为转子转速；f为电源频率；为电源频率；（转（转/分）分）P为定子极数，一般为为定子极数，一般为2极极旋转阳极球管的靶面旋转阳极球管的靶面.3）大功率）大功率X线管线管特点：特点：大直径阳极靶（大直径阳极靶（120mm），增大阳极靶面的实际面），增大阳极靶面的实际面积；积；阳极高速旋转，缩短曝光时间；阳极高速旋转，缩短曝光时间；阳极角度由普通管的阳极角度由普通管的1721减小到减小到914。适用于：适用于：短曝光时间并承受高压（短曝光时间并承受高压（X线电影摄影和连续线电影摄影和连续X线摄影）线摄影）.4）特殊）特殊X线管线管栅控栅控X X线管线管/三极三极X X线管线管 基本原理：基本原理：在普通在普通X X线管的阴极和阳极之间加上一个控制栅线管的阴极和阳极之间加上一个控制栅极，当栅极加上负电位时，管电流被截至，无极，当栅极加上负电位时，管电流被截至，无X X射线输出；射线输出；当负电位消失时，管电流导通，输出当负电位消失时，管电流导通，输出X X射线。射线。特点：特点：灯丝发射特性比一般灯丝发射特性比一般X X线管差，不适用于大容量的线管差，不适用于大容量的X X线机。线机。可获得微焦点，适用用于放大可获得微焦点，适用用于放大X X射线摄影射线摄影 ；可使病人和操作者接受的可使病人和操作者接受的X X线辐射剂量减少，线辐射剂量减少，X X线管线管负载降低；负载降低；能实现快速断续能实现快速断续X X线摄影，提高线摄影，提高X X线影像清晰度。线影像清晰度。.软软X射线管射线管 用于软组织摄影；用于软组织摄影；采用极薄的玻璃窗作出射窗；采用极薄的玻璃窗作出射窗；采用钼靶；采用钼靶；金属金属X X线管线管 能提高灯丝温度，增加能提高灯丝温度，增加X X线管的负荷；线管的负荷；适用于短时间曝光，承受高负载，如适用于短时间曝光，承受高负载，如X X射线电影、体层射线电影、体层摄影、摄影、CTCT装置等。装置等。陶瓷绝缘陶瓷绝缘X X线管线管 将陶瓷绝缘后放入金属外壳内，主要用于连续将陶瓷绝缘后放入金属外壳内，主要用于连续X X射线摄影，射线摄影，体层摄影和电影摄影等。体层摄影和电影摄影等。.3.X线管的规格（1）构造参数（2）电参数：最高管电压 最大管电流 最长曝光时间 X线管的能量（3）X线管的阳极特性、灯丝发射特性（4）X线管的瞬间负荷特性（5）X线管的连续负载特性.