普通X射线成像课件.ppt
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1、2023/3/13,1,第一章 普通X射线成像,X射线的发现,德国科学家(1845-1923),Wilhelm Conrad Roentgen,1895年发现X线,2023/3/13,2,1901伦琴(Roentgen)发现X射线(1895)1914劳厄(Laue)晶体的X射线衍射1915布拉格父子(Bragg)分析晶体结构1917 巴克拉(Barkla)发现元素的标识X射线1924塞格巴恩(Siegbahn)X射线光谱学1927康普顿(Compton等六人)康普顿效应1936德拜(Debye)化学1946马勒(Muller)医学1964霍奇金(Hodgkin)化学1979柯马克和豪森菲尔德(
2、Cormack/Hounsfield)医学1981 塞格巴恩(Siegbahn)物理,2023/3/13,3,X-Rays,Gamma Rays,Ultraviolet Rays,X Rays,Light,Infrared(IR),Microwave,Radio wave,Usually detected as particles of energy(photons).Discovered in 1895 by Wilhelm Conrad Roentgen.,10-9 m(1 nm),10-11 m(0.01 nm),“soft”,“hard”,2023/3/13,4,第一节、X射线管的特性
3、,1、X射线管的结构2、X射线的产生 3、X射线管的焦点及焦点的性能参量 4、X射线管的容量,2023/3/13,5,1.1.1 X射线管的结构X射线产生的必要条件 电子源(阴极);高压电场;必须有适当的阻挡物(金属靶面,阳极)来承受高速电子的能量,使高速电子所带的动能转变成X射线;高度真空(P10-4Pa)的环境。,2023/3/13,6,阴极。一般由发射电子的灯丝和聚焦电子的凹面阴极体组成。用低压电源对灯丝加热,引起热发射,提供足够数量的电子,且使电子聚焦后去撞击阳极。常用两种类型,圆焦点型和线焦点型。,X-射线管的构成,2023/3/13,7,电子聚焦,从灯丝发射出的电子,由于库仑力的作
4、用而相互排斥,使电子流在向阳极运动时发散。因此实际中采用凹面阴极体,置于灯丝后,且将灯丝一端与阴极体相连,接在同一电源上,使阴极体具有比灯丝电位更低的电位,使阴极体排斥电子,可起到使电子初聚焦的作用。,阴极体可收集二次电子,防止危害发生。二次电子是由阳极发射(反射)出来的电子,二次电子可撞击灯丝使其发生断裂,撞在玻璃上可造成玻璃破裂。,2023/3/13,8,阳极。功能是产生X射线,按结构分有固定式和旋转式两种。固定式阳极一般为镶嵌在铜制圆柱柱端斜面上的小钨块(靶),仅适用于管电流小,曝光时间较长的便携式牙科和骨科用的X光机中。旋转阳极是将阳极和阳极体做成圆盘状,并用小电机带动旋转,这样阳极时
5、刻都以“新的靶面”接受电子束的轰击,使产生的热量均匀分散到整个靶面上,避免了局部过热。,2023/3/13,9,特殊X射线管:1)栅控X射线管:在阴极和阳极之间加上控制栅极,控制管电流的截至和导通,从而控制X射线的截至和导通。特点:灯丝发射特性比一般X线管差,不适用于大容量的X线机。可获得微焦点,适用用于放大X射线摄影;可使病人和操作者接受的X线辐射剂量减少,X线管负载降低;能实现快速断续X线摄影,提高X线影像清晰度。2)软X射线管:用于对乳房等软组织进行X射线摄影,以提高X射线影像的反差。软X射线的能量较低,管壁对X射线的吸收不容忽视;产生软X射线的管电压较低,2050KV,造成了灯丝发射电
6、子的困难。软X射线管采用钼靶,发射率虽比钨靶低(0.57倍),但具有一19.5KeV标识辐射的优点,此辐射经具有特征吸收特性的锆(Zr)的滤过层,可获得近于单色(0.07mm)的软X射线,从而可获得较为理想的摄影效果。,2023/3/13,10,X射线管的电特性:1)管电压与管电流之间的关系:与饱和二极管类似,即管电流的大小主要决定于灯丝加热电流或灯丝电压。随着管电压的升高,管电流在一定范围内也增加。但是,随着管电压的增大,管电流升高到某一临界值时,就不再随管电压而变化,且保持一恒定值,即达到“电压饱和”。临界值的大小随灯丝加热电流的增加而增大。2)灯丝电流与管电流之间的关系:当管电压一定,且
7、低于某一较低的临界值时,管电流并不随灯丝电流的继续增加而升高。当加热电流低于某i0值时,灯丝还不能有足够的热电子发射,则管电流为零。当灯丝电流大于i0时,管电流开始缓慢增长,随着灯丝电流的不断升高,管电流的增大才显著起来,曲线也越陡。,2023/3/13,11,1.1.2 X射线的产生,在X射线管中,从阴极发射的热电子,经阴、阳两极间的电场加速后,电子的速度已非常高。此高速电子与靶物质相互作用,能量损失,速度骤减。这种相互作用十分复杂,一般情况下,电子在失去它的全部能量前要经受很多次同靶原子的碰撞,其能量损失分为碰撞损失(collision loss)和辐射损失(radition loss)两
8、种情况。碰撞损失只涉及高速电子与外层电子的作用,碰撞损失的能量将全部转化为热能。而辐射损失则涉及高速电子与内层电子和原子核的作用。通过辐射损失的能量,大部分是以X射线的形式辐射出去的,它不足电子总能量的1。,2023/3/13,12,The electrons are first emitted from a heated filament,by a process called thermionic emission.They are then accelerated across the evacuated X-ray tube,under the action of a large vo
9、ltage across the tube,the filament forming the negative cathode and the target being positive anode.On striking the target,the electrons lose most(about 99%)of their energy in low-energy collisions with target atoms,resulting in a substantial heating of the target.The rest of the electron energy(usu
10、ally less than 1%)reappears as X-ray radiation.,2023/3/13,13,A rapidly-rotating anode is generally used.Its bevelled edge forms the(tungsten)target surface on to which the electron beam is focused.The target area under bombardment is constantly changing,thus reducing local heat concentration.(You ca
11、n often hear the whirring of the anode motor during the taking of an X-ray.Copper,being an excellent heat conductor,is used for the anode mountings.Oil,circulating in the outer housing,assists with convective cooling(as well as providing electrical insulation).,2023/3/13,14,X射线的产生 连续X射线:高速运动电子与靶原子核作
12、用。特征X射线:原子核外电子的跃迁。连续辐射/韧致辐射: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 中,有一部分转化为能量等于h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 出来的X射线光子能量也不一样,具有连续的能谱分布。,14,2023/3/13,15,连续X射线谱的特征,连续谱的X射线强度是随波长的变化而连续变化的。每条曲线都有一个峰值;曲线在波长增加的方向上都无限延伸,但强度越来越弱;在波长减小的方向上,曲线都存在一个称为短波极限波长,的极限值。随着管压的升高,辐射强度均相应地增强。同时,各曲线所对应的强度峰值和短波极限的位置均向短
13、波方向移动。,h:普朗克常数 c:光速 V:加速电子的电场电压 e:电子电荷量 max:X射线的频率 min:X射线的波长,连续X射线的能量:,2023/3/13,16,X射线的产生 特征辐射/标识辐射(characteristic X-radiation):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位时,即释放出多余的能量。这种能量的辐射称为特征辐射。,2023/3/13,17,特征辐射/标识辐射标识X射线的波长同阳极靶原子的结构有着密切的联系,仅取决于阳极靶物质,与X射线产生过程中的其它因素无关。不
14、同靶材料的辐射光子的能量和波长也不同。每一种元素的标识X射线的波长是固定不变的。产生标识X射线的最低激发电压U必须满足 为最低激发电压,不同的激发电压产生的标识X射线量占总的X射线量的比率是不同的。X射线谱示意图,W为脱出能。当,时,2023/3/13,18,管电压V1V2V3,2023/3/13,19,1)连续谱的形状与靶的材料无关。2)连续谱存在一最大的能量值,它取决于管电压。3)标识辐射的X射线波长是由跃迁的电子能量差决定的,与高速电子的能量(管电压)无直接关系,主要决定于靶物质的原子序数,原子序数越高,产生的标识辐射的波长越短。,2023/3/13,20,1.1.3 X射线管的焦点及
15、焦点的性能参量,实际焦点 灯丝发射的电子,经聚焦加速后,透射在阳极靶上的面积。有效焦点 X射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投 影的面积,即X射线照射在胶片上的有效面积。,两个焦点都具有面积的量纲,它们之间通过靶角,(target angle),建立起一定关系。有效焦点面积实际焦点面积sin,靶角越小,有效焦点的长度越小,即有效焦点的面积也越小。,实际焦点的大小直接影响X射线管的散热和影像的清晰度。面积越大,对散热越有利。但有效焦点的面积也将增大,必然引起在胶片上所成影像的清晰度,2023/3/13,21,X射线管焦点性能参量,1)X射线管焦点的方位特性2)焦点的X线量分布 3)管球焦
16、点对成像的影响,2023/3/13,22,X射线管焦点的方位特性,在X射线管的管轴垂直方向上投影得到有效焦点,投影的方位不同,有效焦点的尺寸也不一样。越靠近X射线管阴极方向所得到的焦点越大,而越靠向X射线管阳极方向所得焦点越小。,Return,2023/3/13,23,焦点的X线量分布,1、X光子数目;2、每个X光子的平均能量。X射线的量就是X射线能量在某一时间内的积累,单位时间的X射线的量就是X射线的强度。,在X射线管中,X射线强度的分布是不均匀分布。原因有两个:1)抵达靶面各处的电子密度不尽相同 靶面上各处辐射的X光子数密度不尽相同;抵达靶面上各处的电子与靶原子作用的情况千差万别 靶面上各
17、处辐射的单个X光子的能量千差万别。,2023/3/13,24,阶梯直槽的电位分布及电子轨迹,聚焦槽的形状及深度对电子集射影响很大。可通过选取适当的槽深及灯丝的相对深度,使主、副焦点重合,形成双峰分布的焦点。医学诊断用X射线管的焦点宽度上X射线强度的分布一般是双峰分布。,Return,2023/3/13,25,管球焦点对成像的影响,有效焦点大小的影响:有效焦点越小,得到的影像越清晰。当有效焦点为点光源时,胶片上的图像界线分明,图像边界的清晰度高;当有效焦点是面积为S,线度为AB的面光源时,胶片上图像边缘区域P由于线光源AB不能完全投照其上而出现半阴影,这种半阴影在X射线影像中称为半影,半影的出现
18、影响着影像的清晰度,使影像的边缘模糊不清,严重时甚至造成影像无从辨认。,2023/3/13,26,半影 缩小半影的方法:缩小有效焦点面积S;缩短被摄部位与胶片 间的距离。,2023/3/13,27,管球焦点对成像的影响,焦点面上X射线强度的分布不均匀产生的影响:若有效焦点的大小相同,但在焦点面上X射线强度的分布不均匀,那么所成影像的分辨率不同,也将使密度分辨率变差。焦点中央X射线强度越强,半影的影响越小,即高斯分布的X射线强度产生的X射线影像具有较高的分辨力。其次是矩形的均匀分布,又称矩形分布。分辨力最差的是双峰分布。,Return,2023/3/13,28,1.1.4 X射线管的容量,大量速
19、度极高的电子打在阳极靶上将产生很多热量,允许产热(或能承受热量)的最大负荷量,称为X射线管的容量。影响容量的因素有:实际焦点的大小管电压的高低管电流的大小X射线管连续使用时间焦点上电子分布的情况 阳极的构造及冷却方式,2023/3/13,29,X射线管容量的计算 通常用其最高管电压与管电流的乘积来表示 例:一给定的X射线管,额定管电压为200kV,额定管电流为20mA,求其容量。解:,容量,(单位:kW),管电压有效值(单位:kV),管电流(单位:mA),2023/3/13,30,小焦点可使影像清晰。但是焦点越小,在焦点上集聚的能量越高,产生的热量也就越高。因为只有约0.5%的电能转化为X射线
20、的能量,99.5%以上的能量转化为热能。最终将导致焦点面熔化。解决办法:双焦点技术、旋转阳极技术和水或油循环冷却技术,2023/3/13,31,在透视时使用小焦点 在摄影时使用大焦点,双焦点技术,2023/3/13,32,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,从而提高球管的功率。,旋转阳极球管,旋转速率有2700rpm、8500rpm(3倍频),甚至16000rpm(6倍频)。,旋转阳极球管的靶面,2023/3/13,33,水或油循环冷却技术,真空 油,在CT中使用油循环X线管 在心血管造影机X线机中使用水循环X线球管,2023/3/13,34,第二节、X射线辐射场的空间
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