醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)1.4X射線在物質(zhì)中的衰減

當(dāng)X線通過物質(zhì)時(shí)，由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)等作用，使射線的強(qiáng)度減弱。即物質(zhì)所致的衰減。x射線在物質(zhì)中傳播過程中強(qiáng)度減弱包括1.傳播過程中距離導(dǎo)致的擴(kuò)散衰減（能量的分散）2.吸收衰減

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)X射線強(qiáng)度衰減的平方反比定律：均勻介質(zhì)中的射線強(qiáng)弱

I1/I2=r22/r21

I1,I2分別表示半徑為r1r2的球面上x射線強(qiáng)度注：1.此式只是用于點(diǎn)源的球面發(fā)射

2.只能在真空中成立，但空氣中產(chǎn)生的減弱很少改善途徑：改變射線管焦點(diǎn)到膠片的距離從而調(diào)節(jié)射線強(qiáng)度

返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)一、單能X射線的衰減二、連續(xù)X射線的衰減三、X射線的濾過四、診斷X射線的衰減醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)一、單能窄束x射線在物質(zhì)中衰減的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

–△I=μ·I·△x（強(qiáng)度的減弱=比例系數(shù)·厚度）令△x→0，dI=–μ·IdxI=I0exp(–μx)

穿過厚度為x的均勻物質(zhì)后射線強(qiáng)度

=入射射線強(qiáng)度·exp（–線性衰減系數(shù)?厚度）lnIlnI0x可見：1.不論吸收體多厚，輻射強(qiáng)度的理論值永不為零2.對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，射線強(qiáng)度的對(duì)數(shù)與吸收體的厚度呈直線關(guān)系，直線的斜率等于線性衰減系數(shù)μ。下一頁醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)單能：由能量相同的光子組成的x射線窄束：射線中不存在散射成分。實(shí)際中，將射線通過鉆有細(xì)長(zhǎng)孔的厚鉛板做成的準(zhǔn)直器之后的射線看作窄束。準(zhǔn)直器作用:吸收散射線返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)

光子數(shù)減少但頻率不變！醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)修正寬束（含有散射線成分）射線衰減公式：

I（探測(cè)器收到的含有散射線的射線光子）

=BI0（入射的寬束射線光子）exp（-μ′x）

B:積累因子，是描述散射光子影響反映寬束和窄束區(qū)別的物理量，即某物質(zhì)元中X光子計(jì)數(shù)率與未碰撞物質(zhì)的X光子計(jì)數(shù)率之比

B=1+μ′x（B≧1）

μ′：被檢物質(zhì)的有效線性衰減系數(shù)，與吸收體厚度、形狀、面積、探測(cè)體與吸收體之間的距離、光子的能量有關(guān)。

x：被檢物質(zhì)的厚度醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)二、連續(xù)能譜x射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律連續(xù)能譜x射線束指能量從最小值到最大值之間的各種光子組合成的混合射線束。連續(xù)x射線的有效能量：如果某一單能射線的吸收系數(shù)與連續(xù)Χ射線在特定厚度范圍內(nèi)平均吸收系數(shù)相等，便可用此單能射線的能量來表示連續(xù)Χ射線的平均能量，稱作有效能量。連續(xù)能譜窄束x射線的衰減

I=I1+I2+

+In=I01exp(-μ1x)+I02exp(-μ2x)+

+I0nexp(-μnx)

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)連續(xù)能譜x射線的衰減特點(diǎn)比單能射線衰減更大；強(qiáng)度變小（射線量減?。?，硬度變大（質(zhì)提高），且逐漸接近入射射線中的最高能量（低能光子易被吸收，射線束通過物質(zhì)后高能成分所占比率相對(duì)增大）醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)光子數(shù)水模厚度100kv單能X線100kv連續(xù)X線

連續(xù)能譜x射線與比單能射線衰減比較如圖，可見連續(xù)X射線衰減更大。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)決定X射線衰減程度的因素1.射線本身的性質(zhì)（單能或連續(xù)，高能或低能）在100kv能量范圍內(nèi)，射線與物質(zhì)作用系數(shù)隨射線能量的增加而減少，即線性衰減系數(shù)減少，射線穿透力越強(qiáng)，2.吸收物質(zhì)的性質(zhì)（物質(zhì)的密度，原子序數(shù)，每千克物質(zhì)所含電子數(shù)）3.物質(zhì)厚度

總結(jié)：作為整體效應(yīng)，不管哪種作用占優(yōu)勢(shì)，X線能量↑，光電效應(yīng)發(fā)生的概率↓，衰減量↓，透過量↑。下一頁醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)

吸收物質(zhì)密度越大，原子序數(shù)越高，每千克電子數(shù)越多，使射線衰減的能力越強(qiáng)，射線的穿透越差。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)吸收與組織密度成正比鋇的原子序數(shù)56，碘劑的原子序數(shù)53，它們與X線作用發(fā)生光電效應(yīng)的概率是軟組織的約367倍。軟組織的密度是空氣密度的773倍。返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)返回

吸收體厚度越厚，射線束相對(duì)強(qiáng)度越弱，能譜組成中，高能成分比率增加，能譜寬度逐漸變窄。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)

意義：低能X線不能透過人體(吸收)，對(duì)形成X線影像不起作用，但卻大大增加被檢者皮膚照射量。為減少無用低能光子對(duì)皮膚和淺表組織的傷害，需采用適當(dāng)?shù)臑V過措施，在管口放置一定均勻厚度的金屬，吸掉低能部分，使平均能量增高。三、X射線的濾過醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)

a、固有濾過包括X線管的玻璃管壁、絕緣油、管套上的窗口和不可拆卸的濾過板。用鋁當(dāng)量表示。

鋁當(dāng)量：指一定厚度的濾過材料用相同衰減效果的鋁板厚度表示。一般診斷X光機(jī)的固有濾過在0.5~2mmAl。對(duì)軟組織攝影則需要低濾過X線,以增加軟組織對(duì)比度.醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)

b、附加濾過包括附加濾過板、遮光器的濾過等。根據(jù)衰減厚度能量分布不同,依具體情況選擇管電壓和材料形狀厚度醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)濾過板厚度及對(duì)照射劑量的影響

使用低濾過高千伏攝影,對(duì)受檢者十分有害。而厚度濾過技術(shù)對(duì)受檢者降低劑量有重要意義.鋁板厚度(mmAl)皮膚照射量(C/kg)照射量下降百分?jǐn)?shù)(%)00.51.03.06.14×10-44.78×10-43.28×10-41.20×10-40224780醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)

一般用鋁（濾除低能射線）和銅（濾除較高能射線）做濾過板。或者兩者做復(fù)合濾過板，即銅面向射線管，鋁面向被檢者，可以濾出銅板產(chǎn)生的8kev的標(biāo)識(shí)射線，鋁板產(chǎn)生的1.5kev的標(biāo)識(shí)射線被空氣吸收。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)楔形或梯形濾過板獲取射線影像過程中，如果投照部位的厚度相差太大，要得到均勻密度的影像，可以使用楔形或梯形濾過板。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)四、診斷放射學(xué)中X線的衰減人體的構(gòu)成元素和組織密度

人體主要由以下物質(zhì)組成：骨骼，軟組織（肌肉，脂肪），肺、消化道及腔內(nèi)氣體除少量的鈣、磷等中等原子序數(shù)物質(zhì)外，其余全由低原子序數(shù)物質(zhì)組成的化合物。吸收X線最多的是由Ca3(PO4)2組成的門牙，吸收X線最少的是充滿氣體的肺。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)

化合物的有效原子序數(shù)：在相同照射條件下，1kg復(fù)雜物質(zhì)與1kg單元素物質(zhì)吸收輻射能相同時(shí)，該單元素的原子序數(shù)即為化合物的有效原子序數(shù)。

ai為第i種元素在單位體積中電子數(shù)的占有比率,Zi為第i種元素的原子序數(shù)。如水中:氧的電子數(shù)比率2.68:3.34，氫的電子數(shù)比率0.66:3.34。氧、氫的原子序數(shù)分別為8和1，所以醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)

有效原子序數(shù)的近似公式為ai為第i種元素原子在分子中的原子個(gè)數(shù)，Zi為第i種元素的原子序數(shù)。如水中：氧原子個(gè)數(shù)為1，氫原子個(gè)數(shù)為2，所以占有人體大部分成分的水有效原子序數(shù)為醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)化合物線性衰減系數(shù)的影響因素1.線性衰減系數(shù)化合物原子序數(shù)：物質(zhì)原子序數(shù)↑光子與物質(zhì)作用截面↑射線束的線性衰減系數(shù)↑，對(duì)于化合物一般用有效原子序數(shù)來描述其衰減特性。2.線性衰減系數(shù)

吸收物質(zhì)的密度所以實(shí)際屏蔽中多用密度大的物質(zhì)（鉛）3.線性衰減系數(shù)每單位體積電子數(shù)（而非電子密度、各種物質(zhì)的電子密度幾乎相等）

射線在物質(zhì)中衰減，主要是x線光子與物質(zhì)中電子相互作用，因此物質(zhì)電子數(shù)目越多，越易使射線衰減。當(dāng)康普頓散射占優(yōu)勢(shì)時(shí)（稍高能攝影時(shí)），單位體積電子數(shù)成為衰減的主要因素。如骨與肌肉。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)?診斷用射線（100kev以下）經(jīng)過人體組織透射光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)

所以在人體內(nèi)x射線的衰減與光子本身能量和物質(zhì)原子序數(shù)有關(guān)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)低原子序數(shù)物質(zhì)：肌肉、脂肪、體液中原子序數(shù)物質(zhì)：骨骼（鈣）高原子序數(shù)物質(zhì):碘化鈉等陽性造影劑穿透力比較圖醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)人體不同組織的線衰減系數(shù)μ(m-1)管電壓(kV)脂肪(×102)肌肉(×102)骨骼(×102)4050607080901001101201301401500.33930.26530.21960.20090.19050.18320.18010.17740.17550.17420.17320.17240.40120.29330.24550.22130.20760.19940.19420.19060.18820.18640.18520.18422.44341.41790.96770.73420.60470.54080.48650.45300.42980.41320.40100.3918醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)掌握為什么手部拍片用低管電壓？

定性說明：管電壓較低時(shí)，射線在骨和軟組織內(nèi)的衰減都以光電效應(yīng)為主（正比于物質(zhì)的原子序數(shù)三次方），所以骨的衰減系數(shù)是軟組織的6倍，在X照片上顯示出強(qiáng)烈的對(duì)比，如使用高于100kv的射線攝影，此時(shí)衰減以康普頓散射為主（與單位體積電子數(shù)有關(guān)，肌肉3.36每單位，骨5.55每單位），此時(shí)骨與軟組織衰減差別僅為0.6，影像對(duì)比明顯下降。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)定量計(jì)算：以手部拍片為例，說明X線在人體不同組織中的衰減差別及與管電壓的關(guān)系。用40kV拍片骨肌肉而用150kV拍片骨肌肉

衰減差別大，形成高對(duì)比度醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)為什么胸部成像采用高千伏攝影？胸部包括肺、心臟、肋骨、胸骨。對(duì)胸部的成像一般采用120kv以上的高壓攝影。這是因?yàn)楦吖茈妷簳r(shí)，物質(zhì)的吸收衰減以康普頓散射為主，發(fā)生概率與原子序數(shù)無關(guān)，此時(shí)，骨骼與軟組織和肺部（氣體）的影像密度相差不大，即使相互重疊也不會(huì)被骨影覆蓋，從而使與骨骼相重疊的軟組織和骨骼本身的細(xì)小結(jié)構(gòu)及含氣的管腔變得易于觀察，即獲得較高的影像對(duì)比度；并且管電壓越高，相對(duì)于光電效應(yīng)來說，被檢者的劑量降低了。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)了解：其他射線與物質(zhì)的作用

β射線即電子流，帶有負(fù)電，其質(zhì)量很小，因此在運(yùn)行中容易被其他電子所偏轉(zhuǎn)，所以其徑跡曲折，其實(shí)際穿透深度小于其徑跡長(zhǎng)度。在β射線徑跡的末端,電離密度最大，這是由于此時(shí)電子能量已顯著降低，速度減慢,與靶物質(zhì)原子作用幾率加大,單位距離內(nèi)形成的離子對(duì)增多。在臨床上使用直線加速器發(fā)生的高能電子流照射組織時(shí)，主要的電離作用產(chǎn)生在深部，而90Sr放射源放出的β射線則在淺層（1-2mm）引起最大電離作用。射程長(zhǎng)短取決于電子能量的大小。1.β

射線與物質(zhì)的作用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)其他射線與物質(zhì)的作用

α射線即氦核組成的粒子流，由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成，故帶有2個(gè)正電荷，質(zhì)量數(shù)為4，比電子質(zhì)量大約8000倍。α粒子在組織中通過較慢，穿透距離甚短，最多只幾百微米。故α射線由外照射對(duì)機(jī)體不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。但發(fā)射α粒子的放射性核素進(jìn)入體內(nèi)時(shí)，由于其物理特征，其電離密度較大，造成的損傷則更為嚴(yán)重。此外，放射性治療中用快中子或負(fù)π介子照射組織時(shí)，在組織中將產(chǎn)生α粒子，對(duì)殺傷癌細(xì)胞將起重要作用。2.α射線與物質(zhì)的作用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)其他射線與物質(zhì)的作用

中子不帶電,通過組織時(shí)不干擾帶電物質(zhì),只有在與原子核直接碰撞時(shí)發(fā)生相互作用.但慢中子或熱中子(能量在0.5eV以下)進(jìn)入原子核易被俘獲,而快中子(能量大于20keV)與原子核主要發(fā)生彈性碰撞.在中子與質(zhì)子(氫核)的一次碰撞中,中子的部分能量傳給質(zhì)子,產(chǎn)生反沖質(zhì)子,這種帶正電重粒子在組織中速度很快下降,引起高密度電離作用。中子與氧、碳、氮等原子核也發(fā)生彈性散射，其反沖核引起高密度的電離?？熘凶优c組織中更重的原子核相互作用可引起非彈性散射產(chǎn)生γ射線。此外,中子與物質(zhì)的原子核作用還會(huì)產(chǎn)生核反應(yīng),在反應(yīng)過程中釋放帶電重粒子、γ光子或產(chǎn)生放射性核素。

3.中子與物質(zhì)的作用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)其他射線與物質(zhì)的作用

快中子作用于組織時(shí)可產(chǎn)生帶電重粒子。此外，高能加速器還可將重粒子加速，使其具有穿透深部組織的能力。例如，質(zhì)子、氦核、負(fù)π介子等可在數(shù)厘米深處產(chǎn)生高密度的電離，達(dá)到集中殺死癌細(xì)胞的作用。關(guān)于負(fù)π介子的研究近年來特別受到放射治療領(lǐng)域的關(guān)注.負(fù)π介子屬于亞原子粒子,其質(zhì)量為電子的276倍,電荷同于電子,由同步回旋加速器將質(zhì)子加速到極高能量(500~700MeV)而作用于石墨或鉛靶時(shí)產(chǎn)生.當(dāng)其穿入組織被碳、氧、氫等原子核捕獲,釋放α粒子、中子和質(zhì)子,產(chǎn)生高密度電離作用。4.帶電重粒子與物質(zhì)的作用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-第1.4節(jié)輻射與物質(zhì)的作用類型及能量損失傳能線密度與相對(duì)生物效應(yīng)一.傳能線密度（LET）定義帶電粒子在組織(或其他物質(zhì))中經(jīng)過一定距離時(shí)由于碰撞而損失的能量.(J/m)生物損害與LET值正相關(guān)。高LET粒子在給定體積內(nèi)產(chǎn)生變化的幾率高，但并非無限