X线机基础课件.ppt

1、医用医用X射线基本知识射线基本知识东营市人民医院东营市人民医院赵运立赵运立0546-8901978（13176622826）2015年年5月月第一部分第一部分影像学三阶段影像学三阶段常规影像学常规影像学 模拟图像模拟图像 (Conventional Imaging)现代影像学现代影像学 数字、断层图像数字、断层图像 (Modern Medical Imaging)分子影像学分子影像学 解剖、功能融合图像解剖、功能融合图像(Molecular Imaging)第一部分：基本知识第一部分：基本知识1X射线的产生与特性射线的产生与特性2X射线的医学应用射线的医学应用3影响影响X射线成像质量的主射线成

2、像质量的主要因素要因素一一.X射线的产生射线的产生1.1.伦琴的伟大功绩：伦琴的伟大功绩：看不见的光-X射线的发现 德国物理学家威廉康拉德伦琴出生于1845年。1893年他是德国维尔茨堡大学的教授兼物理研究所的所长，1894年出任该大学校长。十九世纪末，阴极射线研究是物理学的热门课题。在德国维尔茨堡大学工作的伦琴也对这个问题十分感兴趣，一直在从事阴极射线的实验工作。1895年11月为了研究阴极射线的特性，他把放电管用黑纸包裹得很严。当时，房间一片漆黑。在给阴极放电管接上高压电源进行实验中，伦琴意外地发现，在不超过一米远的小桌上，有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。一切断电源，荧光就立即消失，

3、这使他感到非常惊奇。经过反反复复的研究，伦琴最终确信：这是一种具有穿透性的、新的、还没有被认识的辐射。由于这种辐射的神秘性质还没有被认识，因此，伦琴按照“数学中未知量一般确定为X”的习惯称之为“X射线”。1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，将夫人的手拍成为第一张人手的X射线照片（图1）。照片上可以看到伦琴夫人手的骨骼，手指上的结婚戒指也非常清楚。发展历史发展历史 伦琴发现伦琴发现X射线的第一应用就是用于医学诊断。这射线的第一应用就是用于医学诊断。这是世界第一代是世界第一代X射线诊断机。由德国射线诊断机。由德国Philips公司研公司研制生产。世界上第一支制生产。世界上第一支X射线管也

4、诞生在该公司。射线管也诞生在该公司。应用的场景描绘和照片应用的场景描绘和照片2.X射线产生的必备条件射线产生的必备条件 灯丝发射出热运动电子群 电子群在高压电场作用下加速 高速运动的电子群撞击靶材料 电子群撞击靶面交换能量，产生X并释放出大量的热。X射线系统原理图射线系统原理图图图1:X射线产生的原理系统图射线产生的原理系统图图中：图中：T1-高压发生器；高压发生器；T2-灯丝电源；灯丝电源；K-灯丝灯丝；A-阳极，靶；阳极，靶；高压发生器高压发生器灯丝电源灯丝电源X射线管射线管X射线射线X光管总成与限束筒光管总成与限束筒高压箱部分与灯丝电源控制面板部分X光管部分限束筒限束筒 X射线机的基本结

5、构与各部作用射线机的基本结构与各部作用灯丝灯丝与灯丝电流控制：与灯丝电流控制：电流流过灯丝时，灯丝发热，产生热运动的自由电流流过灯丝时，灯丝发热，产生热运动的自由电子。电子。高压系统：高压系统：形成高压电场，给电子加速。形成高压电场，给电子加速。靶：靶：高速运动的电子撞击靶，交换能量，产生高速运动的电子撞击靶，交换能量，产生X射线射线冷却系统：冷却电子打靶时产生的热量。冷却电子打靶时产生的热量。3.X射线的产生示意图射线的产生示意图X射线管的结构固定阳极的固定阳极的X射线管射线管旋转阳极的旋转阳极的X射线管射线管4.X射线的能谱分布射线的能谱分布X射线谱由连续谱和射线谱由连续谱和标识谱标识谱两

6、部分组成两部分组成，标标识谱识谱重叠在连续谱背景重叠在连续谱背景上，上，连续谱连续谱是由于是由于高速高速电子受靶极阻挡而产生电子受靶极阻挡而产生的的 轫致辐射轫致辐射。标识谱。标识谱是由一系列线状谱组成，是由一系列线状谱组成，它们它们因靶元素因靶元素内层电子内层电子的跃迁而产生，每种元的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识素各有一套特定的标识谱，反映了谱，反映了 原子壳层结原子壳层结构构 的特征的特征核物理基本知识核物理基本知识(选选1)1.物质的基本结构物质的基本结构:按照唯物主义观点按照唯物主义观点,物质是无限可分的。物质是无限可分的。原子核与轨道电子原子核与轨道电子 根据原子模型根据原

7、子模型:原子是由原子核与核外轨道电子组成。原原子是由原子核与核外轨道电子组成。原子核带正电，轨道电子带负电，并且根据核电场和轨道电子子核带正电，轨道电子带负电，并且根据核电场和轨道电子的结合能有规律地排列在各个壳层。的结合能有规律地排列在各个壳层。当被外加电场加速的被外加电场加速的电子电子轰击轰击靶靶材料，材料，高速运高速运动的电子接近靶的原子核动的电子接近靶的原子核时，由于带负电的电子受时，由于带负电的电子受到靶材料原子核的正电场到靶材料原子核的正电场吸引而改变运动方向。电吸引而改变运动方向。电子在改变运动方向的同时子在改变运动方向的同时损失能量而减速。电子损损失能量而减速。电子损失的能量直

8、接以失的能量直接以X射线的射线的形式释放出。形式释放出。特征特征X射线的产生射线的产生 必须有一个前提必须有一个前提:即高速电子必须有击脱即高速电子必须有击脱K层电子的层电子的最低能量。最低能量。(把把K层电子打出轨道层电子打出轨道)特征特征X射线是在内层轨道电子跃迁中产生的。稳态射线是在内层轨道电子跃迁中产生的。稳态的原子必须按照规定的排列保持的原子必须按照规定的排列保持“满员满员”。如果从。如果从靶原子中移走一个电子，则原自会有剩余正电荷，靶原子中移走一个电子，则原自会有剩余正电荷，成为正离子。原子恢复稳态则成为正离子。原子恢复稳态则K层空位常由层空位常由L层的电层的电子补充。由于子补充。

9、由于L层电子具有的能量大于层电子具有的能量大于K层电子层电子,因因此当此当L层电子转移到层电子转移到K层时一定要把多余的能量释放层时一定要把多余的能量释放出来，这多余的能量便以出来，这多余的能量便以K特征特征X射线形式发出。射线形式发出。L层空位由层空位由M层的电子补充层的电子补充,多余的能量又产生多余的能量又产生L特征特征X射线射线,但其能量比但其能量比K特征特征X射线小很多。射线小很多。特征特征X（标识（标识X）产生示意图）产生示意图5.X射线的主要特性射线的主要特性 连续谱，可以穿透物质；具有光的特性：反射、散射、干涉、衍射等；具有实物粒子的特性(波-粒二相性)；可以引起光化学反应；和物

10、质相互作用时，使某些物质产生荧光；和物质相互作用时，交换能量可以使某些物质电离、产生热量等；对人体有害可以引起生物效应。X射线的能谱特性射线的能谱特性 有最小波长 （与kVp有关）：最小波长最小波长min的计算：单位为：的计算：单位为：1nm 能谱分布特性与过滤条件（固有过滤和附加过滤）有关；X X射线谱由连续谱和标识谱射线谱由连续谱和标识谱两部分组成；两部分组成；VeVhC239.1minminX射线的质（射线的质（X射线的穿透力）射线的穿透力）X射线的能量特性常用半值层射线的能量特性常用半值层HVL表示。表示。a.半值层半值层 HVL定义定义：使某一能量的初始使某一能量的初始X射线的射线的

11、量量减小到一半时，减小到一半时，所穿过某种均匀材料的厚度叫做半值层。所穿过某种均匀材料的厚度叫做半值层。（也有叫半价层）（也有叫半价层）诊断水平诊断水平HVL测量常使用测量常使用mmAl表示。治疗表示。治疗水平水平HVL测量采用测量采用mmCu表示。表示。半值层半值层 HVL与激发电压与激发电压kV、固有过滤、固有过滤fT和和附加过滤附加过滤fA有关。有关。b.半值层（半值层（HVL）的测量）的测量L1L2A0测量条件：1.L1=L2 ；即半值层片放在焦点与探测器中间；2.L2 10cm；即半值层片放在距离探测器前大于10cm的位置。焦点焦点S探测器探测器D过滤片过滤片fX射线管的固有过滤和附

12、加过滤射线管的固有过滤和附加过滤 X射线管的总过滤=固有过滤+附加过滤 什么叫固有过滤？什么叫附加过滤？总过滤与半值层对应关系曲线 能量、能量、剂量剂量与总过滤的关系与总过滤的关系 总过滤越厚半值层总过滤越厚半值层HVL越大，能谱分越大，能谱分布越窄，等效能量布越窄，等效能量越高。越高。但最大能量但最大能量点（点（或最小波长或最小波长min）不变。）不变。过滤越厚对过滤越厚对X射线的射线的吸收、减弱越厉害。吸收、减弱越厉害。测量到的剂量值越测量到的剂量值越小。小。6.影响影响X射线产生的主要因素射线产生的主要因素 曝光量曝光量Px（剂量）与下列因素有关：（剂量）与下列因素有关：式中：),1,(

13、21RfMVtmAfPTbnmxxbbm,mAnV1,bMTf21R比发射率比发射率灯丝电流灯丝电流激发电压与纹波激发电压与纹波靶材料靶材料靶角靶角总过滤，固有过滤总过滤，固有过滤+附加过滤附加过滤距离的反平方关系距离的反平方关系t曝光时间曝光时间*重要说明重要说明 关于剂量的说明：关于剂量的说明：度量度量X射线的量是什么？射线的量是什么？1.能量表述：能量表述：激发电压激发电压kV、最小波长、最小波长min、半值层、半值层HVL2.剂量表述：剂量表述：（有强度、有强度、R量等说法）量等说法）照射量照射量X、空气比释动能、空气比释动能Ka伦琴伦琴R已经淘汰不能再用已经淘汰不能再用什么叫剂量剂量

14、 剂量剂量是来自医学的一个术语。是从是来自医学的一个术语。是从吃一吃一剂剂药的药的数量数量来的。来的。剂量这一术语在目前剂量这一术语在目前唯一正确的应唯一正确的应用是作为吸收剂量的简称用是作为吸收剂量的简称。这是由于这是由于X射线被发现后，立即被射线被发现后，立即被应用于医学诊断和治疗的缘故应用于医学诊断和治疗的缘故。二二.医用诊断医用诊断X射线机的射线机的分类分类与与基本组成基本组成1.X射线机最基本的结构射线机最基本的结构 最原始的X射线机（一）、（一）、医用诊断医用诊断X射线机的射线机的分类分类 1按结构分：携带式移动式固定式 2.按照功用分类1223456（二）、医用（二）、医用X X

15、诊断机的基本结构诊断机的基本结构不论何种医用X射线诊断机，不论其功用如何强大，基本结构不外乎下面几个单元：X射线管及其总成 限束筒（限束器、光阑）高压发生器及其控制单元 灯丝电流控制单元 曝光时间控制单元 图像接收与记录部分1.X射线管总成（球管总成）射线管总成（球管总成）X射线管总成射线管总成高压接头高压接头出射窗出射窗3.X射线诊断影像系统的构成射线诊断影像系统的构成 X射线产生和焦点部分 图像生成系统：荧光屏、胶片、CR成像板（IP板）、DR成像板、图像增强器（影像增强器）图像处理系统：洗片机、激光打印机、CR的激光扫描系统、DR成像处理系统、图像处理软件 图像显示系统：显示器、图像记录

16、系统：胶片、激光打印机、焦点焦点附加过滤附加过滤固有过滤固有过滤辐射质（穿透力）辐射质（穿透力）胶片成像胶片成像荧光屏（或荧光屏（或CR、DR探测器）探测器）图象增强器图象增强器CCD或图像转换系统或图像转换系统图像显示系统图像显示系统常规平面成像常规平面成像X射线诊断系统示意图射线诊断系统示意图辐射野辐射野激光打印机或激光打印机或硬拷贝系统硬拷贝系统X射线机几乎覆盖所有临床应用拍片床拍片床床旁机床旁机CR牙科全景照相牙科全景照相乳腺机乳腺机C C形臂形臂胃肠机胃肠机牙科牙科CTCT线骨密度扫描仪线骨密度扫描仪DSADRCTCT断层机断层机PET-CTPET-CT牙科机牙科机透视机透视机便携式

17、透视机便携式透视机X射线的医学应用射线的医学应用 X射线的医学应用主要用于射线的医学应用主要用于对疾病的影像诊断。对疾病的影像诊断。还有少量的还有少量的X射线浅表的治射线浅表的治疗。如：皮肤美容、疤痕的疗。如：皮肤美容、疤痕的治疗、适用的浅表病变。治疗、适用的浅表病变。1.X射线诊断是医学影像学的射线诊断是医学影像学的重要内容重要内容 常规诊断透视和拍片常规诊断透视和拍片 数字化诊断技术推动数字化诊断技术推动CR、DR的发展的发展 计算机断层扫描成像（计算机断层扫描成像（CT）与高速螺旋）与高速螺旋CT动态扫描成像（心脏动态扫描）动态扫描成像（心脏动态扫描）数字减影成像数字减影成像DSA与心导

18、管介入治疗与心导管介入治疗 目前列入世界十大医疗科技前沿技术的目前列入世界十大医疗科技前沿技术的分分子影像学子影像学与与图像引导的精密立体定位治疗图像引导的精密立体定位治疗技术技术等成为医学诊断、治疗的重要手段。等成为医学诊断、治疗的重要手段。2.X射线诊断技术的核心是射线诊断技术的核心是影像质量影像质量 图像是医生判断疾病发生的重要根据。图像应该真实反映受检者体内的器官特征 图像应该在临床医学可以接受的限度下表征出疾病的现象 设备的技术特性应满足临床医学的要求 医生应能正确发挥设备应有的技术特性 归结成一点：使在患者受到X射线最小伤害的前提下，得到最佳的诊断图像。X射线诊断可提供结构形态学图

19、像结构形态学图像，核医学核医学成像和成像和PET-CT可提供可提供器官功能图像器官功能图像。三、三、影响图像质量的影响图像质量的主要因素主要因素1.影响图像质量的主要因素：影响图像质量的主要因素：影响影响X射线曝光量射线曝光量P的几个因素：的几个因素：空气比释动能率、灯丝电流、曝光时间空气比释动能率、灯丝电流、曝光时间 影响射线质（穿透力）的有：影响射线质（穿透力）的有：激发电压激发电压kV、总过滤、总过滤f与半值层（与半值层（HVL）影响焦点特性的有：影响焦点特性的有：焦点大小和焦点是否发散焦点大小和焦点是否发散 影响图像探测的因素：影响图像探测的因素：探测器的尺寸、动态范围、信探测器的尺寸

20、、动态范围、信/噪比噪比 图像处理算法与探测系统失真图像处理算法与探测系统失真 激光相机与洗相过程激光相机与洗相过程A.影响曝光量的因素影响曝光量的因素 曝光不足图像不清晰 曝光过量图像太黑 影响因素：mA;mAs;sB.影响穿透力的因素影响穿透力的因素 激发电压激发电压kV、总过滤、总过滤f与半值层（与半值层（HVL）射线穿不透人体时，图像细节无法辨别。射线穿不透人体时，图像细节无法辨别。射线能量过高，反差加大，图像细节也射线能量过高，反差加大，图像细节也无法辨别。无法辨别。C.影响焦点特性的有：影响焦点特性的有：焦点大小和焦点是否发散焦点大小和焦点是否发散 焦点的形成示意图焦点的形成示意图

21、焦点对成像质量的影响焦点对成像质量的影响可以得到的结论：投照条件一定情况下 焦点大，模糊区大，图像不清晰，图像轮廓难以确定。焦点小，模糊区小，图像清晰，图像轮廓容易确定。几何不清晰度几何不清晰度的概念的概念焦点尺寸一定时，焦点尺寸一定时，被观察点被观察点距胶片越距胶片越远，放大倍数越大，远，放大倍数越大，由于模糊区也随之由于模糊区也随之增大，图像越不清增大，图像越不清晰。晰。焦点发散使得模糊区变大变多焦点发散使得模糊区变大变多D.影响图像探测的因素影响图像探测的因素 探测器的尺寸、动态范围、信探测器的尺寸、动态范围、信/噪噪比比 胶片的颗粒度、胶片的颗粒度、胶片的灰雾度、胶片的灰雾度、胶胶片黑

22、度与曝光量的关系曲线；片黑度与曝光量的关系曲线；（正（正确的曝光范围应该在曲线的直线段确的曝光范围应该在曲线的直线段内）内）E.探测系统与图像处理算法失真探测系统与图像处理算法失真 图像增强器的特性(图象畸变、视场不均匀等)坏点与探测器损坏坏点与探测器损坏 图像处理算法（数据丢失、畸变、散射修正、混图像处理算法（数据丢失、畸变、散射修正、混叠分析等）叠分析等）63 图像例证：图像例证：64图像例证图像例证65坏点实例坏点实例F.激光相机与洗相过程激光相机与洗相过程 激光相机的问题成为图像质量的重要因素。数据丢失、畸变等；洗相的过程：温度、药液浓度、药液洁净度、清洗液、胶辊等；本部分完小节：小节

23、：X射线产生的基本要素与X光机的主要组成 X射线的主要特性 X射线成像系统的基本组成 影响图像质量的主要因素一一.1 X射线产生的必备条件射线产生的必备条件 灯丝发射出热运动电子群灯丝发射出热运动电子群 电子群在高压电场作用下加速电子群在高压电场作用下加速 高速运动的电子群撞击靶材料高速运动的电子群撞击靶材料 电子群撞击靶面交换能量，产生电子群撞击靶面交换能量，产生X并并释放出大量的热。释放出大量的热。1、X射线系统原理图射线系统原理图图图1:X射线产生的原理系统图射线产生的原理系统图图中：图中：T1-高压发生器；高压发生器；T2-灯丝电源；灯丝电源；K-灯丝灯丝；A-阳极，靶；阳极，靶；高压

24、发生器高压发生器灯丝电源灯丝电源X射线管射线管X射线射线2、X射线机的基本结构与各部作用射线机的基本结构与各部作用灯丝灯丝与灯丝电流控制：与灯丝电流控制：电流流过灯丝时，灯电流流过灯丝时，灯丝发热，产生热运动的自由电子。丝发热，产生热运动的自由电子。高压系统：高压系统：提供高压电场，给电子加速。提供高压电场，给电子加速。靶：靶：高速运动的电子撞击靶，交换能量，产高速运动的电子撞击靶，交换能量，产生生X射线射线冷却系统冷却系统：冷却电子打靶时产生的热量。冷却电子打靶时产生的热量。二二.X射线的主要特性射线的主要特性 连续谱，可以穿透物质；具有光的特性：反射、散射、干涉、衍射等；具有实物粒子的特性

25、(波-粒二相性)；可以引起光化学反应；和物质相互作用时，使某些物质产生荧光；和物质相互作用时，交换能量可以使某些物质电离、产生热量等；对人体有害可以引起生物效应。半值层定义与表示方法 半值层与kV、固有过滤、附加过滤有关焦点焦点附加过滤附加过滤固有过滤固有过滤辐射质（穿透力）辐射质（穿透力）胶片成像胶片成像荧光屏（或荧光屏（或CR、DR探测器）探测器）图象增强器图象增强器CCD或图像转换系统或图像转换系统图像显示系统图像显示系统三、常规三、常规X射线诊断成像系统组成射线诊断成像系统组成辐射野辐射野激光打印机或激光打印机或硬拷贝系统硬拷贝系统四、影响四、影响X射线曝光量的主要因素射线曝光量的主要因素 根据曝光量Px（剂量）公式：式中：),1,(21RfMtmAVfPTbnmxxbbm,mAnV1,bMTf21R比发射率比发射率灯丝电流灯丝电流激发电压与纹波激发电压与纹波靶材料靶材料靶角靶角总过滤，固有过滤总过滤，固有过滤+附加过滤附加过滤距离的反平方关系距离的反平方关系t曝光时间曝光时间曝光量直接影响图像质量 激发电压kV：对应穿透力和对比度 mA、mAs、s直接影响低对比度 总过滤和半值层决定穿透力（与激发电压对应）总过滤决定有用射线束的剂量（曝光量）