大学物理第19章 X射线.pptVIP

干涉、衍射在X射线波长较短时对成像影响不大，普森散射也由于X射线的光子能量比较大，其发生的概率比较小，对于X射线成像影响不大，电子对效应在医学成像领域不会出现，所以这里不做讨论。 1．光电效应 光电效应的现象是当高于一定频率的电磁波照射到金属表面，金属表面有电子逸出的现象，如图19-6所示。 入射光子 逸出电子 金属板 图19-6 光电效应示意图 2．康普顿散射 在较高能量X射线成像过程中，康普顿散射起主要作用。 1923年，康普顿发现X射线通过介质散射后波长变长、光子方向发生偏离的现象。 他将这一现象解释为光子与散射体原子中外层电子发生弹性碰撞的结果。 X射线光子与自由电子发生弹性碰撞，碰撞遵循能量守恒和动量守恒，光子的部分能量传递给自由电子，所以光子的能量减小即波长变长，由于光子撞击电子部位不一致，所以光子的出射方向也不一样，如图19-7所示。 根据计算结果，得到散射光子波长的改变量只取决于散射角度φ，而与入射光子的能量无关。 φ hc/λ0 hc/λ m0 v0=0 mv 图19-7 康普顿散射示意图 在光子能量较低时，光电效应起主导作用；光子能量较高时，是康普顿散射的优势区间。 图19-8所示为光电效应和康普顿散射的作用范围。 而光电效应和康普顿散射是相对独立的，所以总的衰减系数是这两项衰减系数之和。 介 质 原 子 序 数 80 70 60 50 40 30 20 10 0 50 100 1000 光子能量（keV） 图19-8 光电效应、康普顿散射作用区间 光 电 效 应 康 普 顿 散 射 19.2.2 单色X射线在介质中的衰减规律 单色X射线通过一定厚度的均匀靶介质后，沿入射方向出射X射线强度必然小于入射X射线强度，他们之间服从指数衰减规律。 对于非均质物体，如人体器官或组织，是由多种物质成分和不同密度构成的，假如认为某一非均质物体在X线束穿过的方向是由若干个厚度为d的容积元组成的，则每一个容积元可近似看作是一个均质物体，具有线衰减系数μ。 分析X线穿过该物体的强度与入射射线强度之间的关系，如图19-9所示。 图19-9　物质对X线的吸收 19.2.3 连续谱X射线在介质中的衰减规律 实际的X射线是由能量连续分布的光子组成的。 将能量连续分布的光子组成的X射线称为连续谱X射线。 当连续谱X射线穿过一定厚度的介质时，各波长X射线强度衰减的情况是不一样的，因为线性衰减系数和介质原子序数、介质密度及光子能量相关。 不同的介质，如骨骼、软组织、空气等的线性衰减系数是不一样的。 以水模为例，对于连续谱射线和单色射线的衰减规律，从图上可以看出，连续谱X射线透射的光子数比单色X射线要少，这表明，介质对连续谱X射线有更大的衰减，如图19-10所示。 图19-10 单色X射线和连续谱X射线的衰减 19.2.4 X射线在人体组织中的衰减 人体组织结构是由不同元素组成的，按各种组织单位体积内各元素总和大小的不同而有不同的密度。 人体组织结构按密度来分可以归纳为3类——属于高密度的有骨组织和钙化灶等，中等密度的有软骨、肌肉、神经、器官、结缔组织以及血液、体液等，低密度的有脂肪组织以及存在于呼吸道、胃肠道、鼻窦和乳突内的气体等。 骨骼和肌肉、脂肪、气体等在密度、原子序数、电子数密度上差异比较大，因此所形成的影像对比度比较高，肌肉和脂肪在上述指标上差异不是很大，因此X射线成像上所产生的影像对比度不够，不足以区分肌肉、脂肪等软组织，气体由于质量密度很小，所以也能区别于骨骼、肌肉等软组织。 图19-11所示为以手部摄影为例，各种组织在不同管电压下的线性衰减系数的变化。 可以看出手部骨骼和肌肉的线性衰减系数存在很大的衰减差别，在影像上将呈现高对比度的图像，而肌肉和脂肪的线性衰减系数曲线几乎重合，在影像上呈现的图像基本上看不出差别。 从图上还可以看出，当管电压增大时，3种组织的线性衰减系数趋于一致，原因在于较高的管电压产生较大能量的光子，而较高能量的光子撞击介质发生的基本上以康普顿散射为主，所以能量衰减比较多。 可见在进行X射线成像时需要注意选择一定的管电压范围。 图19-11 不同组织的线性衰减系数 第19章 X射线 X射线 19.1 X射线的衰减 19.2 19.1 X射线 自伦琴发现X射线后，X射线在医学界、物理学界得到迅速的认同与积极的反响。