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1、医学成像技术节第1页，共27页，编辑于2022年，星期五一、一、x x射线与物质相互作用系数射线与物质相互作用系数v作用截面（反应截面）作用截面（反应截面）一个入射粒子与单位面积上一个靶粒子发生相互作用的概率一个入射粒子与单位面积上一个靶粒子发生相互作用的概率 =-=-（I/II/I）/N/N x b x b（1b=101b=10-23-23m m2 2）（巴恩（巴恩/原子，原子，bambam）N N：靶物质的靶粒子密度（单位体积内的靶粒子数）：靶物质的靶粒子密度（单位体积内的靶粒子数）x x：通过的靶物质的厚度：通过的靶物质的厚度 N Nxx：表示底面积为单位面积，长为：表示底面积为单位面积
2、，长为xx的柱体内的靶粒子数（单位面积内的的柱体内的靶粒子数（单位面积内的靶粒子数）靶粒子数）如单个粒子与物质的相互作用有多种形式，即存在多个相互作用的截面，如单个粒子与物质的相互作用有多种形式，即存在多个相互作用的截面，则总的相互作用截面等于则总的相互作用截面等于 第2页，共27页，编辑于2022年，星期五v 线性衰减系数线性衰减系数 linear attenuation coefficient linear attenuation coefficient表示表示1 1：X X射线光子与每单位厚度的物质发生相互作用的概率射线光子与每单位厚度的物质发生相互作用的概率 （线性衰减系数）（线性衰减
3、系数）=n n（m m-1-1）n n：靶物质单位体积内的靶粒子数：靶物质单位体积内的靶粒子数 可见：即作用截面与衰减系数只是同一物理性质的不同表达方式可见：即作用截面与衰减系数只是同一物理性质的不同表达方式 表示表示2 2：X X射线束穿过靶物质时在单位厚度上入射射线束穿过靶物质时在单位厚度上入射X X射线光子数减少的百分数射线光子数减少的百分数 dx dx：光子穿过的物质薄层厚度：光子穿过的物质薄层厚度 dN dN：穿过：穿过dxdx薄层时，有薄层时，有dNdN个光子与物质发生了作用个光子与物质发生了作用 对于每一种作用形式，定义其相应的线性衰减系数，总的线性衰减系数等对于每一种作用形式，
4、定义其相应的线性衰减系数，总的线性衰减系数等于于第3页，共27页，编辑于2022年，星期五v质量衰减系数质量衰减系数 mass attenuation coefficientmass attenuation coefficient 线性衰减系数与吸收物质的密度成正比，物质密度越大，线性衰减线性衰减系数与吸收物质的密度成正比，物质密度越大，线性衰减系数越大，系数越大，x x射线衰减的程度越大，透射能力越弱。而物质的密度随温度射线衰减的程度越大，透射能力越弱。而物质的密度随温度或气压的变化而变化，因此线性衰减系数也会随温度和气压的变化而变或气压的变化而变化，因此线性衰减系数也会随温度和气压的变化而
5、变化。为避免这一缺陷，定义了质量衰减系数：化。为避免这一缺陷，定义了质量衰减系数：m m=/=n/n/（m m2 2kgkg-1-1）物理意义物理意义：X X光子穿过物体与单位质量厚度的物质发生相互作用光子穿过物体与单位质量厚度的物质发生相互作用概率概率.总质量衰减系数等于各分质量衰减系数之和。总质量衰减系数等于各分质量衰减系数之和。第4页，共27页，编辑于2022年，星期五二、主要作用形式二、主要作用形式v光电效应（吸收）（photo electric effect）v康普顿效应（散射）（compton scattering）v电子对效应（electric pair effect）下一页第5
6、页，共27页，编辑于2022年，星期五定义：定义：X X光子通过物质时，与物质原子的光子通过物质时，与物质原子的内层电子或束缚电子内层电子或束缚电子发生相互作用，把发生相互作用，把全部能量传递给该电子，光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成全部能量传递给该电子，光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子（光电子）；原子的电子轨道出现一个空位处于激发态，为自由电子（光电子）；原子的电子轨道出现一个空位处于激发态，它将通过发射标识它将通过发射标识x x射线的形式回到基态。射线的形式回到基态。次级粒子次级粒子：光电子，正离子，新的光子（标识辐射光子）光电子，正离子，新的光子（标识辐射光子）e-
7、+photoelectronCharacteristicX-ray lineX-ray photon第6页，共27页，编辑于2022年，星期五 作用对象作用对象：X-X-射线与物质原子的射线与物质原子的内层电子或束缚电子内层电子或束缚电子相互作用相互作用。过程过程：若光子能量大于束缚电子的结合能。若光子能量大于束缚电子的结合能。1 1）电子被电子被光子光子击出：击出：“光电子光电子”产生。产生。光子本身消失了光子本身消失了，2 2）物质的物质的原子被电离原子被电离，原壳层处留下，原壳层处留下空位空位。3 3）“光电子光电子”继续继续撞击物质中的其它原子，它的动能以撞击物质中的其它原子，它的动能
8、以热热的形式的形式 消耗在附近晶格中；消耗在附近晶格中；4 4）空位空位为外层电子（自由电子）所填充，产生辐射，发出标识为外层电子（自由电子）所填充，产生辐射，发出标识X-X-射射 线光子。线光子。5)5)原子内壳层电离时，所缺一个电子留下的空位由原子内较高能量的电子来补充，原子内壳层电离时，所缺一个电子留下的空位由原子内较高能量的电子来补充，但这时并不发出辐射而把跃迁的能量交给另一个较高能量的电子，使之激发到但这时并不发出辐射而把跃迁的能量交给另一个较高能量的电子，使之激发到原子外面成为自由电子，这个电子就是俄歇电子原子外面成为自由电子，这个电子就是俄歇电子 第7页，共27页，编辑于2022
9、年，星期五1.在在0和和180方向没有光方向没有光电子子2.入射入射X光子能量很低光子能量很低时，垂直，垂直入射方向出入射方向出现光光电子的子的频率最大；率最大；随入射随入射X光子能量增加，角分布逐光子能量增加，角分布逐渐倾向沿光子入射方向向沿光子入射方向第8页，共27页，编辑于2022年，星期五发生条件：发生条件：入射光电子的能量某壳层结合能，光电效应不发生。入射光电子的能量某壳层结合能，光电效应不发生。光电子动能光电子动能=入射光电子的能量入射光电子的能量-该出射光子在原所在原子壳层中的结合能该出射光子在原所在原子壳层中的结合能 普通普通x x射线影像技术中，射线影像技术中，x x线能量线
10、能量10-300KeV10-300KeV，生物体，生物体K K系电子结合能系电子结合能0.5KeV0.5KeV，所以完全可以发生光电效应，且光电效应占主导地位。所以完全可以发生光电效应，且光电效应占主导地位。作用系数：作用系数：因光电效应而导致的因光电效应而导致的X X射线光子衰减的系数称为光电衰减系数射线光子衰减的系数称为光电衰减系数实验证明光电质量衰减系数实验证明光电质量衰减系数ZZ3 3 /（）即：原子序数越大，电子在原子中束缚的越紧，其参与光电效应的概率越大；即：原子序数越大，电子在原子中束缚的越紧，其参与光电效应的概率越大；x x射线光子能量增大，光电效应概率迅速减小射线光子能量增大
11、，光电效应概率迅速减小 第9页，共27页，编辑于2022年，星期五v光电效应在诊断放射学中的应用：光电效应在诊断放射学中的应用：1.1.无散射线，大大减少了照片的灰雾度无散射线，大大减少了照片的灰雾度2.X2.X射线造影：利用射线衰减与原子序数射线造影：利用射线衰减与原子序数zz3 3，使用造影剂来增加人体组织与造，使用造影剂来增加人体组织与造影剂之间的吸收差别，提高影像对比度影剂之间的吸收差别，提高影像对比度.3.3.软软X X摄影：利用低能射线在软组织中因光电吸收的明显差别产生摄影：利用低能射线在软组织中因光电吸收的明显差别产生高对比度高对比度照片，详见第二章照片，详见第二章 。4.4.高
12、千伏摄影：低能时，入射的射线通过光电效应可全部被人体吸收，受高千伏摄影：低能时，入射的射线通过光电效应可全部被人体吸收，受检者受射线剂量增加，所以应尽量减少光电效应的发生。一般利用光检者受射线剂量增加，所以应尽量减少光电效应的发生。一般利用光电效应中射线质量衰减系数（即发生概率）与光子能量电效应中射线质量衰减系数（即发生概率）与光子能量3 3次方成反比的次方成反比的原理，在实际工作中采用高千伏摄影，减少光电效应的发生，可降低原理，在实际工作中采用高千伏摄影，减少光电效应的发生，可降低射线射线剂量剂量。第10页，共27页，编辑于2022年，星期五习题：放射诊断学中的光电效应习题：放射诊断学中的光
13、电效应a.优点优点提高成像质量提高成像质量b.缺点缺点 入射入射X X线通过光电效应几乎全部被人线通过光电效应几乎全部被人放疗时增加对肿瘤组织的剂量放疗时增加对肿瘤组织的剂量因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾利用造影剂可增加对比度利用造影剂可增加对比度体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有负面作体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有负面作用。用。返回第11页，共27页，编辑于2022年，星期五发生过程：发生过程：当入射当入射X X射线光子和原子内一个轨道电子发生相射线光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失一部分能量，并改变运动方向，成互作用时，光子损
14、失一部分能量，并改变运动方向，成为散射光子；电子获得能量而脱离原子，成为反冲电子，为散射光子；电子获得能量而脱离原子，成为反冲电子，这个过程称为康普顿效应，这个过程称为康普顿效应，第12页，共27页，编辑于2022年，星期五作用对象作用对象：X-射线与物质原子的外层电子或自由电子相互作用。入射射线与物质原子的外层电子或自由电子相互作用。入射X-X-射线光射线光子把一部分能量传给电子。子把一部分能量传给电子。1 1）入射光子与自由电子碰撞中，一部分能量转移给自由电子，入射光子与自由电子碰撞中，一部分能量转移给自由电子，自己的能量下降，频率降低，波长变长，获得能量的自由电自己的能量下降，频率降低，
15、波长变长，获得能量的自由电子脱离原子，称为反冲电子。子脱离原子，称为反冲电子。电子沿一角度反冲弹出电子沿一角度反冲弹出，动能，动能通过电离和激发过程最后变成热消耗掉；通过电离和激发过程最后变成热消耗掉；2)2)光子并不消失光子并不消失，但能量减小（从而它的频率降低），但能量减小（从而它的频率降低），方向改变方向改变，这个光子称这个光子称散射光子散射光子；3)3)结果结果:原射线方向下原射线方向下的的光子数就减少光子数就减少（衰减）了。（衰减）了。第13页，共27页，编辑于2022年，星期五 注注:康普顿效应的散射线，是康普顿效应的散射线，是X X线检查中最大的散射线来源线检查中最大的散射线来源
16、,且充满整个检查室且充满整个检查室空间。必须引起工作人员和防护人员的重视空间。必须引起工作人员和防护人员的重视,并采取防护措施并采取防护措施.散射光子可在散射光子可在0-180的整个空间范围内散射，反冲电子只能出现在的整个空间范围内散射，反冲电子只能出现在0 -90 的范围内。的范围内。随着入射射线能量的增加，反冲电子和散射光子都表现为前冲趋势随着入射射线能量的增加，反冲电子和散射光子都表现为前冲趋势第14页，共27页，编辑于2022年，星期五作用系数：作用系数：因康普顿效应导致的衰减的系数称为康普顿衰减系数。因康普顿效应导致的衰减的系数称为康普顿衰减系数。实验证明：康普顿质量衰减系数实验证明
17、：康普顿质量衰减系数11/即即:入射光子能量越大，康普顿衰减系数越小。与吸收物质的原子序数无关入射光子能量越大，康普顿衰减系数越小。与吸收物质的原子序数无关。所有物质康普顿质量衰减系数几乎相同（。所有物质康普顿质量衰减系数几乎相同（除氢元素外，大多数材料具有相同除氢元素外，大多数材料具有相同每克电子数）。每克电子数）。但康普顿效应发生概率但康普顿效应发生概率 单位体积内的电子总数，通常原子序数高的物单位体积内的电子总数，通常原子序数高的物质较高，发生康普顿散射的可能性也大一些。质较高，发生康普顿散射的可能性也大一些。第15页，共27页，编辑于2022年，星期五v康普顿散射效应在诊断放射学中的应
18、用：康普顿散射效应在诊断放射学中的应用：诊断诊断x x射线放射学中，由人体组织引起的诸多衰减因素中最重要的是康射线放射学中，由人体组织引起的诸多衰减因素中最重要的是康普顿散射，是造成衰减的主要因素。同时散射线增加照片的灰雾，对成像会普顿散射，是造成衰减的主要因素。同时散射线增加照片的灰雾，对成像会产生影响，降低了图像的对比度；由患者身上散射射线的能量与原射线相差产生影响，降低了图像的对比度；由患者身上散射射线的能量与原射线相差很小，且较均匀的分散在整个空间，成为对检查人员的照射，但与光电效应很小，且较均匀的分散在整个空间，成为对检查人员的照射，但与光电效应相比受检者的剂量较低。相比受检者的剂量
19、较低。返回第16页，共27页，编辑于2022年，星期五v定义：定义：入射光子与原子核周围的电场相互作用时，一个光子的全部能量入射光子与原子核周围的电场相互作用时，一个光子的全部能量会转变成具有静止质量的一个负电子和一个正电子的现象会转变成具有静止质量的一个负电子和一个正电子的现象 产生的正负电子对在物质中损失能量后，达到热平衡，正电子在热平衡时与产生的正负电子对在物质中损失能量后，达到热平衡，正电子在热平衡时与物质中的负电子产生淹没物质中的负电子产生淹没 光子，发出两个光子，发出两个0.511MeV0.511MeV的的 射线，方向相反。这两个射线，方向相反。这两个 射线产生的时间非常短，与物质
20、再次相互作用产生光电效应与康普顿效应，产生次级射线产生的时间非常短，与物质再次相互作用产生光电效应与康普顿效应，产生次级快速电子。快速电子。第17页，共27页，编辑于2022年，星期五作用作用对象：对象：X-X-射线与物质原子在射线与物质原子在原子核区原子核区相互作用相互作用过程过程：X-射线光子的能量 1.02 Mev 产生电子对（一个电子和一个正电子）（一个电子和一个正电子）二者静止质量所对应于的能量各为：二者静止质量所对应于的能量各为：光子有可能在原子核的电场中发生湮灭光子有可能在原子核的电场中发生湮灭第18页，共27页，编辑于2022年，星期五v产生条件产生条件 电子对效应中的电子总动
21、能电子对效应中的电子总动能Eke=Eke=-1.022Mev-1.022Mev 光子能量光子能量 1.022Mev 1.022Mev（正负电子的静止能（正负电子的静止能量）量）湮灭辐射：湮灭辐射：正负电子的静止质量相等，电荷量相等，电正负电子的静止质量相等，电荷量相等，电性相反，一般情况下，各自得到性相反，一般情况下，各自得到1/2 Eke1/2 Eke ，当他们通，当他们通过物质时，会通过电离或者激发逐渐丧失其动能，过物质时，会通过电离或者激发逐渐丧失其动能，当正电子动能完全丧失时，会与物质中的自由电子当正电子动能完全丧失时，会与物质中的自由电子复合，两电子消失，产生飞行方向相反能量各为复合
22、，两电子消失，产生飞行方向相反能量各为0.511Mev0.511Mev的两个光子的现象。的两个光子的现象。第19页，共27页，编辑于2022年，星期五v作用系数：作用系数：电子对效应的质量衰减系数与原电子对效应的质量衰减系数与原子序数成正比。子序数成正比。当能量较低时，作用系数随当能量较低时，作用系数随X X射线光子能量线性增加；高能射线光子能量线性增加；高能时，随射线光子能量的变化逐时，随射线光子能量的变化逐渐变慢（对数关系）。渐变慢（对数关系）。所以，电子对效应的截面所以，电子对效应的截面与与Z Z成正比，随成正比，随X X射线能量增大射线能量增大而增大。而增大。返回第20页，共27页，编
23、辑于2022年，星期五 A.相干散射相干散射X线与物质作用的其他过程线与物质作用的其他过程 射线与物质相互作用而产生干涉射线与物质相互作用而产生干涉(衍射衍射)的散射过程叫相干散射。的散射过程叫相干散射。比如比如X X线对年晶体衍射产生的劳厄斑就是相干散射现象线对年晶体衍射产生的劳厄斑就是相干散射现象.相干散射是唯一不产生电离的过程相干散射是唯一不产生电离的过程。光子与原子核作用发生核反应的过程。比如释放中子、质子、光子与原子核作用发生核反应的过程。比如释放中子、质子、粒子和粒子和光子等。光核作用在光子等。光核作用在X X线诊断过程中不能发生，在线诊断过程中不能发生，在放疗中发生率也很低放疗中
24、发生率也很低。B.B.光核作用光核作用第21页，共27页，编辑于2022年，星期五X X线引发效应小结线引发效应小结光核作用光核作用+eehfhfhf+hfZee-e+第22页，共27页，编辑于2022年，星期五 在探测在探测x x射线时，主要利用射线时，主要利用x x射线与物质的三种相互作用（光电效应、射线与物质的三种相互作用（光电效应、康普顿效应与电子对效应）。这三种效应，一次作用损失掉全部或大部分能量，康普顿效应与电子对效应）。这三种效应，一次作用损失掉全部或大部分能量，然后产生次级电子，再在物质中产生电离与激发等效应，我们可以对其产生的然后产生次级电子，再在物质中产生电离与激发等效应，
25、我们可以对其产生的电子进行探测。这三种效应互相竞争，其产生的截面与电子进行探测。这三种效应互相竞争，其产生的截面与x x射线的能量以及物射线的能量以及物质的特性有关质的特性有关.总结：作为整体效应，不管哪种作用占优势，总结：作为整体效应，不管哪种作用占优势，X X线能量线能量，光电效应发生，光电效应发生的概率的概率，衰减量，衰减量，透过量，透过量。第23页，共27页，编辑于2022年，星期五三、各种相互作用的相对重要性三、各种相互作用的相对重要性v总的质量衰减系数总的质量衰减系数v总结：总结：0.01-0.8MevMev，光电效应占主导，光电效应占主导 0.8-4.0MevMev，康普顿散射占
26、主导，康普顿散射占主导 4.0-10MevMev，电子对效应占优势，电子对效应占优势 医学影像中，医学影像中，x x射线能量射线能量3.0Mev,3.0Mev,所以无电子所以无电子对效应。对效应。对低能射线，不管吸收物质的原子序数如何，主要是对低能射线，不管吸收物质的原子序数如何，主要是光电效应（乳腺摄影）。光电效应（乳腺摄影）。对高原子序数的碘，在整个诊断用射线范围内，以对高原子序数的碘，在整个诊断用射线范围内，以光电效应为主；原子序数较低的水和骨，随射线能量的增光电效应为主；原子序数较低的水和骨，随射线能量的增加，康普顿散射占主要地位。加，康普顿散射占主要地位。不同原子序数、不同光子能量下
27、，衰减系数各成分所占不同原子序数、不同光子能量下，衰减系数各成分所占 的主要区段的主要区段第24页，共27页，编辑于2022年，星期五放射诊断学中放射诊断学中三种作用发生的相对几率三种作用发生的相对几率放射诊断学中作用几率与放射诊断学中作用几率与Z Z和和E E的关系的关系X射射线能线能量量(KeV)水水（Z=7.4)骨骨（Z=13.8)碘化钠碘化钠（Z=49.8)光电光电(%)康普顿康普顿(%)光电光电(%)康普顿康普顿(%)光电光电(%)康普顿康普顿(%)20703089119466079331699551001999918812 对高原子序数的碘，在整个诊断用射线范围内，以光电效应为主；原子序对高原子序数的碘，在整个诊断用射线范围内，以光电效应为主；原子序数较低的水和骨，随射线能量的增加，康普顿散射占主要地位。数较低的水和骨，随射线能量的增加，康普顿散射占主要地位。第25页，共27页，编辑于2022年，星期五L限限K限限吸收限吸收限吸收限吸收限光子能量光子能量光光电电质质量量衰衰减减系系数数第26页，共27页，编辑于2022年，星期五v掌握光电效应和康普顿散射发生的机制、作用截面的影响因素、在成像中的利弊第27页，共27页，编辑于2022年，星期五