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一、X光

1. 电离辐射

  • X-Ray和CT均不存在放射性，而是电离辐射。

  • 束缚电子从所在的能级转移到不受原子核吸引并处最低能态时所需克服的能量叫 结合能。

  • 氢电子的结合能为13.6eV。大于13.6eV的能量具有电离的可能性。

2. 电子束与物质的能量传递

  • (a)碰撞转移： 入射电子的一部分能量转移给被撞击电子, 入射电子产生折射。概率极小基本不考虑。

  • (b)辐射转移: 入射电子撞击K层电子, 激发或电离原子, 高层电子向内层跃迁, 释放特定能量, 即 特征辐射。

  • (c)轫致辐射: 入射电子受到原子核吸引而减速，释放的能量产生轫致辐射, 占比最多。

  • (b)和(c)两部分构成X射线。

3. 射线来源

  • X射线来自于原子的电子云。

  • 伽马射线来自于原子核内的放射性衰变。

4. X射线与物质的相互作用

X射线与物质的电子云发生反应，主要包括 光电效应 和 康普顿散射 两种。

  • 光电效应：光子被原子完全吸收，能量完全转移。

  • 康普顿散射：康普顿散射后能量改变。

  • 光电效应 是提供不同组织 对比度 的主要机制。

  • 康普顿散射 则是限制X光图像 分辨率 的主要原因。

  • 在医学影像的能量范围内：X-Ray能量越大，光电效应的可能性越大，光子的穿透能力越强；康普顿散射的概率基本保持不变。

5. X射线衰减的几何特性

  • 窄射线、单光子： \(\mu\) 为线性衰减系数。公式：\(I = I_0 e^{-\mu x}\)。

  • 半价层（HVL）：光子衰减一半的位置。\(HVL= 0.693/\mu\)。

  • 宽射线： 由于康普顿散射，更多的光子被探测到；但也因此，实际探测到的能量比窄射线情况低。

6. 距离衰减

  • X射线的衰减与距离有关，暴露的能量与距离的平方成反比。

7. 滤波与准直

  • 滤波：进入人体前被吸收的低能射线。低能X射线无法穿透人体，对成像没有帮助，但增加了辐射剂量，因此需要对这部分射线进行过滤和消除。

  • 额外添加的滤波：铝（1-3mm厚）；铜+铝（铜会产生8keV的特征辐射，因此要再加一层铝）。测量单位：mm Al/Eq。

  • 准直：让X射线聚焦在所感兴趣的组织区域内。穿过球管的X射线本身成椎体状，比感兴趣区域要大很多，因此需要限束器。

  • 补偿过滤：补偿由于身体部位厚度不一致导致的衰减差异；使得探测器接收到的曝光量与身体厚度无关。

8. 造影剂/对比剂

  • ① 提升注射部位组织对X射线的吸收率，从而提高图像对比度；

  • ② 常见的造影剂包括碘和钡；

  • ③ 其K层电子结合能正好在诊断用X射线的能量范围内。

  • 造影剂应用场景：

    • ① 碘在甲状腺中富集，因此该部位无需造影剂；

    • ② 碘造影剂常通过静脉注射来提高血管、心脏、肿瘤等组织的对比度；

    • ③ 钡主要应用于胃肠道影像，因其不会被消化道吸收，即“钡餐” ；

    • ④ 空气本身因为不会吸收X射线，因此可以作为反向造影剂，例如肺部成像。

9. 图像质量参数

It为目标信号强度, Ib为背景信号强度。

  • 对比度 \(C = (I_t - I_b) / I_b\)

  • 信噪比 \(SNR = \frac{\Delta I}{\sigma}\)

10. 提高图像质量的方法

  • 提高对比度的方法： 改变X射线能量；使用对比剂；双能量技术。

  • 增加探测器检测到的光子数量的方法： 增加灯丝电流；延长 X 射线脉冲的持续时间；提高 X 射线的能量；使用更大面积的像素单元；更高效的探测器。

11. X 射线能量与 SNR、对比度和患者剂量的关系

  • 低 kVp（低 X 射线能量）：不同组织的衰减系数差异较大，图像对比度较高；但 X 射线穿透性较差，只有少量 X 射线光子能够透过人体，SNR低；患者的辐射剂量较高（低能量 X 射线更容易被吸收）。

  • 高 kVp（高 X 射线能量）：组织对比度降低，因为不同组织的衰减系数变得相似；人体对 X 射线的透明度提高，但单位伦琴下的光子数量减少，导致特定剂量下的 SNR 降低。

  • 最佳 SNR 选择：在高能量和低能量之间，SNR在某个点达到最大值；此时，组织仍具有相对良好的对比度，人体对 X 射线仍保持较高的透明度，同时单位辐射暴露下的光子数量较高。

【X光部分-习题与思考】

  • 【确定紫外线是否属于电离辐射】 电离辐射被定义为具有足够能量使电子从原子或分子中脱离，从而使其电离的辐射。电离所需的能量取决于原子或分子，但通常认为一般阈值约为 10 eV 到 13.6 eV。计算出的紫外线光子能量范围为 3.10 eV 到 310 eV 。由于紫外线光谱中有相当一部分拥有足以引起电离的能量，因此紫外线通常被视为一种电离辐射形式，特别是波长短于约 124 nm（对应于 10 eV）的部分。

  • 【射程 (Range) 定义】 射程 (Range) 定义为线性衰减系数μ的倒数。它代表射束强度降低到其原始值的1/e时的距离。对于组织中的电离射束，你希望其射程的大致数量级是多少？微米？毫米？厘米？米？千米？为什么？

    • ①微米：射程为微米意味着射束一进入组织几乎立即停止。这除了治疗皮肤表面的肿瘤外毫无用处。

    • ②毫米：射程为毫米对于大多数应用来说仍然太短，无法到达体内深处的肿瘤

    • ③厘米：厘米量级（例如 5-25 cm）是理想的。这允许射束穿透到人体躯干或头部内的不同深度以有效靶向肿瘤。

    • ④米和千米：米级或更大的射程意味着射束穿过人体时几乎没有相互作用或能量沉积，使其在治疗上无效。

  • 【我们正在设计一个X射线管，想要使用更轻的滤过器】 除了铜之外，我们还有一种密度为 \(\rho\)、在 80 kVp 下质量衰减系数为 \(\mu/\rho\) 的新材料。为了满足 NCRP 建议的在 80 kVp 下2.5 mm Al/Eq 的要求，我们应该使用铜还是这种新材料？请解释。

  • 【固有对比度，对比度】