医学图像处理Xray成像之与物质的

X射线束可能是:

透射:通过不受影响或能量较低的吸收:将所有能量转移到物质上,而不穿过患者到达胶片分散:有或无能量转移衰减

衰减的X射线是被吸收,以较低能量透射或散射的X射线。这是一个指数过程,因此,光束强度永远不会达到零。发生衰减的主要方法有两种:

康普顿散射光电效应光束的衰减可以用数字表示:

半值层线性衰减系数质量衰减系数与物质的相互作用

可能发生三个过程并导致衰减:

康普顿效应(又名康普顿散射,固有散射)光电吸收弹性散射;康普顿效应

X射线光子撞击自由/松散结合的外壳电子电子吸收一些光子的能量并偏转失去一些能量的光子被偏转和散射。由于产生了散射光子,康普顿效应被认为是散射过程。

康普顿效应也称为非相干散射,因为光子能量的变化并不总是有序且一致的。X射线光子的能量变化取决于最终的散射角,而不取决于散射介质。光子释放给电子的能量越大,则:

降低剩余的偏转光子能量后续电子能量更高偏转光子的角度更大康普顿散射更常发生于:

外壳电子松散结合的电子康普顿衰减系数

这是X射线光子通过康普顿散射衰减的概率。它取决于可用电子的数量-材料的电子密度-以及物理密度,而不取决于材料的原子序数。这是因为,除了氢以外,所有材料都具有每克材料大约相同数量的可用电子。氢含量很大的材料每克具有更多的电子,并且康普顿衰减的可能性增加。

康普顿衰减系数=密度/能量康普顿衰减系数=密度/能量

摘要

康普顿散射量随以下因素增加:

质量密度增加增加材料的电子密度较低的X射线束能量(在诊断辐射范围内的最小范围)无效:

材料的原子数(氢含量高的材料除外)光电效应

X射线光子与来自内壳的结合电子相互作用。光子的所有能量都转移到电子上。这样,电子就有足够的能量被释放为光电子,并在壳中留下了“孔”。空穴被来自外壳的电子填充。随着这些电子从能量较低的外壳移动到能量较高的外壳,电子以特征能(即特征辐射)释放能量。释放的电子仅传播一小段距离,并将其能量沉积到周围的物质中。在低Z材料(例如组织和骨骼)中,高能光子与结合的电子碰撞。释放的光子几乎没有能量,并且在进一步的低能量或“俄歇”电子的喷射中立即被吸收,并且所有能量据称已被材料吸收。

光电LAC

光电相互作用的概率取决于以下方程式中所示的几个因素:

X射线光子的能量原子数质量密度τ=ρZ3/E3τ=ρZ3/E3

ττ:光电LACρρ:质量密度ZZ:原子序数EE:光子能量X射线光子的能量

当X射线光子能量略高于电子结合能时,光电相互作用的可能性最高。如果光子能量太低,它将无法释放电子。如果能量太高,则由于与能量立方成反比关系,相互作用的可能性会大大降低。

随着光子能量的增加,某些值会出现衰减的突然跳跃(k边缘和l边缘)。例如,在k边缘以下的能量下,光子没有足够的能量来释放k-当能量增加到刚好超过所需能量时,可以使用更多的电子进行相互作用,并且光子被光电反应衰减的可能性大大增加,这在碘中特别有用,边缘为33keV,处于诊断辐射范围内,可用于大幅增加光电效应,从而提供更大的组织对比度。

原子数

随着电子的结合能移近光子能量,随着原子序数的增加,光电相互作用增加。

摘要

光电效应更常见于:

内壳电子。紧密结合的电子。入射X射线能量刚高于电子束缚能,即与电子束缚能紧密匹配。光电效应随以下因素增加:

材料的原子序数更高。增加材料的质量密度。弹性散射

也称为相干,经典,未修改或瑞利散射。

光子从牢固地与其母原子结合的电子反弹如果光子能量小于电子的结合能,则发生材料中不会移动二次电子,并且不会产生电离或其他作用放射学意义不大竞争性互动

当光束通过材料时,光电散射和康普顿散射都有助于光束的总衰减。光电和康普顿相互作用的相对贡献取决于一些因素。

随着X射线光子能量的增加:

康普顿互动较少。但是光电相互作用的降低要大得多(即康普顿散射成为高能衰减的主要原因)。总衰减减小(即,更多的光子通过材料传输)。随着原子序数的增加:

康普顿互动没有改变。还有更多的光电相互作用。X射线光子的衰减更大。随着组织质量密度的增加:

康普顿和光电相互作用都增加。X射线光子的衰减更大。测量衰减

半价层(HVL)

这是X射线束穿透力的量度,并且是将X射线束衰减到其能量值一半所需的物质数量。HVL越小,材料的衰减越大,或者X射线束越弱。对于不同的梁材料和强度,它有所不同。要计算减少因子,请使用:2HVL

例如,如果光束的HVL为2mm,如果光束通过8mm的材料,光束会由于什么原因衰减?

8mm=4个HVL24=16光束被衰减16倍

线性衰减系数(LAC)这是材料衰减光束的可能性。它也可以表示为每单位轨迹长度转移到材料上的能量。LAC(μμ)由下式计算:

μ=0./HVLμ=0./HVL

μμ=LAC,单位:cm1cm1

质量衰减系数

MAC是光子束穿过材料区域时能量损失速率的度量。通过将LAC除以材料的密度,可以消除密度的影响。因此,MAC与密度无关,并且仅取决于材料的原子序数和光子能量。

MAC=μ/ρMAC=μ/ρ

μμ=LAC,单位:厘米-1MAC单位:厘米2克-1ρρ=密度

光束质量对衰减的影响

以上内容仅适用于在真空中传播的来自点源(无限小区域)的x射线的单能(一个能量值)光束。实际上,X射线束焦点不是一个好点,而是包含不同能量的光子,这些光子一旦离开X射线管,就不会在真空中传播。

较宽的光束

光束宽度增加=产生和测量的散射增加=测量的HVL更大

异质光束

X射线管产生的光束是各种能量的光子。较低能量的光子比较高能量的光子按比例衰减得更多,并且被去除,留下了较-高能量的光子,也称为“束硬化”。产生的光束具有较高的平均能量。因此,它可以更容易地穿透组织,并增加HVL。摘要

衰减是一个指数过程-光束强度永远不会达到零光束的穿透力通过其半值层(HVL)进行测量-导致光束强度降低50%的材料-深度-降低系数=2HVL质量衰减系数与材料密度无关-仅取决于材料的原子序数和光子能量宽光束-由于散射增加而增加了测得的HVL异质梁-HVL随着梁硬化而随着行进距离的增加而增加

这两个过程在以下位置均等发生:

30keV用于空气,水和组织铝和骨的50keV碘和钡的keV铅keV



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