X射线是如何产生的?

更新时间:2020-03-19 14:46:52点击次数:265次
CT机***重要的组成部分包括在扫描机架中的 X 光球管,及其对面的一排探测器。打开CT的盖子,转动的内部结构好像滚筒洗衣机,当机架绕着人体旋转一圈,X 光也照了一圈,经计算机处理后就能得到截面图。
本文获得作者授权,在平台发布。作者:丁紫寒,医学物理学博士,知名医院肿瘤科物理师。其实前面我也发布过一篇文章《CT原理》系列,其中就有讲述X线是如何产生的及X线发生器等CT的基本部件。下面链接:CT原理(一)
CT原理(二)
CT原理(三)

丁紫寒博士这篇文章是一个非常好的补充和延伸,文中有很多视频、动图,方便大家理解。非常感谢丁博士的分享。

CT机***重要的组成部分包括在扫描机架中的 X 光球管,及其对面的一排探测器。打开CT的盖子,转动的内部结构好像滚筒洗衣机,当机架绕着人体旋转一圈,X 光也照了一圈,经计算机处理后就能得到截面图。


本篇文章重点来讲讲X光球管。

X 光球管外壳是用熔点高、绝缘强度大的钼组硬质玻璃制成。内部真空以减少对电子的阻挡,并分成两极,通电时,电压差可达 150kV。 


在阴极的这个位置,装有钨制灯丝,单独接入 6~12V 的低压电,像灯泡一样发光发热并放出高能电子,温度越高,电子越多。

在两极电压差的影响下,电子将从阴极快速撞击在由铼钨合金制成的阳极靶盘上,因为遇到原子外层的电子云减速,电子损失的动能就会转化成“制动辐射”(bremsstrahlung)。


此外,阳极靶盘上的原子,其本身低能级的内层电子会被阴极发出的电子撞飞,这时高能级的外层电子就会往里跃迁,填补空位,损失的能量就会转化成“特征辐射”(characteristic x-ray)。

两种辐射的合起来就是CT X球管射出的X 光,波长在 0.01~10 nm 之间。不同能量对应不同的X射线光谱,下图中显示了一些CT制造商使用的典型X射线光谱。其中突起的几个尖状物就是特征辐射部分,而连续的部分则是制动辐射减去被过滤掉低能量硬化后的射线。滤掉低能部分是因为光子能量太低无法穿过人体到达探测器,无法贡献影像信息反而给病人徒增剂量。一般来说,射线的平均能量为******能量的1/3。


就像牛吃100斤草才能转换成3斤牛肉一样低效,电子到光子的转换效率更是低于1%,其他全部转换为热能。电子束长时间轰击阳极靶某一点会产生巨大热量,不能长时间连续工作,否则会阳极靶会被烧蚀。


X球管做了几件事以增加阳极的热负荷能力。


******,会从阳极靶盘 6~17.5° 的斜面射到球管外面,这样实际的焦点长度比投影的焦点长度大,增大了曝光面积,也就减少了单位面积上所承受的电子数。但这样也有代价,焦点面积越大,散热率越快,但图像清晰度会下降。

另外,阳极是倾斜的,在较厚的一边会吸收更多的射线,所以会减少射线的通量,造成X射线沿着z轴的profile出现足跟效应(heel effect)。 

第二,阳极靶盘在电机驱动下,每分钟可转一万圈,使阳极被电子束轰击的点变成一个环,电子束轰击产生的热量得以分散。并且可不断增加阳极靶盘直径(靶面直径的增加会增加球管体积和重量)和提高阳极转速等方法可以提高的热容量和散热速率。 



第三,现代CT靶面的厚度也有所增加,用合金材料代替纯钨阳极,提高热容量,并在阳极背面涂上石墨层。石墨层能将热量以红外的形式辐射出去,进一步提高散热能力。


第四,******的CT球管开始采用特殊的液态金属代替阳极的滚球轴承,增加热传导面积,热传导率是滚轴轴承的1000倍,大大提高了热冷却能力,另一方面还能减少噪声和振动。

***后,球管外循环流动着散热油,通过油来将热量导走。球管与散热油一起封装在铅制管套内,防止辐射外泄,只留一个窗口放出 X 光。


******热容量冷却速率是X球管非常重要的参数。热容量通常用HU (Heat Unit) 来表示。注意,此HU非彼HU-Hounsfield Unit。现代的CT通常都有几百万个HU,用MHU表示。

X线球管处于******冷却速率时,所允许承受的******热量是有限值的。其计算公式为

Heat (J) = KV x mAS

Heat (HU) = 1.4 x heat (J).

J为焦耳,KV代表电压,mAS代表毫安秒


为了支持抗击新冠疫情,许多影像公司都捐助建设了方舱CT。在***近的一篇报道中,真是看到了CT的极限使用:一小时35人,一天840人次!!! 不到两分钟做一个CT,真是惊讶!


国产CT速度真快,不过再次提醒大家,CT有剂量,一次胸部CT扫描约7毫西弗(约等于三年本底辐射量),一定要注意正当性剂量的***优化

前文链接:关于电离辐射——我们需要知道的


本篇全部动图出自PaperClip回形针,推荐大家在各大视频网站搜索观看回形针出品的 X 光如何看穿你的颈椎、腰椎病视频,科普、专业两相宜。热负荷部分参考摘录自懋式百科全书的CT原理(二)。


 更多CT原理,可以参考本公众号的

漫话CT(一)能用CT定位扫描代替数字影像重建DRR吗?

漫话CT(二)为什么CT值与电子密度转换曲线(CT to ED)不是直线?

及懋式百科全书里的

CT原理(一)

CT原理(二)

CT原理(三)


非常感谢丁紫寒博士的分享,希望对大家有所帮助。大家可以关注她的公众号《医学物理******》。

《医学物理******》。


(编辑:longcai)

点击这里给我发消息