【医学图像处理】X-ray成像之与物质的相互作用

X射线束可能是：

1. 透射：通过不受影响或能量较低的
2. 吸收：将所有能量转移到物质上，而不穿过患者到达胶片
3. 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

1. X射线光子撞击自由/松散结合的外壳电子
2. 电子吸收一些光子的能量并偏转
3. 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。

$康普顿衰减系数=密度/能量$

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

• $\tau$：光电LAC
• $\rho$：质量密度
• $Z$：原子序数
• $E$：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33 keV，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：2 HVL

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

8 mm = 4个HVL 2 4 = 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（$\mu$）由下式计算：

$\mu$= LAC，单位：$cm^{-1}$

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。

$\mu$= LAC，单位：厘米-1 MAC单位：厘米2克-1 $\rho$=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= 2 HVL
• 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：

• 30 keV用于空气，水和组织
• 铝和骨的50 keV
• 碘和钡的300 keV
• 铅500 keV

20200427