影像物理 X线课后答案

1-1,产生X射线需要哪些条件? 答：首先要有产生电子的阴极和被轰击的阳极靶：在阴极和阳极间的高压直流电,为防止阴极和阳极氧化以及电子与中性分子碰撞的数量损失,要制造压强小于10 -4Pa的真空环境,为此要有一个耐压、密封的管壳。1-2影响X射线管有效焦点大小的因素有哪些?答：影响有效焦点大小的因素有：灯丝大小、管电压和管电流、靶倾角。1-3在X射线管中，若电子到达阳极靶面的速度为1.5xl08ms-1,求连续X射线谱 的最短波长和相应的最大光子能量。答：此题的思路是由动能公式求出电子的最大动能,此能量也是最大的光子能量,从而求出最短波长。但当速度可与光速c3108ms-1相比较时,必须考虑相对论效 应,我们可以用下面公式求出运动中电子的质量。此题的结果告诉我们,管电压为73.8kV。反过来,如果知道管电压,求电子到达阳极 靶表面的电子速度时,同样需要考虑相对论效应。1-4下面有关连续X射线的解释?哪些是正确的? A.连续X射线是高速电子与靶物质轨道电子相互作用的结果; B.连续X射线是高速电子与靶物质的原子核电场相互作用的结果; C连续x射线的最大能量决定于管电压; D.连续X射线的最大能量决定决定于靶物质的原子序数; E.连续X射线的质与管电流无关。正确答案:B、C、E15.下面有关标识X射线的解释,哪些是正确的? A.标识X射线是高速电子与靶物质轨道电子相互作用的结果; B.标识X射线的产生与高速电子的能量元关; C.标识X射线的波长由跃迁电子的能级差决定;D.滤过使标识X射线变硬；E.靶物质原子序数越高，标识X射线的能量就越大。正确答案:A、C、E1-6影响X射线能谱的因素有哪些? 答：电子轰击阳极靶产生的X射线能谱的形状(归一化后)主要由管电压、靶倾角和固有滤过决定。当然,通过附加滤过也可改变X射线能谱的形状。 1-7影响X射线强度的因素有哪些? 答：x射线在空间某一点的强度是指单位时间内通过垂直于X射线传播方向上的单 位面积上的光子数量与能量乘积的总和。可见，射线强度是由光子数目和光子能量两 个因素决定的。影响X射线强度(量与质的因素很多，主要有：增加毫安秒，X射线的质不变、量增加,x射线强度增加;增加管电压，X射线的质和量均增加，X射钱强度增加;提高靶物质原子序数。X射线的质和量均增加，X射钱强度增加;增加滤过，X射线的质增加，但X射线的量减少；增加离X射线源的距离，X射线的质不变，X射线的量减少，X射线强度减少；管电压的脉动，X射线的质和量均降低，X射线强度减少。18 原子放出X射线前是静止的，为了保持活动不变，当它发出X射线时，原子经历反冲。设原子的质量是M，X射线的能量为h，试计算原子的反冲动能。答：次提到关键在于利用X射线的动量和能量的关系：根据动量守恒，可知：这样，原子的反冲动能为19 X射线摄影中，光电效应和康谱顿效应对影响质量和患者防护各有和利弊？答：诊断中的光电效应有利的方面是能产生质量好的影像。原因是：（1）不产生散射线，大大减少了照片灰雾；（2）可增加人体不同组织和造影剂对造影剂的吸收差别，产生高对比度的X射线照片，对提高诊断的准确性有好处。有还的方面是：入射X射线通过光电效应可全部被人体吸收，增加了受检者的吸收剂量。从全面质量观点讲，应尽量减少每次X射线检查剂量。康谱顿效应产生的散射线增加了照片灰雾，降低了影响的对比度，但与光电效应相比受检者吸收的计量较低。另外，从受检者身上产生的散射线能量与原射线相差很少，并且散射线对称的分布在整个空间，这一事实必须引起重视，医生和技术人员及病人家属注意防护。110 0.5cm的铝将单能X射线强度衰减到46.7，试求该光子束的HVL.答：根据衰减规律可知得线性衰减系数1.523cm-1据,得HVL=0.455cmAl1-11 质量衰减系数、质能转移系数和质能吸收系数三者之间的区别和联系怎样？答：X射线与物质相互作用时，一般情况，光子的一部分能量以散射辐射的方式从吸收体中辐射掉，另一部分转化为高速电子或正电子的动能。质量衰减系数表示入射X射线与相互作用的总概率，它包括所有可能发生的相互作用的概率之和。质能转移系数表示相互作用过程中光子能量转移给带电粒子的那一部分份额的总和。不过，由于光和反应及其他一些过程的发生概率很小，因而带电粒子的能量主要来自光电效益、康普顿效应和电子对效应。传递给带电粒子的能量，其中又有一部分转移成韧致辐射。质能吸收系数表示扣除韧致辐射后，光子交给带电粒子的能量用于造成电离、激发，从而真正被物质吸收的那一部分能量所占的份额。在数量上他们之间的关系为1-12已知人射光子的能量为hv,散射角为,试求散射光子的能量,并分析低能入射和高能入射光子在900方向上光子散射的情况。电子的静止能量为2meC2。 答：由能量守恒和动量守恒可得,散射光子能量h为:为人射光子能量h和电子的静止能量m0c2的比值, m0C2=meC2 =0. 511 MeV。 当=900时,由于(1+),故,这说明,不管入射光子的能量有多高， 900散射光子的能量最大不超过0.511MeV 。1-13 X射线在物质中的衰减规律的适用条件是什么?答：单能、窄束、均匀物质。1,-14 若空气中各组分的质量百分比为氮75% ,氧23.2，氩1.3%,试计算在能量为20keV光子作用下,空气的质量衰减系数。已知氮、氧、氩的质量衰减系数分别为 0.36、0.587、和8.31 (m2.kg -1)。答：根据混合物或化合物的质量衰减系数公2-7客观对比度、图像对比度与成像系统的对比度分辨力三者之间存在怎样的关系?答：客观对比度也称物理对比度,为物体各部分(被检者的组织器官)的密度、原子序 数及厚度的差异程度。客观对比度的存在是医学成像最根本的物理基础。 图像对比度是可见图像中灰度、光密度或颜色的差异程度,是图像的最基本特征。 一个物体要形成可见的图像对比度,它与周围背景之间要存在一定的客观对比度,当某种物理因子作用于物体后,能够形成一定的主观对比度,被成像系统的探测器检测出。 如果客观对比度较小,成像系统的对比度分辨力低,则所得的图像对比度小,图像质量差, 所以图像对比度的形成取决于客观对比度、主观对比度与成像系统的对比度分辨力。2-8可通过哪些方法形成主观对比度?答：广义上讲主观对比度是某种物理因子(如X射线、超声波、射频电磁波、放射性核素等与物体(人体)相互作用后所表现出的特征变化,或物体(人体)自身某种物理因子表现出的特征(如温度的分布) ,形成了某种物理因子对比度。当强度均匀的X射线投照到人体,由于人体存在客观对比度(人体各种组织、器官的密度、原子序数及厚度的差 异) ,对X射线衰减不同,使透射出人体的X射线的强度分布发生了变化,形成X射线对比度。由于声遇到声阻抗不同的界面时,会产生反射,且在声阻抗差别越大的界面,声的 反射越强,当强度均匀的超声波投照到人体,由于人体组织声阻抗的差别,不同的界面对超声波的反射不同,从而形成反映组织差异的超声对比度;利用多普勒效应,探测投射到流动血液上超声波频率的变化,则可形成另外一种超声对比度反映血流情况。人体不同的部位、组织温度有所不同,其红外辐射可形成红外对比度。引入体内的放射性核素会因参与体内物质的运输、集聚、代谢,而在空间有特定的分布,由此其衰变时发出的射线(如 射线)便会形成放射性活度对比度。人体中能够产生核磁共振的自旋核(如IH)分布及所处的状态不同,当用静磁场、射频场激励这些自旋核,使其发生核磁共振时,它们所产生的核磁共振信号特性便会有所不同,从而形成核磁共振信号对比度。人体不同组织的电 特性不同,给人体施加特定的电场,可形成电流对比度、电压对比度和阻抗对比度等。2-9图像的模糊度与哪些因素有关?答：理想、情况下,物体内每一个小物点的像应为一个边缘清晰的小点。但实际上,每个小物点的像均有不同程度的扩展,变得模糊(失锐)了。通常用小物点的模糊图像的线度表示物点图像的模糊程度,称为模糊度。图像的模糊度与成像系统的空间分辨力有很大关系。成像系统的空间分辨力是成像系统区分或分开相互靠近的物体的能力,以单位距离(mm或cm)内可分辨线对(一个白线条与一个黑线条组成一个线对)的数目来表示,单位为LP/mm(或LP/cm) ,显然单位距离内可分辨的线对数越多,成像系统的空间分辨力越高,所得图像的模糊度越小。由于成像系统的对比度分辨力对成像系统的空间分辨力有影响,所以也会对图像的模糊度产生影响.2-10图像对比度、细节可见度、噪声三者之间有怎样的关系?答：细节可见度与图像对比度有关。图像对比度高,细节可见度高;图像对比度低,细节可见度低。细节可见度减小的程度与细节结构的大小及图像的模糊度、图像对比度有关,当模糊度较低时,对于较大的物体,其图像对比度的减小不会影响到细节可见度;如果物体较小, 但其线度比模糊度大,则图像对比度的减小一般不会影响可见度;而当细节的线度接近或小于模糊度时,图像对比度的降低会对细节可见度产生明显的影响。噪声对图像中可见与不可见结构间的边界有影响。图像噪声增大,就如同一幅原本清晰的画面被蒙上了一层雾,降低了图像对比度,并减小细节可见度。在大多数医学成像系统中,噪声对低对比度结构的影响最明显,因为它们已接近结构可见度的阔值。图像对比度增大会增加噪声的可见度。2-16为什么通过能量减影可分别显示软组织或骨的图像?答：光电效应的发生概率与X射线光子的能量、物质的密度、有效原子序数有关,是 钙、骨骼、碘造影剂等高密度物质衰减X射线光子能量的主要方式;而康普顿效应的发生概率与物质有效原子序数元关,与X射线光子的能量略有关系,与物质的每克电子数有关(但因除氢外其他所有物质的每克电子数均十分接近,故所有物质康普顿质量衰减系数几乎相同)。医学影像诊断X射线摄片所使用的X射线束,在穿过人体组织的过程中,主要因发生光电效应和康普顿效应而衰减,常规X射线摄影照片所得到的图像中包含这两种衰减效应的综合信息。能量减影摄影照片利用骨与软组织对不同能量X射线的衰减方式不同(不同有效原子序数物质发生光电效应的差别会在对不同能量X射线的衰减变化中更强烈地反映出来)，及康普顿效应的产生在很大范围内与人射X射线的能量元关,可忽略不计的特点,将两种效应的信息进行分离,选择性去除骨或软组织的衰减信息,便可得到分离的软组织像或骨像。2-18普通X射线摄影像与X-CT图像最大不同之处是什么?答：普通X射线摄影像是重叠的模拟像,而X-CT图像是数字化的断层图像。2-19何谓体层或断层?何谓体素和像素?在重建中两者有什么关系?答:体层或断层是指在人体上欲重建CT像的薄层。体素是人体中欲重建CT像断层上的小体积元,是人为划分的,是采集(或获取)成像参数(衰减系数值)的最小体积元(实际中是扫描野进行划分) ;像素是构成图像的最小单元,是人为在重建平面上划分的,其数值是构成CT图像数据的最小单元。体素和像素的关系是两者一一对应。按重建的思想是体素的坐标位置和成像参数值被对应的像素表现(坐标位置对应、衰减系数值以灰度的形式显示在CT图像上)。2-20何谓扫描?扫描有哪些方式?何谓投影?答:所谓扫描系指在CT图像重建中使用的采集数据的物理技术,具体言之就是以不同的方式,沿不同的角度,按一定的次序用X射线对受检体进行投照的过程称为扫描。扫描方式从总体上说有平移扫描和旋转扫描两种。扫描的目的是为了采集足够的重建数据。投影的本意系指透射物体后的光投照在屏上所得之影。若物体完全透明,透射光强等于投照光强,则影是完全亮的;若物体半透明,透射光强小于投照光强,则影是半明半暗;若物体完全不透明,透射光强等于零,则影是完全暗的。按此种考虑,投影的本质就是透射光的强度。重建CT像过程中投影p的直接含义就是透射人体后的X射线强度,即教材中X射线透射一串非均匀介质(或人体)后的出射X射线的强度In，即p=In。广义之,这个投影 p又是由In决定的教材中表述的2-22什么是重建中的反投影法? CT的重建中,为何要用滤波反投影法?答:重建中的反投影法,系指把投影沿扫描路径的反方向将所得投影值反投回到各个体素中去的一种重建算法。反投影法又称总和法,它几乎是各CT生产厂家实际采用的唯一的算法。为克服反投影法重建产生的边缘失锐伪像,所以要对投影进行滤波后再进行反投影, 这样可以消除重建的边缘失锐伪像。 224 何谓CT值? 它与衰减系数的数值有什么关系?答：按相对于水的衰减计算出来的衰减系数的相对值被称为CT值。国标对CT值的定义为:CT值是CT影像中每个像素所对应的物质对X射线线性平均衰减量大小的表示。实际中,均以水的衰减系数w作为基准,若某种物质的平均衰减系数为,则其对应 的CT值由下式给出CT值的标尺按空气的CT值= 1000HU和水的CT值=0HU作为两个固定值标定,这样标定的根据是因空气和水的CT值几乎不受X线能量影响。CT值的单位为亨, HU ,规定w为能量是73keV的X射线在水中的衰减系数, w=19m-1。式中k称为分度因子,按CT值标尺,取k = 1000,故实用的定义式应表为2-27 何谓窗口技术? 什么叫窗宽? 窗宽取得宽或窄,对图像有什么影响? 什么叫窗位? 窗位取得高或低,对图像有什么影响?答：所谓窗口技术系指CT机放大或增强某段灰度范围内对比度的技术。把观察组织器官所对应的CT值范围确定为放大或增强的灰度范围,这个放大或增强的灰度范围 叫做窗口。具体做法是:把放大或增强的灰度范围的上限以上增强为完全白,下限以下压缩为完全黑,结果就增强了观察灰度范围的对比度。窗宽指窗口的数值范围,它等于放大或增强的灰度范围的上下限灰度值之差,用CT 值表示则为:窗宽= CTmax - CTmin窗宽取得宽的优点不易丢失图像数据，不丢失信息，表示在图像上就是不丢失结构（对应组织结构）；缺点是对比度差。窗位指放大或增强的灰度范围的中心灰度值，用CT值表示窗位取得高或低(同窗位取得标准相比)都易使图像数据丢失,表现在图像上都是丢失图像解构,窗位取得高图像偏白,窗位取得低图像偏黑。 2-28观察脑组织时,一般取窗宽为120HU,窗位为35HU,试估计脑组织的CT值范围。解:由于窗宽= CTmax - CTmin = 120HU可解得CT max = 95HU , CT min = - 25HU ,可见脑组织的CT值范围约为- 25HU - 95HU。2-29螺旋扫描同传统扫描有何不同?答：与传统CT第一个不同点是螺旋CT对X射线管的供电方式。螺旋CT因采用了滑环技术,对X射线管供电方.式采用的是:电刷与滑环平行,作可滑动的接触式连接,不再使用电缆线供电。第二个不同点是与传统CT的扫描方式不同。螺旋CT采集数据的扫描方式是X射线管由传统CT的往复旋转运动改为向一个方向围绕受检体连续旋转扫描,受检体(检查床)同时向一个方向连续匀速移动通过扫描野,因此,x射线管相对于受检体的运动在受检体的外周划过一圆柱面螺旋线形轨迹。扫描过程中没有扫描的暂停时间(X射线管复位花费的时间) ,可进行连续的动态扫描,故解决了传统扫描时的层隔问题。其优点主要有二,一是提高了扫描速度,单次屏气就可以完成整个检查部位的扫描,且减少了运动伪像;二是由于可以进行薄层扫描,且在断层与断层之间没有采集数据上的遗漏,所以可提供容积数据,由此可使在重建中有许多新的选择,如三维重建、各种方式各个角度的重建、各种回顾性重建等。 2-30何谓螺旋数据? 何谓螺旋插值? MSCT为什么要进行螺旋插值?螺旋内插方式有哪些?答：螺旋CT扫描采集数据的过程中因受检体随扫描床的不断移动,故使采集到的数据不是取自对同一断层扫描的采集结果,这些不是取自同一断层的采样数据称为螺旋数据。在螺旋CT的重建中,必须安排螺旋圈间采样数据的内插,用以合成平面(即同一断层内的)采样数据,以补充欲重建图像所对应的同一断层内的采样值。所以要这样做的原因是:由传统的重建理论知,为重建一幅断层图像而使用的采样数据,必须是取自对同一断层扫描的结果(传统CT的采集数据就是对同一断层扫描获取的,并据此重建一幅断层图像) ;而螺旋CT扫描采集数据的过程中因受检体随扫描床的不断移动,故使采集到的数据不是取自对同一断层扫描的螺旋数据,见教材中图3-28所示:传统CT对同一断层扫 描的数据采集点和螺旋CT扫描的数据采集点示意图,传统CT的数据采集点在同一断层内,螺旋CT扫描数据采集点的空间位置不断离开起始点所在的断层。为了得到同一断层的数据并据此来重建一幅断层图像,就必须根据不是取自同一断层的螺旋实测采样值,通过某种计算即所谓的内插算法来获取重建所需要的属于同一断层内的采样数据(即这些为了重建同一断层图像所需要的采样数据,并非像传统CT那样是由真实的扫描过程所采集到的,而是通过插值算法求出来的)。螺旋内插分为线性内插和非线性内插。线性内插分为3600线性内插和称为标准型的1800线性内插。非线性内插有清晰内插和超清晰内插等。最常用的是1800线性内插。 完成螺旋插值运算功能的部件叫螺旋内插器。 2-31单层螺旋CT与多层螺旋CT扫描使用的X线束有何不同?答：在传统CT和单层螺旋CT的扫描中,因只有一排检测器采集数据(接收信号) ,故通过准直器后的X线束为薄扇形束即可,且线束宽度近似等于层厚。而在MSCT的数据采集中,在长轴方向上有多排检测器排列采集数据(接收信号) ,故X射线束沿长轴方向的总宽度应大于等于数排检测器沿长轴方向的宽度总和才行。所以, MSCT扫描中被利用的X线束形状应是以X射线管为顶点(射出X线之处,称为焦点)的四棱锥形,这样的X线束才能同时覆盖多排检测器(实际使用时不一定要全覆盖)。称这样的X线束称为 小孔束或厚扇形束。2-32何谓容积数据? 多层螺旋CT的重建主要优点有哪些?答：所谓容积数据系指三维分布的数据。由于容积数据的获取,使得在此基础上的重建有了许多新的优点,这些优点也表现为多层CT优点。 MSCT的最大优势首先是实现了重建的各向同性(16层以上CT) ,如长轴分辨率和横向分辨率几乎完全相同,并且都很高(如16层CT纵向分辨率为0.6mm,横向为0. 5mm) ; 第二是大大地提高了检查速度(16层CT被称为亚秒级扫描CT,其单圈扫描的时间可短 到半秒) ,这些优点为动态器官重建及加快临床检查奠定基础;第三是为各种回顾性重建及三维重建的高质量提供保证。