第三节　X线的特性

一、概　述

X线辐射在医学成像中的特性之一是它的穿透能力。当它直接射入物体时，一些光子将被吸收或散射，而其他部分则完全穿透物体。穿透可用通过物体的辐射的百分数来表示，穿透与衰减呈反比。穿透的多少与单个光子的能量和物体的原子序数、密度以及厚度有关。

光子相互作用的概率，特别是与光子效应有关的相互作用概率，与它们的能量有关。增加光子能量，一般都要减小光子相互作用（衰减）概率，从而增加穿透作用。

二、光子的射程

讨论单个光子在被吸收或散射前所传播的射程或距离，对于理解光子的辐射穿透特性或许有帮助。当光子射入某种物体之前，要传播一定的距离，这个距离就可以认为是单个光子的射程。

辐射的一个特征就是所有光子并没有相同的射程，即使它们具有相同的能量。光子穿透的基本特性是传播到某一处的光子数目与传至该点的材料厚度之间的关系呈指数规律。

指数关系的性质是指在每一定厚度层物体中衰减进入其内的光子百分数是相同的，意味着与辐射线相遇的第一层物质经后面各层衰减的光子数目更多。

光子的平均射程就是光子间发生相互作用之前所传播的平均距离。只有非常少的光子的行程距离刚好等于平均射程。一组光子的平均射程与其衰减率呈反比。通过改变光子能量或物质种类的方法增加衰减率，可以降低光子的平均射程。实际，光子平均射程等于衰减系数μ的倒数，即：

因此，光子穿透某一物质的平均距离（射程）是由影响衰减率的因素决定的，即：光子能量、物质类型（原子序数）以及材料密度。

三、半价层

半价层（half value layer，HVL）是用来描述特定辐射的穿透能力，也可用来描述穿透物体常用的因数。HVL是能穿过一半辐射的物质厚度，用距离单位（mm或cm）来表示。

HVL随辐射穿透能力的增加而增加。HVL与平均光子射程相关，但并不相同。两者之间的差异是由X射线的衰减和穿透的指数特性造成的，其特性关系为：

这说明HVL与衰减系数呈反比。0.693是0.5（50%）的指数值（e-0.693=0.5）。改变衰减系数值的任何因素也都会改变HVL。在X射线系统中，铅有两个重要的用途，即作为滤过X线的物质和作为测量X线穿透能力（HVL）的一种参考物质。随着光子能量的增加，衰减系数减小较快，使得穿透能力增加。

如果穿透1个HVL厚度的量是0.5（50%），则穿过两个HVL的量为0.5×0.5，即25%。每个相继HVL厚度减少光子数目均为50%。穿透P和物质厚度为n个半价层之间的关系为：

例如，穿过0.5mm厚的铅屏蔽（板）的穿透能量为60keV的光子，在铅中的HVL为0.125mm。这个特定的光子能量来说，0.5mm等于4个HVL，故其穿透为：

在特定物质中，HVL受光子能量影响。对于特定的光子能量来说，1个HVL的厚度是与物质性质、密度和原子序数有关的。

四、X线束的质量

“质量”一般是指X线的穿透能力。对于给定的物质来说，X线束的穿透能力取决于光子的能量。对于含有一个能谱的X射线束来说，每个能量的穿透是不同的。一般来说，总的穿透与该能谱中最小和最大能量之间的某个光子能量的穿透相对应，这个能量就称为X线谱的有效能量。对于HVL约为2.4mm的铝，其值对应于24keV光子能量。就其穿透能力来说，该X线谱的有效能量为24keV。X线的有效能量就是单能光子束的能量，它具有与光子能谱相同的穿透能力。有效能量通常接近于峰值的30%或40%，但其精确值与光谱的分布形状有关。对于一个给定的kVp来说，影响能谱的两个因素是X线束的滤过量和产生X线的高压波形。

五、滤过作用

由不同能量的光子组成的一束X线穿过多种物质时，某些特定能量的光子要比其他光子的穿透力强。光子的这种根据其能量大小选择性的衰减就称作滤过作用。图2-7表示两种有特殊意义的物质（即1cm厚的肌肉和1mm厚的铅板）的穿透。

关于穿透肌肉或软组织的情况，对于能量小于10keV的光子来说，实际上是没有穿透的，所有的光子都被组织衰减了。这种能量的光子在组织中的低穿透是由于衰减系数大，它是光电相互作用的结果。在能量为10～25keV的范围内，穿透随能量的增加而很快增强。当光子能量增加到40keV左右时，穿透继续增加，但很缓慢。具有特殊意义的是能量大约在20keV的X线光子穿透作用非常小，这种能量的光子，穿透1cm组织的穿透是45%，而穿透15cm组织的穿透为：

从另一方面讲，能量为50keV的光子透过15cm组织的穿透为：

能量接近50keV的光子穿透患者15cm深；而具有20keV能量或能量更小的光子都没有透过患者。这意味着在一个X线谱中，低能量的光子对成像是没有贡献，它们的作用仅使患者受到照射剂量。换言之，就是人体组织具有选择地滤掉低能量光子的作用。

这样，在X线进入患者之前把某种物质放在X线束的照射野中，就可以滤过低能量光子。在诊断用的X线设备中，通常使用铝板来实现这个目的。图2-4表示穿透1mm厚的铅板的曲线。多数X线机都具有与数毫米铝板等效的滤过设备，它并不是总是以铝的形式出现，有些物体对X射线也有滤过作用，如X线管的窗口、X线的准直器和荧光透视设备中的工作床等。在一台给定的X线中的总滤过量，通常用等效铝板的厚度加以说明（图2-8）。

增加滤过会明显地改变X线谱的形状，滤过能选择性地吸收低能光子，导致X线束中有效能量的改变。当铝板厚度从1mm增到3mm时，滤过作用明显增强，X线光子数量显著减少。滤过作用会使X线束的穿透（HVL）增加，HVL值常用于判定滤过的合适程度。

六、穿透作用

大家知道，穿过一定厚度的物质的辐射量是由光子能量和物质的性质（密度和原子序数）决定。HVL的值对于一定的辐射在一定的物质中的穿透作用提供了非常有用的信息。如果知道HVL值，那么穿过其他厚度的穿透就能很容易算出。表2-1列出了与诊断成像有关的一些物质的HVL值。

康普顿作用使离开原来的射线束的某些辐射在前进方向上被散射，当向前的散射辐射与原来射线束的穿透部分相结合时，则有效穿透Pe便由公式（2-9）给出：

式中S为散射系数，对于某些诊断检查中所遇到的条件来说，S取值范围大约在1～6。影响散射辐射量的因素一是X线束的面积或视野的大小，散射源的大小与X线束的面积呈正比。在一定条件下，S值从1或多或少地随视野呈正比地增加；另一个重要的因素就是身体的厚度，它影响散射辐射的大小；第三个因素是kVp，当kVp被增加到超过诊断的范围时，与人体发生作用的大部分光子都参与康普顿作用，有比较多的光子在康普顿作用中沿前进方向上产生散射。