双能量CT成像技术原理及应用【二】

双能量CT成像技术原理及应用【一】

二、双能量CT成像物理原理

双能量CT成像归根结底就是依赖于X线的放射物理学基础。X线本质是一种电磁波也具有波粒二象性,组成X射线的粒子统称为光子,光子自身不带电,当诊断X射线摄入被照物体后大部分从物质的原子间隙中穿过小部分则被吸收和散射。

诊断X线与物质最主要发生两种相互作用即:光电效应和康普顿效应,诊断X线中所遇到的散射线基本都来自于康普顿效应。诊断X线与物质的相互作用时一般遵循以下规律:同一原子序数的物质与光子相互作用时在低光子能量时以光电效应为主,在高光子能量时以康普顿散射为主,即随光子能量增大,光电效应概率下降,康普顿效应增加,对20KeV的低能X线,各种物质均已光电效应为主,而引入体内的碘原子在整个X线诊断范围内,光电效应始终有优势。

诊断所使用的X线是相对低能X线束,它在穿过人体组织的过程中主要发生光电吸收效应和康普顿散射效应而衰减。光电吸收效应的强度与被检物质的原子序数呈正比,是钙、骨骼、碘造影剂等高密度物质衰减X线光子能量的主要方式,而康普顿散射效应与组织的电子密度呈函数关系,主要发生于软组织。

常规CT扫描所得到的图像信息包含上述两种衰减效应的综合信息。双能量CT成像时利用软组织、骨与含碘对比剂成分对X线光子能量的衰减不同以及不同原子序数的物质的光电吸收效应的差别能在对不同能量的X线束的衰减强度的变化中更强烈地反映出来。

而康普顿散射效应的强度在很能大范围内与入射X线的能量无关,可忽略不计的特点,将两种效应的信息进行分离,从而选择性地去除骨或软组织的衰减信息,得出能够体现组织化学成分的所谓组织特性图像—即双能量图像。

在双能量CT成像时,还要理解的就是X线光谱,在X线光谱中,及有连续X线又有特征X线,如下图,光滑的是连续X线而光滑中的高峰是特征X线:

连续X线理解就是电子跑着跑着突然被原子核拉住,能量没地儿放,于是放出X射线,这里放出的能量是连续的;

而特征X射线是处于特定能级的电子吸收光子,处于激发态,跑到低能级上所放出的能量,故是一份一份的,具有明显衍射峰。

它们两者之间可以同时发生,也可以只有一种,阴极射线的电子流射到阳极靶面材料上,电子与靶面材料的原子碰撞产生X射线,连续X射线是电子与原子碰撞时损耗的能量(大部分转化成了热量)直接转化成的X射线,由于电子运动状态各不相同,所以产生能量各不相同的X射线辐射,所以连续谱沿波长有不同的强度分布,而且是连续的。

特征谱的产生原理则不同,是电子流将靶材原子的一些内层电子(处于基态)轰出,这样基态有空位,外层的电子再回到基态的时候就会放出X射线,因为每个激发态回到基态(或者回到别的激发态)释放的能量都是固定的,所以X射线的波长也是固定的,所以就会产生一些比较明显的峰。

为什么要说这些,因为常规单能CT就是通过测CT值来鉴别物质,例如含糖分的饮料与矿泉水CT值一样,无法鉴别是什么,在双能量CT中,不同能量下的物质CT值是不一样的,即衰减是不一样的,就可以将它鉴别开,下节学习是怎么鉴别开的?

2021-03-10

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