第六节　X射线的吸收与衰减

一、距离与物质所致的衰减

X射线强度在其传播过程中，将以距离平方反比的规律衰减。此即X射线强度衰减的反平方法则，它在X射线管焦点是理想的点源、真空传播的条件下成立。严格地讲，X射线在空气中传播会出现衰减。但是，很微弱，在X射线摄影中可以忽略不计。

X射线除距离衰减外，还有物质导致的衰减。在诊断X射线能量范围内，X射线与物质相互作用的主要形式是光电效应和康普顿效应。因此，X射线强度由于吸收和散射而衰减。在光电效应下，X射线光子被吸收；在康普顿效应下，X射线光子被散射。X射线与物质相互作用中的衰减，反映出来的是物质吸收X射线能量的差异，这也正是X射线影像形成的基础。

二、连续X射线在物质中的衰减特点

连续X射线波长范围广，是一束包含各种能量光子的混合射线。连续X射线最短波长决定于管电压，即λ_min=1.24/V（单位：nm）。最强波长等于1.2～1.5λ_min。而它的平均能量的波长，则是2.5λ_min。一般而言，平均光子能量是最高能量的1/3～1/2。如100keV的射线，平均能量约是40keV。当然，由于滤过不同有所改变。

X射线通过物质之后，在质与量上都会有所改变。这是由于低能量光子比高能量光子更多地被吸收，使透过被照体后的射线平均能量提高。如此继续下去，通过物质之后的平均能量，将接近于它的最高能量。X射线在通过被照体时，绝大部分能量被吸收，较少的能量透过。如何把这种衰减的信号利用起来，将取决于有效地使用影像的转换介质。

X射线在物质中的衰减规律是进行屏蔽防护设计的依据。

三、X射线的滤过

诊断用X射线是一束连续能谱的混合射线。当X射线透过人体时，绝大部分的低能射线被组织吸收，增加了皮肤照射量。为此，可以预先采用X射线滤过把X射线束中的低能成分吸收掉。X射线滤过包括固有滤过和附加滤过。

（一）固有滤过

固有滤过指X射线机本身的滤过，包括X射线管的管壁、绝缘油层、窗口的滤过板。固有滤过一般用铝当量表示。即一定厚度的铝板和其他滤过物质对X射线具有同等量的衰减时，此铝板厚度称为滤过物质的铝当量。

（二）附加滤过

广义上讲，从X射线管窗口至检查床之间，所通过材料的滤过总和为附加滤过。在X射线摄影中，附加滤过指X射线管窗口到被检体之间，所附加的滤过板。一般对低能量射线采用铝滤过板；高能射线采用铜与铝的复合滤过板。使用时铜面朝向X射线管。

四、X射线在物质中的指数衰减规律

当X射线强度为I，通过厚度为ΔX的吸收物质时，其衰减ΔI遵循下列公式：

ΔI = - μIΔX

将上式加以积分后，可得公式：

I=I₀e-μX

式中，I₀：X射线到达物体表面的强度，I：X射线穿过厚度为X的物质时的强度，X：吸收物质厚度（m），μ：线性衰减系数。此公式即为X射线衰减的指数函数法则。此法则成立的条件有2个，一是X射线为单一能量射线；二是X射线为窄束X射线。所谓窄束X射线是指不包括散射线的射线束，通过物质后的X射线光子，仅由未经相互作用或是经碰撞的原发射线光子所组成的X射线。单能窄束X射线与物质相互作用时，其衰减可由以下两种坐标形式描述：在半对数的坐标中，X射线强度的改变与吸收层厚度的关系变为直线，其直线的斜率就是线性衰减系数的μ值。

在普通坐标中，X射线强度随吸收体厚度的增加而衰减的规律呈指数曲线。

单能窄束X射线在通过物体时，只有X射线光子数量的减少，而无能量的变化，其指数衰减规律是X射线强度在物质层中都以相同的比率衰减。

然而，在X射线诊断能量范围内的X射线发生，不是单能窄束，而是宽束的混合射线。宽束与窄束X射线的主要区别是，宽束考虑了散射的影响，它把散射光子当作被物质吸收的光子来处理。显然，若用窄束的衰减规律来处理宽束的问题是不恰当的，特别是对屏蔽防护的设计。

宽束的衰减与吸收物质种类和厚度、X射线能量、X射线源与探测器的几何学的配置等因素有关。

在此情况下，可在窄束的指数衰减规律的基础上，引入累积因子B加以修正。

I=BI₀e-μX

不同的辐射是有不同的累积因子（也称累积系数），如光子数累积因子、能量累积因子、吸收剂量累积因子及照射量累积因子等。

大体上讲，μX≤1 时，按 B ≈ 1；μX＞1 时，按 B ≈ μX 计算。在射线防护的情况下，为增加其安全度，一般以 B ≈ μX + 1计算。

五、衰减系数

衰减系数有吸收系数和散射系数。它是线性衰减系数、质量衰减系数、原子衰减系数和电子衰减系数的简称。

（一）线性衰减系数

将X射线透过物质的量以长度（m）为单位时，X射线的衰减系数称作线性衰减系数，即X射线透过单位厚度（m）的物质层时，其强度减少的分数值。单位为m-1。

（二）质量衰减系数

将X射线透过物质的量以质量厚度（kg/m2）为单位时的X射线衰减系数，称作质量衰减系数（μ/ρ），即X射线在透过质量厚度为1kg/m2的物质层后，X射线强度减少的分数值。单位为kg/m2。

质量衰减系数不受吸收物质的密度和物理状态的影响。它与X射线的波长和吸收物质的原子序数有如下的近似关系：

μ_m=Kλ3Z4

即波长愈短，X射线的衰减愈少，即穿透力愈强；同时吸收物质的原子序数愈高，X射线的衰减愈大。

（三）总衰减系数

总衰减系数即是光电衰减系数τ、相干散射衰减系数σ_t、康普顿衰减系数σ_c和电子对效应衰减系数x的总和。

μ=τ + σ_t + σ_c + x

若用物质密度ρ去除以上线性衰减系数，则得到质量衰减系数。总质量衰减系数等于各相互作用过程的质量衰减系数之和。

μ/ρ=τ/ρ + σ_t/ρ + σ_c/ρ + х/ρ

至于每一项在总衰减系数中所占的比例，则随光子能量和吸收物质的原子序数而变化。

（四）能量转移系数

在X射线与物质的三个主要作用过程中，X射线光子能量都有一部分转化为电子（光电子、反冲电子和正负电子对）的动能，另一部分则被一些次级光子（特征X射线光子、康普顿散射光子及湮灭辐射光子）带走。如此总的衰减系数μ可以表示为上述两部分的总和，即

μ=μ_tr + μ_p

μ_tr：X射线能量的电子转移部分；μ_p：X射线能量的辐射转移部分。

对于辐射剂量学而言，重要的是确定X射线光子能量的电子转移部分。因为，最后在物质中被吸收的正是这一部分能量。

六、影响X射线衰减的因素

（一）射线能量和原子序数对衰减的影响

在X射线诊断能量范围内，当X射线能量增加时，光电效应的百分数下降。当原子序数提高时，则光电效应的概率增加。对高原子序数的物质（如碘化钠）在整个X射线诊断能量范围内主要是光电效应。作为水和骨骼，则随X射线能量增加，康普顿散射占了主要地位。随着X射线能量的增加，透过光子的百分数增加。对低原子序数的物质，当X射线能量增加时，透过量增加，而衰减减少；对高原子序数物质，当X射线能量增加时，透过量有可能下降。因为，当X射线能量等于或稍大于吸收物质K层电子结合能时，光电效应的概率发生突变（表1-1-2）。X射线检查中使用的造影剂钡和碘，因为有很理想的K结合能，更多的光电效应发生在K层，所以，可产生更高的影像对比度。

（二）密度对衰减的影响

在一定厚度中，组织密度决定着电子的数量，也就决定了组织阻止射线的能力。组织密度对X射线的衰减是直接正比关系，如果一种物质的密度加倍，则它对X射线的衰减也加倍。

（三）每克电子数对衰减的影响

电子数多的物质比电子数少的更容易衰减射线。一定厚度的电子数决定于密度，也就是决定于每立方厘米的电子数。这是临床放射学中影响X射线衰减的主要因素。

七、X射线诊断能量中的X射线衰减

人体各组织对X射线的衰减按骨、肌肉、脂肪、空气的顺序由大变小。这一差别即形成了X射线影像的对比度。为了增加组织间的对比度，还可借用对比剂扩大X射线的诊断范围。

在X射线诊断能量范围内（25～150keV），如果把X射线的总衰减作为100，在42kVp下，对于肌肉来说光电效应与康普顿散射效应所占比例相同；在90kVp时，散射效应占90%。由于骨的原子序数高，其光电效应是肌肉的2倍；骨对X射线的衰减，在73kVp时光电效应与散射效应相同。对于密度差很小的软组织摄影，必须采用低电压技术，用以扩大光电效应所产生的对比度。