硬X射线相衬成像用于医学临床的物理基础

摘要

目的:相较传统X射线医学成像只是利用物体对X射线的吸收不同成像,硬X射线相衬成像利用X射线透过物体时的位相信息成像技术,本文对硬x射线相衬成像能用于医学临床的物理基础作了详细的分析.方法:从麦克斯韦方程出发且只考虑前向散射的情况下推出X射线传播的复折射率表达式.从原子的观点将复折射率同原子的相移与吸收横截面联系起来.结果:从对于不同的X射线能量下,原子相移横截面P及吸收横截面μ与原子序数的关系图、由轻元素及分子的相移及吸收项的关系图分析比较知,对于原子序数较低的原子p/μ的比值约在103的范围,因此位相信息能有效作为衬度来源,其灵敏性对于基于轻元素的软组织更是大大提高,而且随着能量的增大P与μ均减少,但P减少速度慢于μ.在低能量的情况下,相移项δ和吸收项β有同样的数量级,但随着能量的增加,β迅速下降,也即意味着对于这些以轻元素为基的物体若用传统成像法所得吸收相衬像衬度的降低.在高能量区域,δ比β高几个数量级,对于大多数材料,δ约为(103～105)β,在吸收对比度很小的情况下,相衬成像是有可能的.在X射线能量是15 keV～25 keV时生物软组织的吸收项比相移项小很多,硬X射线能强烈的穿透基于轻元素的材料诸如生物软组织.结论:当空间相干X射线束通过生物软组织时,入射波前的相位会随着软组织中电子密度的变化而变化,结果导致了传输方向的微小改变,对于临床医学中较低密度的组织而言,用硬X射线相衬的成像方法将获得传统方法所不能获得的信息.