影像物理习题参考答案

影像物理习题参考答案

第一章：普通X 射线影像

1-1 产生X 射线需要哪些条件？

答：1、高速运动的电子流；2、阻碍电子运动的靶。

1-2 X 射线管的一般构造包括哪几部分，各部分都有什么功能？

答：一般应包括阴极、阴极体、阳极（含靶）、阳极体、真空管。阴极发射热电子；阴极体有聚焦电子束和回收二次辐射的作用；阳极（含靶）加速电子并阻碍电子运动发射X 射线；阳极体起散热作用；真空管产生高真空环境。

1-3 什么是轫致辐射？为什么轫致辐射是产生连续X 射线的机制？

答：高速电子进入到原子核附近的强电场区域，受到强电场的作用，而使电子的速度大小和方向发生变化，按电磁理论，电子将向外辐射电磁波（即光子）而损失能量E ?，电磁波的频率由 νh E =?决定。电子的这种能量辐射叫轫致辐射。

1-4 为什么轫致辐射产生的连续X 射线谱中存在最短波长min λ？最短波长min λ受何种因素

影响？

答：当电子的最大动能全部损失转化为X 光子的能量后，X 光子不可能再获得更大的能量。从而形成最短波长。)()

(4.12min nm KV U eU hc ==λ，可见，最短波长仅由管电压决定。 1-5 设X 射线管的管电压为100kV ，求其产生连续X 射线的最短波长和相应的X 光子能量的

最大值。 解：)(124.0100

4.12min nm eU hc ===λ，对应的光子能量为：)(106.110100106.114319max J eU h --?=???==υ

答：略。

1-7 什么是标识辐射？为什么标识辐射是产生标识X 射线的机制？影响标识辐射的因素有哪

些？

答：当电子的能量较高时，可将靶原子的层电子（K ，L ，M 壳层）碰出原子核的束缚，成为自由电子，这样，在层轨道上产生一空位，这一空位不能长期存在，外层电子会跃迁至空位填充层轨道，并将多余的能量（二能级差）以X 光子的形式辐射出来，产生标识X 射线。轫致辐射不可能产生不连续的标识X 射线。标识X 射线的波长只能由靶原子的能级结构决定，即靶元素决定。管电压和管电流可影响标识辐射的强度。

1-8 何为实际焦点、有效焦点、靶角？三者间有何关系？

答：灯丝发射经聚焦的电子，加速后，投射在阳极靶上的面积b ，称为实际焦点；X 射线管的实际焦点在垂直于X 射线管轴线方向上投影的面积a ，即X 射线照射在胶片上的有效面积。靶面与X 射线投射方向的夹角θ。三者的关系为：θsin b a =

1-9 影响焦点大小的因素有哪些？

答：影响焦点大小的因素有：阴极灯丝的大小和形状；阴极体的聚焦性能；管电流的大小，管电流增大时，由于电子间的为库仑作用，产生焦点增涨现象。

1-10 为什么焦点面上X 射线的能量分布是不均匀分布？

答：一是到达靶面各处的电子密度不均匀；二是到达靶面的上各处的电子与靶原子作用的情况有差别。从而使得靶面各处产生的X 射线的强度不均匀，辐射光子的频率有差别。

1-11 何为半影？影响投影区半影大小的因素有哪些？管球焦点对X 射线的投影有什么影

响？

答：由于X 射线管的实际焦点有一定的面积，从而使得投照物体的边缘在投影区产生半明半暗的模糊投影，称为半影。影响半影的因素有：有效焦点的大小，焦点上的X 射线分布，焦点、投照物、投影屏的相对距离。管球焦点越大，半影区越大。焦点上X 射线的强度分布也有影响，高斯分布半影较小，双峰分布半影较大。

1-12 什么是X 射线管球的容量？为什么不能超容量使用？

答：由于X 射线管的能量转换效率高，99%以上的电能转化为热能，阳极靶上产热量大并且集中，容易损坏阳极靶，超容量使用首先将破坏阳极靶而使管球报废。

1-13 一个连续工作的X 射线管管球，管电压是250kV ，电流是40mA ，其容量为多少？ 解：)(101000

402501000KW UI P =?== 答：略。

1-14 X 射线具有哪些基本性质？

答：X 射线是波长极短的电磁波，具有下列性质：贯穿能力强，大多数物质对X 射线透明或半透明；能使荧光物质发射荧光；具有电离作用；能使照相底片感光，能使很多物质发生光化学反应。

1-15 何为X 射线的强度？它决定与哪些因素？

答：单位时间通过垂直于X 射传播方向的单位面积的X 射线辐射能量。它决定单个X 光子的能量和X 光子的数密度。

1-16 X 射线在物质的传播过程中，同物质发生相互作用的种类有哪几种？

答：X 射线在物质传播时，同物质发生的主要相互作用有：光电效应，康普顿散射，X 射线能量很大时（大于1.022MeV ）还可发生电子对效应。

1-17 连续能谱X 射线在物质中的衰减规律有什么特点？

答：各种波长的X 射线的强度均降低，但长波X 射线衰减比例越大，最终使连续X 射线光子的平均能量增加，X 射线硬度增大。

1-18 线性衰减系数和质量衰减系数之间有什么联系？质量衰减系数有什么特点？

答：对同一种物质，线性衰减系数与密度成正比。m ρμμ=

，质量衰减系数与靶物质的物理状态无关，仅由靶物质的原子分子结构决定。

1-19 何为半价层？它与哪些因素有关？

答：使X 射线束的强度减弱为原来一半时所需要的吸收层的厚度。半价层与X 射线的硬度和吸收层的物质组成及其密度有关。

1-20 什么是X 射线的滤过？它有哪些种类？

答：X 射线穿过一定的物质后，使部分较软X 射线的相对强度降低，从而提高X 射线的有效能量，线质变硬。称为X 射线的滤过。分固有滤过（经X 射线管壁的滤过）和附加滤过（在X 射线管外的滤波板的滤过）。

1-21 何为X 射线的硬化？

答：X 射线穿过一定的物质后，能量较低的X 射线衰减系数较大，从而出射X 射线中的长波成分变小，X 射线光子的平均能量增加，硬度增加，称为X 射线的硬化。

1-22 什么是有效原子序数？

答：如果某元素对X 射线的质量衰减系数与某化合物或混合物的质量衰减系数相同，该元素的原子序数称为某化合物或混合物的有效原子序数。

1-23 X 射线摄影和X 射线透视的基本原理是什么？它们有哪些特点？

答：不同组织对X 射线的吸收能力不同，均匀入射的X 射线穿透人体后，出射的X 射线将不均匀，使荧光屏或X 射线胶片上显示出明暗不同或黑白不同的影像，对X 射线吸收强的组织对应暗影像，吸收弱的组织对应亮影像。这就是X 射线摄影和透视的基本原理。X 射线摄影将影像记录在胶片上，便于查阅且图像清晰，空间分辨力高，避免了X 射线对检查者的照射。X 射线透视具有直观、方便、简单、费用低廉的优点，但不能留下客观记录，且由于影像转换、荧光物质颗粒大、人眼视觉敏感性差，影像细节分辨力差。另外，检查者不可避免X

射线的照射。1-24试述影像增强管的基本结构和工作原理，影像增强器对X射线影像系统产生的变革作用。

答：影像增强管的基本结构有输入屏，光电阴极，聚焦电极，阳极，输入屏等。入射X射线照射输入荧光屏产生荧光影像，荧光照射光电阴极产生电子影像，经聚焦和阳阳电场的加速打在输出荧光屏上，再次转换为亮度大大加强的荧光影像。影像增强器提高了影像亮度，使X射线电视、电影、录相和遥控得以实现，摆脱了暗室操作，使X射线影像有了更大的使用空间，同时减小X射线的剂量，降低了对受检者和检查者的危害。

1-25什么是特殊X射线摄影？试述软X射线摄影、高千伏X射线摄影、体层摄影的基本原理。

答：所谓特殊X射线摄影，是指通过利用X射线的某种特殊装置和方法，使人体的某一器官或组织，显示出一般X射线摄影所不能显示的影像。

软X射线摄影是利用人体各种组织对不同质的软X射线的吸收有显著差别的原理，使密度相差不大的软组织形成对比度良好的影像。

高千伏X射线摄影是利用不同组织对于高能X射线的吸收系数差别比常用X射线的吸收差别大的特点，克服普通X射线摄影中骨组织完全遮挡其它组织影像的缺点，从而在骨影中显示出其它组织的影像。

体层摄影是利用X射线管、成像胶片相对于受检体作适当运动，使除指定层面的其它层面的影像模糊，从而使指定层显示较为清晰的影像而不受其它层面的遮挡。

1-26什么是X射线造影？X射线造影剂有哪些种类？

答：X射线造影是指将某种造影剂引入欲检查的器官或其周围，使其形成物质密度差异，从而改变器官与周围组织的X射线密度，显示出对比度较强的图像。

造影剂可分为阳性造影剂（原子序数高，对X射线吸收能力强）和阴性造影剂（原子序数底，对X射线的吸收能力弱）。

1-27常用来评价医学影像质量的参数有哪些？

答：对比度，细节分辨力，噪声，伪影，畸变。

1-28试述影响X射线影像质量的主要因素。

答：影响X射线影像质的主要因素有：胶片的性能，受检者的厚度及运动，光子的能量和入射线的强度，散射，检测器的性能及运动等。

第二章：数字化X射线成像技术

2-1 试述数字图像的特点与数字图像的获得过程。

答：图像信息为数字的图像称为数字图像。数字图像由有限个灰度不连续的续的象素点组成，具有易于存贮、管理、复制、传输、处理等多方面的优点。数字图像是通过将模拟图像数字化得到的，首先将模拟图像分成若干空间像素，称为采样，然后将每一像素的平均灰度转换为用一整数表示的灰度级，称为灰度的量化，所有象素的灰度级组成的数字矩阵就是数字图像，然后存贮在存贮器中。

2-2 常用的数字图像处理技术有哪些？

答：常用的数字图像处理技术有：对比度增强，图像平滑，图像锐化，兴趣区定量估值等。2-3 试述数字透视系统的基本构成与成像过程。

答：数字透视的主要组成部件有：影像增强器，电视摄像机，A/D与D/A转换，技算机，显示器等。成像过程是，将影像增强器——电视系统的视频输出信号数字化后输入计算机，由机算机完成图像处理，然后再经D/A转换器转换成模拟信号重新显示在视频终端上。

2-4 数字减影血管造影的基本原理是什么？有哪些减影方法？

答：数字减影血管造影的基本原理是：在血管中加入造影剂前后分别用数字透视的方法获得两幅数字图像，像素的灰度由透过该点的X射线的衰减量决定，由于两幅图像中，血管以外的骨和软组织对X射线的衰减是相同的，像素灰度级之差仅由加入造影剂前后，血管对X 射线吸收的差值决定，从而在减影图像中消除了骨影和软组织影，清晰显示血管的影像。数字减影血管造影分时间减影、能量减影和混合减影。

2-6 试述CR的物理基础及其成像过程。

答：CR即计算机X射线摄影，CR成像的物理基础是光激励发光现象。成像过程是：由光激励发光物质为核心的成像板受X射线的照射时，光激励发光物质将X射线的能量转化并贮存下来，形成“潜影”，通过适当频率的激光束的激发，某处光激励发光物质中的能量以荧光的方式发射出来，通过集光器收集并经光电倍增管转化为电信号并放大，由A/D转换为数字化的影像信号，经过对成像板的扫描和计算机的处理便得到一幅完整的数字图像并显示。

2-7 X射线数字化成像技术有哪些优点及缺点？

答：X射线数字化成像技术的优点有：1、X射线能量的利用效率更高，灵敏度高，降低了投照X射线的强度。2、图像的对比度分辨力和宽容度大为提高。3、摄影条件大为改善，并可监查图像变化并选择最佳图像进行固定。4、图像的处理、存贮和传输更为灵活方便，易于使用。5、数字化技术使计算机辅助诊断成为可能。可实现智能化检测。

缺点有：空间分辨力不及普通X射线胶片。

第三章：X 射线计算机体层成像（X-CT ）

3-1普通X 射线摄影影像与X-CT 影像最大的不同之处是什么？

答：最大不同之处在于，普通X 射线摄影影像是多器官的重叠图像，而X-CT 像是清晰的断层图像。

3-2何为体层？何为体素？何为像素？在重建CT 像的过程中，体素与像素有什么关系？ 答：受检体中的一个薄层称为体层；在受检体欲成像的层面上按一定的大小和一定的坐标人为划分的小体积元称为体素；构成图像的基本单元（“点子”）称为像素。在重建CT 像的过程中，体素和像素在坐标上一一对应。

3-3重建CT 像时都要通过扫描来采集足够的投影数据，请问何为扫描？扫描有哪些方式？ 答：扫描是用近于单能窄束的X 射线以不同的方式，按一定的顺序，沿不同的方向对划分好体素编号的受检体体层进行投照，并用高灵敏度的探测器接收透射一串串体素后的出射X 射线束的强度I 。扫描方式有：单束平移-旋转方式，窄扇形束扫描平移-旋转方式，旋转-旋转方式，静止-旋转方式，螺旋扫描方式，动态空间扫描和电子束扫描方式等。 3-5请划出或写出下列射线束投照各种介质后广义下的投影值：（图见教材P106）

（17） （7654321μμμμμμμ++++++）3-7已知有四个体素阵列且在四个方向上反投影已填写在各体素中。试求四个体素的特征参数μ的数值。（图见教材P107） 解：由反投影法得：

3-8何为CT 值？它与衰减系数μ有什么关系？

答：CT 值是CT 影像中每个像素所对应的物质X 射线线性衰减系数大小的相对值。

ω

ωμμμ-=K CT 。式中K 为分度因数，一般取1000，ωμ为能量是73KeV 的X 射线在水中的线性衰减系数。

3-9何为准直器？准直器有什么作用？

答：准直器是指允许X 射线通过的细长狭窄通道，一般由铅制成。准直器的作用是产生窄束X 射线。

3-10何为灰度，何为灰阶？

答：灰度是指图像某像素黑白或明暗的程度。灰阶又称灰度级，指由整数表示的像素的灰度等级。

3-11请你简述X-CT 重建图像原理（以投影重建法为例）。

答：将人体划分若干体素，当一

束X 射线沿某一方向透过人体（穿

透若干个体素）时，由物质对X

射线的吸收规律易知，

P I I l n ==+???++1

021ln 1

μμμ，P 为称为这一方向的投影。如图是投影

重建法的示意图。由扫描可确定各投

射方向的投影值，水平方向为的投影值为1211μμ+和

2221μμ+，竖直方向和倾斜方向的投影值如图所示。将各方向

的投影值反投影到对应的体素中（投射X 射线经过该体素）并

求和，各体素的值如右图所示。各值减2221μμ++1211μμ+（某

一方向的投影值之和）再除以3就得到了各体素的实际吸收系

数，再转换为对应像素的CT 值作为灰度级。即可建立CT 图像。

3-12何为窗口技术？什么是窗宽和窗位？请你举出实例说明。

答：所谓窗口技术是指CT 机放大某段围灰度的技术。具体请参阅P96，P97图3-26。 3-13据你所知，图像的后处理有哪些？

答：图像后处理有对比度增加，平滑或锐化，放大或缩小，窗口技术等。

3-14何为对比度？何为对比度分辨力？X-CT 中，影响对比度分辨力的因素有哪些？ 3-15何为高对比度分辨力？何为低对比度分辨力？

3-17何为影像噪声？影像噪声主要来源于何种噪声？

3-19X 射线剂量和影像噪声之间有什么关系？

3-20何为图像的均匀度？如何描述图像的均匀度？

3-21何为CT像的伪影？产生伪影的因素有哪些？伪影的识别有何意义？

14-21题请参阅教材第四章第四节。

第四章：磁共振成像

4-2 B

4-9SE脉冲序列中的900脉冲和1800脉冲的作用是什么？

答：答：有SE脉冲序列中，900脉冲对样品起激励作用，使样品产生横向旋进的磁矩Mxy，是产生自由衰减信号的条件。由于磁场的空间不均匀性，各自旋核旋进速度不同，造成自旋核磁矩方向的分散，逐渐过度到Mxy=0的去相位状态。1800脉冲的作用是使分散的核磁矩重新会聚起来，称为相位回归。

4-10为什么T1会随环境温度的升高而增长？

答：热辐射中包含各种频率的电磁波，当辐射电磁波的频率和磁共振频段相同时，会激发样品发射相应电磁波回到低能态，称为受激辐射，从而加速纵向磁矩回到平衡态。环境温度越高，热辐射中与共振频段的重叠部分越少，从而受激辐射越弱。所以T1会随环境温度的升高而增长。

4-11为什么磁场的不均匀性会使T2急剧缩短？

答：T2是横向弛豫时间，表示Mxy以最大值衰减到零的变化快慢，其原因是自旋磁矩所处空间的磁场不同，从而自旋快慢不一样，结果使得各磁矩的取向由有序变成无序，显然，磁场越不均匀，各自旋磁矩进动的相对速度越大，横向弛豫时间T2会急剧缩短。

4-12如何从SE序列的MR信号幅度公式给出图像加权的概念？

答：见教材P133最后一段至P134倒数第四段。

4-16为什么MRI的断层会有一定厚度？

答：MRI选层是通过一纵向梯度磁场实现的，在某一层中的磁矩由于磁场强度适当和激励射频电磁波发生共振，实际上，在一定的频率围（围的宽度称为频宽）都能发生共振，应此，处于对应磁场强度围的磁矩均能发生共振，从而决定了断层会有一定的厚度。超出这一厚度的磁矩不会发生共振。

第六章：超声波成像

6-1 A，C

6-2 AB

6-3 B

6-4 A

6-6 超声波在水中的传播速率为1500m/s ，求频率为0.5MHz 和10Mz 的超声在水中的波长分别是多少？ 解：因f

c =

λ，)(103105.015003611m f c -?=?==λ，)(105.1101015004622m f c -?=?==λ 答：略。

6-8 已知超声探测器的增益为100dB ，探头是发射和接收两用型，在某组织中的最大探测深度是0.5米，求该组织的吸收系数。

解：由题意知，超声头发射的超声在介质中传播1m （往返路程）再被探测到： dB l 100=α，m dB l dB /100/100==α

答：略。

6-11 试比较M 型超声与A 型、B 型超声的相同之处。

答：三者都是利用超声回波信号的时间和强度来反映介面的位置和性质。

M 超与A 超的探头和发射、接收通道完全一样，仅是显示方式不同。

M 超和B 超同是辉度调制，不同之处在于B 超通过声线的空间扫描产生断层图像。

6-12用连续型多普勒诊断仪研究心脏壁的运动速率。超声频率为5MHz ，垂直入射心脏，已知声速为1500m/s ，测得的多普勒频移为500Hz ，求此瞬间心脏壁的运动速率大小。 解：02f c

v f d =，)/(105.7105250015002260s m f cf v d -?=???== 答：略。

6-14在“彩超”中，如何通过色彩与亮度表现血流的方向，速率大小及湍流程度？

答：用红色表示正向流，即朝向探头的流动；蓝色表示反向流，红色或蓝色的亮度表示流速的大小，用绿色的亮度表示血流速度的方差（反映血流速度分布的分散程度）。通过对混合色的分析可得出血流速度的方向，大小和血流速度分布的离散度。

6-15提高超声频率对超声探测的利弊各是什么？

答：用利的方面是可减小超声的衍射效应，提高超声探测的空间分辨力，有弊的方面是增加了组织对超声波的吸收系数，减小了探测深度，如提高入射超声的强度则可能对人体造成损伤。

6-17灰阶和窗口技术的应用目的是什么？原理是什么？

答：灰阶也称灰度级，是数字图像中像素点量化后的整数灰度值。将一定围的灰度加以放大，以利肉眼观察的技术称为窗口技术。其目的是使兴趣区的信号得以加强，周围信号得以减弱，

从而提高超声检查的对比度分辨力。其原理是，当需要分析某一灰阶围的细节时，使低于和高于这一围的灰阶进行压缩，例如，理想的情况是使低于这一围的灰阶变为0，高于这一围的灰阶变为最大，通过灰阶扩展，使选定的灰阶围的灰阶围增大，从而提高对比度分辨力。6-20超声成像与X-CT比，主要特点有哪些？

答：和X-CT相比，超声成像具有成本低，对人体无损害，检查者不需要防护的优点，超声成像不需要大量的运算，成像速度快，利于实时观察。和X-CT比较，由于衍射、散射造成的图像失真和对比度下降比较严重。由于正确的超声成像依赖于三条近似假设，组织对假设的不满足带来各种形式的伪像，降低了图像的质量，并限制了超声成像的应用围（主要用于检查软组织）。（分辨力较差，适用围窄）

6-21怎样减小探头与皮肤表面的入射超声衰减？

答：在探头与皮肤之间涂导声耦合剂（声阻抗最好是探头和皮肤声阻抗的平均值）。