组织中-线和γ-线的衰减

人体简化模型由三种不同组织组成: 脂肪、肌肉和骨骼。空气也存在于肺、鼻窦和胃肠道中，造影剂可以用来增强特定区域的X-线衰减。表7-1列出了三种组织的元素组成及其质量百分比。表7-2列出了组织的某些物理特性。图7-3表示不同组织质量衰减系数随光子能量变化而变化的曲线。

表7-1 组织成分的质量百分比［4-5］

表7-2 人体组织成分特性

表7-2中的肌肉数据也适用于一些软组织，比如胶原、内脏器官(如肝脏和肾脏)、韧带、血液和脑脊液。这些数据也与水分数据近似相等，这是因为包括肌肉在内的软组织的水分含量大约为75%，而体液里的水分则达到85%～100%。软组织相似性表明常规X-线成像对其区分的效果很差。有时可以用造影剂来增强软组织间X-线衰减的细微差异。

与其他组织成分相比，脂肪中的低Z元素浓度较高，尤其是氢元素。因此，与肌肉和其他软组织相比较，脂肪的密度和有效原子序数都比较低。低于35Ke V的X-线在脂肪及其他软组织内的相互作用以光电相互作用为主。光电相互作用随着组织的Z3发生变化。低能X-线照射下，对Z的这一依赖可以使具有细微差异的组织间产生合适的图像对比。高能X-线相互作用以康普顿散射为主，这时对比度消失，因为这些相互作用不随着Z的改变而变化。低能X-线在乳腺成像(乳腺X-线摄影检查术)等应用中用来增强软组织间的细微差异(比如脂肪和其他软组织)，此时客体(乳房)只能提供微小的固有对比度。当图像要求组织具有高固有对比度时(如，具有骨骼、软组织和空气的胸部)就要用到高能X-线。高能X-线可以抑制其在骨骼中的衰减，若不加以抑制就会产生图像阴影从而隐藏一些潜在的软组织的病理特征。

图7-2 不同组织的质量衰减系数［2］。

与肌肉和骨骼相比，脂肪内氢( ～11%)和碳( ～57%)的浓度较高，而氮( ～1%)、氧(30%)和高Z微量元素(＜1%)浓度则较低(表7-1)［4，5］。因此，脂肪有效原子序数(Zeff=5.9 -6.3)要低于软组织(Zeff=7.4)或骨骼(Zeff=11.6-13.8)。由于这一低有效原子序数，使得低能光子在脂肪中的衰减比在同量组织或骨骼要慢很多。脂肪中的衰减减少使得低能光子在这种人体组织内产生的f因子也较小(图7-1)。由于矿物油和聚乙烯的有效原子序数、密度及电子密度与脂肪都非常接近，因此可以对这些物质进行测量从而评估脂肪中X和γ-线的衰减［6-8］。

高能X和γ-线相互作用的主要形式是康普顿散射，其概率会随着衰减媒质电子密度的变化而变化，而不是随着原子序数的变化而变化。氢的电子密度大约是其他元素的两倍。由于脂肪含氢量高于其他身体成分的含氢量，因此其发生康普顿相互作用的机会也比等量肌肉或骨骼要强。因此光子能量居中时脂肪的f因子大于其他身体成分(图7-1)。

空气中不含氢元素，而约10%的肌肉重量是由氢组成的。因此，肌肉的电子密度比空气高，肌肉的f因子也比空气大(图7-1)。

骨骼的有效原子序数及物理密度比软组织高。因此，X和γ-线在骨骼中的衰减也比同体积(不必等质量)的软组织要快，从而导致骨骼后面的结构吸收的剂量减少。骨骼包围的或紧邻于骨骼的软组织的吸收剂量可能由于光子与骨骼中的高Z原子(如，磷和钙)相互作用释放的光电子的作用而增加。

骨骼氢含量小于肌肉和脂肪，因此其电子密度也比较小。基于以上原因，在中等光子能量辐照下，骨骼每克吸收的能量比每克肌肉或脂肪少。如图7-1所示，骨骼的f因子要比肌肉或脂肪以及中等光子能量的f因子小。但是，密质骨的物理密度大约是脂肪或肌肉密度的两倍。因此，在中等能量X、γ-线辐照下，每单位体积的密质骨吸收的能量大约是同体积脂肪或肌肉的两倍。