3.3 X射线与人体组织的交互
人体是放射医学中X射线交互的主要对象。为了便于讨论，多将人体的各种复杂组织用几个典型组织来代表，包括脂肪、肌肉、空气、骨。由于水的某些特征与脂肪和肌肉接近，所以水与射线的交互也是讨论得较多。
1.人体组织的电子密度和原子序数
一般认为，康普顿散射发生的概率与介质的原子序数无关，与介质中自由电子的密度密切相关。表3.5是几种典型组织的密度、原子序数和电子密度。从表中看出，骨与肌肉、脂肪的单位体积电子数的比值大约为1.6～1.7倍，差异较大，那么由康普顿散射形成的吸收差异在图像上会产生足够强的对比度，所以，在对骨与软组织成像时，宜选用较高能量的X射线，使康普顿效应占优势。图中数据表明，肌肉与脂肪单位体积电子数的比值只有1.06，提示图像中由康普顿效应形成的对比度不足，需要降低射线能量，使光电效应在衰减中占主导，这就是软组织成像（如乳腺摄影）选用低能光子的依据。
表3.5 人体组织的密度和电子数
中等能量的X射线作用于人体组织主要产生康普顿散射，其作用概率随组织电子密度的改变而改变，而与原子序数无关。由于在脂肪中比在其他身体组分中含有更多的氢，而氢的电子密度是其他元素电子密度的两倍，显然，脂肪中将发生比在同等质量的肌肉和骨中更多的康普顿效应。
骨的有效原子序数及物理密度比软组织的大，因此，X射线在骨中的吸收要比在同等体积（不一定是同等质量）的软组织中的吸收多，这会形成一个骨“屏蔽”，从而使骨骼后的软组织难以在图像上有足够强的对比度，提高管电压或对X射线进行过滤（提高射线平均能量）可以改善骨后软组织的成像对比度。由于射线光子与骨内高原子序数物质（磷、钙）的交互作用，会发出一些自由光电子来增加骨内或骨上的一些软组织的吸收量，这在一定程度上有助于这些软组织的成像。
水的密度是1000kg· m-3，有效原子序数为7.43。人体内除含有少量的钙、磷外，其他组织与X射线的相互作用机制、吸收特性与水几乎一致，所以常选用水模作为人体实验用的体模。相同道理，骨的有效原子序数是14，常用原子序数为13的铝作为骨组织的实验体模。
人体中吸收X射线能力最强的是由Ca3（PO4）组成的密度为2240kg· m-3的门齿，吸收X射线最少的是含有空气的肺和皮下、关节附近的脂肪组织。
2.人体组织的元素构成
人体主要是由肌肉、脂肪和碳水化合物组成的软组织组成，骨骼也是人体的主要组成部分，其他还包括一些存在于骨骼、肺组织和消化道内的气体。软组织中约75%是水（H元素、O元素），23%是蛋白质、脂肪和碳水化合物（蛋白质中C占52%，O占23%，H占7%。脂肪的主要构成元素为C、H、O）。另外还有2%是K、P、Mg、Na、Cl等元素。骨骼由胶体状的蛋白质和钙组成，其中钙占50%～60%。构成人体的基本元素及其在人体典型组织内质量占有的百分比见表3.6。表中有关肌肉的数据也大致适用于其他软组织，如胶原蛋白、内部器官（如肝和肾）、韧带、血液及脑脊液，这些数据也近似于水的数据。因为包括肌肉在内的软组织的含水量大约为75%，而体液则含水85%～100%。这些不同的软组织及体液中成分的相似意味着普通X射线成像要想区分它们会非常困难。造影剂可用于突出X射线在软组织间某些细微的差别。
表3.6 人体典型组织中主要元素含量（质量）的百分比
与肌肉和骨组织相比，脂肪含有更多的氢（11%）、C（57%），较少的N（1%）、O（30%）和其他大原子序数的元素（＜1%）。因此，脂肪的等效原子序数（Zef=5.9～6.3）比其他软组织（Zef=7.4）或骨骼（Zef=1.66～13.8）的等效原子序数要低。表3.5中表明，脂肪与肌肉的等效原子序数分别是5.92和7.46，两者之比7.46/5.92是1.26。脂肪与肌肉的密度分别是910、1000kg· m-3，相差也不大。但当能量低于35keV时，X射线主要与脂肪及其他软组织发生光电吸收效应，这种效应导致的吸收系数与组织原子序数的立方（Z3）成正比。原子序数这种三次方的依赖关系放大了成分相似组织（如脂肪与肌肉）在图像上表现的对比度。在光电效应作用下，肌肉组织的吸收系数是脂肪的2（7.463/5.923）倍左右。
然而，这种对比度会随着使用的X射线能量的提高而消失，因为高能X射线与组织产生交互的机制是康普顿散射。而康普顿散射的发生几乎与原子序数Z无关。低能X射线用于增大软组织（如肌肉及其他软组织）之间的细微差别，常专用于乳腺成像。
3.人体组织对X射线的衰减
人体不同组织在不同管电压射线条件下的线性衰减系数见表3.7。以手部摄影为例，分别用40kV和150kV对手部摄影。注意到管电压在40kV时射线与人体的相互作用是光电效应为主，而150kV时几乎全部是由康普顿效应造成的吸收差别。由表可知，40kV时骨骼的线性衰减系数是肌肉的6.1倍，所以手部骨骼和肌肉存在很大的衰减差别，在影像上呈现高对比度。当选用150kV摄影时，骨骼是肌肉线衰减系数的2.1倍。其影像对比度将明显下降。
表3.7 不同管电压下人体典型组织的线性衰减系数（cm-1）
图3.16是三种人体典型组织的质量衰减系数随入射X射线光子能量的变化图。从图中看出，即使排除了物理密度的差异，三种介质在一定的能量范围内衰减系数还是有一定的差别，差别最大的地方处于光子能量在8～100keV的范围之内。
图3.16 三种组织的质量衰减系数随光子能量的变化