《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》X射線課件

醫(yī)學(xué)物理學(xué)X射線教學(xué)基本要求1.掌握X射線強(qiáng)度和硬度的概念、X射線譜及X射線產(chǎn)生的微觀機(jī)制、掌握X射線的衰減規(guī)律及應(yīng)用.2.理解X射線的基本性質(zhì)、X射線的衍射和X-CT成像原理.3.了解X射線機(jī)的基本組成部分及X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用.倫琴倫琴W.K.RontgenW.K.Rontgen(1845~1923)(1845~1923)1901年獲首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線管的過程中，發(fā)現(xiàn)了一種穿透力很強(qiáng)的射線.+高壓電源金屬靶電子束高速由于未知這種射線，稱為X射線.X射線第一張X射線照片:倫琴夫人的手骨.X射線在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：透視、攝影、X-CT、治療等.X射線透視X射線攝影X線計(jì)算機(jī)體層成像（X-CT）第一節(jié)X射線的產(chǎn)生一、X射線的產(chǎn)生裝置1.產(chǎn)生X射線的方法高速運(yùn)動(dòng)的電子受阻輻射X射線。最常用的方法同步輻射：由加速的高能帶電粒子直接輻射X射線。受激輻射產(chǎn)生激光的方法來產(chǎn)生X射線。②有適當(dāng)?shù)恼系K物—靶，用來阻止電子的運(yùn)動(dòng)，把電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線的能量。①有高速運(yùn)動(dòng)的電子流；-CBX射線X射線管+A2.X射線產(chǎn)生裝置1)X射線管的構(gòu)造：外殼：硬質(zhì)玻璃管，高真空.陰極：電子源，發(fā)射電子流（鎢絲）.陽極：靶，受高速電子轟擊而輻射X射線.陰極陽極+金屬靶電子束高速X射線2)X射線機(jī)的基本線路：mAT2(降壓變壓器）T1（升壓變壓器）整流

X射線管管電流i

管電壓U220VR低壓電源高壓電源

220V（1）低壓電源與管電流（mA)：

T2降壓-->R-->燈絲電流-->熱電子數(shù)量-->管電流i(mA)（2）高壓電源與管電壓(kV)：

T1升壓-->整流-->X管直流高壓U(kV)-->電子獲得高速

（3）X射線的產(chǎn)生：

高速電子撞擊靶---->產(chǎn)生熱能（>99%）和X線能（<1%）要求:靶物質(zhì)---熔點(diǎn)高且易散熱、原子序數(shù)（Z）大.

管電流—陰陽兩極間所加的幾十千伏到幾百千伏的直流高壓管電壓

—陰極發(fā)射的熱電子高速奔向陽極形成的電流+管電壓管電流U(kV)i(mA)實(shí)際焦點(diǎn)與有效焦點(diǎn)實(shí)際焦點(diǎn)：電子流在靶面上的撞擊面積，大小和燈絲

的形狀有關(guān)。長(zhǎng)燈絲-大焦點(diǎn)，短燈絲-小焦點(diǎn)焦點(diǎn)愈小，X射線透視或照相時(shí)所成的像愈清晰。一般，診斷用的X射線管采用小焦點(diǎn)，

治療用的X射線管采用大焦點(diǎn)。雖然電子撞擊在靶上的面積較大，但X射線卻像是從較小的面積上發(fā)射出來。有效焦點(diǎn)一般X射線管的陽極靶面均作成斜面，鎢靶為一矩形。實(shí)際焦點(diǎn)的投影面積就叫做有效焦點(diǎn)。X線的強(qiáng)度（I）:

定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過與射線方向垂直的單位面積的輻射能量.(單位:w.m-2

)二、Ｘ線的強(qiáng)度和硬度兩個(gè)因素決定X線強(qiáng)度：（2）光子數(shù)目NiX線強(qiáng)度光子能量hvi

（1）X線強(qiáng)度X線的量.X線的質(zhì).單位：W·m-2Nn

——能量為hνn

的光子數(shù)。θ角是靶面與垂直于電子流方向的夾角。

為了降低陽極靶面的溫度，大功率的X射線管多采用旋轉(zhuǎn)陽極，使受撞擊面不斷改變，將熱量分散到較大的面積上。實(shí)際焦點(diǎn)的面積：有效焦點(diǎn)的面積：1.X線的量X線總輻射量的定義：一定時(shí)間內(nèi)通過與射線方向垂直的單位面積的總能量.X線總輻射量=管電流×照射時(shí)間=i·t

（單位:mA·S）*醫(yī)學(xué)上常將一定的管電壓下管電流毫安數(shù)（mA）表示.一次拍片的量：Q=20mA.s=2000.1mA.s=500.4mA.s照手的X曝光量:15毫安0.02秒,就是0.3毫安秒.例如：2.X線的質(zhì)--硬度（X線的貫穿本領(lǐng)）X線X線實(shí)質(zhì)：

能量大的光子被物質(zhì)吸收少，其貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，相應(yīng)的射線硬度大.A束B束醫(yī)學(xué)上常用管電壓的千伏數(shù)（kV）表示X線硬度.定義X射線的貫穿本領(lǐng)，它由X射線的波長(zhǎng)（即單個(gè)光子的能量）所決定，而與光子數(shù)目無關(guān)。

醫(yī)學(xué)上X射線按硬度分類名

稱管電壓(kV)最短波長(zhǎng)(nm)主

要

用

途極軟X射線軟X射線硬X射線極硬X射線5~2020~100100~250250以上0.25~0.0620.062~0.0120.012~0.0050.005以下軟組織攝影、表皮治療透視和照相較深組織治療深部組織治療第二節(jié)Ｘ射線譜(X線譜示意圖)連續(xù)X線譜(背景）標(biāo)識(shí)X線譜(線狀）

X線譜線強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系：

研究X線譜的目的：了解X線產(chǎn)生的機(jī)制.

采用X射線管發(fā)出的X射線，包含各種不同的波長(zhǎng)成份，將其強(qiáng)度按照波長(zhǎng)的順序排列開來的圖譜，稱為X射線譜。X線譜的組成：一、連續(xù)X射線譜(continuousX-rays)1.產(chǎn)生的機(jī)制-軔致輻射當(dāng)高速電子流撞擊在陽極靶上受到制動(dòng)時(shí)，電子在原子核的強(qiáng)電場(chǎng)作用下，速度的量值和方向都發(fā)生急劇變化，使得一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為X光子的能量輻射出去。由于各個(gè)電子到原子核的距離不同，速度變化情況也各不一樣，所以每個(gè)電子損失的動(dòng)能亦不同，輻射出來的X光子能量具有各種各樣的數(shù)值，從而形成具有各種頻率的連續(xù)X射線譜。+hmax=EE+軔致輻射hEE-h2.連續(xù)譜特性（1）每一種管電壓下，存在一個(gè)短波極限；射線中含有大于短波極限的各個(gè)波長(zhǎng)成分.（2）隨著管電壓增大，短波極限和強(qiáng)度最大的波長(zhǎng)都朝短波方向移動(dòng).相對(duì)強(qiáng)度+管電壓管電流鎢靶波長(zhǎng)

鎢靶的連續(xù)X射線譜短波極限的產(chǎn)生:高速電子的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化成輻射能.當(dāng)一個(gè)電子的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為一個(gè)光子輻射出來時(shí)，光子具有最大能量（hmax)，相應(yīng)的波長(zhǎng)為最短min.

電子動(dòng)能

每個(gè)管電壓,對(duì)應(yīng)一個(gè)短波極限;管電壓增大,短波極限朝短波方向移動(dòng).短波極限（min）的計(jì)算：

鎢在較高管電壓下的X線譜二、標(biāo)識(shí)X射線譜

(characteristicX-rays)1.特點(diǎn):

每一種元素（靶）有一套特定波長(zhǎng)的特征X線譜，成為其標(biāo)識(shí).比如：條形碼為商品的標(biāo)識(shí).K系特征線*在較高管電壓下出現(xiàn)四條譜線；標(biāo)識(shí)X線譜：*隨著管電壓繼續(xù)增高,連續(xù)X線譜明顯變化,而四條譜線的位置不變（即波長(zhǎng)不變）.2.標(biāo)識(shí)X射線產(chǎn)生機(jī)制原子內(nèi)部各殼層電子躍遷形成標(biāo)識(shí)譜.

高速電子擊出某個(gè)內(nèi)層電子(如：K殼層電子)，產(chǎn)生空位；空位由其它殼層電子(如：L，M，N或更外層電子)填補(bǔ)，電子在躍遷過程中發(fā)出一個(gè)光子，其能量等于兩能級(jí)能量之差.從而形成確定波長(zhǎng)的線狀X射線譜.核K(2e)L(8e)M(18e)N(32e)*

標(biāo)識(shí)X射線譜應(yīng)用：化學(xué)元素的分析.(高速電子)eK系標(biāo)識(shí)線eeeeeeeeee

不同殼層電子填補(bǔ)某殼層同一空位時(shí)所輻射的標(biāo)識(shí)譜組成一個(gè)線系.(光子)eeX射線的本質(zhì)：X線是從原子內(nèi)部發(fā)射出來的波長(zhǎng)很短(0.001~10nm)的高能量的光子流.第三節(jié)X射線的基本性質(zhì)

X線也是電磁波，具有電磁波的共同特性.

電磁波譜一、X射線的基本性質(zhì)化學(xué)效應(yīng)：射線能使多種物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，使照相底片感光.X射線攝影的基礎(chǔ).生物效應(yīng)：射線照射使生物體發(fā)生電離和激發(fā)，從而使細(xì)胞受到損傷，生長(zhǎng)受到抑制，甚至使細(xì)胞壞死等效應(yīng).放射治療基礎(chǔ).同時(shí)要注重防護(hù)射線.3.電離作用：射線使物質(zhì)原子、分子發(fā)生電離。測(cè)量

X射線的基礎(chǔ).2.熒光作用：射線照射使某些物質(zhì)發(fā)出熒光,在醫(yī)學(xué)上用于透視

.1.貫穿本領(lǐng)：射線能夠穿透物質(zhì).物理效應(yīng)：X射線除具有電磁波的一系列性質(zhì)外，還有如下特性。1.電離作用—生物效應(yīng)的基礎(chǔ)、測(cè)量射線強(qiáng)度的原理；2.熒光作用—X射線透視；3.光化學(xué)作用—感光，X射線照相；4.生物效應(yīng)—放射治療的基礎(chǔ)、需要防護(hù)的原因；5.貫穿本領(lǐng)—成像、防護(hù)。①能獲得單色X射線，且波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，從幾微米到幾百皮米；②幾乎是線偏振光，可研究生物分子的旋光性；③有很好的準(zhǔn)直性，即同步輻射X射線的發(fā)散角較??；④有很強(qiáng)的輻射功率，普通X射線管所輸出的功率最大約10瓦，同步輻射X射線功率可達(dá)幾萬瓦。同步輻射X射線有如下特性：勞厄(Laue,1879-1960)1912年通過X射線在晶體中衍射的實(shí)驗(yàn),同時(shí)證實(shí)了X射線的波動(dòng)性質(zhì)和晶體內(nèi)部的周期結(jié)構(gòu)1913年布拉格父子(W.H.Bragg,1862-1942andW.L.Bragg,1890-1971)通過X射線的衍射強(qiáng)度分布測(cè)定晶體的晶格結(jié)構(gòu)W.H.BraggW.L.Bragg二、X射線的衍射

衍射斑紋（勞厄斑）+晶體X射線記錄干板勞厄的X射線衍射實(shí)驗(yàn)原理圖

晶體中原子有規(guī)律排列的結(jié)構(gòu)可看成是光柵.原子的線度和間距大約為10-10m數(shù)量級(jí)，與入射X射線的波長(zhǎng)相當(dāng)或更小些，相鄰晶面原子的反射線發(fā)生干涉，就可能獲得衍射現(xiàn)象.衍射圖樣X射線晶體中各晶面θ(掠射角θ

)(氯化鈉晶體)Cl＋Na晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣lX射線qqEFPidl入射角掠射角求出相鄰晶面距離為

d的兩反射光干涉加強(qiáng)條件sincos+dEPPF2di2dq兩層面間反射光光程差：布拉格定律干涉加強(qiáng)得亮點(diǎn)的條件：或布拉格方程θ布拉格方程Braggequationsin2dqlk(),...21k,=*射線被衰減光子被物質(zhì)吸收；光子被物質(zhì)散射.I0I一、單能X線的衰減規(guī)律I0---入射線強(qiáng)度I---透射線強(qiáng)度x---射線透過的厚度μ---物質(zhì)的線性衰減系數(shù)xμ第四節(jié)X射線的衰減規(guī)律xI0I0

μ（線性衰減系數(shù)）

*

物理意義：描寫物質(zhì)對(duì)X線衰減快慢的物理量.

物質(zhì)的μ

越大，X射線衰減越快.(單位：cm-1或m-1)多層物質(zhì)的總衰減系數(shù)：I0I1I2I3I41234xIoIo

μ大

μ小x(投影值)μm(質(zhì)量衰減系數(shù))

xm（質(zhì)量厚度）（massthickness）:*定義：

xm=x（單位面積中，厚度為x

的吸收層的質(zhì)量）*單位：g/cm2（μm與無關(guān)，μm大則衰減快）(

μ與物質(zhì)密度的關(guān)系：

μ正比

)*定義：?jiǎn)挝唬篶m2/g*衰減規(guī)律第二形式：半價(jià)層x1/2(halfvaluelayer):*定義：物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度衰減到一半的厚度.物理意義：物質(zhì)的x1/2或xm1/2越小,則對(duì)X射線衰減越快.*表式：（單位：cm）（單位:g/cm2

）*衰減規(guī)律第三形式：（2）醫(yī)用X射線主要是連續(xù)譜，所以射線的總強(qiáng)度并不是嚴(yán)格地按照指數(shù)規(guī)律衰減的。（3）宏觀總效果，即物質(zhì)對(duì)X射線的衰減規(guī)律。連續(xù)譜的衰減規(guī)律（1）在實(shí)際問題中，近似地運(yùn)用指數(shù)衰減規(guī)律。此時(shí)指數(shù)衰減規(guī)律中的線性衰減系數(shù)

μ，應(yīng)當(dāng)用各種波長(zhǎng)的衰減系數(shù)的一個(gè)適當(dāng)平均值來代替。

二、質(zhì)量衰減系數(shù)與射線波長(zhǎng)及物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系

μm=KZα31.有效原子序數(shù)(Z)愈高的物質(zhì)，對(duì)X射線衰減愈強(qiáng)K：常數(shù)Z：原子序數(shù)α：醫(yī)學(xué)上為3-4：X射線波長(zhǎng)由此得到影響X射線衰減的因素的兩個(gè)結(jié)論：*X光透視與攝影:骨(Ca,P)對(duì)X射線的衰減大于軟組織(C,H,O)對(duì)X射線的衰減骨在透視熒光屏中呈暗影;在攝影膠片(底片)中呈亮影.*造影術(shù):血管造影，胃腸造影（“鋇餐”）等.*防護(hù)材料:鉛塊(Z=82)食管鋇餐造影：左圖為充盈相，右圖為粘膜相.造影后造影前(鋇Z=56)*X射線硬化與濾線板：濾線板：銅板、鋁板或銅板和鋁板合并(先銅后鋁).硬化：X射線經(jīng)過銅板或鋁板后軟成分(長(zhǎng))被吸收多，得到的X射線硬度高(短)，射線譜范圍窄.濾線板的作用：硬化X射線.2.X射線波長(zhǎng)()愈長(zhǎng)，愈容易被物質(zhì)吸收衰減淺部治療：長(zhǎng)；深部治療：短X線源鉛準(zhǔn)直器被照射體探測(cè)器濾線板一、診斷第五節(jié)X射線的醫(yī)學(xué)應(yīng)用1.X射線透視熒光透視（fluoroscopy）：簡(jiǎn)稱透視.強(qiáng)度均勻的X射線投照人體,由于人體內(nèi)不同部分對(duì)射線衰減不同,使透過人體的射線強(qiáng)度不均勻,投射到熒光屏后顯示出明暗不同的熒光圖像.2.X線攝影X射線透過人體后投射到照相底片上，底片感光顯像后可觀測(cè)到明暗不同的圖像.3.X射線造影術(shù)：給器官或病灶注射衰減系數(shù)較大或較小的物質(zhì)來增加它與周圍組織的對(duì)比以便清晰顯像.造影劑：陽性造影劑、陰性造影劑.粘膜相(造影前)充盈相(造影后)鋇灌腸4.數(shù)字減影血管造影（DSA）DSA是一種理想的非損傷性血管造影檢查技術(shù)，它取代了危險(xiǎn)性較大的動(dòng)脈造影檢查。X射線影像光學(xué)圖像影像增強(qiáng)器視頻信號(hào)攝像管圖像的數(shù)字信號(hào)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換圖像存儲(chǔ)器本底圖像數(shù)字信號(hào)未注入造影劑注入造影劑造影像數(shù)字信號(hào)圖像處理器相減充盈造影劑的血管圖像數(shù)字信號(hào)放大處理，提高對(duì)比度數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換視頻信號(hào)監(jiān)視器中實(shí)時(shí)血管圖像血管造影前血管造影后

血管數(shù)字減影處理后

應(yīng)用物理技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理，測(cè)定X射線的衰減系數(shù)在人體中某斷層面上的二維分布矩陣，利用圖像重建原理,獲得該斷層面圖像.5.X射線計(jì)算機(jī)斷層成像（X-CT)：(X-raycomputedtomography)X射線通過人體組織能產(chǎn)生電離作用、康普頓散射及生成正負(fù)電子對(duì)等過程，誘發(fā)一系列生物效應(yīng)。組織細(xì)胞分裂旺盛是癌細(xì)胞的特征，因此用X射線照射可以抑制它的生長(zhǎng)或使它壞死。各種細(xì)胞對(duì)X