影像學課件 x線原理學習資料

醫(yī)學影像設備學吉林大學白求恩第三臨床學院安東洪參考書目：

X線的基本原理概念放射檢查的數(shù)字化與網(wǎng)絡化進展放射檢查人員的培養(yǎng)CR、DR的基本原理、X線平片的質控內容DSA的基本原理，DSA影像的質控內容CT的基本原理，CT掃描質控內容放射科RIS/PACS構成，DICOM3.0第一章X線物理基礎X線的發(fā)現(xiàn)X線產(chǎn)生的原理X線的本質與特性X線與物質相互作用X線質、X線量與X線強度X線的吸收與衰減X線的發(fā)現(xiàn)InOctoberof1895,WilhelmConradRoentgen(1845-1923)whowasprofessorofphysicsandthedirectorofthePhysicalInstituteoftheUniversityofWarburg,becameinterestedintheworkofHillorf,Crookes,Hertz,andLeonard.ThepreviousJune,hehadobtainedaLeonardtubefromMullerandhadalreadyrepeatedsomeoftheoriginalexperimentsthatLeonardhadcreated.HehadobservedtheeffectsLeonardhadasheproducedcathoderaysinfreeair.

在1895年10月，侖琴（1845年至1923年）誰是物理學教授和該大學的物理研究所所長華，成為了Hillorf，克魯克斯，赫茲，和Leonard工作感興趣。以前的6月，他獲得了由穆勒倫納德管，并已多次認為倫納德創(chuàng)造了原有的一些實驗。他觀察到的影響，因為他制作了倫納德在自由空氣陰極射線。X線的發(fā)現(xiàn)Hebecamesofascinatedthathedecidedtoforegohisotherstudiesandconcentratesolelyontheproductionofcathoderays.OneFridayevening,onNovember8,1895,heworkedaloneinhislaboratory.Itwasthebeginningoftheweekendandallofhisassistantshadgonehome.他變得如此著迷，他決定放棄他的其他研究，并只對陰極射線的生產(chǎn)集中。一個星期五晚上，于1895年11月8日，他曾在他的實驗室就有。這是本周末開始和他的助手都回家去了。X線的發(fā)現(xiàn)HehadsetuphisexperimentusingaCrookestubefittedwithananodeandcathode,separatedfromeachotherbyafewcentimetersinthetube.HeusedaRhumkoffinductioncoiltoproduceadifferenceofpotentialofafewthousandvolts,knowingthatastreamofchargedparticleswouldoriginateinthecathodeandwouldbeattractedtotheanode.

他設立了他的實驗，使用帶有陽極和陰極分隔彼此在管數(shù)厘米，裝有一個克魯克斯管。他X線的發(fā)現(xiàn)ThelaboratoryRoentgenworkedinthateveningwasverysimilartoallotherlaboratoriesofthosewhoworkedbeforehim,buttheconditionsthatexistedthateveningvariedinthreeveryimportantways.Hislaboratorywasdark,histubewascoveredwithalight-proofcardboardjacketandascreenoffluorescentmateriallayonatableafewfeetawayfromtheapparatus.

該他的實驗室是黑暗的，他與一輕管防紙板夾克和屏幕的熒光材料覆蓋躺在一張桌子幾英尺遠的儀器。X線的發(fā)現(xiàn)Whilepassingthedischarge,hesuddenlynoticedashimmeringlightonthetabletop.Hecouldnotbelievehiseyes,soheagainrepeatedtheexperiment.Hereleasedthedischargemanytimesproducingthesameresultseachtime.Greatlyexcited,herealizedthatthegreenfluorescencewasemanatingfromthescreen.Herepeatedtheexperimentagain,thistimemovingthescreenfurtherandfurtherawayandhestillreceivedthesameresults.

雖然通過放電，他突然發(fā)現(xiàn)桌面上的波光粼粼的光。他無法相信自己的眼睛，所以他又重復了實驗。他多次發(fā)表放電產(chǎn)生同樣的結果每次。極大地興奮，他意識到，綠色熒光，從屏幕上產(chǎn)生的。他再次重復了實驗，這一次在屏幕上移動越走越遠，他仍然得到相同的結果。。X線的發(fā)現(xiàn)Roentgenknewthefluorescencecouldnotbeproducedbythecathoderayssinceitwaswellknownthattheycouldnotpenetratethroughthewallofthetube.Visiblelightcouldnotbethestimulussincethetubewascoveredwithashieldwhichwasopaquetolight.Heboldlyhypothesizedthathemusthavebeenproducingsomeunknowntypeofradiation。X線的發(fā)現(xiàn)Roentgenspentthenexteightweeksinhislaboratoryrepeatinghisexperiments.Heateandevensleptinhislaboratoryasheattemptedtodetermineiftherayscouldpenetratesubstancesbesidestheair.Heplacedvariousobjectsbetweenthetubeandscreenandhefoundthatthescreenstillfluorescedbutwithdifferentintensitiesdependingonthematerialbeingused.

倫琴在實驗室里度過未來8周重復他的實驗。他吃了，甚至在他的實驗室里，他試圖確定是否射線能穿透物質，除了空氣。他把管和屏幕之間，他發(fā)現(xiàn)屏幕上仍然fluoresced但根據(jù)不同強度的材料被用于各種物體。X線的發(fā)現(xiàn)Whenheplacedaleaddisk,whichhewasholding,inthecathoderaypathhewasastonishedtofindtheshadowoftheroundcircleappearedonthescreenalongwiththeoutlineofhisthumbandforefingerandwithinthemthebonesofhishand!HereplacedthescreenwithaphotographicplateandemployedhiswifeBertha(FrauRoentgen)toplaceherhandonthephotographicplatewhilehedirectedtheraysatitforfifteenminutes.

當他把一盤領先，他拿著在陰極射線路徑，他驚奇地發(fā)現(xiàn)了圓圈陰影出現(xiàn)在隨著他的拇指和食指和他的手在他們的骨頭輪廓屏幕！他取代了底片的屏幕，并雇用他的妻子伯莎（施密倫琴）把底片上的她的手，而他針對這15分鐘的光芒。。X線的發(fā)現(xiàn)Roentgenhurriedlypreparedhisnotessothathisfirstreport"OnaNewKindofRays"couldbepublishedintheProceedingsofthePhysicalMedicalSocietyofWurburgonDecember28,1895.Notknowingwhattheseemanationswereheusesthetermx-raytodescribetherayshewasproducing.

倫琴匆忙準備他這樣，他的第一次報告了一種新射線“”可能是發(fā)表在體育醫(yī)學會的Wurburg法律程序對1895年12月28日筆記。不知道什么這些的各種機構實體是他使用的術語是X射線的射線來形容自己在生產(chǎn)。X線的發(fā)現(xiàn)Later,in1896,heacceptedtheRumfordgoldmedaloftheRoyalSocietyandin1901hewouldbethefirsttoreceivetheNobelPrizeforphysics,buthebequeathedtheNobelprizemoneytoscientificresearchatWurzburg.

后來，在1896年，他接受了英國皇家學會拉姆福德金牌，并于1901年，他將是第一個獲得諾貝爾物理學獎，但他留給諾貝爾獎獎金在維爾茨堡的科學研究。X線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日,德國物理學家威廉·康拉德·倫琴（W·C·Rontgen）發(fā)現(xiàn)了X射線;當年12月22日倫琴利用X線拍攝了夫人手的照片,這是人類歷史上第一張揭示人體內部結構的影像。

1896年X線就開始應用于醫(yī)學,至今它經(jīng)歷了X線的醫(yī)學應用、X線診斷學的建立以及醫(yī)學影像學的逐步形成三個階段.倫琴及第一張X線照片數(shù)字化放射影像設備數(shù)字化傳統(tǒng)X線攝影的影像具有從白色到黑色這樣一個連續(xù)的灰階范圍，它是X線透過人體內部器官的投影，像素的亮度也是連續(xù)變化，可取亮度最大值和最小值之間的任意值。這種亮度或灰度可連續(xù)變化的影像是模擬影像，不能直接進行計算機處理。數(shù)字圖像信號離散化或采樣:按一定的時間間隔讀取模擬信號瞬時的幅值，信號的量化:把離散信號的時間變量和幅值都用若干位二進制數(shù)來表示模擬信號離散化和量化就實現(xiàn)了信號的數(shù)字化。數(shù)字信號具有抗干擾性強，且能計算機處理等優(yōu)點。數(shù)字圖像顯示為二維點陣或矩陣，一幅圖像中包含的每個點或矩陣中的小單元叫像素，是構成數(shù)字圖像的最小元素網(wǎng)絡化放射影像設備ImagesWorklistImageRetrievalNewImagesReportImagesMedicaldataHIS/RISPatientDataWorklistRIS/PACSArchivalClinicalReviewLaserCameraDICOMPrint傳統(tǒng)閱片方式的不足不同醫(yī)生不能同時共用一病人的影像調閱膠片時，需在片庫等待很長時間易發(fā)生膠片丟失，難復制膠片和藥水的費用、存放膠片需大量的空間和費用影像無法用于遠程醫(yī)療PACS系統(tǒng)利用網(wǎng)絡向各部門醫(yī)生傳輸圖像信息，提高了醫(yī)療影像檔案的查找和閱覽速度，提高了工作效率。網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)交換需求：醫(yī)療需求；生產(chǎn)商需求；DICOM3.0標準；數(shù)據(jù)交換可能，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換可能，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)存儲可能；PACS產(chǎn)生；RIS產(chǎn)生。放射技術人才培養(yǎng)方式比較美國模式：第一種模式是由16所大學設有4年制，放射線技師；4年制核醫(yī)學技術(BS_NuclearMedicine)、4年制放射治療技術(BS_RadiationTherapy)、4年制超聲技術(BS_Ultrasound)、第二種模式是在大學設立醫(yī)學物理(Medicalphysics)專業(yè)，畢業(yè)后就業(yè)認證資格為醫(yī)學物理師主要課程有:診斷成像物理學(Diagnosticimag

ingPhysics)、放射治療物理學(PhysicsofRadiationTherapy)、醫(yī)學健康物理學(MedicalHealthPhysics)、視覺心理物理學(即ROC分析原理)(Visual

Psychophy

si

cs)、醫(yī)學影像重建(MedicalImageReconstruction)、質量保證和驗收測試(QualityAssuranceandAcceptanceTesting)、電離輻射與物質的相互作用(Interac

tionsofIonizingRadiationwithM

atter)、放射生物學(RadiationBiology)等。培養(yǎng)學士、碩士、博士,畢業(yè)后就業(yè)認證資格為醫(yī)學物理師。日本模式：4年制放射技術教育是1987年在名古屋藤田學園保健衛(wèi)生大學創(chuàng)立的,現(xiàn)有7所大學設有該專業(yè)；另一種培養(yǎng)模式是有16所短期大學培養(yǎng)的放射技術人員,相當于美國的2年~3年制的副學位(associatedegree)或中國的?？粕逃袊默F(xiàn)狀與未來趨勢：我國在20世紀50年代末至60年代中葉及70年代到90年代中葉,曾在衛(wèi)生中等專業(yè)學校培養(yǎng)放射技術人才。從90年代中葉,即國家的九五建設期間,基本終止了中等衛(wèi)生專業(yè)學校培養(yǎng)放射技術人才(醫(yī)士)模式。2000年后,大部逐漸以高校為主。我國在高校培養(yǎng)放射技術人才,是從1985年開始的,現(xiàn)已有20余年的歷史。培養(yǎng)學士學位的4所學校,培養(yǎng)專科的9所學校。畢業(yè)生就業(yè)認證資格為放射線技師。1999年開始培養(yǎng)碩士。我國高校中設有與放射技術專業(yè)有關的主要為生物醫(yī)學工程。培養(yǎng)獲得理學士學位學生,畢業(yè)后認證資格是工程師。從培養(yǎng)與放射技術人才相關的人才看,美國培養(yǎng)醫(yī)學物理師,比中國高校培養(yǎng)的生物醫(yī)學工程理學士就業(yè)認證資格為工程師的相關性強，水平高，在醫(yī)院放射工作的概率性大人才缺口巨大：中國有4所、美國有16所、日本有7所高校培養(yǎng)本科放射技術人才；中國有9所、日本有16所高校培養(yǎng)?？茖哟蔚娜瞬?；然而中國有12億人口,，美國僅2億多人，日本僅1億多人,，不管是從絕對數(shù)量還是從相對數(shù)量比較,中國落后于美、日二國。高等教育不斷壓縮專業(yè)目錄，由窄口徑向寬口徑發(fā)展，即向著專業(yè)基礎理論厚實的專業(yè)融合方向發(fā)展。趨向文、理、醫(yī)結合的培養(yǎng)模式借鑒美國高校中設立的醫(yī)學物理專業(yè)的醫(yī)學物理師培養(yǎng)模式，培養(yǎng)現(xiàn)代化醫(yī)院的放射科急需醫(yī)學物理師人才X線的產(chǎn)生X線的產(chǎn)生是能量轉換的結果。X線在X線管中產(chǎn)生，當X線管兩極間加有高電壓時，陰極燈絲發(fā)散出的電子就獲得了能量，以高速運動沖向陽極。由于陽極的阻止，使電子驟然減速,約98%的動能產(chǎn)生熱量,2%動能轉換為X線。X線產(chǎn)生的條件X線產(chǎn)生必須具備以下3個條件:電子源高速電子的產(chǎn)生電子的驟然減速燈絲加熱獲得定向直流高壓；維持管內真空陽極靶X線的產(chǎn)生示意圖X線機原理圖X射線機的基本線路X射線管Ｒ旋轉陽極有效焦點X線產(chǎn)生的原理X線產(chǎn)生的原理，就是高速電子和陽極靶物質的原子相互作用中能量轉換的結果，這是一個復雜的過程。X線的產(chǎn)生是利用了靶物質的3種特性：即核電場、軌道電子結合能和原子存在于最低能級的需要。診斷使用的X線有兩種不同的放射方式：連續(xù)放射特性放射。

利用X射線攝譜儀拍攝的鎢靶X射線譜。它分為連續(xù)譜和特征譜兩部分。

鎢靶X射線譜

Ｘ射線管產(chǎn)生的X射線，包含各種不同的波長成分，將其強度按照波長的順序排列開來的圖譜稱為Ｘ射線譜(X-rayspectrum)連續(xù)放射連續(xù)放射又稱為韌致放射,是高速電子與靶物質原子核作用的結果.當帶有能量的高速電子接近靶物質的原子核時，帶有負電荷的電子在核電場（正電荷）的吸引下．偏離原有方向。在改變方向時因丟失能量而減速。此時電子所丟失的能量直接以X線光子的形式放射出來。這種放射叫連續(xù)放射（也稱普通放射）。連續(xù)放射連續(xù)放射產(chǎn)生的X線是一束波長不等的混合線,其X線光子的能量取決于:電子接近核的情況;電子的能量和核電荷.如果一個電子與原子核相撞,其全部動能丟失轉換為X線光子,其最短波長為

λmin=hc/kVp=1.24/kVp(nm)λ＝波長，nm＝波長單位，E0＝最大電子能量。而電子能量又與管電壓有關，所以，當施與X線管兩端管電壓為l00kVp時，電子所獲得的最大能量就是l00keV，它所產(chǎn)生的X線光子的最短波長就是0.0124nm。鎢的連續(xù)X射線譜連續(xù)放射特性放射這是高速電子擊脫靶物質原子的內層軌道電子，而產(chǎn)生的一種放射方式。一個常態(tài)的原子經(jīng)常處于最低能級狀態(tài)，它永遠保持其內層軌道電子是滿員的。當靶物質原子的K層電子被高速電子擊脫時，K層電子的空缺將要由L層電子補充，此時L層電子將把多余的能量作為X線光子釋放出來，此即K系特性放射；而L層電子的空缺，則由M層電子補充，即產(chǎn)生L系特性放射。

特性放射是在靶物質原子殼層電子的躍遷中產(chǎn)生的。特性放射的X線光子能量與沖擊靶物質的高速電子能量無關。它只服從于靶物質的原子特性。特性放射鎢在較高管電壓下的X射線譜

標識X射線發(fā)生原理示意圖X線的本質與特性X線？？？X線的本質X線屬電磁輻射的一種，是一種電磁波，具有二象性:微粒性和波動性,這就是X線的本質。X線的微粒性把X線看成是一個個的微粒－－光子組成的,光子具有一定的能量和一定的動質量,但無靜止質量。X線與物質相互作用時表現(xiàn)出微粒性：每個光子具有一定能量,能產(chǎn)生光電效應,能激發(fā)熒光物質發(fā)出熒光等現(xiàn)象.X線的波動性X線具有波動特有的現(xiàn)象－－波的干涉和衍射等。它以波動方式傳播,是一種橫波。X線在傳播時表現(xiàn)了它的波動性,具有頻率和波長,具有干涉、衍射、反射和折射現(xiàn)象。電磁波譜無線電等3×105

～1cm紅外線0.01～0.0008cm可見光750～390nm紫外線390～2nm診斷用X線0.01～0.008nm

注：1m＝109nmX線的特性X線特性指的是X線本身的性能，它具有以下特性：物理效應化學效應

生物效應

X線的物理效應穿透作用：由于X線波長很短，光子能量大，故具有很強的穿透力。X線的穿透作用除與X線波長(能量)有關外，還與被穿透物質的原子序數(shù)、密度和厚度等因素有關。熒光作用：熒光物質(如鎢酸鈣、氰化鉑鋇等)的原子，在X線照射下被激發(fā)或電離，當恢復原有基態(tài)時，便釋放出可見的熒光。電離作用：具有足夠能量的X線光子，不僅能擊脫原子軌道的電子，產(chǎn)生一次電離，擊脫的電子又與其它原子撞擊，產(chǎn)生二次電離。電離作用是X線劑量測量、X線治療、X線損傷的基礎。干涉、衍射、反射與折射作用：X線與可見光一樣具有這些重要的光學特性。它可在X線顯微鏡、波長測定和物質結構分析中得到應用。X線化學效應感光作用：X線具有光化學作用，可使攝影膠片感光。著色作用：某些物質經(jīng)X線長期照射后，其結晶脫水變色。如鉛玻璃經(jīng)X線長期照射后著色。生物效應X線產(chǎn)生電離輻射，它對生物細胞特別是增殖性強的細胞有抑制、損傷，甚至使其壞死的作用。它是X線治療的基礎；是放射衛(wèi)生防護的根據(jù)。X線與物質的相互作用相干散射光電效應康普頓效應電子對效應和光核反應相互作用效應產(chǎn)生的幾率相干散射（或稱不變散射）

它是一個低能量的光子沖擊到物質的原子上，形成原子的激發(fā)狀態(tài)。原子在恢復其常態(tài)時，放出一個與原入射光子同樣波長、方向不同的光子，此即相干散射。相干散射在X線與物質相互作用時所占幾率很小，不超過5％，實際作用不大。光電效應在診斷X線能量范圍內，它是X線與物質相互作用的主要形式之一，它是以光子擊脫原子的內層軌道電子而產(chǎn)生。光電效應產(chǎn)生的幾率受3個因素影響：光子必須有克服電子結合能的足夠能量光子能量與電子結合能必須接近相等軌道電子結合的越緊，越容易產(chǎn)生光電效應在X線診斷能量范圍內，光電效應產(chǎn)生的幾率約占70％。光電效應示意光電效應光電效應在X線攝影中的意義：不產(chǎn)生有效的散射，對膠片不產(chǎn)生灰霧光電效應增加射線對比度光電效應中，光子能量被全部吸收，病人接受的輻射劑量相對較多?？灯疹D效應這是X線診斷能量范圍內，X線與物質相互作用的另一種主要形式。當一個光子擊脫原子外層軌道電子時，入射光子就會偏轉，以新的方向散射出去。光子能量的一部分作為反跳電子的動能，而絕大部分作為光子散射。在X線診斷能量范圍內，康普頓散射的幾率占25％?？灯疹D效應示意電子對效應與光核反應此兩種X線與物質的相互作用形式，在X線診斷能量范圍內不發(fā)生。電子對效應是當入射光子能量大于1.02兆電子伏特時，在原子核附近生成正電子和負電子;

光核反應是指X線光子使原子核發(fā)生核反應.電子對效應示意相互作用效應產(chǎn)生的幾率在診斷X線能量范圍內：相干散射約占5％；光電效應約占70％；康普頓效應約占25％。X線質、X線量與X線強度X線質X線量X線強度X線質、X線量X線質（或稱X線硬度）X線質由X線的波長（或頻率）決定.波長又取決于管電壓的峰值.管電壓越高,波長越短,穿透力越強.X線攝影中的X線質在0.008nm～0.06nm.X線量X線量是指X線光子的多少,常用mAs表示.X線強度的定義X線強度：指垂直于X線傳播方向的單位面積上，在單位時間內通過的X線光子數(shù)量與能量之總和；也即X線束光子數(shù)量乘以每個光子的能量；也可以看作是X線質與量的乘積。影響X線強度的因素管電壓：X線強度與管電壓的平方成正比;管電流：X線強度與管電流成正比;靶物質：在一定的管電壓和管電流下，靶物質原子序數(shù)越高，X線產(chǎn)生的效率也越高;高壓波形：X線光子能量取決于X線的最短波長,即決定于管電壓的