陳彤-x射線在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

1、畢 業(yè) 論 文題 目：X射線的臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用 作 者： 陳 彤 院 系： 理學(xué)院物理系 專 業(yè)： 物理學(xué) 班 級： 2012 本科2班 學(xué) 號(hào)： 201240997 日 期： 2016年5月 指導(dǎo)教師： 王 曉 燕 河北北方學(xué)院教務(wù)處摘要自從德國科學(xué)家倫琴在1895年發(fā)現(xiàn)X射線后，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、研究領(lǐng)域都發(fā)揮著舉足輕重的作用。一百年來，X射線在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮了巨大的作用。人們通過各種方法發(fā)現(xiàn)了X射線的特性，主要分為三類：物理特性、化學(xué)特性、生物特性。正是由于X射線的這些特性，使X射線在醫(yī)學(xué)中被廣泛使用。本文主要介紹了X射線在醫(yī)學(xué)診斷、醫(yī)學(xué)治療、藥物分析等方面的應(yīng)用，如何減少X射線的危害

2、以及對于X射線診斷機(jī)、X光成像技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了討論。X射線的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，有著廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：X射線，透視，攝影，數(shù)字減影血管造影，X-CTAbstractSince the German scientists Roentgen discovered x-rays in 1895, after its in medicine, industry, research areas are playing an important role. One hundred years, X-ray played a huge role in the medical field. People th

3、rough various methods to find the characteristics of the X-ray, mainly divided into three categories: physical properties, chemical properties and biological characteristics. It is because of these characteristics of X-ray, X-ray is widely used in medicine. This article mainly introduced the X-ray i

4、n medical diagnosis, medical treatment, pharmaceutical analysis applications, as well as how to reduce the harm of X ray for X-ray diagnostic machine, the X-ray imaging technology development are discussed. X-ray application field widely, has broad development prospects.Key words: X ray, perspective

5、, photography, digital subtraction angiography, X-ray computed tomography (CT)目錄摘要IAbstractII1引言12 X射線的產(chǎn)生22.1 電子的韌制輻射22.2激光等離子體光源產(chǎn)生X射線22.3同步輻射產(chǎn)生X射線22.3受激輻射產(chǎn)生X射線23 X射線的特性33.1物理效應(yīng)33.1.1穿透作用33.1.2電離作用33.1.3熒光作用33.2化學(xué)效應(yīng)33.2.1感光作用33.3生物效應(yīng)34物質(zhì)對單色X射線的衰減規(guī)律44.1單色X射線的衰減規(guī)律44.2衰減系數(shù)與波長、原子序數(shù)的關(guān)系45 X射線在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用55.1

6、 X射線在診斷方面的應(yīng)用55.1.1常規(guī)透視和攝影55.1.2數(shù)字減影血管造影（DSA）65.1.3 XCT65.2 X射線在治療方面的應(yīng)用65.2.1治療設(shè)備75.2.2 X-刀治療75.3 X射線在藥物分析方面的應(yīng)用75.3.1 X射線單晶衍射75.3.2 X射線粉末衍射76 X射線的防護(hù)86.1常規(guī)透視及攝片的要求86.2醫(yī)護(hù)人員防護(hù)86.3被檢查者防護(hù)87總結(jié)9致謝10參考文獻(xiàn)11III1引言 在1895年，倫琴博士在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種特殊的射線。他確定這是一種新的射線，便把它命名為x射線。 X射線的發(fā)現(xiàn)具有很重要的意義，是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)革命的開端

7、。為自然科學(xué)和醫(yī)學(xué)開辟了一條嶄新的道路1。X射線自被發(fā)現(xiàn)以來，就廣泛地被應(yīng)用。人們利用x射線的特性做了許多事情，尤其是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中。這足以證明了它的重要性。通過認(rèn)識(shí)x射線的本質(zhì)和特點(diǎn)，使人們清楚x射線到底是怎樣為人們服務(wù)的。同時(shí)在研究的過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)x射線的其他特點(diǎn)，這樣開拓了它的應(yīng)用范圍，使其在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，發(fā)揮其價(jià)值造福于人類。      當(dāng)然，x射線在造福于人類的同時(shí)對人體健康也產(chǎn)生了一些危害，因此在使用的同時(shí)也要利用一些手段來減少危害。      本課題的主要目的

8、是讓人們深入了解認(rèn)識(shí)X射線，清楚它的一些特性以及在醫(yī)學(xué)中的一些應(yīng)用，清楚減少x射線危害的方法，使它未來更好地為人們服務(wù)，發(fā)揮其巨大作用。2 X射線的產(chǎn)生產(chǎn)生X射線的方法有多種，最常用的有電子的韌制輻射、使用激光等離子體產(chǎn)生X射線、由同步輻射光源和受激輻射產(chǎn)生X射線。2.1 電子的韌制輻射X射線管產(chǎn)生X射線的原理就是利用高速電子撞擊金屬靶面。在1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線時(shí)使用的就是X射線管，它是一種充氣型的。隨后，科學(xué)家們相繼研究X射線管，又發(fā)明了真空式X射線管、在陽極和陰極間裝上柵極的X射線管、雙焦式X射線管、用納米材料制成的射線管。這些射線管都可以產(chǎn)生X射線，且隨著研究的進(jìn)步，產(chǎn)生方法越來越方

9、便簡單，易操作。目前醫(yī)學(xué)中主要采用這種方法來獲得X射線。2.2激光等離子體光源產(chǎn)生X射線此光源不但價(jià)格便宜而且操作方便，這種光源常常用于x射線顯微術(shù)。產(chǎn)生x射線的原理是：激光脈沖打在固體靶上，使靶表面形成等離子體，然后發(fā)射x射線。用氣體靶材料代替固體靶材料要更好一些。氣體靶材料可以避免由于濺射而引起的損傷污染光學(xué)系統(tǒng)的問題。2.3同步輻射產(chǎn)生X射線同步輻射就是由加速的高能帶電粒子直接輻射出X射線。由于同步輻射光源具有高強(qiáng)度、準(zhǔn)直光束、連續(xù)波長、很小的光束截面積、時(shí)間脈波性與偏振性的特點(diǎn)，因而廣泛地被人們使用2。2.3受激輻射產(chǎn)生X射線自X射線發(fā)現(xiàn)以來就被引用在各個(gè)領(lǐng)域，科學(xué)家們研究它的強(qiáng)度。X

10、射線激光比普通的激光具有更強(qiáng)的穿透能力。3 X射線的特性3.1物理效應(yīng)3.1.1穿透作用X射線的穿透能力與X射線的波長有關(guān)，波長越短，X光子的能量就越大，則它的貫穿本領(lǐng)就越大。對于不同的物質(zhì)來說，它的原子序數(shù)越大，吸收本領(lǐng)就越強(qiáng)，X射線的貫穿能力就越小。在醫(yī)學(xué)中的X光透視和X光攝影技術(shù)都是以X射線的貫穿本領(lǐng)為基礎(chǔ)的。3.1.2電離作用電離作用就是X射線能夠使原子或分子發(fā)生電離的現(xiàn)象。由于電離作用會(huì)誘發(fā)一系列的生物效應(yīng)，如會(huì)損傷細(xì)胞、抑制細(xì)胞生長、嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。醫(yī)學(xué)中把電離作用作為了治療和損傷的基礎(chǔ)。3.1.3熒光作用X射線照射到某些特殊物質(zhì)時(shí)，如磷、鉑、硫化鋅等，會(huì)使它們的原子或分子躍

11、遷處于激發(fā)態(tài)。當(dāng)它們躍遷回到基態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)出熒光。在進(jìn)行X射線透視時(shí)，X射線透過人體后所成的像就呈現(xiàn)在熒光屏上，醫(yī)生通過此影像就可以分析出受檢者的具體情況。3.2化學(xué)效應(yīng)3.2.1感光作用當(dāng)X射線照射到膠片上的溴化銀時(shí)，能使銀離子沉淀從而使膠片產(chǎn)生感光作用。人體對X射線的吸收不同，導(dǎo)致膠片上獲得的感光度不同，從而獲得X射線的影像。這為X射線的攝片檢查提供了條件。X射線攝影技術(shù)就是應(yīng)用的這個(gè)原理。3.3生物效應(yīng)X射線照射人體時(shí)，會(huì)誘發(fā)一系列的生物效應(yīng)，會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，抑制細(xì)胞的生長。因?yàn)楦鱾€(gè)生物細(xì)胞都具有各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以它們對X射線的敏感度就大不相同，利用這種特性可治療人體的某些疾病，尤其是

12、腫瘤。經(jīng)研究表明，利用X射線的生物效應(yīng)來進(jìn)行治療，確實(shí)取得了可觀的結(jié)果 3。4物質(zhì)對單色X射線的衰減規(guī)律4.1單色X射線的衰減規(guī)律實(shí)驗(yàn)表明，單色平行X射線束通過物質(zhì)時(shí)，沿入射方向，X射線的強(qiáng)度變化服從指數(shù)衰減規(guī)律，即：式中I0是入射X射線的強(qiáng)度，I是通過厚度為X的物質(zhì)后的射線強(qiáng)度，稱為線性衰減系數(shù)。越大衰減越快，越小衰減越慢。對于同一種物質(zhì)，衰減系數(shù)與物質(zhì)密度成正比，因此物質(zhì)密度越大，則單位體積中可能與光子發(fā)生作用的原子就越多，光子被吸收或散射的概率就越大。線性衰減系數(shù)與密度的比值稱為質(zhì)量衰減系數(shù)，記作，即：質(zhì)量衰減系數(shù)用來比較各種物質(zhì)對X射線的吸收本領(lǐng)。一種物質(zhì)由液態(tài)或固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)，密度

13、變化很大，但值都是相同的。所以有：4.2衰減系數(shù)與波長、原子序數(shù)的關(guān)系對于質(zhì)量衰減系數(shù)近似地適合下式：式中k是一個(gè)常數(shù)，z是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)，是射線波長。指數(shù)通常在34之間，與吸收物質(zhì)和射線波長有關(guān)。對于水、空氣和人體組織，可取3.5。所以可以得出：原子序數(shù)越大的物質(zhì)，吸收本領(lǐng)越大。人體肌肉組織主要由C、H、O等組成，骨骼主要成分是Ca3(PO4)2，Ca和P的原子序數(shù)比肌肉組織中任何成分的原子序數(shù)都高，因此骨骼的質(zhì)量衰減系數(shù)比肌肉組織的大，在X射線照片中顯示出明顯的陰影。在胃腸透視時(shí)服用鋇餐也是因?yàn)殇^的原子序數(shù)大，吸收本領(lǐng)大，可以顯示出腸胃陰影。波長越長的X射線，越容易被吸收。也就是說，波

14、長越短，貫穿本領(lǐng)越強(qiáng)，越容易穿過物質(zhì)。5 X射線在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用5.1 X射線在診斷方面的應(yīng)用X射線在醫(yī)學(xué)診斷方面的應(yīng)用，主要是以X射線的穿透作用、感光作用、差別吸收以及熒光作用為基礎(chǔ)的。5.1.1常規(guī)透視和攝影常規(guī)透視和攝影的基本原理相同，只不過透視技術(shù)是把像呈現(xiàn)在熒光屏上，攝影技術(shù)是把像呈現(xiàn)在膠片上，成像的工具不同，但通過這兩種方法都可以看到人體內(nèi)部的組織和器官，可以檢查疾病。在透視和攝影時(shí)，人變得“透明”了，這為醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行人體檢查提供了便利條件。這兩種方法在醫(yī)學(xué)中都經(jīng)常使用，但是相比較之下，X光攝影技術(shù)得到的影像更加清晰，能更加清楚明了的找到病變位置，所以這種方法更適合于精細(xì)檢查。對

15、于X光透視技術(shù)來說，它就更適合于普查了。為了解決X光攝影時(shí)乳膠吸收X射線量不足的問題，人們研制出了一種工具增感屏。在進(jìn)行X光攝影時(shí)，在底片前后各放一個(gè)增感屏，這樣就大大增加了膠片吸收的X射線量，這個(gè)問題不僅解決了，而且對于病人來說，也減少了X射線的照射量，減少了X射線對人體的傷害。由于人體各部對X射線吸收不同，在對軟組織進(jìn)行攝影時(shí)，要選用較軟的X射線。如果選擇硬X射線，它的能量非常大，穿透能力特別強(qiáng)，攝影時(shí)也就不能區(qū)分不同組織了?，F(xiàn)在醫(yī)院使用的鉬靶X射線管可以產(chǎn)生較軟的X射線，用于對乳腺攝影時(shí)，取得了很好的效果。對于人體某些器官來說，在使用X光透視或X光攝影時(shí)，不能在熒光屏或膠片上顯示出來，因

16、為這些器官和組織對X射線的吸收差不多，所以人們又研制出了一種物質(zhì)造影劑，它的衰減系數(shù)較大或較小，用來增加和組織的對比。例如，在進(jìn)行消化道檢查時(shí)，讓受檢者吞服“鋇餐”（硫酸鋇），再進(jìn)行X光透視或X光攝影時(shí)，就能把器官顯示出來了。在進(jìn)行關(guān)節(jié)檢查時(shí)，在關(guān)節(jié)處注入空氣，再進(jìn)行檢查，也能更好地把關(guān)節(jié)周圍的結(jié)構(gòu)顯示出來4。5.1.2數(shù)字減影血管造影（DSA）數(shù)字減影血管造影(DSA)是通過電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助成像的血管造影方法，它是應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行兩次成像完成的。在注入造影劑之前，首先進(jìn)行第一次成像，并用計(jì)算機(jī)將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存起來。注入造影劑后，再次成像并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。兩次數(shù)字相減，消除相同的信

17、號(hào)，得知一個(gè)只有造影劑的血管圖像。這種圖像較以往所用的常規(guī)腦血管造影所顯示的圖像，更清晰和直觀，一些精細(xì)的血管結(jié)構(gòu)亦能顯示出來。DSA不但能清楚地顯示頸內(nèi)動(dòng)脈、顱內(nèi)大血管及大腦半球的血管圖像，還可測定動(dòng)脈的血流量，所以，被廣泛應(yīng)用于腦血管病檢查，特別是對于動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形等定性定位診斷，更是最佳的診斷手段。另外，對于缺血性腦血管病，也有較高的診斷價(jià)值。DSA可清楚地顯示動(dòng)脈管腔狹窄、閉塞、側(cè)支循環(huán)建立情況等，對于腦出血可進(jìn)一步查明導(dǎo)致出血的病因。對于心血管造影常用的方法是同步輻射雙色數(shù)字減影術(shù)。造影劑對X光的吸收有一個(gè)k吸收邊（33.16kev），此處衰減系數(shù)變得很大，而骨骼和肌肉沒有這種現(xiàn)

18、象。在短時(shí)間內(nèi)用兩種波長的同步輻射X射線進(jìn)行兩次造影，一次使用的光子能量略低于k吸收邊，此時(shí)碘的衰減系數(shù)較小。第二次使用的光子能量略高于k吸收邊，此時(shí)碘的衰減系數(shù)較大。兩次圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)后，兩次數(shù)字相減，就把骨骼和肌肉的影像除去了，從而獲得清楚的血管影像。5.1.3 XCTCT的全稱是“計(jì)算機(jī)斷層攝影系統(tǒng)”。它是采取很細(xì)的X射線束高度準(zhǔn)直以后，圍繞身體某一部位，從多個(gè)方向做橫斷層掃描，用靈敏的探測器接收吸收透過的X射線，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出該層面各點(diǎn)的X射線吸收系數(shù)值，再由圖像顯示器，將不同的數(shù)據(jù)用不同的灰度等級顯示出來，從而為疾病診斷提供可供參考的重要依據(jù)。CT與X線圖像相比，CT的密度

19、分辨力高，即有高的密度分辨力。因此，人體軟組織的密度差別雖小，吸收系數(shù)雖多接近于水，也能形成對比而成像。這是CT的突出優(yōu)點(diǎn)。所以，CT可以更好地顯示由軟組織構(gòu)成的器官，如腦、脊髓、肺、肝、膽、胰以及盆部器官等，并在良好的解剖圖像背景上顯示出病變的影像。CT檢查對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷價(jià)值較高，應(yīng)用普遍。對顱內(nèi)腫瘤、寄生蟲病、外傷性血腫與腦損傷、腦梗塞與腦出血等病診斷效果好，診斷較為可靠。5.2 X射線在治療方面的應(yīng)用除診斷之外，X射線還可以用于治療，尤其是對惡性腫瘤的治療。5.2.1治療設(shè)備普通X射線治療機(jī)、電子直線加速器和“X-刀”是用來進(jìn)行X射線治療的三種設(shè)備。5.2.2 X-刀治療X-刀

20、是一種用于放射治療的設(shè)備。X射線在照射時(shí)能夠精確的按照腫瘤的形狀照射，使腫瘤組織凸顯出來并與正常的組織形成整齊的邊緣，很容易進(jìn)行切除。      X-刀以高能X射線和電子線為放射源，將X射線集中照射在腫瘤病灶上消滅腫瘤細(xì)胞。就像是用放大鏡將太陽光聚焦到火柴頭能使火柴頭燃燒一樣，X刀就是將高劑量的X射線聚焦到腫瘤上來治療腫瘤。其優(yōu)點(diǎn)是：既提高了腫瘤的治療效果，又保護(hù)了重要的正常組織和器官。5.3 X射線在藥物分析方面的應(yīng)用在中草藥的研究工作中，利用X光衍射來分析中草藥的有效成分的結(jié)構(gòu)，尋求代用品以及在保護(hù)自然環(huán)境方面，X射線都發(fā)揮了重大

21、作用。5.3.1 X射線單晶衍射應(yīng)用單晶X射線衍射來分析藥物結(jié)構(gòu)時(shí)，只需要一個(gè)單晶體，就可以完成測定。例如在研究紫杉醇及紫杉醇的化合物時(shí)，要從植物中提取，而且提取量很少，此時(shí)就要應(yīng)用單晶X射線來分析藥物結(jié)構(gòu)。自然界中存在著許多不為人知的化合物結(jié)構(gòu)，要探究這些化合物的結(jié)構(gòu)都要通過單晶X衍射來分析。例如在分析研究龍膽草的根莖時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)了六種新的不為人知的晶體結(jié)構(gòu)，這為人們進(jìn)一步研究提供了更好的依據(jù)，使人們更好地利用此種藥物。5.3.2 X射線粉末衍射每種藥物都有自己的純度，純度包括化學(xué)純度和晶型純度。粉末X射線衍射就可以來鑒別藥物的純度。通過X射線衍射分析得出圖像，然后就可以根據(jù)圖像來計(jì)算藥物

22、的純度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果就可以知道該藥品是否質(zhì)量達(dá)標(biāo)。利用粉末X射線衍射技術(shù)還可以鑒定中藥真?zhèn)?。中藥中含有很多的化學(xué)成分，目前都沒有一套完整技術(shù)可以檢測它的所有成分，因此導(dǎo)致中藥無法走向全世界，這也制約了中藥的發(fā)展。應(yīng)用粉末X射線衍射技術(shù)可以在微觀世界中再現(xiàn)中藥整體結(jié)構(gòu)特征。6 X射線的防護(hù)由于X射線的生物效應(yīng)，在利用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些危害，比如：會(huì)使病人脫發(fā)，嚴(yán)重的造成皮膚燒傷，對于工作人員來說，可能會(huì)得白血病，視力問題等。所以為了減輕傷害，必須采取有效的防護(hù)措施。6.1常規(guī)透視及攝片的要求對病人的胸透和腹透要在較短時(shí)間內(nèi)完成，一般為三到五分鐘完成。并且輻射劑量也要控制在要求范圍內(nèi)，決不能超過要求的劑

23、量。按照正確方法及要求操作，就不會(huì)對醫(yī)護(hù)人員及病人造成傷害了。6.2醫(yī)護(hù)人員防護(hù)對于從事X射線的醫(yī)護(hù)人員來說，雖然有完善的防護(hù)措施，但因?yàn)殚L時(shí)間接觸，也要在人體可以接受的攝入范圍內(nèi)工作，否則就會(huì)對其造成傷害。所以要定期對各種防護(hù)設(shè)備進(jìn)行檢查，定期更換，要根據(jù)國家有關(guān)放射防護(hù)的規(guī)定制定完善的措施，按要求正確的進(jìn)行X射線的檢查，佩戴各種防護(hù)用具，加強(qiáng)自我保護(hù)意識(shí)。6.3被檢查者防護(hù)確保被檢查者的安全，對被檢查者的防護(hù)，是防護(hù)工作的首要任務(wù)。人體吸收X射線的劑量與距離有關(guān)，越接近X射線管口，吸收的越多。所以在做胸透或腹透時(shí)要與管口保持一定距離。醫(yī)護(hù)人員要運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆椒?，正確的檢查過程，避免不必要的X射線曝射，同時(shí)，曝射次數(shù)不能過多也不要在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)檢查4。7總結(jié)本文主要介紹了X射線的發(fā)現(xiàn)，X射線的產(chǎn)生，基本性質(zhì)以及在醫(yī)學(xué)中的主要應(yīng)用。通過對這個(gè)題目的研究，要明確X射線在當(dāng)今世界和當(dāng)代科學(xué)中的重要地位和應(yīng)用前景，了解如何去研究物理課題。當(dāng)然，本文重點(diǎn)介紹的是X射線的性質(zhì)、X射線在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用、以及X射線的防護(hù)，但是X射線在工業(yè)領(lǐng)域以及研究領(lǐng)域也發(fā)揮了重要作用。比如X射線可用電離計(jì)、閃爍計(jì)數(shù)器和感光乳膠片等檢測。在地質(zhì)研究中采用自由電子激光器的X射線全息照相術(shù)使全息技術(shù)走上了新的臺(tái)階?？偠灾琗射線的