X射線成像的物理基礎(chǔ)

1、 1901年,首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國物理學(xué)倫琴, 以表彰他在1895年11月8日偶然發(fā)現(xiàn)的X射線.1896年1月發(fā)現(xiàn)X射線后僅幾周，芝加哥電氣技師Emil Grubbe（1875-1960）即利用X射線對一名55歲患乳腺癌的婦女進(jìn)行了放射治療陽極陽極陰極陰極低壓低壓電源電源毫安表毫安表千伏表千伏表高壓電源高壓電源(2)X(2)X射線產(chǎn)生必要條件有：射線產(chǎn)生必要條件有： a.a.有高速運(yùn)動(dòng)的電子流有高速運(yùn)動(dòng)的電子流( (陰極陰極, ,鎢鎢) ) b. b.有適當(dāng)?shù)恼系K物有適當(dāng)?shù)恼系K物( (陽極陽極, ,鎢鎢, ,鉬鉬, , 99% 99%轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃哭D(zhuǎn)變?yōu)闊崃?)!)就象子彈打在坦克上會(huì)發(fā)出聲

2、音和就象子彈打在坦克上會(huì)發(fā)出聲音和火花一樣火花一樣. .圖2. X 射線治療腫瘤機(jī)033599%99%99% 40 10250 10605.94 10QQIUtJ(3)兩個(gè)主要參量：兩個(gè)主要參量：(4)關(guān)于關(guān)于X射線：射線：1610 HziiihNI 單位時(shí)間內(nèi)通過與射線方向垂直的單位單位時(shí)間內(nèi)通過與射線方向垂直的單位面積的輻射能量為面積的輻射能量為.用用 I 表示表示.式中式中 表示表示X射線光子的頻率射線光子的頻率iNi為頻率為的為頻率為的X射線的光子射線的光子數(shù)數(shù) X射線硬度是指射線硬度是指X射線對物質(zhì)的貫穿本領(lǐng)射線對物質(zhì)的貫穿本領(lǐng). 相鄰兩層的波程差是相鄰兩層的波程差是, sin22d

3、AMBMAM d12CBMA圖3. X 射線衍射原理mdsin2式中式中m是正整數(shù)是正整數(shù),m =1,2,3, 時(shí)時(shí),反射束分別為反射束分別為第一第一,二二,三三,級反射線束級反射線束.由此我們得到由此我們得到X射線衍射波加強(qiáng)的條件為射線衍射波加強(qiáng)的條件為這個(gè)公式稱為這個(gè)公式稱為12X射線攝譜儀原理射線攝譜儀原理晶體晶體mdsin219151915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)XX射線晶體結(jié)構(gòu)分析射線晶體結(jié)構(gòu)分析1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國倫敦大學(xué)的亨利.布拉格和他的兒子英國曼徹斯特維克托利亞大學(xué)的勞倫斯.布拉格,以表彰他們在1913年用X射線對晶體結(jié)構(gòu)的分析所作的貢獻(xiàn).勞倫斯布拉格 亨

4、利.布拉格主要貢獻(xiàn):利用X-射線繞射方法研究晶體構(gòu)造制成第一臺(tái)X-射線光譜儀提出 Bragg 方程 : n2dsin開創(chuàng)英國固態(tài)物理測定晶體構(gòu)造L.布拉格(1890-1971) H.布拉格(1862-1942) 英國物理學(xué)家 金剛石結(jié)構(gòu)模型布拉格父子于1913年借助X射線成功地測出金剛石的晶體結(jié)構(gòu),并提出了“布拉格公式”,為最終建立現(xiàn)代晶體學(xué)打下了基礎(chǔ),于1915年獲獎(jiǎng).當(dāng)時(shí),小布拉格年僅25歲,是至今為止最年輕的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者. 1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國法蘭克福大學(xué)的勞厄 ( Laue ,1879-1960),以表彰他在1912年發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射.佩魯茲（M. Perutz，1

5、914-2 0 0 2 ） 和 肯 特 魯 （ C . Kendrew，1917-1997）1953年通過X射線衍射法完成了血紅蛋白和肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)分析M. Perutz C. Kendrew羅莎琳德 富蘭克林 (Rosalind Franklin)1920年生于倫敦,15歲就立志要當(dāng)科學(xué)家,但父親 并不支持她這樣做.她早年畢業(yè)于劍橋大學(xué),專業(yè)是物理化學(xué). 1945年,當(dāng)獲得博士學(xué)位之后,她前往法國學(xué)習(xí)X射線衍射技術(shù). 當(dāng)X射線穿過晶體之后,會(huì)形成衍射 圖樣一種特定的明暗交替的圖形.不同的晶體產(chǎn)生不同的衍 射圖樣,仔細(xì)分析這種圖形人們就能知道組成晶體的原子是如何 排列的.富蘭克林精于此道,她成

6、功的拍攝了DNA分子是單鏈結(jié)構(gòu)的螺旋體X射線衍 射照片.這張照片正是發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵 J. Watson F. Crick 1953年沃森（J.WatsonJ.Watson，19281928）和克里克（F.CrickF.Crick，19161916）在堿基互補(bǔ)配對原則的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型12晶體晶體圖4. X 射線攝譜儀 與強(qiáng)度為零相對應(yīng)的波長是連續(xù)光譜中最與強(qiáng)度為零相對應(yīng)的波長是連續(xù)光譜中最短波長短波長,或稱為短波極限或稱為短波極限.nm/eUchhminmaxUehc1minmin1.242KVnmU121min2min1min1min1min1min1.2421.

7、242111.2421.242221.2420.0272UUUnmUMLLKKKKMLN受到靶受到靶原子核強(qiáng)電場的作用而減速產(chǎn)生的光譜原子核強(qiáng)電場的作用而減速產(chǎn)生的光譜,而而xeII0 式中式中I0是入射的是入射的X射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度, I是通過厚度是通過厚度為為x的物質(zhì)層后的的物質(zhì)層后的X射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度,是物質(zhì)的是物質(zhì)的線性線性吸收系數(shù)吸收系數(shù). I I0 0I Ix xm質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)mmxeII0 稱為稱為,它等于單位面積中它等于單位面積中,厚厚度為度為x的吸收層的質(zhì)量的吸收層的質(zhì)量. xxm 半價(jià)層半價(jià)層就是使就是使X射線強(qiáng)度減弱一半時(shí)所需射線強(qiáng)度減弱一半時(shí)所需要的吸收體厚度

8、要的吸收體厚度(或質(zhì)量厚度或質(zhì)量厚度).半價(jià)層半價(jià)層:0 0. .6 69 93 3l ln n2 2x x2 21 11 / 2012xIeI34kZm式中式中 k是常數(shù)是常數(shù)是是X射線的波長射線的波長Z是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)34kZm443424244444C a( P O)ZHO32 021 58821186 1 4 0 1 81 5 04 0 9 8Z骨 骼肌 肉骨 骼 與 肌 肉 對 X 射 線 的 吸 收 倍 數(shù)骨 骼 的 質(zhì) 量 吸 收 系 數(shù)=肌 肉 的 質(zhì) 量 吸 收 系 數(shù)00 xxII eII e鉛 鉛鋁 鋁鉛鋁xxee鉛 鉛鋁 鋁xx鉛鉛鋁鋁26111

9、.977132xxmm 鉛鋁鉛鋁 由于人體內(nèi)各種不同的組織或臟器對由于人體內(nèi)各種不同的組織或臟器對X 射線吸收本領(lǐng)不同射線吸收本領(lǐng)不同, 所以所以X 射線透過身體不同射線透過身體不同部位后的強(qiáng)度是不同的部位后的強(qiáng)度是不同的.將這些強(qiáng)度不同的將這些強(qiáng)度不同的X射線投影到熒光屏上射線投影到熒光屏上,就可以顯示出明暗不同就可以顯示出明暗不同的熒光像的熒光像,稱為稱為X射線透視術(shù)射線透視術(shù).如果讓透過人體如果讓透過人體的的X射線投射到照相底片上射線投射到照相底片上,顯影后就可以觀顯影后就可以觀察到各處明暗不同的像察到各處明暗不同的像,稱為稱為X射線照相術(shù)射線照相術(shù).1979年的諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予

10、美國物理學(xué)家科馬克(1963年提出理論)和英國工程師亨斯菲爾德(1972年研制第一臺(tái)CT機(jī)) 發(fā)明X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描. 當(dāng)強(qiáng)度為當(dāng)強(qiáng)度為I0的單色的單色X射線通過厚度為射線通過厚度為x的的均勻介質(zhì)后均勻介質(zhì)后,其強(qiáng)度其強(qiáng)度 .如果如果I0 、I和和x為已知為已知,則吸收系數(shù)則吸收系數(shù)的值為的值為xeII0IIx0ln1對第一個(gè)對第一個(gè)體素體素有有 ;對第二個(gè)體素對第二個(gè)體素有有 ;對第對第n個(gè)體素有個(gè)體素有xeII101;.212012xxeIeIIxneII.021123n1nx利用利用 可將介質(zhì)吸收系數(shù)的可將介質(zhì)吸收系數(shù)的總和表示為總和表示為xneII.021IIxnii021ln1.當(dāng)

11、當(dāng)I和和I0都測出之后都測出之后,就可得出沿就可得出沿X射線貫穿方射線貫穿方向的各體素的吸收系數(shù)的總和向的各體素的吸收系數(shù)的總和.我們稱這個(gè)吸收系數(shù)的總和為我們稱這個(gè)吸收系數(shù)的總和為投影值投影值.1112n12122n2nn2n1ni i X-CT X-CT 計(jì)算機(jī)斷層成像原理計(jì)算機(jī)斷層成像原理 （第三代）（第三代） X-CT X-CT 計(jì)算機(jī)斷層成像原理計(jì)算機(jī)斷層成像原理 （第三代）（第三代）序號第一代第二代第三代第四代第五代名稱單束掃描窄角扇束掃描廣角扇束掃描反扇束掃描動(dòng)態(tài)空間重現(xiàn)測量原理 平移旋轉(zhuǎn) 旋 轉(zhuǎn) 靜止測量時(shí)間 5min 1.5min 5s 2s 1s檢測器數(shù)量 1 30 600

12、 1500 靜止 28張角 0度 11度 45度 90度 45度應(yīng)用范圍 頭 部 全身心，肺4層螺旋CT 示意圖馬 可 尼 公 司(Marconi) 生產(chǎn)的MX8000多層螺旋CT掃描系統(tǒng)主要特點(diǎn)：最多100s的連續(xù)多層螺旋掃描能力；每秒8層的多層掃描能力；超 快 速 0 . 5 s ，360螺旋掃描；薄層掃描厚度0.5mm64層采集的螺旋CT設(shè)備：SIEMENS SOMATON Sensation 64層CT掃描一周能夠獲得64層圖像，每層厚在1mm以下，一周所用時(shí)間只有0.37s，各個(gè)方向上的空間分辨率是一致的，為0.4 mmSOMATON Sensation 642004年1月20日面世

13、2004年4月12日獲得FDA認(rèn)證 CT 掃描技術(shù)的發(fā)展歷史1985198919911993大量數(shù)大量數(shù)據(jù)取樣據(jù)取樣高質(zhì)量的高質(zhì)量的快速掃描快速掃描 經(jīng)過掃描和圖象重建所得到的經(jīng)過掃描和圖象重建所得到的X-CT圖像圖像是一定數(shù)量由黑到白不同長度的小方塊按矩陣是一定數(shù)量由黑到白不同長度的小方塊按矩陣排列方式組成的排列方式組成的,這些小放塊叫做這些小放塊叫做像素像素. 由于人體通常不采用由于人體通常不采用的絕對值的絕對值,而是取而是取它的相對值它的相對值,并稱為并稱為CT值值或洪斯菲爾德值或洪斯菲爾德值,它它的定義為的定義為）（值水水H1000CT式中式中為待測組織的吸收系數(shù)為待測組織的吸收系數(shù)水

14、水 1為水的吸收系數(shù)為水的吸收系數(shù) 物物 質(zhì)質(zhì) 吸收系吸收系數(shù)數(shù) CT值值 水水 1.0 0 H 灰色 空氣空氣 0.0013 1000 H 黑色 密質(zhì)骨密質(zhì)骨 2.0 1000 H 白色腦脊髓液 1.016 16水腫 1.018 18淋巴液 1.022 22神經(jīng)膠質(zhì)真性瘤 1.026 26骨髓真質(zhì)瘤 1.044 44腦膜瘤 1.046 46星狀細(xì)胞瘤 1.054 54血塊 1.074 74紅血球 1.093 93CTCT值（值（20002000）灰度（灰度（20002000）即從全黑（對應(yīng)CT值為1000）到全白（對應(yīng)CT值1000）有2000個(gè)不同的黑白或明暗等級.由于這2000個(gè)CT值可轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像畫面上的2000個(gè)灰度CT像是一個(gè)灰度不同、且灰度變化不連續(xù)的圖像.X-CT主要用來診斷腦部疾病主要用來診斷腦部疾病. 全身全身CT檢查對血液循環(huán)系統(tǒng)和消化系檢查對血液循環(huán)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢查、婦科病和心臟病等的診斷上統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢查、婦科病和心臟病等的診斷上不如其他方法不如其他方法. 近年來近年來,已經(jīng)將已經(jīng)將CT引入了放射治療領(lǐng)域引入了放射治療領(lǐng)域,通過可以定量地確定腫瘤的位置、大小、寬通過可以定量地確定腫瘤的位置、大小、寬度與周圍組織的幾何關(guān)系等度