醫(yī)用物理學(xué)18X射線成像物理基礎(chǔ)課件

X射線及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

X-rayanditsmedicalapplicationsX射線及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

X-rayanditsmedica1X射線成像X-rayimagingX射線成像2X射線及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

X-rayanditsmedicalapplications一、X射線的基本原理二、X射線的基本性質(zhì)三、X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用四、X射線的輻射防護(hù)五、總結(jié)X射線及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

X-rayanditsmedic3一、X射線的基本原理

ThebasicprinciplesofX-ray1、X射線概述2、X射線產(chǎn)生3、X射線硬度和強(qiáng)度4、X射線衍射5、X射線譜一、X射線的基本原理

Thebasicprinciple41、X射線概述

X-rayOverview1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)當(dāng)高速電子撞擊某些固體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種看不見(jiàn)的射線，它能透過(guò)許多對(duì)可見(jiàn)光不透明的物質(zhì)，對(duì)感光乳膠有感光作用，并能使許多物質(zhì)產(chǎn)生熒光，倫琴稱它為X射線（X-ray）。研究表明X射線是波長(zhǎng)大約在10-3～1nm范圍內(nèi)的電磁波。1、X射線概述

X-rayOverview1895年，倫琴5倫琴及其拍攝的第一張X照片倫琴及其拍攝的第一張X照片6X射線成像X-rayimagingX射線成像7X射線的產(chǎn)生裝置：X射線管低壓電源高壓電源2、X射線產(chǎn)生

X-rayproductionX射線是在高度真空的X射線管中產(chǎn)生的，是高速電子與陽(yáng)極靶面相互作用的結(jié)果5~10V幾十~幾百kVX射線的產(chǎn)生裝置：2、X射線產(chǎn)生

X-rayproduc8X射線管的結(jié)構(gòu)X-raytubestructureX射線管的結(jié)構(gòu)X-raytubestructure9高速電子與陽(yáng)極靶面相互作用存在以下四個(gè)物理過(guò)程：電離、激發(fā)、彈性散射、韌致輻射。電離：原子的外層價(jià)電子或內(nèi)層電子在高速電子作用下完全脫離了原子軌道，使原子變成離子，稱為電離，包括外層電離和內(nèi)層電離。高速電子與陽(yáng)極靶面相互作用存在以下四個(gè)物理過(guò)程：電離、激發(fā)、10二次電子入射電子出射電子A外層電離二次電子入射電子出射電子B內(nèi)層電離標(biāo)識(shí)X射線外層電離：最外層電子軌道的能級(jí)差較小，所以外層電離的光譜一般是在紫外線、可見(jiàn)光和紅外線的波長(zhǎng)范圍，不屬于X線；內(nèi)層電離：內(nèi)層電子脫離軌道，使原子處于激發(fā)態(tài)，通過(guò)內(nèi)層電子的能級(jí)躍遷而輻射標(biāo)識(shí)X射線。光學(xué)光譜二次電子入射電子出射電子A外層電離二次電子入射電子出射電子11激發(fā)：高速電子撞擊原子外層電子，由于作用較弱，不足以使其電離，僅將其推入高能級(jí)的空殼層，使原子處于激發(fā)態(tài)，這種作用叫激發(fā)。發(fā)射光學(xué)光譜，不產(chǎn)生X射線。彈性散射：高速電子受原子核電場(chǎng)的作用而改變運(yùn)動(dòng)方向，但是能量不變，稱為彈性散射。這種作用沒(méi)有光譜輻射，也沒(méi)有能量損失。激發(fā)：高速電子撞擊原子外層電子，由于作用較弱，不足以使其電離12韌致輻射：高速電子在原子核電場(chǎng)作用下，速度突然變小時(shí)，它的一部分能量轉(zhuǎn)變成電磁波發(fā)射出來(lái)，這種情況叫韌致輻射。韌致輻射所產(chǎn)生的X射線是一束波長(zhǎng)不等的連續(xù)光譜。出射電子入射電子韌致輻射示意圖連續(xù)X線韌致輻射：高速電子在原子核電場(chǎng)作用下，速度突然變小時(shí)，它的一13高速電子與陽(yáng)極靶原子撞擊的結(jié)果，產(chǎn)生兩種類型的電磁輻射。一種是光學(xué)光譜，波長(zhǎng)在可見(jiàn)光、紅外線、紫外線附近；另一種是X射線。（1）內(nèi)層電離產(chǎn)生的標(biāo)明陽(yáng)極靶材料元素特性的標(biāo)識(shí)X射線；（2）高速電子與核電場(chǎng)作用所形成的韌致輻射，這是一束連續(xù)X射線。X射線產(chǎn)生總結(jié)高速電子與陽(yáng)極靶原子撞擊的結(jié)果，產(chǎn)生兩種類型X射線產(chǎn)生總結(jié)143、X射線硬度和強(qiáng)度

X-rayhardnessandintensityX射線的硬度是指它的貫穿本領(lǐng)，決定于波長(zhǎng)。波長(zhǎng)愈短的X射線，光子的能量愈大，貫穿本領(lǐng)愈強(qiáng)，它的硬度就愈大，常用于深部治療。X射線的硬度由管電壓控制，管電壓愈高，轟擊陽(yáng)極的電子動(dòng)能就愈大，發(fā)射光子的能量也愈大，X射線愈硬。因此，在醫(yī)學(xué)上通常用管電壓來(lái)衡量X射線的硬度。3、X射線硬度和強(qiáng)度

X-rayhardnessand15

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5～2020～100250以上0.25～0.0620.062～0.0120.005以下軟組織攝影，表皮治療透視和攝影較深組織治療深部組織治療100～2500.012～0.005X射線按硬度分類名稱管電壓(kV)最短16X射線的強(qiáng)度是指單位時(shí)間通過(guò)與射線方向垂直的單位面積的輻射能量。通常是在一定的管電壓下，用管電流的mA數(shù)來(lái)表示X射線的強(qiáng)度。有兩種方法增加強(qiáng)度：增加管電流，增加管電壓。X射線應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中時(shí)，必須考慮劑量和選擇波長(zhǎng)，以適合診斷和治療的要求。所以X射線的硬度和強(qiáng)度是兩個(gè)重要的物理量。X射線的強(qiáng)度是指單位時(shí)間通過(guò)與射線方向垂直的單位面積的輻射能174、X射線衍射

X-raydiffraction晶體的微觀結(jié)構(gòu)（原子、分子或離子的排列）具有周期性，當(dāng)X射線照到晶體上時(shí)，組成晶體的每一個(gè)原子都可看作一個(gè)子波源，向各個(gè)方向發(fā)出子波，在某些方向上的X射線會(huì)相加干涉，使得在一些特定的方向的光束加強(qiáng)。晶體可能產(chǎn)生衍射的方向決定于晶體微觀結(jié)構(gòu)的類型及其基本尺寸；而衍射強(qiáng)度決定于晶體中各組成原子的元素種類及其分布排列的坐標(biāo)。晶體衍射方法是目前研究晶體結(jié)構(gòu)最有力的方法——X射線結(jié)構(gòu)分析4、X射線衍射

X-raydiffraction晶體的微觀18勞厄（Laue，1879-1960）1912年通過(guò)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(guò)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勞厄（Laue，1879-1960）1912年通過(guò)X射線在晶19晶體的空間點(diǎn)陣可劃分為一族平行且等間距的平面點(diǎn)陣，或者稱晶面(crystalplane)。ddd布拉格條件(Braggcondition)晶體的空間點(diǎn)陣可劃分為一族平行且等間距的平面點(diǎn)陣，或者稱晶面20X射線由連續(xù)X射線和標(biāo)識(shí)X射線組成，醫(yī)學(xué)應(yīng)用的是連續(xù)X射線。5、X射線譜

X-rayspectraKLLL0.21.081.281.47(?)0.51.01.50相對(duì)強(qiáng)度X射線譜示意圖X射線由連續(xù)X射線和標(biāo)識(shí)X射線組成，醫(yī)學(xué)應(yīng)用的是連續(xù)X射線。21當(dāng)X射線管在管電壓較低時(shí)，它只發(fā)射連續(xù)X射線。不產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線?)2-5鎢的連續(xù)X每條連續(xù)譜線存在著最短波長(zhǎng)，叫短波極限λmin。50kV40kV30kV20kV(?)0.40.61.00.80.2相對(duì)強(qiáng)度鎢的連續(xù)X射線譜5.1、連續(xù)X射線譜ContinuousX-rayspectra當(dāng)管電壓增大時(shí)，各波長(zhǎng)強(qiáng)度都增大，且強(qiáng)度最大的波長(zhǎng)和短波極限都向短波方向移動(dòng)。當(dāng)X射線管在管電壓較低時(shí)，它只發(fā)射連續(xù)X射線。不產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射22當(dāng)管電壓升高到一定值時(shí)，連續(xù)譜將迭加四條譜線，在曲線上出現(xiàn)了四個(gè)高峰。5.2、標(biāo)識(shí)X射線characteristicX-ray鎢的K系標(biāo)識(shí)線0.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm200kV150kV100kV65kV(nm)0.040.030.020.01.0相對(duì)強(qiáng)度圖10-2.4鎢在較高管電壓下的X的射線譜當(dāng)管電壓升高到一定值時(shí)，連續(xù)譜將迭加四條譜線，在曲線上出現(xiàn)了23當(dāng)電壓變化，連續(xù)譜發(fā)生變化，但這四條譜線在圖中的位置始終不變。鎢的K系標(biāo)識(shí)線0.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm200kV150kV100kV65kV(nm)0.040.030.020.01.0相對(duì)強(qiáng)度圖10-2.4鎢在較高管電壓下的X的射線譜當(dāng)電壓變化，連續(xù)譜發(fā)生變化，但這四條譜線在圖中的位置始終不變24鎢的K系標(biāo)識(shí)線0.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm200kV150kV100kV65kV(nm)0.040.030.020.01.0相對(duì)強(qiáng)度大量實(shí)驗(yàn)表明，這些譜線的波長(zhǎng)決定于陽(yáng)極靶的材料，不同元素制成的靶具有不同的線狀X射線譜，可以作為這些元素的標(biāo)識(shí)，所以這些譜線叫標(biāo)識(shí)X射線。鎢的K系標(biāo)識(shí)線0.0179nm0.0184nm0.02025（1）任何元素的特征X射線的波長(zhǎng)是固定不變的。（2）標(biāo)識(shí)線只有在一定的管電壓下才能出現(xiàn)。（3）標(biāo)識(shí)線的最高頻率與靶元素的原子序數(shù)的平方成正比。標(biāo)識(shí)X射線的特點(diǎn)（1）任何元素的特征X射線的波長(zhǎng)是固定不變的。標(biāo)識(shí)X射線的特26二、X射線的基本性質(zhì)

ThebasicnatureoftheX-ray

1、物理效應(yīng)穿透作用：指X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)不被吸收的本領(lǐng)。波長(zhǎng)越短，穿透能力越強(qiáng)。在波長(zhǎng)一定條件下，X射線的穿透性取決于被通過(guò)物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。所以X射線穿透物質(zhì)后的強(qiáng)度變化，反映了物質(zhì)內(nèi)部密度差異，這正是X射線透視和攝影的物理基礎(chǔ)。二、X射線的基本性質(zhì)

Thebasicnatureof27電離作用：物質(zhì)受X射線照射時(shí)，使核外電子脫離原子軌道，這種作用叫電離作用。電離作用是X射線損傷和治療的基礎(chǔ)。熒光作用：有些物質(zhì)受X射線照射后，由于電離或激發(fā)使原子處于激發(fā)態(tài)，回到基態(tài)過(guò)程中發(fā)出熒光。熱作用：物質(zhì)吸收X射線最終絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使物體溫度升高。電離作用：物質(zhì)受X射線照射時(shí)，使核外電子脫離原子軌道，這種作282、化學(xué)效應(yīng)感光作用：當(dāng)X射線照射到膠片的溴化銀上時(shí)，由于電離作用，使溴化銀藥膜起化學(xué)變化，出現(xiàn)銀粒沉淀，即X射線的感光作用。X射線攝影就是利用這種X線化學(xué)感光作用，使組織影象出現(xiàn)在膠片上。著色作用：某些物質(zhì)如鉛玻璃、水晶等，經(jīng)X射線長(zhǎng)期照射后，其結(jié)晶體脫水而改變顏色。2、化學(xué)效應(yīng)293、生物效應(yīng)

X射線對(duì)生物細(xì)胞具有破壞、瓦解的作用，是放射治療的基礎(chǔ)，也是X射線工作者應(yīng)注意防護(hù)的原因。它是由電離作用引起。3、生物效應(yīng)30三、X射線的衰減

X-rayattenuation單色平行X射線束通過(guò)物質(zhì)時(shí)的衰減服從指數(shù)吸收規(guī)律，即：入射X線的強(qiáng)度透射X線的強(qiáng)度線性衰減系數(shù)物質(zhì)厚度三、X射線的衰減

X-rayattenuation單色平行31使射線強(qiáng)度減弱為一半所需的物質(zhì)厚度，稱為半價(jià)厚度，又稱為半價(jià)層,用x1/2表示：半價(jià)層與線性衰減系數(shù)成反比。線性衰減系數(shù)隨光子的能量和物質(zhì)的種類而異。如：對(duì)于50keV的X光子，鋁的半價(jià)厚度為7mm,鉛的半價(jià)厚度為0.1mm?？梢?jiàn)鉛對(duì)X射線的衰減本領(lǐng)很強(qiáng)，這就是通常用鉛做防護(hù)材料的原因。使射線強(qiáng)度減弱為一半所需的物質(zhì)厚度，稱為半價(jià)厚度，又稱為半價(jià)321、治療方面的應(yīng)用X射線主要用于癌癥的治療。它的機(jī)理是X對(duì)生物組織的破壞作用。在治療過(guò)程中，照射量要恰當(dāng)。四、X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

X-rayapplicationsinmedicine1、治療方面的應(yīng)用四、X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

X-raya33X射線用于腫瘤的放射治療1896年1月發(fā)現(xiàn)X射線后僅幾周，芝加哥電氣技師EmilGrubbe（1875-1960）即利用X射線對(duì)一名55歲患乳腺癌的婦女進(jìn)行了放射治療X射線用于腫瘤的放射治療1896年1月發(fā)現(xiàn)X射線后僅幾周，342、藥物分析方面的應(yīng)用X射線光衍射特性能用來(lái)分析物質(zhì)成分結(jié)構(gòu)。在中草藥研究工作中有廣泛的作用，可以用來(lái)分析中草藥的有效成分的結(jié)構(gòu)，尋求代用品，在保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境方面，發(fā)揮了重大作用。2、藥物分析方面的應(yīng)用X射線光衍射特性能用來(lái)分析物質(zhì)成分結(jié)構(gòu)35勞厄（Laue，1879-1960）1912年通過(guò)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(guò)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

研究生物大分子結(jié)構(gòu)勞厄（Laue，1879-1960）1912年通過(guò)X射線在晶36佩魯茲（M.Perutz，1914-2019）和肯特魯（C.Kendrew，1917-2019）1953年通過(guò)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1947年卡文迪許實(shí)驗(yàn)室建立了“生物系統(tǒng)的分子結(jié)構(gòu)單元”（Unitfor“ResearchontheMolecularStructureofBiologicalSystems”），1962年擴(kuò)大為“分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室”

M.PerutzC.Kendrew佩魯茲（M.Perutz，1914-2019）和肯特魯（C37威爾金斯（M.Wilkins，1916）和弗蘭克林（R.Franklin，1920-1958）通過(guò)X射線衍射法研究DNA分子的結(jié)構(gòu)M.WilkinsR.Franklin

威爾金斯拍攝的DNA分子的X射線衍射照片照片顯示DNA分子是單鏈結(jié)構(gòu)的螺旋體威爾金斯（M.Wilkins，1916）和弗蘭克林（R38弗蘭克林于1952年5月獲得的一張清晰的DNA分子的X光衍射照片由此推算DNA分子呈螺旋狀，而且認(rèn)識(shí)到是雙鏈同軸排列定量測(cè)定DNA螺旋體的直徑為1.0

nm，螺距為3.4nm弗蘭克林于1952年5月獲得的一張清晰的DNA分子的X光衍射39J.Watson

F.Crick

1953沃森（J.D.Watson，1928）和克里克（F.H.Crick，1916）在堿基互補(bǔ)配對(duì)原則的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型J.WatsonF.C40（1）透視和攝影：可利用體內(nèi)各種不同組織對(duì)X射線衰減的不同，來(lái)檢查身體內(nèi)部的情況，在熒光屏上或照相底片上留下灰度不同的影象以供觀察。前者稱為熒光透視，后者稱為X射線攝影。如果要檢查的組織與其周圍組織的線衰減系數(shù)相差較少時(shí)，可利用造影劑來(lái)提高對(duì)比度。3、診斷方面的應(yīng)用（1）透視和攝影：可利用體內(nèi)各種不同組織對(duì)X射線衰減的不同，41（2）電子計(jì)算機(jī)斷層攝影（簡(jiǎn)稱CT）：CT原理示意圖（2）電子計(jì)算機(jī)斷層攝影（簡(jiǎn)稱CT）：CT原理示意圖42

CT掃描示意圖CT掃描示意圖43X-CT成像原理X-CT成像原理44G.N.HounsfieldA.M.CormackG.N.HounsfieldA.M.Cormack45Marconi生產(chǎn)的MX8000多層螺旋CT掃描系統(tǒng)Marconi生產(chǎn)的MX8000多層螺旋CT掃描系統(tǒng)46由MarconiMX8000得到的肺動(dòng)脈栓塞的X-CT

掃描圖像由MarconiMX8000得到的肺動(dòng)脈栓塞的X-CT掃47CT

掃描圖像CT掃描圖像48CT

掃描圖像CT掃描圖像49X射線輻射防護(hù)的基本原則：距離防護(hù)：即增加距輻射源的距離。屏蔽防護(hù)：即對(duì)射線進(jìn)行屏蔽。時(shí)間防護(hù)：縮短照射時(shí)間。五、X射線的輻射防護(hù)

X-rayradiationprotectionX射線輻射防護(hù)的基本原則：五、X射線的輻射防護(hù)

X-ray50醫(yī)療X射線的防護(hù)慎重使用放射診斷與治療提高記錄和顯示系統(tǒng)的靈敏度提高X射線的透過(guò)系數(shù)盡量減少照射野面積采用新型材料，減少不必要的衰減減少透視時(shí)間遠(yuǎn)離照射野進(jìn)行必要的屏蔽醫(yī)療X射線的防護(hù)51（1）X射線的硬度是指它的貫穿本領(lǐng)，對(duì)于一定的吸收物質(zhì)，X射線被吸收愈少，則貫穿量愈大。X射線的管電壓愈高，轟擊陽(yáng)極的電子動(dòng)能就愈大，發(fā)射光子的能量也愈大，愈不易被物質(zhì)吸收，因此，在醫(yī)學(xué)上通常用管電壓來(lái)衡量X射線的硬度。管電壓愈高，X射線愈硬。（2）在X射線透視或照相時(shí)，不是硬度越高越好。而是要根據(jù)被照射物質(zhì)的物理特性和用X射線透視或照相的不同目的選擇不同硬度的X射線。一、

X射線的硬度為什么可用電壓表示？在用X射線進(jìn)行透視時(shí)，是否硬度越高越好？

（1）X射線的硬度是指它的貫穿本領(lǐng)，對(duì)于一定的吸收物質(zhì)52濾線板能使X線的軟線部分被強(qiáng)烈吸收，可得到硬度高，譜線窄的X射線。當(dāng)同時(shí)使用兩種不同物質(zhì)作的濾線板時(shí)，因?yàn)楦鞣N物質(zhì)在吸收X射線時(shí)都會(huì)發(fā)出自己的標(biāo)識(shí)X射線。所以，應(yīng)把那種既可吸收前一種物質(zhì)的標(biāo)識(shí)X射線，而自身的標(biāo)識(shí)X射線又很容易在空氣中被吸收的物質(zhì)作的濾線板放在X射線最后射出的一側(cè)。二、當(dāng)同時(shí)用兩種不同的物質(zhì)作為X射線的濾線板時(shí)，應(yīng)按什么順序放置？為什么？

濾線板能使X線的軟線部分被強(qiáng)烈吸收，可得到硬度高，譜線窄的X53三、

X射線被衰減時(shí)，經(jīng)過(guò)幾個(gè)半價(jià)層，強(qiáng)度減少到原來(lái)的1%？

解：X射線被衰減后強(qiáng)度若強(qiáng)度減少到原來(lái)的1%，則而半價(jià)層與衰減系數(shù)的關(guān)系為三、X射線被衰減時(shí)，經(jīng)過(guò)幾個(gè)半價(jià)層，強(qiáng)度減少到原來(lái)的1%？54答：X射線是在高度真空的X射線管中產(chǎn)生的，是高速電子與陽(yáng)極靶原子撞擊的結(jié)果。X射線由兩種成分組成：一種是高速電子與原子內(nèi)層電子電離作用所產(chǎn)生的標(biāo)明元素特性的標(biāo)識(shí)X射線；另一種是高速電子與核電場(chǎng)作用所形成的韌致輻射，這是一束連續(xù)X射線。四、簡(jiǎn)述X射線的產(chǎn)生。

答：X射線是在高度真空的X射線管中產(chǎn)生的，是高速電子與陽(yáng)極55X射線及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

X-rayanditsmedicalapplicationsX射線及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

X-rayanditsmedica56X射線成像X-rayimagingX射線成像57X射線及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

X-rayanditsmedicalapplications一、X射線的基本原理二、X射線的基本性質(zhì)三、X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用四、X射線的輻射防護(hù)五、總結(jié)X射線及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

X-rayanditsmedic58一、X射線的基本原理

ThebasicprinciplesofX-ray1、X射線概述2、X射線產(chǎn)生3、X射線硬度和強(qiáng)度4、X射線衍射5、X射線譜一、X射線的基本原理

Thebasicprinciple591、X射線概述

X-rayOverview1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)當(dāng)高速電子撞擊某些固體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種看不見(jiàn)的射線，它能透過(guò)許多對(duì)可見(jiàn)光不透明的物質(zhì)，對(duì)感光乳膠有感光作用，并能使許多物質(zhì)產(chǎn)生熒光，倫琴稱它為X射線（X-ray）。研究表明X射線是波長(zhǎng)大約在10-3～1nm范圍內(nèi)的電磁波。1、X射線概述

X-rayOverview1895年，倫琴60倫琴及其拍攝的第一張X照片倫琴及其拍攝的第一張X照片61X射線成像X-rayimagingX射線成像62X射線的產(chǎn)生裝置：X射線管低壓電源高壓電源2、X射線產(chǎn)生

X-rayproductionX射線是在高度真空的X射線管中產(chǎn)生的，是高速電子與陽(yáng)極靶面相互作用的結(jié)果5~10V幾十~幾百kVX射線的產(chǎn)生裝置：2、X射線產(chǎn)生

X-rayproduc63X射線管的結(jié)構(gòu)X-raytubestructureX射線管的結(jié)構(gòu)X-raytubestructure64高速電子與陽(yáng)極靶面相互作用存在以下四個(gè)物理過(guò)程：電離、激發(fā)、彈性散射、韌致輻射。電離：原子的外層價(jià)電子或內(nèi)層電子在高速電子作用下完全脫離了原子軌道，使原子變成離子，稱為電離，包括外層電離和內(nèi)層電離。高速電子與陽(yáng)極靶面相互作用存在以下四個(gè)物理過(guò)程：電離、激發(fā)、65二次電子入射電子出射電子A外層電離二次電子入射電子出射電子B內(nèi)層電離標(biāo)識(shí)X射線外層電離：最外層電子軌道的能級(jí)差較小，所以外層電離的光譜一般是在紫外線、可見(jiàn)光和紅外線的波長(zhǎng)范圍，不屬于X線；內(nèi)層電離：內(nèi)層電子脫離軌道，使原子處于激發(fā)態(tài)，通過(guò)內(nèi)層電子的能級(jí)躍遷而輻射標(biāo)識(shí)X射線。光學(xué)光譜二次電子入射電子出射電子A外層電離二次電子入射電子出射電子66激發(fā)：高速電子撞擊原子外層電子，由于作用較弱，不足以使其電離，僅將其推入高能級(jí)的空殼層，使原子處于激發(fā)態(tài)，這種作用叫激發(fā)。發(fā)射光學(xué)光譜，不產(chǎn)生X射線。彈性散射：高速電子受原子核電場(chǎng)的作用而改變運(yùn)動(dòng)方向，但是能量不變，稱為彈性散射。這種作用沒(méi)有光譜輻射，也沒(méi)有能量損失。激發(fā)：高速電子撞擊原子外層電子，由于作用較弱，不足以使其電離67韌致輻射：高速電子在原子核電場(chǎng)作用下，速度突然變小時(shí)，它的一部分能量轉(zhuǎn)變成電磁波發(fā)射出來(lái)，這種情況叫韌致輻射。韌致輻射所產(chǎn)生的X射線是一束波長(zhǎng)不等的連續(xù)光譜。出射電子入射電子韌致輻射示意圖連續(xù)X線韌致輻射：高速電子在原子核電場(chǎng)作用下，速度突然變小時(shí)，它的一68高速電子與陽(yáng)極靶原子撞擊的結(jié)果，產(chǎn)生兩種類型的電磁輻射。一種是光學(xué)光譜，波長(zhǎng)在可見(jiàn)光、紅外線、紫外線附近；另一種是X射線。（1）內(nèi)層電離產(chǎn)生的標(biāo)明陽(yáng)極靶材料元素特性的標(biāo)識(shí)X射線；（2）高速電子與核電場(chǎng)作用所形成的韌致輻射，這是一束連續(xù)X射線。X射線產(chǎn)生總結(jié)高速電子與陽(yáng)極靶原子撞擊的結(jié)果，產(chǎn)生兩種類型X射線產(chǎn)生總結(jié)693、X射線硬度和強(qiáng)度

X-rayhardnessandintensityX射線的硬度是指它的貫穿本領(lǐng)，決定于波長(zhǎng)。波長(zhǎng)愈短的X射線，光子的能量愈大，貫穿本領(lǐng)愈強(qiáng)，它的硬度就愈大，常用于深部治療。X射線的硬度由管電壓控制，管電壓愈高，轟擊陽(yáng)極的電子動(dòng)能就愈大，發(fā)射光子的能量也愈大，X射線愈硬。因此，在醫(yī)學(xué)上通常用管電壓來(lái)衡量X射線的硬度。3、X射線硬度和強(qiáng)度

X-rayhardnessand70

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5～2020～100250以上0.25～0.0620.062～0.0120.005以下軟組織攝影，表皮治療透視和攝影較深組織治療深部組織治療100～2500.012～0.005X射線按硬度分類名稱管電壓(kV)最短71X射線的強(qiáng)度是指單位時(shí)間通過(guò)與射線方向垂直的單位面積的輻射能量。通常是在一定的管電壓下，用管電流的mA數(shù)來(lái)表示X射線的強(qiáng)度。有兩種方法增加強(qiáng)度：增加管電流，增加管電壓。X射線應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中時(shí)，必須考慮劑量和選擇波長(zhǎng)，以適合診斷和治療的要求。所以X射線的硬度和強(qiáng)度是兩個(gè)重要的物理量。X射線的強(qiáng)度是指單位時(shí)間通過(guò)與射線方向垂直的單位面積的輻射能724、X射線衍射

X-raydiffraction晶體的微觀結(jié)構(gòu)（原子、分子或離子的排列）具有周期性，當(dāng)X射線照到晶體上時(shí)，組成晶體的每一個(gè)原子都可看作一個(gè)子波源，向各個(gè)方向發(fā)出子波，在某些方向上的X射線會(huì)相加干涉，使得在一些特定的方向的光束加強(qiáng)。晶體可能產(chǎn)生衍射的方向決定于晶體微觀結(jié)構(gòu)的類型及其基本尺寸；而衍射強(qiáng)度決定于晶體中各組成原子的元素種類及其分布排列的坐標(biāo)。晶體衍射方法是目前研究晶體結(jié)構(gòu)最有力的方法——X射線結(jié)構(gòu)分析4、X射線衍射

X-raydiffraction晶體的微觀73勞厄（Laue，1879-1960）1912年通過(guò)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(guò)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勞厄（Laue，1879-1960）1912年通過(guò)X射線在晶74晶體的空間點(diǎn)陣可劃分為一族平行且等間距的平面點(diǎn)陣，或者稱晶面(crystalplane)。ddd布拉格條件(Braggcondition)晶體的空間點(diǎn)陣可劃分為一族平行且等間距的平面點(diǎn)陣，或者稱晶面75X射線由連續(xù)X射線和標(biāo)識(shí)X射線組成，醫(yī)學(xué)應(yīng)用的是連續(xù)X射線。5、X射線譜

X-rayspectraKLLL0.21.081.281.47(?)0.51.01.50相對(duì)強(qiáng)度X射線譜示意圖X射線由連續(xù)X射線和標(biāo)識(shí)X射線組成，醫(yī)學(xué)應(yīng)用的是連續(xù)X射線。76當(dāng)X射線管在管電壓較低時(shí)，它只發(fā)射連續(xù)X射線。不產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線?)2-5鎢的連續(xù)X每條連續(xù)譜線存在著最短波長(zhǎng)，叫短波極限λmin。50kV40kV30kV20kV(?)0.40.61.00.80.2相對(duì)強(qiáng)度鎢的連續(xù)X射線譜5.1、連續(xù)X射線譜ContinuousX-rayspectra當(dāng)管電壓增大時(shí)，各波長(zhǎng)強(qiáng)度都增大，且強(qiáng)度最大的波長(zhǎng)和短波極限都向短波方向移動(dòng)。當(dāng)X射線管在管電壓較低時(shí)，它只發(fā)射連續(xù)X射線。不產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射77當(dāng)管電壓升高到一定值時(shí)，連續(xù)譜將迭加四條譜線，在曲線上出現(xiàn)了四個(gè)高峰。5.2、標(biāo)識(shí)X射線characteristicX-ray鎢的K系標(biāo)識(shí)線0.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm200kV150kV100kV65kV(nm)0.040.030.020.01.0相對(duì)強(qiáng)度圖10-2.4鎢在較高管電壓下的X的射線譜當(dāng)管電壓升高到一定值時(shí)，連續(xù)譜將迭加四條譜線，在曲線上出現(xiàn)了78當(dāng)電壓變化，連續(xù)譜發(fā)生變化，但這四條譜線在圖中的位置始終不變。鎢的K系標(biāo)識(shí)線0.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm200kV150kV100kV65kV(nm)0.040.030.020.01.0相對(duì)強(qiáng)度圖10-2.4鎢在較高管電壓下的X的射線譜當(dāng)電壓變化，連續(xù)譜發(fā)生變化，但這四條譜線在圖中的位置始終不變79鎢的K系標(biāo)識(shí)線0.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm200kV150kV100kV65kV(nm)0.040.030.020.01.0相對(duì)強(qiáng)度大量實(shí)驗(yàn)表明，這些譜線的波長(zhǎng)決定于陽(yáng)極靶的材料，不同元素制成的靶具有不同的線狀X射線譜，可以作為這些元素的標(biāo)識(shí)，所以這些譜線叫標(biāo)識(shí)X射線。鎢的K系標(biāo)識(shí)線0.0179nm0.0184nm0.02080（1）任何元素的特征X射線的波長(zhǎng)是固定不變的。（2）標(biāo)識(shí)線只有在一定的管電壓下才能出現(xiàn)。（3）標(biāo)識(shí)線的最高頻率與靶元素的原子序數(shù)的平方成正比。標(biāo)識(shí)X射線的特點(diǎn)（1）任何元素的特征X射線的波長(zhǎng)是固定不變的。標(biāo)識(shí)X射線的特81二、X射線的基本性質(zhì)

ThebasicnatureoftheX-ray

1、物理效應(yīng)穿透作用：指X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)不被吸收的本領(lǐng)。波長(zhǎng)越短，穿透能力越強(qiáng)。在波長(zhǎng)一定條件下，X射線的穿透性取決于被通過(guò)物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。所以X射線穿透物質(zhì)后的強(qiáng)度變化，反映了物質(zhì)內(nèi)部密度差異，這正是X射線透視和攝影的物理基礎(chǔ)。二、X射線的基本性質(zhì)

Thebasicnatureof82電離作用：物質(zhì)受X射線照射時(shí)，使核外電子脫離原子軌道，這種作用叫電離作用。電離作用是X射線損傷和治療的基礎(chǔ)。熒光作用：有些物質(zhì)受X射線照射后，由于電離或激發(fā)使原子處于激發(fā)態(tài)，回到基態(tài)過(guò)程中發(fā)出熒光。熱作用：物質(zhì)吸收X射線最終絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽刮矬w溫度升高。電離作用：物質(zhì)受X射線照射時(shí)，使核外電子脫離原子軌道，這種作832、化學(xué)效應(yīng)感光作用：當(dāng)X射線照射到膠片的溴化銀上時(shí)，由于電離作用，使溴化銀藥膜起化學(xué)變化，出現(xiàn)銀粒沉淀，即X射線的感光作用。X射線攝影就是利用這種X線化學(xué)感光作用，使組織影象出現(xiàn)在膠片上。著色作用：某些物質(zhì)如鉛玻璃、水晶等，經(jīng)X射線長(zhǎng)期照射后，其結(jié)晶體脫水而改變顏色。2、化學(xué)效應(yīng)843、生物效應(yīng)

X射線對(duì)生物細(xì)胞具有破壞、瓦解的作用，是放射治療的基礎(chǔ)，也是X射線工作者應(yīng)注意防護(hù)的原因。它是由電離作用引起。3、生物效應(yīng)85三、X射線的衰減

X-rayattenuation單色平行X射線束通過(guò)物質(zhì)時(shí)的衰減服從指數(shù)吸收規(guī)律，即：入射X線的強(qiáng)度透射X線的強(qiáng)度線性衰減系數(shù)物質(zhì)厚度三、X射線的衰減

X-rayattenuation單色平行86使射線強(qiáng)度減弱為一半所需的物質(zhì)厚度，稱為半價(jià)厚度，又稱為半價(jià)層,用x1/2表示：半價(jià)層與線性衰減系數(shù)成反比。線性衰減系數(shù)隨光子的能量和物質(zhì)的種類而異。如：對(duì)于50keV的X光子，鋁的半價(jià)厚度為7mm,鉛的半價(jià)厚度為0.1mm?？梢?jiàn)鉛對(duì)X射線的衰減本領(lǐng)很強(qiáng)，這就是通常用鉛做防護(hù)材料的原因。使射線強(qiáng)度減弱為一半所需的物質(zhì)厚度，稱為半價(jià)厚度，又稱為半價(jià)871、治療方面的應(yīng)用X射線主要用于癌癥的治療。它的機(jī)理是X對(duì)生物組織的破壞作用。在治療過(guò)程中，照射量要恰當(dāng)。四、X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

X-rayapplicationsinmedicine1、治療方面的應(yīng)用四、X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

X-raya88X射線用于腫瘤的放射治療1896年1月發(fā)現(xiàn)X射線后僅幾周，芝加哥電氣技師EmilGrubbe（1875-1960）即利用X射線對(duì)一名55歲患乳腺癌的婦女進(jìn)行了放射治療X射線用于腫瘤的放射治療1896年1月發(fā)現(xiàn)X射線后僅幾周，892、藥物分析方面的應(yīng)用X射線光衍射特性能用來(lái)分析物質(zhì)成分結(jié)構(gòu)。在中草藥研究工作中有廣泛的作用，可以用來(lái)分析中草藥的有效成分的結(jié)構(gòu)，尋求代用品，在保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境方面，發(fā)揮了重大作用。2、藥物分析方面的應(yīng)用X射線光衍射特性能用來(lái)分析物質(zhì)成分結(jié)構(gòu)90勞厄（Laue，1879-1960）1912年通過(guò)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(guò)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

研究生物大分子結(jié)構(gòu)勞厄（Laue，1879-1960）1912年通過(guò)X射線在晶91佩魯茲（M.Perutz，1914-2019）和肯特魯（C.Kendrew，1917-2019）1953年通過(guò)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1947年卡文迪許實(shí)驗(yàn)室建立了“生物系統(tǒng)的分子結(jié)構(gòu)單元”（Unitfor“ResearchontheMolecularStructureofBiologicalSystems”），1962年擴(kuò)大為“分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室”

M.PerutzC.Kendrew佩魯茲（M.Perutz，1914-2019）和肯特魯（C92威爾金斯（M.Wilkins，1916）和弗蘭克林（R.Franklin，1920-1958）通過(guò)X射線衍射法研究DNA分子的結(jié)構(gòu)M.WilkinsR.Franklin

威爾金斯拍攝的DNA分子的X射線衍射照片照片顯示DNA分子是單鏈結(jié)構(gòu)的螺旋體威爾金斯（M.Wilkins，1916）和弗蘭克林（R93弗蘭克林于1952年5月獲得的一張清晰的DNA分子的X光衍射照片由此推算DNA分子呈螺旋狀，而且認(rèn)識(shí)到是雙鏈同軸排列定量測(cè)定DNA螺旋體的直徑為1.0

nm，螺距為3.4nm弗蘭克林于1952年5月獲得的一張清晰的DNA分子的X光衍射94J.Watson

F.Crick

1953沃森（J.D.Watson，1928）和克里克（F.H.Crick，1916）在堿基互補(bǔ)配對(duì)原則的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型J.Watson