X射線與斷層成像

X射線與斷層成像第1頁/共45頁X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì)

物質(zhì)對(duì)X射線的吸收X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用X-CT主要內(nèi)容與要求難點(diǎn)：X-CT重點(diǎn)：X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì)第2頁/共45頁第一節(jié)X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì)ProductionandPropertiesofX-ray德國慕尼黑伍爾茨堡大學(xué)（1895年11月8日傍晚）《一種新的射線—初步報(bào)告》（1895年12月28日）獲首個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1901年）Dec.22,1895第3頁/共45頁1.本質(zhì)高頻電磁波頻率：波長：一、X射線的產(chǎn)生具有波粒二相性臨床：第4頁/共45頁有高速運(yùn)動(dòng)的電子流；有阻止電子運(yùn)動(dòng)的合適障礙物（靶）?；緱l件：2.X射線的產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)粒子流與原子的內(nèi)層電子或原子核相互作用產(chǎn)生。第5頁/共45頁加速中的高能帶電粒子直接輻射X射線（固體靶源）同步輻射等離子體源核反應(yīng)第6頁/共45頁3.X射線發(fā)生裝置第7頁/共45頁管電流管電壓X射線管X射線管包括三部分：X射線管、高壓電源及低壓電源第8頁/共45頁（1）陰極——發(fā)射熱電子的地方(一般由鎢絲制成)。（2）陽極（靶）——使電子突然減速并發(fā)出X射線的地方（一般由鎢、鉬制成）。（3）窗口——X射線從陽極射出放的通道。陰極陽極窗口第9頁/共45頁陽極（靶----鎢 W、鉬Mo）水冷或油冷靶旋轉(zhuǎn)高熔點(diǎn)的重金屬間斷工作高速粒子撞擊陽極靶時(shí)，僅有1%的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為X射線的動(dòng)能，其余部分轉(zhuǎn)化為熱能。第10頁/共45頁第11頁/共45頁1.X射線的強(qiáng)度和硬度

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。（1）

強(qiáng)度（Intensity）或

X射線的量（Quantity）表示頻率為的光子數(shù)目。光子數(shù)N二、X射線的性質(zhì)單位:增加X射線強(qiáng)度的兩個(gè)決定因素常用一定管電壓下管電流的mA數(shù)間接表示光子能量數(shù)hv第12頁/共45頁（2）硬度（Hardness）

指X射線的穿透本領(lǐng)，只取決于X射線的波長，即光子的能量，與光子數(shù)目無關(guān)。常用管電壓的kV數(shù)來間接表示X射線的硬度也稱為X射線的質(zhì)（Quality）僅與管電壓有關(guān)，管電壓↑→X射線的硬度↑

X射線按硬度分類名稱管電壓(kV)最短波長(nm)主要用途極軟X射線5~200.25~0.062軟組織攝影等軟X射線20~1000.062~0.012透視和攝影硬X射線100~2500.012~0.005較深組織治療極硬X射線250以上0.005以下深部組織治療第13頁/共45頁2.X射線的的基本性質(zhì)電離作用——X射線照射能使分子或原子電離

對(duì)有機(jī)體可誘發(fā)各種生物效應(yīng)，破壞或改變生物功能，可用于治療某些疾病，但也有損壞作用，要對(duì)X射線進(jìn)行防護(hù)。熒光作用——X射線照射某些物質(zhì)能使其發(fā)出熒光將ZnSO4、鉑氰化鋇、鎢酸鈣、磷等物質(zhì)涂在紙板上可構(gòu)成熒光屏。第14頁/共45頁貫穿本領(lǐng)——對(duì)各種物質(zhì)都有一定的貫穿作用物質(zhì)對(duì)X射線的吸收與X射線波長有關(guān)，也決定于物質(zhì)的原子序數(shù)或密度。人體密度不同（或Z），呈現(xiàn)強(qiáng)度強(qiáng)弱的空間分布，用于透視照相。光化作用——X射線照射可使物質(zhì)發(fā)生光化反應(yīng)使照相底版感光，記錄X射線譜強(qiáng)度。第15頁/共45頁三、X射線譜把X射線強(qiáng)度與波長的關(guān)系曲線稱為X射線譜。連續(xù)X射線譜線狀譜第16頁/共45頁

（1）標(biāo)識(shí)譜(特征譜)（CharacteristicSpectrum）

特點(diǎn)：強(qiáng)度較大且具有特定波長，反映出靶材料的原子特征。內(nèi)層電子被激發(fā)，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)形成。第17頁/共45頁

（2）連續(xù)譜（ContinuousSpectrum）

波長連續(xù)分布。靶材料的原子序數(shù)愈大，管電壓愈高，連續(xù)Ｘ射線的強(qiáng)度愈強(qiáng)。由軔致輻射（Bremsstrahlung）產(chǎn)生連續(xù)譜的最短波長電子受原子核強(qiáng)電場作用失去能量轉(zhuǎn)換為光子的過程。第18頁/共45頁

第二節(jié)物質(zhì)對(duì)X射線的吸收X-rayAbsorptionbyMaterials一、單能窄束X射線的吸收規(guī)律

單色窄束X射線吸收遵從朗伯定律稱為線性吸收系數(shù)第19頁/共45頁二、半價(jià)層（HalfValueLayer）

X射線在某種物質(zhì)中強(qiáng)度被吸收一半所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)厚度。三、吸收系數(shù)（AbsorptionCoefficient）--物質(zhì)的原子序數(shù)

--質(zhì)量吸收系數(shù)

第20頁/共45頁

第三節(jié)X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用TheApplicationofX-rayinMedicine一、診斷X射線透視（X-rayFluoroscopy）第21頁/共45頁優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：

可任意轉(zhuǎn)動(dòng)體位，易于對(duì)某些器官的功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)、多角度的觀察；簡單、快捷、費(fèi)用低。

分辨率低；對(duì)病變沒有記錄，不利于討論、研究及復(fù)查對(duì)比。第22頁/共45頁X射線攝影術(shù)（Roentgenography）第23頁/共45頁二、治療X射線對(duì)生物組織細(xì)胞有破壞作用，尤其是對(duì)分裂活動(dòng)旺盛或正在分裂的細(xì)胞，其破壞力更強(qiáng)。

腫瘤細(xì)胞自身分裂活躍，它對(duì)X射線的敏感性比發(fā)育成熟的正常細(xì)胞更為強(qiáng)烈。

利用X射線可以對(duì)腫瘤組織起到抑制、破壞或殺死作用。第24頁/共45頁1.X射線治療機(jī)

由X射線管發(fā)出的X射線需經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直再照射腫瘤部位。X射線治療機(jī)由X射線管、高壓發(fā)生器、三維移動(dòng)機(jī)架及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。分為接觸治療機(jī)、淺層治療機(jī)和深部治療機(jī)第25頁/共45頁2.X刀（X射線立體定向放射治療系統(tǒng)，光子刀）治療癌癥：X射線對(duì)人體組織的電離作用，直接破壞細(xì)胞，尤其對(duì)分裂旺盛的癌細(xì)胞。Ｘ刀----21世紀(jì)治療腫瘤新技術(shù)準(zhǔn)確的定位較大的“焦皮比”單位體積內(nèi)病變組織與健康組織所受的劑量之比100/1。使射線的焦點(diǎn)準(zhǔn)確地定位與病灶點(diǎn)。第26頁/共45頁X-刀比-刀更適用于更大的顱內(nèi)病灶功能性疾?。ㄅ两鹕d癇、三叉神經(jīng)疼等）X-刀的適應(yīng)病癥：腦血管疾?。B內(nèi)動(dòng)靜脈畸形、動(dòng)靜脈瘤等）顱內(nèi)腫瘤（垂體瘤、聽神經(jīng)瘤、腦膜瘤等)在治療過程中，病人無出血、無感染、無痛苦。第27頁/共45頁美國Varian23EX醫(yī)用電子直線加速器：包括普通放療、三維適形放療（3D-

CRT）、適形調(diào)強(qiáng)放療（IMRT）、X-刀治療第28頁/共45頁三、防護(hù)X射線能夠引起生物效應(yīng)，過量的照射可以引起損傷（機(jī)體本身和遺傳損傷）。時(shí)間防護(hù)----縮短受照射時(shí)間

距離防護(hù)----增加到X射線源的距離

屏蔽防護(hù)----使用鉛板、含鉛玻璃、含鉛膠皮裙和手套以及混凝土等。第29頁/共45頁

第四節(jié)X-CT（X射線計(jì)算機(jī)斷層成像）

X-rayComputedTomography亨斯菲爾德和科馬克獲1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。

G.N.Hounsfield

A.M.Cormack

英國：亨斯菲爾德（Hounsfield）●1969年發(fā)明●1971年9月第一臺(tái)頭顱CT機(jī)問世●1972年11月公布于世●1974年美國工程師設(shè)計(jì)出全身CT機(jī)美國：科馬克（Cormack）

---1950年提出投影重建算法，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究第30頁/共45頁第31頁/共45頁利用投影數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)方法重建圖像。投影是用X射線照射病人，投影于與射線方向垂直的平面上。數(shù)據(jù)是組織對(duì)X射線的吸收值重建圖像是將吸收值轉(zhuǎn)化為圖像第32頁/共45頁第33頁/共45頁X-rayCT無前后影像重疊，密度分辨力比傳統(tǒng)的X線檢查高10--20倍。第34頁/共45頁一、CT成像的基本原理1.圖像重建的基本思想小塊厚度很小，視為均勻介質(zhì)，并稱為體素(Voxel）。第35頁/共45頁在實(shí)際應(yīng)用中各體素常取同樣厚度，且為單位長度。測出多個(gè)投影數(shù)據(jù)，算出每個(gè)體素的μ值。

將各體素的值轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)圖像上各像素的灰度。第36頁/共45頁2.CT值單位為亨以水的吸收系數(shù)為基準(zhǔn)

第37頁/共45頁3.開窗CT機(jī)熒光屏只能分64個(gè)灰度等級(jí)進(jìn)行圖像顯示窗寬(WindowWidth)—最亮的和最黑的CT值之差窗位(WindowLevel)—中心CT值開窗可以提高儀器的靈敏度

第38頁/共45頁4.圖像重建的基本方法

第一代CT，斷層為160×160=25600個(gè)像素。

（512×512矩陣），空間分辨力也提高到0.1mm。掃描時(shí)間可達(dá)到10

第39頁/共45頁二、CT掃描及其特點(diǎn)第一代CT掃描螺旋型CT掃描

掃描時(shí)間比較長適于局部

掃描時(shí)間比較短適于整體

第40頁/共45頁特點(diǎn)準(zhǔn)確顯示待測部位的形態(tài)學(xué)特點(diǎn)；