醫(yī)用物理學(xué)第十章 X射線

第十章

X射線TheNobelPrizeinPhysics1901"inrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbythediscoveryoftheremarkablerayssubsequentlynamedafterhim"

WilhelmConradR?tgen

GermanyMunichUniversity

Munich,Germanyb.1845

d.1923

X線又稱為倫琴射線頻率：3x1016Hz~3x1020Hz

波長：0.01~100A本章要求：掌握：X線發(fā)生裝置、強度和硬度熟悉：X線性質(zhì)、最短波長與管電壓關(guān)系、

X線與物質(zhì)相互作用、X線吸收了解：X線應(yīng)用一、X線的一般性質(zhì)X射線的性質(zhì)及其譜線看不見的射線使某些化合物產(chǎn)生熒光能使分子與原子電離有貫穿物體的本領(lǐng)X線臨床應(yīng)用的歷史三十年代出現(xiàn)X線斷層攝影X-rayTomography

1895年11月8日倫琴(WithelmKonradRontgen)發(fā)現(xiàn)了X光，開始應(yīng)用X線探測人體結(jié)構(gòu)X-rayFluoroscopy1980年出現(xiàn)X線數(shù)碼斷層攝影，DSA，DR，CR，

1972年CT產(chǎn)生X射線的三個基本條件電子源(燈絲)

提供足夠數(shù)量的電子高速電子流(管電流)高壓產(chǎn)生的強電場高度真空的空間靶(重金屬)

將高能電子轉(zhuǎn)換成X射線的重金屬X射線管結(jié)構(gòu)主要部件:X射線管。X射線管由下列部分組成。陰極陽極陰極。由金屬絲組成，用低壓電源加熱，引起熱發(fā)射，提供足夠數(shù)量的電子真空室。真空(玻璃外殼)：形成一個壓強(P<10-4Pa)的真空環(huán)境，保護燈絲不被氧化，減少電子能量損失加速電壓(管電壓)。陽極和陰極間的電壓，該電壓把電子加速陽極。通常為鑲嵌在銅制圓柱柱端斜面上的小鎢塊(靶)，供高能電子轟擊，將電子能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄-射線光子聚焦極燈絲窗口濾過重金屬玻璃壁轉(zhuǎn)子X線管的結(jié)構(gòu)電磁定子稱為軔致輻射(BrakingRadiation)，產(chǎn)生X線，這部分能量僅占1%左右，其余變?yōu)闊帷６?、X線的發(fā)生裝置當(dāng)X高速電子撞擊陽靶時，電子急劇減速，將一部分動能轉(zhuǎn)化成光能向外輻射，管電流：經(jīng)加速的電子束流(陰極向陽極)，幾至幾百毫安重要管電壓：陰陽極之間的加速電壓X射線的產(chǎn)生X射線譜的形狀特征連續(xù)譜線狀譜(特征譜或標(biāo)識譜)高速帶電粒子撞擊物質(zhì)突然受阻而變速產(chǎn)生X射線(軔致輻射)與X射線管有關(guān)由于各個電子在陽靶上受到阻礙的情況不同，所以產(chǎn)生的X線波長各有不同。導(dǎo)致形成一個譜線。三、X射線的強度與硬度強度：單位時間內(nèi)通過與射線垂直的單位面積上的輻射能量。增加管電流，可增加X線的量，即式中的N值。增加管電壓，可增加每個光子的能量，即式中的h值，所以強度增加。通常在管電壓不變情況下，通過增加管電流來調(diào)節(jié)X線的強度，所以用電流毫安數(shù)來表示X線的強度。硬度：X線的質(zhì)，與每個光子能量大小有關(guān)，與光子數(shù)目無關(guān)。對于一定物質(zhì)，光子能量愈大，愈不容易被吸收，即貫穿本領(lǐng)愈大，X線就愈硬。習(xí)慣上常用管電壓（稱千伏率）來間接表示X射線的硬度五、X射線譜

X線與物質(zhì)相互作用電子動能轉(zhuǎn)移至陽靶高速電子速射入陽靶，速度驟減一個電子可能與許多電子相互作用，形成碰撞損失和輻射損失+輻射損失：高速電子與陽靶原子的內(nèi)層電子或原子核作用，形成軔致輻射，是產(chǎn)生X射線主要來源，但僅為電子動能的1~5%左右。碰撞損失：高速電子與陽靶原子的外層電子作用，產(chǎn)生熱量(占95~99%電子動能)能量損失X線能量與電子能量損失關(guān)系電子路徑彎曲越大=電子能量損失越大電子能量損失=X光子能量

Ex=keVeB-keVeA++90keV90keV70keV45keV20keV45keV最大X線能量Emax全部電子能量轉(zhuǎn)換給X光子keVeB=Ex管電壓一定，連續(xù)X射線的強度隨波長而變，有一強度最大值，并有一最短波長，光子具有最大的頻率。kv°最短波長較低管電壓下鎢的連續(xù)X射線譜最短波長：電子將全部動能轉(zhuǎn)換為Ｘ光子能量若U=100kV，則min=0.124?

U=50kV，則min=0.248?任何X線管都能產(chǎn)生連續(xù)譜。電壓↑，輻射強度↑，最短波長↓min

靶材料無關(guān)最短波長僅與管電壓有關(guān)+標(biāo)識X射線產(chǎn)生(與原子核的內(nèi)層電子作用)

1.高速入射電子(電子動能大于內(nèi)層電子的結(jié)合能)431熟悉2.K層電子被入射電子撞出(變成自由電子)，形成空穴，入射電子將偏離原來入射方向行進(能量變小)3.外層電子填充被撞擊出的空穴，從外層向內(nèi)層躍遷，釋放出能量,以X線形式輻射出來4.X線的能量等于填充此空穴的電子的兩個軌道電子結(jié)合能之差2標(biāo)識X射線當(dāng)管電壓達(dá)到一定時，在連續(xù)上出現(xiàn)多個峰；鎢的X線譜，連續(xù)譜與標(biāo)識譜鉬的X線譜，連續(xù)譜與標(biāo)識譜管電壓越大，標(biāo)識譜的峰就越高，但峰的位置不變；標(biāo)識譜的波長與組成陽靶材料的原子序數(shù)的平方成反比；勞厄斑X射線管

X射線是一種波長很短的電磁波，波長在0.01—10nm。1912年勞厄以晶體中的晶格點陣作為光柵(三維空間光柵)，獲的了X射線的衍射圖樣。晶體的結(jié)構(gòu)可以從衍射圖樣中反推出來.DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)1.光電效應(yīng)2.康普頓（A.H.Compton)---吳有訓(xùn)散射效應(yīng)X射線與物質(zhì)的相互作用及吸收規(guī)律光子能量較低,物質(zhì)原子序數(shù)較高光子能量中等3.對電子效應(yīng)光子的能量大于兩個電子的靜止質(zhì)量所對應(yīng)的能量。射線與物質(zhì)的相互作用

X射線與物質(zhì)相互作用時，X射線的一部分或全部能量轉(zhuǎn)移線路物質(zhì)，若生物組織吸收了這些能量，就會將能量沉積在細(xì)胞內(nèi)，造成再生殖能力破壞。若大部分能量轉(zhuǎn)換成熱量，產(chǎn)生非生物效應(yīng)。射線與物質(zhì)相互作用的主要過程如圖所示

X線通過物質(zhì)后，由于與原子的相互作用，使X線的能量逐漸減弱而被吸收。

為物質(zhì)的吸收系數(shù)(與波長和物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān))，單位為cm-1。二、X射線的吸收對于一定波長的X線，若穿過每種元素時所碰到的原子個數(shù)一樣，則元素的吸收系數(shù)與其原子序數(shù)的四次方成正比。X線成像的原理也與此有關(guān)。表示Ｘ射線光子束穿過靶物質(zhì)時在單位厚度上入射光子數(shù)減少的百分?jǐn)?shù)與光子能量和靶材料有關(guān)總線性衰減系數(shù)為各相互作用的線性衰減系數(shù)之和半價層HVL：X射線強度衰減到一半時所需物質(zhì)的厚度質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量衰減系數(shù)質(zhì)量厚度，單位為線性衰減系數(shù)與吸收物質(zhì)的密度成正比，而密度是可變的，引入質(zhì)量衰減系數(shù)單位為Ｘ射線光子與每單位質(zhì)量厚度物質(zhì)發(fā)生相互作用的概率x射線的衰減規(guī)律核結(jié)構(gòu)核束縛緊密電子束縛松(自由)電子光電效應(yīng)與束縛緊密的電子相互作用光子被全部吸收光子能量在電子結(jié)合能B.E.和出射電子能量K.E之間.形成特征Ｘ線對于生物組織，特征Ｘ線的能量較低光子能量大于Ｋ層電子結(jié)合能，光電效應(yīng)發(fā)生率大大上升碘的Ｋ層效應(yīng)重要(33keV).出射的電子會引起生物損傷光電效應(yīng)束縛緊密電子核x射線(E)出射電子(KE=E-EBE)標(biāo)識Ｘ線(低能量)光電效應(yīng)低能X射線(20~40KV管電壓產(chǎn)生)，與物質(zhì)的相互作用主要以光電效應(yīng)為主。光電效應(yīng)的發(fā)生概率與吸收物質(zhì)的有效原子序數(shù)的4次方成正比。對軟組織成像特別有利。光電效應(yīng)能產(chǎn)生較好的影像：不利方面：入射線的X射線可以全部被人體吸收，增加了劑量不產(chǎn)生散射線，減少了照片的灰霧增加不同組織的對比康普頓效應(yīng)入射x線(E)散射x線(E’<E)q散射電子(E-E’)結(jié)合能小的電子康普頓效應(yīng)高能X射線(120KV以上的管電壓產(chǎn)生的X射線)，與物質(zhì)相互作用時以康普頓效應(yīng)為主，康普頓效應(yīng)發(fā)生的概率與有效原子序數(shù)無關(guān)。用此種方法進行的X射線攝影稱為高千伏X射線攝影。由于康普頓效應(yīng)發(fā)生的概率與有效原子序數(shù)無關(guān)，導(dǎo)致骨骼與軟組織和氣體的影像密度相關(guān)不大。康普頓效應(yīng)電子對效應(yīng)二者靜止質(zhì)量所對應(yīng)于的能量各為：光子有可能在原子核的電場中發(fā)生湮滅作用對象：X-射線與物質(zhì)原子在原子核區(qū)相互作用過程：

X-射線光子的能量>1.02Mev產(chǎn)生電子對（一個電子和一個正電子）能量方程：==1.022+正電子通過物質(zhì)與原子中的電子相互作用吸引電子使原子電離正電子失去小部分能量正電子的動能耗完與一自由電子結(jié)合，湮滅二種粒子的質(zhì)量均轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰慨a(chǎn)生二能量均為0.511Mev的光子（射線），方向相反。對于一定的物質(zhì)，不同波長的X線吸收情況也不同，其吸收系數(shù)與波長的三次方成正比。X的防護：X線波長愈短，客觀存在的貫穿本領(lǐng)愈大，組織吸收愈小(硬X線)。X線波長愈長，愈易被淺表組織吸收，引起組織損傷(電離)。對X線防護的主要對象為長波長X線，采用不同厚度的鋁或銅過濾板。X射線的濾過X射線在人體內(nèi)的衰減X射線除一部分為直接透射外，其余主要通過光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)被吸收和散射。20KeV以下低能Ｘ線主要以光電效應(yīng)為主能量增加光電效應(yīng)發(fā)生的概率下降，康普頓散射增加原子序數(shù)增加，光電效應(yīng)概率增加20KeV低能Ｘ線，骨的線性衰減系數(shù)是水的６倍(光電效應(yīng))100KeV，骨的線性衰減系數(shù)是水的0.６倍(康普頓散射增加)一、放射治療X線的醫(yī)學(xué)應(yīng)用利用X線的在穿過人體后，不同組織對X線具有的不同吸收本領(lǐng)的特性。利用X線被組織吸收，使之電離造成組織的損傷。二、診斷透射與拍攝片人工造影軟X線攝影斷層X線攝影數(shù)字減影血管造影(DSA)X線成像Nowonecouldseeclearlyimagesofhumanbeingwithnon-invasiveandharmfulnessmethods.Medicalimagingprovideapowerfultoolsfordiagnosis.X-raysystemin1907Chestexamination

withahandfluoroscope.butisprobably1911.X-raysystemin1907DRDeveloppememtofX-rayCharacteristicofFluoroscopy

Superpositionofimage(structuresspaceoverlap)Lowtissuedensityresolution(>50%)Highspaceresolution

Application：

ConventionalexaminationDSA

Intervention/LocalizationChestHandFluoroscopyArterialFluoroscopyArterialFluoroscopywithsubstationArterialFluoroscopyStentFibraInterventionPlacementofballoonPacemakerIntervention股骨人工關(guān)節(jié)radius-cubitusIntervention男8歲，右腳疼痛和跛行七天，X光示硬化，舟狀跗骨tarsalnavicular硬化、不規(guī)則形和輕度塌陷，為骨缺血性壞死。

Ischemicnecrosisofbone缺血性骨壞死為骨組織失去血運，使骨細(xì)胞壞死，形成死骨，出現(xiàn)高密度影。ConventionalTomography(Planigraphy)ConventionalTomography(Planigraphy)通過X線探頭與探測器的相對運動，獲得一斷層像，而其他層面則為噪聲。常用于顯示較深部位，了解病變內(nèi)部情況。頸動脈與腦動脈血流圖主動脈、腎與腎動血流圖。示腎動脈變窄AngiographyRadiotherapy

IMRT

(IntensityModulatedRadiationTherapy放射治療計劃應(yīng)用：最佳治療區(qū)域區(qū)域形態(tài)放射射線強度分布Localization/TherapyPlanningX-CT

X線計算機斷層攝影術(shù)ComputedTomographyTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1979"forthedevelopmentofcomputerassistedtomography"

GodfreyN.HounsfieldCentralResearchLaboratories,EMI

London,UnitedKingdomb.

b.1919AllanM.CormackTuftsUniversity

Medford,MA,USAb.1924

(inJohannesburg,SouthAfrica)d.1998X線臨床應(yīng)用的歷史

1895年倫琴(WithelmKonradRontgen)發(fā)現(xiàn)X光

1930年后出現(xiàn)X線斷層攝影Tomography1974年出現(xiàn)CT(斷層掃描)1983年電子束EBCT1989年出現(xiàn)螺旋SpiralCT(Volumecanning)1998亞秒級CT及多層MSCTCT成像------基本思想X線管發(fā)出細(xì)束X線X線只進入成像層面X線平移與轉(zhuǎn)動采集數(shù)據(jù)計算機重建圖像獲得組織衰減系數(shù)早期CT機需要通過旋轉(zhuǎn)、平移，獲取分析所需的必要投影數(shù)據(jù)，用于重建圖像。CT掃描-----獲取圖像數(shù)據(jù)CT掃描機構(gòu)螺旋CT對腹部掃描示意圖掃描區(qū)域為胃，仰臥，手置于頭頂。螺旋CT

HelicalCT------容積掃描

SpiralCT

Inthelate1980’s，newslip-ringtechnologyhasenabledCTcontinuousrotationwhichresultedintheintroductionofhelicalscan。Volumecanningbecamepossiblethroughthismeans.呼吸對圖像的影響TheNextSlicemaynotbethenextslice結(jié)腸成像肺部低強度成像冠狀動脈成像冠狀動脈鈣化評估應(yīng)用領(lǐng)域CT征象：右顳骨內(nèi)側(cè)有雙凸形高密區(qū)，中線右移。診斷：硬膜外(硬膜與顱骨間)血腫(多數(shù)為腦膜動脈破裂)。若為硬膜下血腫，則血腫范圍較廣，常越過顱骨縫，占位性強。頭部外傷約1小時，當(dāng)時意識喪失，約10分鐘后清醒。頭顱損傷CT征象：平掃示左額、顳部顱骨內(nèi)板下有新月形高密度影，鄰近組織受壓，并向中線移位。特點：硬膜下血腫發(fā)生于硬腦膜與蛛網(wǎng)膜之間。顱骨內(nèi)板下