醫(yī)用物理學第十六章

醫(yī)用物理學第十六章1第1頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第十六章X射線第2頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月掌握X射線強度和硬度的概念、X射線譜及X射線產生的微觀機制、短波極限公式的應用、X射線的衰減規(guī)律及應用；理解

X射線的基本性質、X射線衍射和X-CT成像原理；了解

X射線機的基本組成部分、同步輻射X射線的特點、X射線在醫(yī)學上的應用。教學基本要求第3頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月威廉·康拉德·倫琴

（1845~1923）1845年3月27日生于德國萊納普。3歲時全家遷居荷蘭并入荷蘭籍。1865年遷居瑞士蘇黎世，倫琴進入蘇黎世聯邦工業(yè)大學機械工程系，1868年畢業(yè)。1869年獲蘇黎世大學博士學位，并擔任了物理學教授A·孔脫的助手；1870年隨同孔脫返回德國，1871年隨他到維爾茨堡大學和1872年又隨他到斯特拉斯堡大學工作。1894年任維爾茨堡大學校長，1895年倫琴在維爾茨堡大學發(fā)現了X射線。1900年任慕尼黑大學物理學教授和物理研究所主任。第4頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月倫琴與X射線

1895年11月8日，倫琴在進行陰極射線實驗時第一次注意到，在射線管附近的氰亞鉑酸鋇小屏上發(fā)出微光他確定該發(fā)光是由于射線管中發(fā)出的某種射線所致，并稱它為X射線。同年12月28日，《維爾茨堡物理學醫(yī)學學會會刊》發(fā)表了他關于這一發(fā)現的第一篇報告。

1896年1月23日，倫琴作了第一次關于X射線的報告，報告結束時，用X射線拍攝了維爾茨堡大學著名解剖學教授克利克爾一只手的照片，克利克爾建議將這種射線命名為倫琴射線。1901年諾貝爾獎第一次頒發(fā)，倫琴由于這一發(fā)現而獲得了這一年的諾貝爾獎物理學獎。

第5頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月普通X光機第6頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)X射線的產生一、X射線的產生裝置1.產生X射線的方法高速運動的電子受阻輻射最常用的方法同步輻射：由加速的高能帶電粒子直接輻射X射線。受激輻射產生激光的方法來產生X射線。②有適當的障礙物—靶，用來阻止電子的運動，把電子的動能轉變?yōu)閄射線的能量。①有高速運動的電子流；-CBX射線X射線管+A第7頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.X射線產生裝置4.整流電路1.X射線管2.低壓電源3.高壓電源

高度真空的硬質玻璃管，管內封入陰極(燈絲)和陽極(靶)。作用于陰極燈絲，使其熾熱而發(fā)射電子。作用于陰陽兩極之間，陰極發(fā)射的熱電子在電場作用下高速奔向陽極，突然受阻，就有X射線向四周輻射。獲得直流高壓，即管電壓(陰陽兩極之間的電壓)。管電壓

—陰陽兩極間所加的幾十千伏到幾百千伏的直流高壓管電流

—陰極發(fā)射的熱電子高速奔向陽極形成的電流第8頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3.實際焦點與有效焦點實際焦點：電子流在靶面上的撞擊面積，大小和燈絲的形狀有關。長燈絲-大焦點，短燈絲-小焦點焦點愈小，X射線透視或照相時所成的像愈清晰。一般，診斷用的X射線管采用小焦點，治療用的X射線管采用大焦點。雖然電子撞擊在靶上的面積較大，但X射線卻像是從較小的面積上發(fā)射出來。有效焦點一般X射線管的陽極靶面均作成斜面，鎢靶為一矩形。實際焦點的投影面積就叫做有效焦點。第9頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月θ角是靶面與垂直于電子流方向的夾角。為了降低陽極靶面的溫度，大功率的X射線管多采用旋轉陽極，使受撞擊面不斷改變，將熱量分散到較大的面積上。實際焦點的面積：有效焦點的面積：第10頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月二、X射線的強度和硬度1.X射線的強度單位時間內通過與射線方向垂直的單位面積的輻射能量。單位：W·m-2Nn

——能量為hνn

的光子數。（2）增加X射線強度的方法①增加管電流，使單位時間內轟擊陽極靶的高速電子數目增多，從而增加

所產生的光子數目N；②增加管電壓，可使每個光子的能量hν

增加。（1）定義第11頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.X射線的硬度常用調節(jié)燈絲電流的方法改變管電流，從而控制X射線強度。X射線的總輻射能量—管電流的毫安數×輻射時間(mA﹒s)。X射線的貫穿本領，它由X射線的波長（即單個光子的能量）所決定，而與光子數目無關。調節(jié)管電壓，硬度大小用KV數表示。

光子數不易測—管電流的毫安數(mA)來間接表示X射線的強度，稱為毫安率。（3）實際應用中：（1）定義（2）增加X射線硬度的方法第12頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

醫(yī)學上X射線按硬度分類（3）實際應用中：名

稱管電壓(kV)最短波長(nm)主要用途極軟X射線軟X射線硬X射線極硬X射線5~2020~100100~250250以上0.25~0.0620.062~0.0120.012~0.0050.005以下軟組織攝影、表皮治療透視和照相較深組織治療深部組織治療第13頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)X射線譜

采用X射線管發(fā)出的X射線，包含各種不同的波長成份，將其強度按照波長的順序排列開來的圖譜，稱為X射線譜。連續(xù)X射線譜標識X射線譜第14頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月一、連續(xù)X射線譜1.產生機制-軔致輻射當高速電子流撞擊在陽極靶上受到制動時，電子在原子核的強電場作用下，速度的量值和方向都發(fā)生急劇變化，使得一部分動能轉化為X光子的能量輻射出去。由于各個電子到原子核的距離不同，速度變化情況也各不一樣，所以每個電子損失的動能亦不同，輻射出來的X光子能量具有各種各樣的數值，從而形成具有各種頻率的連續(xù)X射線譜。+hmax=EE+軔致輻射hEE-h第15頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.連續(xù)譜特性強度↑；峰值和min向短波方向移動。

每一種靶原子核的核電荷數等于它的原子序數，原子序數大的原子核電場對電子作用強，電子損失能量多，輻射出來的光子能量大，因此，X射線的強度也就愈大。（2）管電流越大強度越大（1）短波極限λ

min（3）管電流、管電壓一定時，靶原子序數愈高連續(xù)譜強度愈大。管電壓↑第16頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.產生機制二、標識X射線譜

標識X射線是由較高各能級的電子躍遷到內殼層的空位產生的。線系的最短波長邊界：一個自由電子(或近似地認為是最外層價電子)進入這個空位時發(fā)出的光子的波長。殼層間能量差較大，因而發(fā)出的光子頻率較高，波長較短。

電子由不同能級達到同一殼層的空位時發(fā)生的譜線—線系。X射線管需要加幾十千伏的電壓才能激發(fā)出某些標識X射線系。當X射線管的管電壓較低時只出現連續(xù)X射線譜。第17頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.標識譜特性（1）連續(xù)譜上疊加有規(guī)律的尖峰（3）原子序數愈高的元素，標識X射線系的波長也愈短。（2）標識譜決定于陽極靶材料，可作為靶元素的標識。醫(yī)用X射線管發(fā)出的主要是連續(xù)X射線，標識X射線在全部X射線中所占的分量很少。標識X射線的研究結果，對于認識原子的殼層結構和化學元素分析都是非常有用。不同物質,尖峰位置和分布不同；尖峰不隨管電壓變化。第18頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)X射線的基本性質一、X射線的基本性質本質：波長很短的電磁波，能量很大的光子流。X射線除具有電磁波的一系列性質外，還有如下特性。1.電離作用—生物效應的基礎、測量射線強度的原理；2.熒光作用—X射線透視；3.光化學作用—感光，X射線照相；4.生物效應—放射治療的基礎、需要防護的原因；5.貫穿本領—成像、防護。第19頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月①能獲得單色X射線，且波長連續(xù)可調，從幾微米到幾百皮米；②幾乎是線偏振光，可研究生物分子的旋光性；③有很好的準直性，即同步輻射X射線的發(fā)散角較?。虎苡泻軓姷妮椛涔β?，普通X射線管所輸出的功率最大約10瓦，同步輻射X射線功率可達幾萬瓦。同步輻射X射線有如下特性：第20頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月X射線的波長：約為0.001nm~10nm（1）布喇格定律單色X射線束入射時，一般不能滿足干涉加強條件；連續(xù)X射線束入射時，總有一個波長可以產生加強反射。晶體中相鄰微粒間距：約0.1nm1.X射線晶體衍射的基本原理dθθdsinθ12晶面ACB每個原子都是發(fā)射子波的衍射中心,向各個方向發(fā)射子波,子波相干疊加,形成衍射圖樣。散射光干涉加強條件二、X射線的衍射第21頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月X射線衍射是研究晶體結構的主要方法之一。用結構已知的晶體作為光柵，利用布喇格公式可以計算出入射X射線的波長。反之，利用已知波長的X射線照射晶體，則可測出晶體點陣上微粒的位置和間隔。生物醫(yī)學上研究有機體如細胞和蛋白質等的精細結構。DNA的雙螺旋結構就是用X射線衍射發(fā)現的。（2）X射線結構分析第22頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

利用X射線晶體衍射的基本原理，布喇格父子設計了既能觀察X射線衍射，又可攝取X射線譜的實驗裝置。當晶體往復轉動時，反射X射線束就在膠片上從一端到另一端反復感光，取下膠片沖洗后就可獲得X射線譜。用該攝譜儀還可獲得單色X射線。（3）X射線攝譜儀改變θ

角，就可以使不同波長的X射線在不同的方向上得到加強并射向膠片。第23頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)物質對X射線的衰減規(guī)律物質對X射線的吸收X光子與物質中的原子的相互作用：光子被吸收并轉化為其他形式的能量被物質散射而改變方向散射，電離，能級躍遷，光電效應X射線原來方向上的強度衰減第24頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月一、單色X射線的衰減規(guī)律1.X射線強度的指數衰減規(guī)律I0：入射X射線的強度，I

：通過厚度為x的物質層后的射線強度μ：

線性衰減系數（1）μ

愈大，射線強度在物質中衰減愈快。（2）μ

與物質的密度ρ成正比。（ρ-原子數目）2.關于衰減系數的一些討論（3）指數衰減規(guī)律只適用于單色射線束。I0xI第25頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月質量厚度

xm=xρ：單位面積、厚度為x

的吸收層的質量。（4）引入質量衰減系數

μm物質由液、固態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)時，密度變化很大，但μm

值不變。

X射線在物質中強度被衰減一半時的厚度(或質量厚度)（5）半價層μm

值可以用來在物質之間比較對X射線的吸收本領。第26頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）醫(yī)用X射線主要是連續(xù)譜，所以射線的總強度并不是嚴格地按照指數規(guī)律衰減的。（3）宏觀總效果，即物質對X射線的衰減規(guī)律。3.連續(xù)譜的衰減規(guī)律（1）在實際問題中，近似地運用指數衰減規(guī)律。此時指數衰減規(guī)律中的線性衰減系數

μ，應當用各種波長的衰減系數的一個適當平均值來代替。第27頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月二、衰減系數與波長、原子序數的關系Z：吸收物質的原子序數；λ：是射線的波長；~

各元素的μm按照所含質量比例計算的平均值。1.單元素的質量衰減系數吸收物質為水、空氣和人體組織時，對于醫(yī)學上常用的X射線，指數α可取3.5。指數α~3-4，與吸收物質和射線波長有關。2.多種元素混合物質的質量衰減系數第28頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）原子序數愈大的物質，吸收本領愈大。（2）波長愈長的X射線，愈容易被吸收。連續(xù)譜X射線進入吸收體后，長波成分比短波成分衰減得快。讓X射線通過銅板或鋁板，使軟線成份被強烈吸收，這樣得到的X射線不僅硬度較高，而且射線譜的范圍也較窄，這種裝置稱為濾線板。3.影響質量衰減系數的因素4.X射線的硬化短波成分所占的比例愈來愈大，平均衰減系數則愈來愈小。于是，X射線進入物體后愈來愈硬了。第29頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)X射線的醫(yī)學應用一、治

療X射線通過人體組織能產生電離作用、康普頓散射及生成正負電子對等過程，誘發(fā)一系列生物效應。組織細胞分裂旺盛是癌細胞的特征，因此用X射線照射可以抑制它的生長或使它壞死。各種細胞對X射線的敏感性是不一樣的，因此放射治療方案的設計就顯得尤為重要，不僅要根據腫瘤位置及細胞種類計算出給予病人腫瘤的照射量，還要及時測定和調節(jié)治療設備輸出的射線量。1.X射線治療癌癥的機制第30頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）X射線刀

是電子直線加速器與旋轉、平移控制系統(tǒng)及靶點定位系統(tǒng)相結合的裝置。2.用于治療的X射線設備（1）普通治療機

與常規(guī)攝影X射線機的結構基本相同，只是X射線管采用了大焦點。由于產生的X光子能量較低，所以常用來治療皮膚腫瘤。（2）電子直線加速器

利用微波電場加速電子，電子獲得較高能量后打在靶上，從而得到高能X射線。電子直線加速器可用于全身各個組織、器官的腫瘤治療。高能X射線圍繞腫瘤靶點作270°～360°的旋轉，在靶區(qū)形成多個非共面的聚焦照射弧，使X射線從各個不同方向聚集于靶點，以獲得最大的輻射量?！癤射線刀”可用于全身各器官、組織腫瘤的放射治療。第31頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月二、診

斷1.常規(guī)透視和攝影X射線常規(guī)透視、攝影、X-CT以及數字減影血管造影技術是醫(yī)學影像診斷中應用最普遍的檢查手段。（1）原理

由于體內不同組織或臟器對X射線的吸收本領不同，因此強度均勻的X射線透過人體不同部位后的強度呈不均勻分布，將透過人體后的X射線投射到熒光屏上，就可以顯示出明暗不同的熒光像。第32頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

人體某些臟器或病灶對X射線的吸收本領與周圍組織相差很少，在熒光屏或照片上不能顯示出來。一種解決的辦法就是給這些臟器或組織注入衰減系數較大或較小的物質來增加它和周圍組織的對比。在作關節(jié)檢查時，可以在關節(jié)腔內注入密度很小的空氣，然后用X射線透視或攝影，從而顯示出關節(jié)周圍的結構。（3）數字化X射線成像技術被普遍使用，實現了對圖像的儲存、處理、顯示和傳輸。（2）造影劑檢查消化道時，讓受檢者吞服吸收系數很高的“鋇鹽”(即硫酸鋇)，使它陸續(xù)通過食管和胃腸，并同時進行X射線透視或攝影，就可以把這些臟器顯示出來。第33頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.數字減影血管造影（DSA）DSA是一種理想的非損傷性血管造影檢查技術，它取代了危險性較大的動脈造影檢查。X射線影像光學圖像影像增強器視頻信號攝像管圖像的數字信號模數(A/D)轉換圖像存儲器本底圖像數字信號未注入造影劑注入造影劑造影像數字信號圖像處理器相減充盈造影劑的血管圖像數字信號放大處理，提高對比度數模（D/A）轉換視頻信號監(jiān)視器中實時血管圖像第34頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月沒加造影劑的圖像蒙片數字減影像第35頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3.同步輻射雙色數字減影術造影劑碘對X光的吸收有一個K吸收邊（33.16keV），在此能量處碘對X光子發(fā)生共振吸收，即衰減系數急劇增加，而骨骼和肌肉沒有這種現象。在很短時間內用兩種能量（波長）的同步輻射X射線進行兩次造影：一次的光子能量略低于K吸收邊，此時碘的衰減系數較??；另一次的光子能量略高于K吸收邊，則衰減系數比前面大很多。兩次探測到的圖像信號經模數轉換后輸入計算機，數字相減后，可將肌肉和骨骼的影響幾乎全部除去，剩下的基本是碘吸收的貢獻，從而獲得清晰的血管影像。不同能量的X光可看成有著不同的“顏色”，因此得名“同步輻射雙色數字減影”第36頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

通過X射線管環(huán)繞人體某一層面的掃描，利用探測器測得從各個方向透過該層面后的射線強度值，采用一定的數學方法經計算機求出該層面的衰減系數分布，再應用電子技術獲得該層面的圖像。三、X-CT

X射線計算機輔助斷層掃描成像裝置。G.N.HounsfieldA.M.Cormack1963年美國物理學家科馬克(A.M.Cormack,1924-1998)發(fā)現人體不同的組織對Ｘ線的透過率有所不同,提出了用投影數據重建圖像的數學方法。1972年英國工程師亨斯菲爾德(G.N.Hounsfield,1919)研制成第一臺頭部X-CT,在臨床上使用并獲得清晰的診斷影像。第37頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.X-CT的基本原理介質等分成若干個很小的體積元（體素）通過第n個體素的強度：（1）不均勻介質的吸收規(guī)律（2）成像參數μ圖像重建的物理基礎欲觀測的層面分解為

n×n

個體素的矩陣陣列；一幅X-CT圖像，反映了該層面體素關于μ的空間分布。求各體素的μ值，是獲得X-CT圖像的關鍵。第38頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）μ

在待測介質中的空間分布X射線源和探測器繞坐標原點(一般取層面的幾何中心)，以很小的角度步進轉動。每改變一個角度就記錄一組該方向的投影值分布，直到記錄足夠多的投影值分布圖（或數據），使各體素μ值所組成的方程式的個數，符合重建圖像的需要為止?？焖俣喾较驕y量投影值

快速求解μ(x，y)重建圖像的關鍵問題第39頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.圖像重建的基本方法

圖像重建的數學方法主要有：聯立方程法、反投影法、濾波反投影法、二維傅里葉變換法、卷積反投影法及迭代法等。(1)聯立方程法p1=μ11+μ12=8p2=μ21+μ22=9p3=μ11+μ21=10p4=μ12+μ22=7僅有3個方程是獨立？需再取一個左對角線方向的投影值p5=μ11+μ22=5得到：

μ11=3、μ12=5、μ21=7和

μ22=2。X-CT機常采用的有256×256、512×512等矩陣。水平方向垂直方向第40頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)反投影法：

把各向投影值沿投影的反方向投影回矩陣里，然后把它們累加起來，經數學方法處理后，得到重建一幅圖像的μ值矩陣。第41頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月X-CT

成像原理第42頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

X射線管

探測器直線掃描1直線掃描2直線掃描3直線掃描240次→旋轉1°直線掃描…→旋轉180°共得數據240×180=43200個從43200個方程→25600個μ

3.X-CT掃描機主要由X射線管與探測器組成的掃描系統(tǒng)