医用物理学第十六章

医学物理学 MedicalPhysics 侯雪ouxuekun 关于物理学概念和技术在医学上应用的一门学科 第十六章 掌握X射线强度和硬度的概念 X射线谱及X射线产生的微观机制 短波极限公式的应用 X射线的衰减规律及应用 理解X射线的基本性质 X射线衍射和X CT成像原理 了解X射线机的基本组成部分 同步辐射X射线的特点 X射线在医学上的应用 教学基本要求 威廉 康拉德 伦琴 1845 1923 1845年3月27日生于德国莱纳普 3岁时全家迁居荷兰并入荷兰籍 1865年迁居瑞士苏黎世 伦琴进入苏黎世联邦工业大学机械工程系 1868年毕业 1869年获苏黎世大学博士学位 并担任了物理学教授A 孔脱的助手 1870年随同孔脱返回德国 1871年随他到维尔茨堡大学和1872年又随他到斯特拉斯堡大学工作 1894年任维尔茨堡大学校长 1895年伦琴在维尔茨堡大学发现了X射线 1900年任慕尼黑大学物理学教授和物理研究所主任 伦琴与X射线 1895年11月8日 伦琴在进行阴极射线实验时第一次注意到 在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发出微光他确定该发光是由于射线管中发出的某种射线所致 并称它为X射线 同年12月28日 维尔茨堡物理学医学学会会刊 发表了他关于这一发现的第一篇报告 1896年1月23日 伦琴作了第一次关于X射线的报告 报告结束时 用X射线拍摄了维尔茨堡大学著名解剖学教授克利克尔一只手的照片 克利克尔建议将这种射线命名为伦琴射线 1901年诺贝尔奖第一次颁发 伦琴由于这一发现而获得了这一年的诺贝尔奖物理学奖 普通X光机 第一节X射线的产生 一 X射线的产生装置 1 产生X射线的方法 高速运动的电子受阻辐射 最常用的方法 同步辐射 由加速的高能带电粒子直接辐射X射线 受激辐射产生激光的方法来产生X射线 有适当的障碍物 靶 用来阻止电子的运动 把电子的动能转变为X射线的能量 有高速运动的电子流 2 X射线产生装置 4 整流电路 1 X射线管 2 低压电源 3 高压电源 高度真空的硬质玻璃管 管内封入阴极 灯丝 和阳极 靶 作用于阴极灯丝 使其炽热而发射电子 作用于阴阳两极之间 阴极发射的热电子在电场作用下高速奔向阳极 突然受阻 就有X射线向四周辐射 获得直流高压 即管电压 阴阳两极之间的电压 管电压 阴阳两极间所加的几十千伏到几百千伏的直流高压管电流 阴极发射的热电子高速奔向阳极形成的电流 3 实际焦点与有效焦点 实际焦点 电子流在靶面上的撞击面积 大小和灯丝的形状有关 长灯丝 大焦点 短灯丝 小焦点 焦点愈小 X射线透视或照相时所成的像愈清晰 一般 诊断用的X射线管采用小焦点 治疗用的X射线管采用大焦点 虽然电子撞击在靶上的面积较大 但X射线却像是从较小的面积上发射出来 有效焦点 一般X射线管的阳极靶面均作成斜面 钨靶为一矩形 实际焦点的投影面积就叫做有效焦点 角是靶面与垂直于电子流方向的夹角 为了降低阳极靶面的温度 大功率的X射线管多采用旋转阳极 使受撞击面不断改变 将热量分散到较大的面积上 实际焦点的面积 有效焦点的面积 二 X射线的强度和硬度 1 X射线的强度 单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量 单位 W m 2 Nn 能量为h n的光子数 2 增加X射线强度的方法 增加管电流 使单位时间内轰击阳极靶的高速电子数目增多 从而增加所产生的光子数目N 增加管电压 可使每个光子的能量h 增加 1 定义 2 X射线的硬度 常用调节灯丝电流的方法改变管电流 从而控制X射线强度 X射线的总辐射能量 管电流的毫安数 辐射时间 mA s X射线的贯穿本领 它由X射线的波长 即单个光子的能量 所决定 而与光子数目无关 调节管电压 硬度大小用KV数表示 光子数不易测 管电流的毫安数 mA 来间接表示X射线的强度 称为毫安率 3 实际应用中 1 定义 2 增加X射线硬度的方法 医学上X射线按硬度分类 3 实际应用中 第二节X射线谱 采用X射线管发出的X射线 包含各种不同的波长成份 将其强度按照波长的顺序排列开来的图谱 称为X射线谱 连续X射线谱 标识X射线谱 一 连续X射线谱 1 产生机制 轫致辐射 当高速电子流撞击在阳极靶上受到制动时 电子在原子核的强电场作用下 速度的量值和方向都发生急剧变化 使得一部分动能转化为X光子的能量辐射出去 由于各个电子到原子核的距离不同 速度变化情况也各不一样 所以每个电子损失的动能亦不同 辐射出来的X光子能量具有各种各样的数值 从而形成具有各种频率的连续X射线谱 2 连续谱特性 强度 峰值和 min向短波方向移动 每一种靶原子核的核电荷数等于它的原子序数 原子序数大的原子核电场对电子作用强 电子损失能量多 辐射出来的光子能量大 因此 X射线的强度也就愈大 2 管电流越大强度越大 1 短波极限 min 3 管电流 管电压一定时 靶原子序数愈高连续谱强度愈大 管电压 1 产生机制 二 标识X射线谱 标识X射线是由较高各能级的电子跃迁到内壳层的空位产生的 线系的最短波长边界 一个自由电子 或近似地认为是最外层价电子 进入这个空位时发出的光子的波长 壳层间能量差较大 因而发出的光子频率较高 波长较短 电子由不同能级达到同一壳层的空位时发生的谱线 线系 X射线管需要加几十千伏的电压才能激发出某些标识X射线系 当X射线管的管电压较低时只出现连续X射线谱 2 标识谱特性 1 连续谱上叠加有规律的尖峰 3 原子序数愈高的元素 标识X射线系的波长也愈短 2 标识谱决定于阳极靶材料 可作为靶元素的标识 医用X射线管发出的主要是连续X射线 标识X射线在全部X射线中所占的分量很少 标识X射线的研究结果 对于认识原子的壳层结构和化学元素分析都是非常有用 不同物质 尖峰位置和分布不同 尖峰不随管电压变化 第三节X射线的基本性质 一 X射线的基本性质 本质 波长很短的电磁波 能量很大的光子流 X射线除具有电磁波的一系列性质外 还有如下特性 1 电离作用 生物效应的基础 测量射线强度的原理 2 荧光作用 X射线透视 3 光化学作用 感光 X射线照相 4 生物效应 放射治疗的基础 需要防护的原因 5 贯穿本领 成像 防护 能获得单色X射线 且波长连续可调 从几微米到几百皮米 几乎是线偏振光 可研究生物分子的旋光性 有很好的准直性 即同步辐射X射线的发散角较小 有很强的辐射功率 普通X射线管所输出的功率最大约10瓦 同步辐射X射线功率可达几万瓦 同步辐射X射线有如下特性 X射线的波长 约为0 001nm 10nm 1 布喇格定律 单色X射线束入射时 一般不能满足干涉加强条件 连续X射线束入射时 总有一个波长可以产生加强反射 晶体中相邻微粒间距 约0 1nm 1 X射线晶体衍射的基本原理 每个原子都是发射子波的衍射中心 向各个方向发射子波 子波相干叠加 形成衍射图样 散射光干涉加强条件 二 X射线的衍射 X射线衍射是研究晶体结构的主要方法之一 用结构已知的晶体作为光栅 利用布喇格公式可以计算出入射X射线的波长 反之 利用已知波长的X射线照射晶体 则可测出晶体点阵上微粒的位置和间隔 生物医学上研究有机体如细胞和蛋白质等的精细结构 DNA的双螺旋结构就是用X射线衍射发现的 2 X射线结构分析 利用X射线晶体衍射的基本原理 布喇格父子设计了既能观察X射线衍射 又可摄取X射线谱的实验装置 当晶体往复转动时 反射X射线束就在胶片上从一端到另一端反复感光 取下胶片冲洗后就可获得X射线谱 用该摄谱仪还可获得单色X射线 3 X射线摄谱仪 改变 角 就可以使不同波长的X射线在不同的方向上得到加强并射向胶片 第四节物质对X射线的衰减规律 物质对X射线的吸收 X光子与物质中的原子的相互作用 光子 被吸收并转化为其他形式的能量 被物质散射而改变方向 散射 电离 能级跃迁 光电效应 X射线原来方向上的强度衰减 一 单色X射线的衰减规律 1 X射线强度的指数衰减规律 I0 入射X射线的强度 I 通过厚度为x的物质层后的射线强度 线性衰减系数 1 愈大 射线强度在物质中衰减愈快 2 与物质的密度 成正比 原子数目 2 关于衰减系数的一些讨论 3 指数衰减规律只适用于单色射线束 I 质量厚度xm x 单位面积 厚度为x的吸收层的质量 4 引入质量衰减系数 m 物质由液 固态转变为气态时 密度变化很大 但 m值不变 X射线在物质中强度被衰减一半时的厚度 或质量厚度 5 半价层 m值可以用来在物质之间比较对X射线的吸收本领 2 医用X射线主要是连续谱 所以射线的总强度并不是严格地按照指数规律衰减的 3 宏观总效果 即物质对X射线的衰减规律 3 连续谱的衰减规律 1 在实际问题中 近似地运用指数衰减规律 此时指数衰减规律中的线性衰减系数 应当用各种波长的衰减系数的一个适当平均值来代替 二 衰减系数与波长 原子序数的关系 Z 吸收物质的原子序数 是射线的波长 各元素的 m按照所含质量比例计算的平均值 1 单元素的质量衰减系数 吸收物质为水 空气和人体组织时 对于医学上常用的X射线 指数 可取3 5 指数 3 4 与吸收物质和射线波长有关 2 多种元素混合物质的质量衰减系数 1 原子序数愈大的物质 吸收本领愈大 2 波长愈长的X射线 愈容易被吸收 连续谱X射线进入吸收体后 长波成分比短波成分衰减得快 让X射线通过铜板或铝板 使软线成份被强烈吸收 这样得到的X射线不仅硬度较高 而且射线谱的范围也较窄 这种装置称为滤线板 3 影响质量衰减系数的因素 4 X射线的硬化 短波成分所占的比例愈来愈大 平均衰减系数则愈来愈小 于是 X射线进入物体后愈来愈硬了 第五节X射线的医学应用 一 治疗 X射线通过人体组织能产生电离作用 康普顿散射及生成正负电子对等过程 诱发一系列生物效应 组织细胞分裂旺盛是癌细胞的特征 因此用X射线照射可以抑制它的生长或使它坏死 各种细胞对X射线的敏感性是不一样的 因此放射治疗方案的设计就显得尤为重要 不仅要根据肿瘤位置及细胞种类计算出给予病人肿瘤的照射量 还要及时测定和调节治疗设备输出的射线量 1 X射线治疗癌症的机制 3 X射线刀是电子直线加速器与旋转 平移控制系统及靶点定位系统相结合的装置 2 用于治疗的X射线设备 1 普通治疗机与常规摄影X射线机的结构基本相同 只是X射线管采用了大焦点 由于产生的X光子能量较低 所以常用来治疗皮肤肿瘤 2 电子直线加速器利用微波电场加速电子 电子获得较高能量后打在靶上 从而得到高能X射线 电子直线加速器可用于全身各个组织 器官的肿瘤治疗 高能X射线围绕肿瘤靶点作270 360 的旋转 在靶区形成多个非共面的聚焦照射弧 使X射线从各个不同方向聚集于靶点 以获得最大的辐射量 X射线刀 可用于全身各器官 组织肿瘤的放射治疗 二 诊断 1 常规透视和摄影 X射线常规透视 摄影 X CT以及数字减影血管造影技术是医学影像诊断中应用最普遍的检查手段 1 原理由于体内不同组织或脏器对X射线的吸收本领不同 因此强度均匀的X射线透过人体不同部位后的强度呈不均匀分布 将透过人体后的X射线投射到荧光屏上 就可以显示出明暗不同的荧光像 人体某些脏器或病灶对X射线的吸收本领与周围组织相差很少 在荧光屏或照片上不能显示出来 一种解决的办法就是给这些脏器或组织注入衰减系数较大或较小的物质来增加它和周围组织的对比 在作关节检查时 可以在关节腔内注入密度很小的空气 然后用X射线透视或摄影 从而显示出关节周围的结构 3 数字化X射线成像技术被普遍使用 实现了对图像的储存 处理 显示和传输 2 造影剂 检查消化道时 让受检者吞服吸收系数很高的 钡盐 即硫酸钡 使它陆续通过食管和胃肠 并同时进行X射线透视或摄影 就可以把这些脏器显示出来 2 数字减影血管造影 DSA DSA是一种理想的非损伤性血管造影检查技术 它取代了危险性较大的动脉造影检查 X射线影像 光学图像 影像增强器 视频信号 摄像管 图像的数字信号 模数 A D 转换 图像存储器 本底图像数字信号 未注入造影剂 注入造影剂 造影像数字信号 图像处理器 相减 充盈造影剂的血管图像数字信号 放大处理 提高对比度 数模 D A 转换 视频信号 监视器中实时血管图像 没加造影剂的图像 蒙片 数字减影像 3 同步辐射双色数字减影术 造影剂碘对X光的吸收有一个K吸收边 33 16keV 在此能量处碘对X光子发生共振吸收 即衰减系数急剧增加 而骨骼和肌肉没有这种现象 在很短时间内用两种能量 波长 的同步辐射X射线进行两次造影 一次的光子能量略低于K吸收边 此时碘的衰减系数较小 另一次的光子能量略高于K吸收边 则衰减系数比前面大很多 两次探测到的图像信号经模数转换后输入计算机 数字相减后 可将肌肉和骨骼的影响几乎全部除去 剩下的基本是碘吸收的贡献 从而获得清晰的血管影像 不同能量的X光可看成有着不同的 颜色 因此得名 同步辐射双色数字减影 通过X射线管环绕人体某一层面的扫描 利用探测器测得从各个方向透过该层面后的射线强度值 采用一定的数学方法经计算机求出该层面的衰减系数分布 再应用电子技术获得该层面的图像 三 X CT X射线计算机辅助断层扫描成像装置 G N Hounsfield A M Cormack 1963年美国物理学家科马克 A M Cormack 1924 1998 发现人体不同的组织对 线的透过率有所不同 提出了用投影数据重建图像的数学方法 1972年英国工程师亨斯菲尔德 G N Hounsfield 1919 研制成第一台头部X CT 在临床上使用并获得清晰的诊断影像 1 X CT的基本原理 介质等分成若干个很小的体积元 体素 通过第n个体素的强度 1 不均匀介质的吸收规律 2 成像参数 图像重建的物理基础 欲观测的层面分解为n n个体素的矩阵阵列 一幅X CT图像 反映了该层面体素关于 的空间分布 求各体素的 值 是获得X CT图像的关键 3 在待测介质中的空间分布 X射线源和探测器绕坐标原点 一般取层面的几何中心 以很小的角度步进转动 每改变一个角度就记录一组该方向的投影值分布 直到记录足够多的投影值分布图 或数据 使各体素 值所组成的方程式的个数 符合重建图像的需要为止 快速多方向测量投影值快速求解 x y 重建图像的关键问题 2 图像重建的基本方法 图像重建的数学方法主要有 联立方程法 反投影法 滤波反投影法 二维傅里叶变换法 卷积反投影法及迭代法等 1 联立方程法 p1 11 12 8p2 21 22 9 p3 11 21 10p4 12 22 7 仅有3个方程是独立 需再取一个左对角线方向的投影值 p5 11 22 5 得到 11 3 12 5 21 7和 22 2 X CT机常采用的有256 256 512 512等矩阵 水平方向 垂直方向 2 反投影法 把各向投影值沿投影的反方向投影回矩阵里 然后把它们累加起来 经数学方法处理后 得到重建一幅图像的 值矩阵 X CT成像原理 直线扫描240次 旋转1 直线扫描 旋转180 共得数据240 180 43200个从43200个方程 25600个 3 X CT扫描机 主要由X射线管与探测器组成的扫描系统 1 单束扫描 称第一代CT机 2 窄角扇束扫描 称第二代CT机 3 广角扇束扫描 称第三代CT机 4 固定 旋转广角扇束扫描 称为第四代CT机 5 动态空间扫描 称第五代CT机 6 电子束扫描 称第六代CT机 7 锥形束多排螺旋扫描 CT扫描技术的发展历史 4 CT值和窗口技术 1 像素的CT值 2 窗口技术 X CT图像是由不同灰度的小方块 按矩阵排列组成 这些小方块称为像素 其灰度取决于相对应体素的衰减系数 在图像重建过程中 不直接运用衰减系数来建立图像 而是用像素的CT值 人体组织的CT值大致可分成2000个等级 把感兴趣部位的对比度增强 无关紧要部位的对比度压缩 从而使CT值差别小的组织能得到分辨 窗口 窗宽的上限和下限所包含的范围 窗位是指观察某一组织结构细节时 以该组织的CT值为中心进行观察 如脑组织的CT值大约为35HU 则窗位选择为35HU 窗宽常用100HU 窗宽是指显示图像所包含的CT值范围