X射线成像的物理基础

1、 1901年,首届诺贝尔物理学奖授予德国物理学伦琴, 以表彰他在1895年11月8日偶然发现的X射线.1896年1月发现X射线后仅几周，芝加哥电气技师Emil Grubbe（1875-1960）即利用X射线对一名55岁患乳腺癌的妇女进行了放射治疗阳极阳极阴极阴极低压低压电源电源毫安表毫安表千伏表千伏表高压电源高压电源(2)X(2)X射线产生必要条件有：射线产生必要条件有： a.a.有高速运动的电子流有高速运动的电子流( (阴极阴极, ,钨钨) ) b. b.有适当的障碍物有适当的障碍物( (阳极阳极, ,钨钨, ,钼钼, , 99% 99%转变为热量转变为热量!)!)就象子弹打在坦克上会发出声

2、音和就象子弹打在坦克上会发出声音和火花一样火花一样. .图2. X 射线治疗肿瘤机033599%99%99% 40 10250 10605.94 10QQIUtJ(3)两个主要参量：两个主要参量：(4)关于关于X射线：射线：1610 HziiihNI 单位时间内通过与射线方向垂直的单位单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量为面积的辐射能量为.用用 I 表示表示.式中式中 表示表示X射线光子的频率射线光子的频率iNi为频率为的为频率为的X射线的光子射线的光子数数 X射线硬度是指射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领射线对物质的贯穿本领. 相邻两层的波程差是相邻两层的波程差是, sin22d

3、AMBMAM d12CBMA图3. X 射线衍射原理mdsin2式中式中m是正整数是正整数,m =1,2,3, 时时,反射束分别为反射束分别为第一第一,二二,三三,级反射线束级反射线束.由此我们得到由此我们得到X射线衍射波加强的条件为射线衍射波加强的条件为这个公式称为这个公式称为12X射线摄谱仪原理射线摄谱仪原理晶体晶体mdsin219151915年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖XX射线晶体结构分析射线晶体结构分析1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利.布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯.布拉格,以表彰他们在1913年用X射线对晶体结构的分析所作的贡献.劳伦斯布拉格 亨

4、利.布拉格主要贡献:利用X-射线绕射方法研究晶体构造制成第一台X-射线光谱仪提出 Bragg 方程 : n2dsin开创英国固态物理测定晶体构造L.布拉格(1890-1971) H.布拉格(1862-1942) 英国物理学家 金刚石结构模型布拉格父子于1913年借助X射线成功地测出金刚石的晶体结构,并提出了“布拉格公式”,为最终建立现代晶体学打下了基础,于1915年获奖.当时,小布拉格年仅25岁,是至今为止最年轻的诺贝尔奖获得者. 1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄 ( Laue ,1879-1960),以表彰他在1912年发现了晶体的X射线衍射.佩鲁兹（M. Perutz，1

5、914-2 0 0 2 ） 和 肯 特 鲁 （ C . Kendrew，1917-1997）1953年通过X射线衍射法完成了血红蛋白和肌红蛋白的结构分析M. Perutz C. Kendrew罗莎琳德 富兰克林 (Rosalind Franklin)1920年生于伦敦,15岁就立志要当科学家,但父亲 并不支持她这样做.她早年毕业于剑桥大学,专业是物理化学. 1945年,当获得博士学位之后,她前往法国学习X射线衍射技术. 当X射线穿过晶体之后,会形成衍射 图样一种特定的明暗交替的图形.不同的晶体产生不同的衍 射图样,仔细分析这种图形人们就能知道组成晶体的原子是如何 排列的.富兰克林精于此道,她成

6、功的拍摄了DNA分子是单链结构的螺旋体X射线衍 射照片.这张照片正是发现DNA结构的关键 J. Watson F. Crick 1953年沃森（J.WatsonJ.Watson，19281928）和克里克（F.CrickF.Crick，19161916）在碱基互补配对原则的基础上，构建了DNA分子双螺旋结构模型12晶体晶体图4. X 射线摄谱仪 与强度为零相对应的波长是连续光谱中最与强度为零相对应的波长是连续光谱中最短波长短波长,或称为短波极限或称为短波极限.nm/eUchhminmaxUehc1minmin1.242KVnmU121min2min1min1min1min1min1.2421.

7、242111.2421.242221.2420.0272UUUnmUMLLKKKKMLN受到靶受到靶原子核强电场的作用而减速产生的光谱原子核强电场的作用而减速产生的光谱,而而xeII0 式中式中I0是入射的是入射的X射线强度射线强度, I是通过厚度是通过厚度为为x的物质层后的的物质层后的X射线强度射线强度,是物质的是物质的线性线性吸收系数吸收系数. I I0 0I Ix xm质量吸收系数质量吸收系数mmxeII0 称为称为,它等于单位面积中它等于单位面积中,厚厚度为度为x的吸收层的质量的吸收层的质量. xxm 半价层半价层就是使就是使X射线强度减弱一半时所需射线强度减弱一半时所需要的吸收体厚度

8、要的吸收体厚度(或质量厚度或质量厚度).半价层半价层:0 0. .6 69 93 3l ln n2 2x x2 21 11 / 2012xIeI34kZm式中式中 k是常数是常数是是X射线的波长射线的波长Z是吸收物质的原子序数是吸收物质的原子序数34kZm443424244444C a( P O)ZHO32 021 58821186 1 4 0 1 81 5 04 0 9 8Z骨 骼肌 肉骨 骼 与 肌 肉 对 X 射 线 的 吸 收 倍 数骨 骼 的 质 量 吸 收 系 数=肌 肉 的 质 量 吸 收 系 数00 xxII eII e铅 铅铝 铝铅铝xxee铅 铅铝 铝xx铅铅铝铝26111

9、.977132xxmm 铅铝铅铝 由于人体内各种不同的组织或脏器对由于人体内各种不同的组织或脏器对X 射线吸收本领不同射线吸收本领不同, 所以所以X 射线透过身体不同射线透过身体不同部位后的强度是不同的部位后的强度是不同的.将这些强度不同的将这些强度不同的X射线投影到荧光屏上射线投影到荧光屏上,就可以显示出明暗不同就可以显示出明暗不同的荧光像的荧光像,称为称为X射线透视术射线透视术.如果让透过人体如果让透过人体的的X射线投射到照相底片上射线投射到照相底片上,显影后就可以观显影后就可以观察到各处明暗不同的像察到各处明暗不同的像,称为称为X射线照相术射线照相术.1979年的诺贝尔生理学及医学奖授予

10、美国物理学家科马克(1963年提出理论)和英国工程师亨斯菲尔德(1972年研制第一台CT机) 发明X射线计算机断层扫描. 当强度为当强度为I0的单色的单色X射线通过厚度为射线通过厚度为x的的均匀介质后均匀介质后,其强度其强度 .如果如果I0 、I和和x为已知为已知,则吸收系数则吸收系数的值为的值为xeII0IIx0ln1对第一个对第一个体素体素有有 ;对第二个体素对第二个体素有有 ;对第对第n个体素有个体素有xeII101;.212012xxeIeIIxneII.021123n1nx利用利用 可将介质吸收系数的可将介质吸收系数的总和表示为总和表示为xneII.021IIxnii021ln1.当

11、当I和和I0都测出之后都测出之后,就可得出沿就可得出沿X射线贯穿方射线贯穿方向的各体素的吸收系数的总和向的各体素的吸收系数的总和.我们称这个吸收系数的总和为我们称这个吸收系数的总和为投影值投影值.1112n12122n2nn2n1ni i X-CT X-CT 计算机断层成像原理计算机断层成像原理 （第三代）（第三代） X-CT X-CT 计算机断层成像原理计算机断层成像原理 （第三代）（第三代）序号第一代第二代第三代第四代第五代名称单束扫描窄角扇束扫描广角扇束扫描反扇束扫描动态空间重现测量原理 平移旋转 旋 转 静止测量时间 5min 1.5min 5s 2s 1s检测器数量 1 30 600

12、 1500 静止 28张角 0度 11度 45度 90度 45度应用范围 头 部 全身心，肺4层螺旋CT 示意图马 可 尼 公 司(Marconi) 生产的MX8000多层螺旋CT扫描系统主要特点：最多100s的连续多层螺旋扫描能力；每秒8层的多层扫描能力；超 快 速 0 . 5 s ，360螺旋扫描；薄层扫描厚度0.5mm64层采集的螺旋CT设备：SIEMENS SOMATON Sensation 64层CT扫描一周能够获得64层图像，每层厚在1mm以下，一周所用时间只有0.37s，各个方向上的空间分辨率是一致的，为0.4 mmSOMATON Sensation 642004年1月20日面世

13、2004年4月12日获得FDA认证 CT 扫描技术的发展历史1985198919911993大量数大量数据取样据取样高质量的高质量的快速扫描快速扫描 经过扫描和图象重建所得到的经过扫描和图象重建所得到的X-CT图像图像是一定数量由黑到白不同长度的小方块按矩阵是一定数量由黑到白不同长度的小方块按矩阵排列方式组成的排列方式组成的,这些小放块叫做这些小放块叫做像素像素. 由于人体通常不采用由于人体通常不采用的绝对值的绝对值,而是取而是取它的相对值它的相对值,并称为并称为CT值值或洪斯菲尔德值或洪斯菲尔德值,它它的定义为的定义为）（值水水H1000CT式中式中为待测组织的吸收系数为待测组织的吸收系数水

14、水 1为水的吸收系数为水的吸收系数 物物 质质 吸收系吸收系数数 CT值值 水水 1.0 0 H 灰色 空气空气 0.0013 1000 H 黑色 密质骨密质骨 2.0 1000 H 白色脑脊髓液 1.016 16水肿 1.018 18淋巴液 1.022 22神经胶质真性瘤 1.026 26骨髓真质瘤 1.044 44脑膜瘤 1.046 46星状细胞瘤 1.054 54血块 1.074 74红血球 1.093 93CTCT值（值（20002000）灰度（灰度（20002000）即从全黑（对应CT值为1000）到全白（对应CT值1000）有2000个不同的黑白或明暗等级.由于这2000个CT值可转变为图像画面上的2000个灰度CT像是一个灰度不同、且灰度变化不连续的图像.X-CT主要用来诊断脑部疾病主要用来诊断脑部疾病. 全身全身CT检查对血液循环系统和消化系检查对血液循环系统和消化系统的动态检查、妇科病和心脏病等的诊断上统的动态检查、妇科病和心脏病等的诊断上不如其他方法不如其他方法. 近年来近年来,已经将已经将CT引入了放射治疗领域引入了放射治疗领域,通过可以定量地确定肿瘤的位置、大小、宽通过可以定量地确定肿瘤的位置、大小、宽度与周围组织的几何关系等度