19X射线成像的物理基础

1、X射线及其医学应用X-ray and its medical applications,X 射线成像 X-ray imaging,X射线及其医学应用 X-ray and its medical applications,一、X射线的基本原理 二、X射线的基本性质 三、X射线在医学上的应用 四、X射线的辐射防护 五、总结,一、X射线的基本原理The basic principles of X-ray,1、X射线概述 2、X射线产生 3、X射线硬度和强度 4、X射线衍射 5、X射线谱,1、X射线概述X-ray Overview,1895年，伦琴发现当高速电子撞击某些固体时，会产生一种看不见的射线，

2、它能透过许多对可见光不透明的物质，对感光乳胶有感光作用，并能使许多物质产生荧光，伦琴称它为X射线（X-ray）。 研究表明X射线是波长大约在0.01nm10nm范围内的电磁波。,伦琴及其拍摄的第一张X照片,X 射线成像 X-ray imaging,X射线的产生装置： X射线管 低压电源 高压电源,2、X射线产生X-ray production,X射线是在高度真空的X射线管中产生的，是高速电子与阳极靶面相互作用的结果,510V,几十几百kV,X射线管的结构 X-ray tube structure,高速电子与阳极靶面相互作用存在以下四个物理过程：电离、激发、弹性散射、韧致辐射。 电离：原子的外层

3、价电子或内层电子在高速电子作用下完全脱离了原子轨道，使原子变成离子，称为电离，包括外层电离和内层电离。,二次电子,入射电子,出射电子,A 外层电离,标识X射线,外层电离：最外层电子轨道的能级差较小，所以外层电离的光谱一般是在紫外线、可见光和红外线的波长范围，不属于X线； 内层电离：内层电子脱离轨道，使原子处于激发态，通过内层电子的能级跃迁而辐射标识X射线。,光学光谱,激发：高速电子撞击原子外层电子，由于作用较弱，不足以使其电离，仅将其推入高能级的空壳层，使原子处于激发态，这种作用叫激发。发射光学光谱或产生标识X射线。 弹性散射：高速电子受原子核电场的作用而改变运动方向，但是能量不变，称为弹性散

4、射。这种作用没有光谱辐射，也没有能量损失。,韧致辐射：高速电子在原子核电场作用下，速度突然变小时，它的一部分能量转变成电磁波发射出来，这种情况叫韧致辐射。,韧致辐射所产生的X射线是一束波长不等的连续光谱。,出射电子,入射电子,韧致辐射示意图,连续X线,高速电子与阳极靶原子撞击的结果，产生两种类型 的电磁辐射。 一种是光学光谱，波长在可见光、红外线、紫外线附近； 另一种是X射线。 （1）内层电离、激发产生的标明阳极靶材料元素特性的标识X射线； （2）高速电子与核电场作用所形成的韧致辐射， 这是一束连续X射线。,X射线产生总结,3、X射线硬度和强度X-ray hardness and intens

5、ity,X射线的硬度是指它的贯穿本领，决定于波长。波长愈短的X射线，光子的能量愈大，贯穿本领愈强，它的硬度就愈大，常用于深部治疗。 X射线的硬度由管电压控制，管电压愈高，轰击阳极的电子动能就愈大，发射光子的能量也愈大，X射线愈硬。因此，在医学上通常用管电压来衡量X射线的硬度。,X射线的强度是指单位时间通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量。通常是在一定的管电压下，用管电流的mA数来表示X射线的强度。 有两种方法增加强度：增加管电流，增加管电压。 X射线应用于医学中时，必须考虑剂量和选择波长，以适合诊断和治疗的要求。所以X射线的硬度和强度是两个重要的物理量。,4、X射线衍射X-ray diffr

6、action,晶体的微观结构（原子、分子或离子的排列）具有周期性，当X射线照到晶体上时，组成晶体的每一个原子都可看作一个子波源，向各个方向发出子波，在某些方向上的X射线会相加干涉，使得在一些特定的方向的光束加强。 晶体可能产生衍射的方向决定于晶体微观结构的类型及其基本尺寸；而衍射强度决定于晶体中各组成原子的元素种类及其分布排列的坐标。晶体衍射方法是目前研究晶体结构最有力的方法X射线结构分析,劳厄（Laue，1879-1960）1912年通过X射线在晶体中衍射的实验，同时证实了X射线的波动性质和晶体内部的周期结构,1913年布拉格父子（W. H. Bragg，1862-1942 and W. L

7、. Bragg，1890-1971）通过X射线的衍射强度分布测定晶体的晶格结构,W. H. Bragg,W. L. Bragg,晶体的空间点阵可划分为一族平行且等间距的平面点阵，或者称晶面(crystal plane)。,d,d,d,布拉格条件(Bagg condition),X射线由连续X射线和标识X射线组成，医学应用的是连续X射线。,5、X射线谱X-ray spectra,K,L,L,L,0.2,1.08,1.28,1.47,相对强度,X射线谱示意图,当X射线管在管电压较低时，它只发射连续X射线。不产生标识X射线,),2-5,钨的连续,X,每条连续谱线存在着最短波长，叫短波极限min。,5

8、.1、连续X射线谱Continuous X-ray spectra,当管电压增大时，各波长强度都增大，且强度最大的波长和短波极限都向短波方向移动。,当管电压升高到一定值时，连续谱将迭加四条谱线，在曲线上出现了四个高峰。,5.2、标识X射线characteristic X-ray,当电压变化，连续谱发生变化，但这四条谱线在图中的位置始终不变。,大量实验表明，这些谱线的波长决定于阳极靶的材料，不同元素制成的靶具有不同的线状X射线谱，可以作为这些元素的标识，所以这些谱线叫标识X射线。,（1）任何元素的特征X射线的波长是固定不变的。 （2）标识线只有在一定的管电压下才能出现。 （3）标识线的最高频率与

9、靶元素的原子序数的平方成正比。,标识X射线的特点,二、X射线的基本性质The basic nature of the X-ray,1、物理效应 穿透作用：指X射线通过物质时不被吸收的本领。 波长越短，穿透能力越强。 在波长一定条件下，X射线的穿透性取决于被通过物质本身的结构和性质。 所以X射线穿透物质后的强度变化，反映了物质内部密度差异，这正是X射线透视和摄影的物理基础。,电离作用：物质受X射线照射时，使核外电子脱离原子轨道，这种作用叫电离作用。电离作用是X射线损伤和治疗的基础。 荧光作用：有些物质受X射线照射后，由于电离或激发使原子处于激发态，回到基态过程中发出荧光。 热作用：物质吸收X射线

10、最终绝大部分转变为热能，使物体温度升高。,2、化学效应 感光作用：当X射线照射到胶片的溴化银上时，由于电离作用，使溴化银药膜起化学变化，出现银粒沉淀，即X射线的感光作用。X射线摄影就是利用这种X线化学感光作用，使组织影象出现在胶片上。 着色作用：某些物质如铅玻璃、水晶等，经X射线长期照射后，其结晶体脱水而改变颜色。,3、生物效应 X射线对生物细胞具有破坏、瓦解的作用，是放射治疗的基础，也是X射线工作者应注意防护的原因。它是由电离作用引起。,三、X射线的衰减X-ray attenuation,单色平行X射线束通过物质时的衰减服从指数吸收规律，即：,入射X线的强度,透射X线的强度,线性衰减系数,物

11、质厚度,使射线强度减弱为一半所需的物质厚度，称为半价厚度，又称为半价层,用x1/2表示：,半价层与线性衰减系数成反比。 线性衰减系数随光子的能量和物质的种类而异。 如：对于50keV的X光子，铝的半价厚度为7mm, 铅的半价厚度为0.1mm。 可见铅对X射线的衰减本领很强，这就是通常用铅做防护材料的原因。,1、治疗方面的应用 X射线主要用于癌症的治疗。它的机理是X对生物组织的破坏作用。在治疗过程中，照射量要恰当。,四、X射线在医学上的应用X-ray applications in medicine,X 射线用于肿瘤的放射治疗,1896年1月发现X射线后仅几周，芝加哥电气技师Emil Grubb

12、e（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,2、药物分析方面的应用,X射线光衍射特性能用来分析物质成分结构。 在中草药研究工作中有广泛的作用，可以用来分析中草药的有效成分的结构，寻求代用品，在保护自然生态环境方面，发挥了重大作用。,劳厄（Laue，1879-1960）1912年通过X射线在晶体中衍射的实验，同时证实了X射线的波动性质和晶体内部的周期结构,1913年布拉格父子（W. H. Bragg，1862-1942 and W. L. Bragg，1890-1971）通过X射线的衍射强度分布测定晶体的晶格结构,W. H. Bragg,W. L. Bragg,

13、研究生物大分子结构,佩鲁兹（M. Perutz，1914-2002）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,1947年卡文迪许实验室建立了“生物系统的分子结构单元”（Unit for “Research on the Molecular Structure of Biological Systems”），1962年扩大为“分子生物学实验室”,M. Perutz C. Kendrew,威尔金斯（M. Wilkins ，1916 ）和弗兰克林（R. Franklin，1920-1958 ）通过X射线衍射法研究DNA分子的结构

14、,M. Wilkins R. Franklin,威尔金斯拍摄的DNA分子的X射线衍射照片 照片显示DNA分子是单链结构的螺旋体,弗兰克林于1952年5月获得的一张清晰的DNA分子的X光衍射照片 由此推算DNA分子呈螺旋状，而且认识到是双链同轴排列 定量测定DNA螺旋体的直径为1.0 nm，螺距为3.4nm,J. Watson F. Crick,1953沃森（J. D. Watson，1928）和克里克（F. H. Crick，1916）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,（1）透视和摄影：可利用体内各种不同组织对X射线衰减的不同，来检查身体内部的情况，在荧光屏上或照相底

15、片上留下灰度不同的影象以供观察。前者称为荧光透视，后者称为X射线摄影。 如果要检查的组织与其周围组织的线衰减系数相差较少时，可利用造影剂来提高对比度。,3、诊断方面的应用,（2）电子计算机断层摄影（简称CT）：,CT原理示意图,CT扫描示意图,X-CT 成像原理,G. N. Hounsfield,A. M. Cormack,Marconi生产的MX8000多层螺旋CT扫描系统,由Marconi MX8000得到的肺动脉栓塞的X-CT 扫描图像,CT 扫描图像,CT 扫描图像,X射线辐射防护的基本原则： 距离防护：即增加距辐射源的距离。 屏蔽防护：即对射线进行屏蔽。 时间防护：缩短照射时间。,五

16、、X射线的辐射防护X-ray radiation protection,医疗X射线的防护 慎重使用放射诊断与治疗 提高记录和显示系统的灵敏度 提高X射线的透过系数 尽量减少照射野面积 采用新型材料，减少不必要的衰减 减少透视时间 远离照射野 进行必要的屏蔽,（1） X射线的硬度是指它的贯穿本领，对于一定的吸收物质， X射线被吸收愈少，则贯穿量愈大。 X射线的管电压愈高，轰击阳极的电子动能就愈大，发射光子的能量也愈大，愈不易被物质吸收，因此，在医学上通常用管电压来衡量X射线的硬度。管电压愈高，X射线愈硬。 （2） 在X射线透视或照相时，不是硬度越高越好。而是要根据被照射物质的物理特性和用X射线透视或照相的不同目的选择不同硬度的X射线。,一、 X射线的硬度为什么可用电压表示？在用X射线进行透视时，是否硬度越高越好？,滤线板能使X线的软线部分被强烈吸收，可得到硬度高，谱线窄的X射线。当同时使用两种不同物质作的滤线板时，因为各种物质在吸收X射线时都会发出自己的标识X射线。所以，应把那种既可吸收前一种物质的标识X射线，而自身的标识X射线又很容易在空气中被吸收的物质作的