医用物理课件：第16章x射线

1、第十六章,X 射线,1、X射线的产生 2、 X射线谱 3、 X射线的基本性质 4、 物质对X射线的衰减规律 5、 X射线的医学应用,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,引 言,1895年德国物理学家伦琴发现了穿透力很强的射线。,1901年,首届诺贝尔物理学奖授予伦琴.,第一张X光照片,男士个个西装革履，风流倜傥，女士个个裙带飘香，美貌优雅。,X光一照，个个都是这副模样，没有什么

2、区别。,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X射线。,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。,有阻碍电子运动的金属靶.,有高速运动的电子流；,2. X射线产生装置,整流电路,X射线管,低压电源,高压电源,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。,焦点愈小，X射线透视或照相时所成的像愈清晰。,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。,大焦点、小焦点,实际焦点

3、在电子流方向的投影面积。,有效焦点,长灯丝-大焦点，短灯丝-小焦点,1）定义：单位时间内通过与X射线方向垂直的单位面积的辐射能量。单位：Wm-2,二、X射线的强度和硬度,1、X射线的强度（I）,2)公式,i-X光子的频率,h普朗克常量,hi一X光子的能量,Ni频率为i的X射线光子数,3) 增加X射线强度的方法,增加管电流增加光子数.,增加管电压增加X光频率.,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。,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。,4）实际应用中,5）X射线的总辐射量,X射线的总辐射量= 管电流照射时间=It （mAS）,人体进行X射线诊断

4、或治疗时必须严格控制X射线的总辐射量。,2. X射线的硬度,1）定义： X射线的贯穿本领，贯穿本领大，硬度大。它由单个X光子的能量决定，与光子数目无关。,3) 增加X射线硬度的方法：增加管电压.,医学上用管电压值来表示硬度,2)X射线的硬度由单个X光子的能量决定，与光子数目无关。,医学上X射线按硬度分类（P263）,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、产生机理,轫致辐射,当高速电子流撞击在靶上时，电子在靶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，

5、使得一部分动能转化为X光子的能量辐射出去。,各电子到原子核的距离不同，速度变化不同，损失的动能不同，使辐射出来的X光子能量有各种数值，形成连续谱。,2、连续谱特性,1）短波极限：连续X射线谱中的最短波长,强度； 峰值和min向短波方向移动。,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,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,二. 标识X射线谱,1、产生机制,轰击靶的高速电子的能量足够高时，击出靶原子的内层电子而产生空穴。,高能级的电子跃迁到内壳层的空穴产生。,1）线系：电子由不同能级达

6、到同一壳层的空位时发生的谱线 。,2）线系的最短波长：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波长。,3）只有比较高的管电压下才会出现标识X射线谱。,2、标识谱特性,1）连续谱上叠加有规律的尖峰,不同靶材料,尖峰位置和分布不同； 尖峰不随管电压变化。,2）标识谱决定于靶材料。,3）原子序数高，标识X射线的波长短。,3、说明,（1）管电压必须超过临界值。,（2）不同靶管电压临界值不同.,三、注意：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。,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。,1.电

7、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（自学为主）,劳厄(Laue, 1879-1960),布拉格父子(W. H. Bragg, 1862-1942 and W. L. Bragg, 1890-1971

8、),二、X射线的衍射,1、X射线的波动性,X射线的波长：约为0.001 nm 10nm,晶体中相邻微粒间距：约0.1nm,晶体微粒的有规则结构 X射线的三维衍射光栅,2、布喇格定律,散射光干涉加强条件,利用布拉格公式可以： 测量X射线的波长、 测量晶体的晶格常数d、 获取X射线谱。,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。,3、X射线摄谱仪,布喇格父子设计的既能观察X射线衍射，又可摄取X射线谱的实验装置。,第四节 物质对X射线的衰减规律,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射线的衰减,2、X射线强度的指数衰减规律,I0

9、：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,3、关于线性衰减系数的一些讨论,（1）意义：描写物质对X线吸收快慢的物理量。,（2）与物质种类有关。,（3）与物质的密度成正比.,（4）质量衰减系数 m,：物质密度.,质量厚度 xm=x：单位面积、厚度为x 的吸收层的质量。,（5）常用单位：,： cm-1,m:gcm2 。,衰减规律第二形式：,3.半价层(描述X射线吸收快慢的物理量）,1）半价层与吸收系数成反比.,（单位：cm）,单位：g/ cm2,2）半价层越小，物质对X射线的吸收越快.,X射线在物质中强度被衰减一半时的厚度(或质量厚度),4、说明,医用X射线主

10、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。,二、衰减系数与波长、原子序数的关系,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。,2.多种元素混合物质的质量衰减系数,3、注意：化合物的Z值,组成化合物的各原子的原子序数的次方的总和。,4、 在医学中应用,（1）一定，原子序数Z越高，X射线越容易被物质吸收。,*人体骨(Ca3(PO4)2)对X射线的吸收大于肌肉( H2O)对X射线的吸收。,*选铅(Z=82)等原子序数较大的非放射性物质作为X射线的防护材料.,铅板、含铅玻璃、含铅胶皮裙

11、和手套等。,（2）Z一定时，X射线波长越长,越容易被物质吸收。,浅表治疗，长的X射线，深部治疗，短的X射线。,5. X射线的硬化,1）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，得到的X射线硬度高(短)，射线谱范围窄。,2）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。,3）滤线板：铜板、铝板或铜板和铝板合并(先铜后铝)。,滤线板的作用：硬化X射线。,第五节 X射线的医学应用,一、治 疗（自学为主）,X射线对人体组织的电离作用等，诱发一系列生物效应。,1. X射线治疗的机制,2. 用于治疗的X射线设备,普通治疗机、电子直线加速器、X射线刀。,二

12、、诊 断,1. 常规透视和摄影,（1）原理：体内不同组织对X射线的吸收本领不同，强度均匀的X射线透过人体不同组织后的强度呈不均匀分布，投射到荧光屏上，就可以显示出明暗不同的荧光像。,(造影前),(造影后),胃肠造影用“钡餐” （Z=56）。,当病灶与周围组织的吸收系数相差不大时,给病灶注射吸收系数较大或较小的物质（造影剂）来增加它与周围组织的对比。,（2）造影剂,2. 数字减影血管造影术(DSA),是X射线、影像增强、电视摄像、数字电子、电子计算机等技术的综合系统.,DSA方法过程：被检血管注入造影剂前先摄原像变成数字图像存入存儲器S1 注入造影剂再摄造影像也变成数字图像存入S2 计算机S1-

13、S2 成像,没加造影剂的图像,蒙片,数字减影像,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。,3. 同步辐射双色数字减影术（略）,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）,科马克(A. M. Cormack ) ,提出投影数据重建图像的数学方法。,亨斯菲尔德(G. N. Hounsfield)研制成第一台头部X-CT。,X-ray Computed Tomography,1. X-C

14、T的基本原理,（1）体素：将选定层面分成若干个体积相同的立方体。,（2）成像参数 ,求各体素的值，是获得X-CT图像的关键。,.,欲观测的层面分解为 nn 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。,（3）重建图像的关键问题,快速求解n行n列个体素中m11mnn这n2个衰减系数。,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（几个未知量，几个独立方程）,p 1=11+12=8 p 2=21+22=9,p 3=11+21=10 p 4=12+22=7,对角线方向,

15、p 5 =11+22 =5,得到： 11 =3、12=5、21=7 和 22=2。,X-CT机常采用的有256256、512512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。,四体素矩阵为例：作0投影（即扫描），将投影值反投回原矩阵的对应位置、再作45投影，将投影值与上述矩阵体素相加得到新矩阵，类似作90、135投影，最后将各体素内数值减底数17（各体素任一方向上投影的总和）。其过程如右图所示。,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240180=43

16、200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）锥形束多排螺旋扫描（第七代）,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

17、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，在此范围内的组织结构按密度的高低从白到黑分为16个灰度等级进行观察分析。调节窗宽主要影响对比度，窗宽大则图像层次多，组织对比少，反之亦然。,（3）图像显示,螺旋扫描,被观测层面的一系列投影值,探测器,模-数转换电路,数字信号,图像重建方法快速运算,层面各体素的相对值,荧光屏上显示图像的数据,数-模转换,模拟信号,观测层面的图像,脏器的立体影像,三维成像软件,5多参数成像能谱X-CT,成像参数：混合能量CT值（两个）、碘基物质相对密度、水基物质相对密度、钙基物质相对密度、任意伪单色X光CT值、等效原子序数。,物理基础：X射线与物质相互作用中的康普顿散射和电子对效应。,体素的衰减系数：混合能量ke,近十年发展起来的新技术。,通过对同一层面扫描时施加大小不同的两种管电压而获得足够多的投影数据，从而解出各个体素相对两种基础物质的比例值（即1和2），继而得到一个碘基“密度值”和一个水基“密度值”。,这两个相对“密度值”加起来就是体素的伪单色X光衰减系数或CT值，根据两个基础物质的X射线谱，能计算得到各体素的能谱曲线。,引入两种感兴趣的物质作为基