医用物理学：第13章 X射线

1、19011901年获首届诺贝年获首届诺贝尔尔物理学奖物理学奖 1895 1895年，德国物理学家伦琴在研究年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线管的过程中，发现了一种穿透阴极射线管的过程中，发现了一种穿透力很强的射线。力很强的射线。高高压压电电源源金属靶金属靶电子束电子束高能高能由于未知这种射线，称为由于未知这种射线，称为X X射线。射线。X X 射射 线线( X-ray )19011901年获首届诺贝年获首届诺贝尔尔物理学奖物理学奖纪念伦琴发现纪念伦琴发现X射线射线100周年发行的纪念封周年发行的纪念封第一张第一张X X射线照片射线照片: :伦琴夫人的手骨。伦琴夫人的手骨。 X X射线在医学中的

2、应用射线在医学中的应用：透视、摄影、透视、摄影、X-CTX-CT、治疗等。、治疗等。视视摄影摄影X X线计算机体层成像（线计算机体层成像（X-CTX-CT）13.1 X 射线的产生射线的产生1. X射线产生的两个基本条件射线产生的两个基本条件:1).1).高速运动的电子流；高速运动的电子流；2).2).阻止电子运动的适当的障碍物阻止电子运动的适当的障碍物( (靶靶) )。一. X射线的发生装置射线的发生装置电子流电子流靶靶2. X射线产生装置射线产生装置X X射线管的构造射线管的构造：外壳外壳：硬质玻璃管，高真空。硬质玻璃管，高真空。阴极：阴极：电子源，发射电子流（钨丝）。电子源，发射电子流（

3、钨丝）。阳极：阳极：靶，受高速电子轰击而辐射靶，受高速电子轰击而辐射X X射线。射线。阴极阴极阳极阳极金属靶电子束高能X X 射射 线线3. X3. X射线机的基本线路：射线机的基本线路：mAT T2 2 ( ( 降压变压器）降压变压器）T T1 1 （升压变压器）（升压变压器）整整流流 X X射线管射线管管电流管电流I I 管电压管电压 kV kV 220VR低压电源低压电源高压电源高压电源 220V3. X3. X射线机的基本线路：射线机的基本线路：mAT T2 2 ( ( 降压变压器）降压变压器）T T1 1 （升压变压器）（升压变压器）整整流流 X X射线管射线管管电流管电流I I 管

4、电压管电压 kV kV 220VR低压电源低压电源高压电源高压电源 220V（1 1）低压电源与管电流低压电源与管电流i i（m A) ) ： T T2 2降压降压-R-R-灯丝电流灯丝电流-热电子数量热电子数量-管电流管电流i i(mA)(mA)（2 2）高压电源与管电压高压电源与管电压U U( ( kV ) )： T T1 1升压升压-整流整流-X-X管直流高压管直流高压U U( (kV) -) -电子获得高速电子获得高速 （3 3）X X射线管与射线管与X X射线的产生：射线的产生： 高速电子撞击靶高速电子撞击靶-产生热能（产生热能（99%99%）和）和X X线能（线能（1%1%） 要求

5、要求: :靶物质靶物质-熔点高且易散热、原子序数（熔点高且易散热、原子序数（Z Z）大。）大。 X X射线管电流射线管电流i i ： X X射线管电压射线管电压U U ：管电压管电压管电流管电流U(kV)i (mA)4. 4. 实际焦点与有效焦点实际焦点与有效焦点长长*宽宽长宽sin焦点面积小，焦点面积小，则影像清晰则影像清晰诊断用诊断用小焦点，小焦点，治疗用治疗用大焦点大焦点1.X1.X线的强度（线的强度（I I）: : 定义：单位时间内通过与射线方向垂直的单位面定义：单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量。积的辐射能量。nnniiihvNhvNhvNvhNI.22111N Ni

6、i-单位时间通过垂直于射线方向单位面积光子数；单位时间通过垂直于射线方向单位面积光子数；hvi i-光子能量光子能量(单位单位: : 焦耳焦耳/ /秒秒米米2 2 )二二. .线的强度和硬度线的强度和硬度两个因素决定增加两个因素决定增加X X线强度：线强度：（2）光子数目光子数目N NX X线强度线强度光子能量光子能量hv （1）X X线强度线强度X X线的量线的量. .X X线的质线的质. .X X线的量线的量X X线的量线的量的的定义：一定时间内通过与射线方向垂直定义：一定时间内通过与射线方向垂直的单位面积的总能量。的单位面积的总能量。X X线的量线的量= = 管电流管电流照射时间照射时间

7、= =I It t （单位（单位:mA:mAS S） * * 医学上常将一定的管电压下管电流毫安数（医学上常将一定的管电压下管电流毫安数（mAmA）表示为表示为X X线强度。线强度。一次拍片的量：一次拍片的量：I I=20mAs=200 0.1mAs=50 0.4mAs照手的照手的x x曝光量曝光量:15:15毫安毫安0.020.02秒秒, ,就是就是0.30.3毫安秒。毫安秒。 例如：例如：2.X2.X线的硬度（线的硬度（X X线的贯穿本领）线的贯穿本领）X X线线X X线线硬度比较硬度比较： A A束束 小于小于 B B束束 实质：实质： 能量大的光子被物质吸收少，其贯穿本领强，相应能量大

8、的光子被物质吸收少，其贯穿本领强，相应的射线硬度大。的射线硬度大。A束B束医学上常用管电压的千伏数（医学上常用管电压的千伏数（kVkV）表示）表示X X线硬度。线硬度。X X线按硬度分类及主要用途线按硬度分类及主要用途 : :CategoriesCategoriesTube Tube voltagevoltage (kV)(kV) ShortestShortestWavelengthWavelength ( (nmnm) )UseUse极软极软 X-rayX-ray 软软X-rayX-ray 硬硬X-rayX-ray极硬极硬 X-rayX-ray5-205-20 20-10020-100 10

9、0-250100-250 over 250over 2500.25-0.0620.25-0.062 0.062-0.0120.062-0.012 0.012-0.0050.012-0.005 below 0.005below 0.005软组织的软组织的X X线摄影线摄影X X线摄影和透视线摄影和透视 浅表组织的治疗浅表组织的治疗深部组织的治疗深部组织的治疗一、一、X X射线的本质射线的本质13.2 X射线的基本射线的基本性质性质 X X线是电磁波，具有线是电磁波，具有电磁波的共同特性。电磁波的共同特性。 电磁波谱电磁波谱 X X线是从原子内部发线是从原子内部发射出来的波长很短射出来的波长很短(

10、 )的的高能量的光子流。高能量的光子流。A10A1022二、二、X X射线的性质射线的性质4.4.光化学效应：射线使多种物质发生光化学反应，使光化学效应：射线使多种物质发生光化学反应，使 照相底片感光。照相底片感光。X X射线射线摄影摄影的基础。的基础。5.5.生物效应：射线照射使生物体发生电离和激发，引起一生物效应：射线照射使生物体发生电离和激发，引起一 系列生理、病理变化。系列生理、病理变化。 放射放射治疗治疗。 同时要注重同时要注重防护防护射线。射线。3.3.电离作用：射线使物质原子、分子发生电离。电离作用：射线使物质原子、分子发生电离。测量测量 X X射线的基础。射线的基础。2.2.荧

11、光作用：射线照射使物质发出荧光荧光作用：射线照射使物质发出荧光, , 在医学上在医学上 用于用于透视透视 。1.1.贯穿本领：射线能够贯穿本领：射线能够穿透穿透物质。物质。X X线成像的基础线成像的基础. .物理效应：物理效应： X X射线发现射线发现1717年后，于年后，于19121912年，德国物理学家劳厄找到年，德国物理学家劳厄找到了了X X射线具有波动本性的最有力的实验证据：发现并记录射线具有波动本性的最有力的实验证据：发现并记录了了 X X 射线通过晶体时发生的衍射现象射线通过晶体时发生的衍射现象。19141914年获诺贝尔年获诺贝尔物理学奖。物理学奖。 三三.X.X射线衍射射线衍射

12、衍射斑纹（劳衍射斑纹（劳 厄厄 斑）斑）晶晶体体X X射射线线记记录录干干板板劳厄的劳厄的X X射线衍射实验原理图射线衍射实验原理图 晶体中原子有规律排列的结构晶体中原子有规律排列的结构可看成是光栅。原子的线度和间距可看成是光栅。原子的线度和间距大约为大约为1010-10-10m m 数量级，与入射数量级，与入射X射射线的波长相当或更小些，相邻晶面线的波长相当或更小些，相邻晶面原子的反射线发生干涉，就可能获原子的反射线发生干涉，就可能获得衍射现象。得衍射现象。衍射图样衍射图样X X射线射线晶体晶体中中各各晶面晶面 (掠射角掠射角 )( (氯化钠晶体氯化钠晶体) )ClNa晶体结构点阵晶体结构点

13、阵X射线入射角掠射角掠射角求出相邻晶面求出相邻晶面距离为距离为 d 的两的两反射光干涉加反射光干涉加强条件强条件面层间两反射面层间两反射光光程差：光光程差：布拉格定律布拉格定律干涉加强得亮干涉加强得亮点的条件：点的条件：或或布拉格方程布拉格方程布拉格方程布拉格方程Bragg equation=X X射线摄谱仪原理图射线摄谱仪原理图晶体晶体照相底片照相底片铅屏铅屏X X射线管射线管X X射线的衍射图样射线的衍射图样: :NaClNaCl单晶单晶X X射线射线衍射斑点衍射斑点石英的石英的X X射线衍射斑点射线衍射斑点脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA(DNA分子分子) )的双螺旋结构模式的双螺旋结构

14、模式: : X X射线衍射的重要应用举例射线衍射的重要应用举例 1953 1953年，美国科学家沃森（年，美国科学家沃森（J.D.Watson,1928-J.D.Watson,1928-）和）和英国科学家克里克（英国科学家克里克（F.Crick,1916-F.Crick,1916-）提出）提出DNADNA双螺旋结双螺旋结构构;1962;1962年获诺贝尔医学和生理学奖。年获诺贝尔医学和生理学奖。 13.3 13.3 射线谱射线谱 (X (X线谱示意图线谱示意图) ) 连续连续X X线谱线谱( (背景）背景）特征特征X X线谱线谱( (线状）线状） X X线谱线强度与波长的关系：线谱线强度与波长

15、的关系： 研究研究X X线谱的目的：了解线谱的目的：了解X X线产生的原理。线产生的原理。 在医学应用中主要在医学应用中主要使用连续使用连续X X线线, ,而在利用而在利用光谱研究物质结构中使光谱研究物质结构中使用特征用特征X X线线. .X X线谱的组成：线谱的组成：X X射线谱：射线谱：对对X线管产生的线管产生的X线将其强度按照波长的顺序排线将其强度按照波长的顺序排列开来的图谱。列开来的图谱。射线谱特性：射线谱特性：1.1.连续连续X X射线射线(continuous X-rays)（1）每一种管电压下，存在一每一种管电压下，存在一个个短波极限短波极限；射线中含有大于短；射线中含有大于短波

16、极限的各个波长成分。波极限的各个波长成分。（2）随着管电压增大，随着管电压增大，短波极短波极限和强度最大的波长朝短波方向限和强度最大的波长朝短波方向移动。移动。相相对对强强度度管电压管电压管电流管电流钨靶钨靶波长波长 钨靶的连续钨靶的连续X X射线谱射线谱+Ze+Ze10-10-10m10-15me光子光子（h ）（原子半径）（原子半径）（原子核半径）（原子核半径）连续连续X X射线谱产生的机制：射线谱产生的机制： 高速电子撞击阳极靶高速电子撞击阳极靶时，受靶中原子核的时，受靶中原子核的库仑库仑场场作用而速度骤减，每个作用而速度骤减，每个电子减少的动能转化为一电子减少的动能转化为一个光子辐射出

17、来，有个光子辐射出来，有X X射线射线放出。放出。轫致辐射：轫致辐射：eee 高速电子进入靶内不同高速电子进入靶内不同深度，损失的动能有各种深度，损失的动能有各种数值，使射线数值，使射线( (光子光子) )波长波长连续变化连续变化, ,形成连续谱。形成连续谱。高速电子高速电子光子光子（h ）光子光子（h ）短波极限的产生短波极限的产生: : 高速电子的动能全部转成辐射能高速电子的动能全部转成辐射能。当电当电子的全部动能转化为一个光子辐射出来时，光子具有最大子的全部动能转化为一个光子辐射出来时，光子具有最大能量（能量（h h maxmax) )，相应的波长为最短，相应的波长为最短 minmin。

18、短波极限（短波极限（ min）的计算）的计算： 电子动能电子动能 nmU)kV(242. 1min每个管电压每个管电压, , 对应一个短波极限对应一个短波极限; ;管电压增大管电压增大, ,短波极限朝短波方向移动。短波极限朝短波方向移动。minmax221chheUm连续谱的形成：连续谱的形成： 钨在较高管电压下的钨在较高管电压下的X X线谱线谱2.2.标识标识X射线谱射线谱 (characteristic X-rays)特点特点: : 每一种元素（靶）有一套一定波长的特征每一种元素（靶）有一套一定波长的特征X X线谱，成为线谱，成为其标识。比如：指纹成为人的标识。其标识。比如：指纹成为人的标

19、识。K K系特征线系特征线* * 在较高管电压下出现在较高管电压下出现四条谱线；四条谱线；特征特征X X线谱：线谱：* * 随着管电压继续增高随着管电压继续增高, ,连续连续X X线谱明显变化线谱明显变化, ,而而四条谱线的位置不变四条谱线的位置不变（即波长不变）（即波长不变）。标识标识X射线射线产生机制产生机制: :原子内部各壳层电原子内部各壳层电子跃迁形成标识谱子跃迁形成标识谱. . 高速电子击出某个高速电子击出某个内层电子内层电子( (如：如：K K壳层壳层电子电子) )，产生空位；空，产生空位；空位由其它壳层电子位由其它壳层电子( (如：如：L L，M M，N N或更外层电子或更外层电

20、子) )填补，电子在跃迁填补，电子在跃迁过程中发出一个光子，其能量等过程中发出一个光子，其能量等于两能级能量之差。从而形成确于两能级能量之差。从而形成确定波长的线状定波长的线状X X射线谱。射线谱。靶核靶核K(2e)L(8e)M(18e)N(32e)* * 标识标识X X射线谱应用：化学元素的分析。射线谱应用：化学元素的分析。( (高速电子高速电子) )eK K系标识线系标识线eeeee eeee e 不同壳层电子填不同壳层电子填补某壳层同一空位补某壳层同一空位时所辐射的标识谱时所辐射的标识谱组成一个线系。组成一个线系。( (光子光子) )eeL L系标识线系标识线 原子序数大，壳层能量差原子

21、序数大，壳层能量差大，各谱线系波长短。大，各谱线系波长短。*射线被衰减射线被衰减光子被物质吸收，能量转换；光子被物质吸收，能量转换；光子被物质散射改变方向和量光子被物质散射改变方向和量；I0I一一. .单能窄束单能窄束X X线的衰减规律线的衰减规律xeII0I I0 0-入射线强度入射线强度I I-透射线强度透射线强度x x-射线透过的厚度射线透过的厚度-物质的线衰减系数物质的线衰减系数( (对单能谱对单能谱 的的X X射线射线, , 恒定不变恒定不变) )x13.4 13.4 物质对物质对X X射线的衰减规律射线的衰减规律xI0I0 （线性衰减系数）（线性衰减系数）（linear atten

22、uation coefficient） * * 物理意义：描写物质对物理意义：描写物质对X X线衰减快慢的物理量。线衰减快慢的物理量。 物质的物质的 越大，越大，I I 越小，越小，X X射线衰减越快。射线衰减越快。 (单位：单位： cm-1 或或 m-1 )非均匀介质非均匀介质( (即多层物即多层物质质) )的总线衰减系数：的总线衰减系数：xeII101xeII212xeII323xeII4344043211ln1IIxNiix xI I0 0I I0 0 大大 小小I I0 0I I1 1I I2 2I I3 3I I4 41234xxxeIeII0)(044321X-CT的基础的基础xe

23、II0二二. . m m ( (质量衰减系数质量衰减系数) ) x xm m （质量厚度）（质量厚度）（mass thicknessmass thickness）: :* * 定义：定义： x xm m = =x x（单位面积中，厚度为单位面积中，厚度为x x 的吸收层的质量）的吸收层的质量）* 单位：单位：g/ cm2（m m与与 无关，无关， m m大则衰减快）大则衰减快） m( 与物质密度与物质密度 的关系：的关系： 正比正比 )mmxeII0* *定义定义：单位单位：cm2/g* *衰减规律第二形式：衰减规律第二形式：xeII0半价层半价层x x1/2 1/2 (half value

24、layer):* 定义定义：物质对物质对X X射线强度衰减一半的厚度。射线强度衰减一半的厚度。物理意义：物理意义： 物质的物质的x x1/21/2或或x xm1/2m1/2越小越小, ,则对则对X X射线衰减越快。射线衰减越快。* * 表式：表式：693.02ln2/1x（单位：（单位：cm）mmmx693.02ln2/1（单位（单位: : g/ cm2 ）* *指数衰减规律第三形式：指数衰减规律第三形式：21)21(0 xxII xeII0 三三. .质量衰减系数与射线波长及物质原子序数的关系质量衰减系数与射线波长及物质原子序数的关系 m m = =KZKZ 3 31.1.有效原子序数有效原

25、子序数(Z)(Z)愈高的物质，对愈高的物质，对X X射线衰射线衰减愈强减愈强; ;K K：常：常 数数 Z Z：物质有效原子序数：物质有效原子序数：医学上为：医学上为 3 3 4 4 ： X X射线波长射线波长由此得到影响由此得到影响X X射线衰减的因素的两个结论：射线衰减的因素的两个结论：* *X X光透视与摄影光透视与摄影: :骨骨( (Ca, P, O)对对X X射线的衰减射线的衰减 大于大于 软组织软组织(C, H, O)对对X X射线的衰减射线的衰减骨在透视荧光屏中呈暗影骨在透视荧光屏中呈暗影; ; 在摄影胶片在摄影胶片( (底片底片) )中呈亮影。中呈亮影。 * * 造影术造影术:

26、 : 血管造影，胃肠造影（血管造影，胃肠造影（“钡餐钡餐”）等。）等。* * 防护材料防护材料: : 铅块铅块(Z=82)(Z=82)食管钡餐造影：左图为充盈相，右图为粘膜相。食管钡餐造影：左图为充盈相，右图为粘膜相。造影后造影后造影前造影前( (钡钡Z=56)Z=56)* X X射线硬化与滤线板：射线硬化与滤线板：滤线板滤线板：铜板、铝板或铜板和铝板合并铜板、铝板或铜板和铝板合并( (先铜后铝先铜后铝) )。硬化硬化：X X射线经过铜板或铝板后软成分射线经过铜板或铝板后软成分( ( 长长) )被吸收多，被吸收多， 得到的得到的X X射线硬度高射线硬度高( ( 短短) )，射线谱范围窄。，射线

27、谱范围窄。滤线板的作用滤线板的作用：硬化硬化X X射线。射线。2. X2. X射线波长射线波长( ( ) )愈长，愈容易被物质吸收衰减。愈长，愈容易被物质吸收衰减。浅部治疗：浅部治疗： 长；长； 深部治疗：深部治疗： 短短X X线源线源铅准直器铅准直器被照射体被照射体探测器探测器滤线板滤线板一一. .诊诊 断断13.5 X 射线的医学应用射线的医学应用视视荧光透视荧光透视（fluoroscopyfluoroscopy）：）：简称透视。强度均匀简称透视。强度均匀的的X X射线投照人体射线投照人体, ,由由于人体内不同部分对于人体内不同部分对射线衰减不同射线衰减不同, ,使透使透过人体的射线强度不

28、过人体的射线强度不均匀均匀, , 投射到荧光屏投射到荧光屏后显示出明暗不同的后显示出明暗不同的荧光图像。荧光图像。2.X2.X线摄影线摄影X X射线透过人体后投射线透过人体后投射到照相底片上，射到照相底片上，底片感光显像后可底片感光显像后可观测到明暗不同的观测到明暗不同的图像。图像。3.X3.X射线造影术：射线造影术：给器官或病灶注射衰减系数较大或较给器官或病灶注射衰减系数较大或较小的物质来增加它与周围组织的对比以便清晰显像。小的物质来增加它与周围组织的对比以便清晰显像。造影剂：阳性造影剂、阴性造影剂。造影剂：阳性造影剂、阴性造影剂。 粘膜相粘膜相( (造影前造影前) ) 充盈相充盈相 ( (造影后造影后) ) 钡灌肠钡灌肠4.4.数字减影血管造影数字减影血管造影(DSA):(DSA): 通过图像处理器将通过图像处理器将“原像原像”和和“造影像造影像”相减相减, ,从从造影像中减去原像造影像中减去原像, ,使造影的血管图像保留下来而减影使造影的血管图像保留下来而减影除去无关的组织影像。除去无关的组织影像。血管造影前血管