陈彤-x射线在临床医学的应用

1、毕 业 论 文题 目：X射线的临床医学应用 作 者： 陈 彤 院 系： 理学院物理系 专 业： 物理学 班 级： 2012 本科2班 学 号： 201240997 日 期： 2016年5月 指导教师： 王 晓 燕 河北北方学院教务处摘要自从德国科学家伦琴在1895年发现X射线后，其在医学领域、工业领域、研究领域都发挥着举足轻重的作用。一百年来，X射线在医学领域中发挥了巨大的作用。人们通过各种方法发现了X射线的特性，主要分为三类：物理特性、化学特性、生物特性。正是由于X射线的这些特性，使X射线在医学中被广泛使用。本文主要介绍了X射线在医学诊断、医学治疗、药物分析等方面的应用，如何减少X射线的危害

2、以及对于X射线诊断机、X光成像技术的发展进行了讨论。X射线的应用领域广泛，有着广阔的发展前景。关键词：X射线，透视，摄影，数字减影血管造影，X-CTAbstractSince the German scientists Roentgen discovered x-rays in 1895, after its in medicine, industry, research areas are playing an important role. One hundred years, X-ray played a huge role in the medical field. People th

3、rough various methods to find the characteristics of the X-ray, mainly divided into three categories: physical properties, chemical properties and biological characteristics. It is because of these characteristics of X-ray, X-ray is widely used in medicine. This article mainly introduced the X-ray i

4、n medical diagnosis, medical treatment, pharmaceutical analysis applications, as well as how to reduce the harm of X ray for X-ray diagnostic machine, the X-ray imaging technology development are discussed. X-ray application field widely, has broad development prospects.Key words: X ray, perspective

5、, photography, digital subtraction angiography, X-ray computed tomography (CT)目录摘要IAbstractII1引言12 X射线的产生22.1 电子的韧制辐射22.2激光等离子体光源产生X射线22.3同步辐射产生X射线22.3受激辐射产生X射线23 X射线的特性33.1物理效应33.1.1穿透作用33.1.2电离作用33.1.3荧光作用33.2化学效应33.2.1感光作用33.3生物效应34物质对单色X射线的衰减规律44.1单色X射线的衰减规律44.2衰减系数与波长、原子序数的关系45 X射线在临床医学中的应用55.1

6、 X射线在诊断方面的应用55.1.1常规透视和摄影55.1.2数字减影血管造影（DSA）65.1.3 XCT65.2 X射线在治疗方面的应用65.2.1治疗设备75.2.2 X-刀治疗75.3 X射线在药物分析方面的应用75.3.1 X射线单晶衍射75.3.2 X射线粉末衍射76 X射线的防护86.1常规透视及摄片的要求86.2医护人员防护86.3被检查者防护87总结9致谢10参考文献11III1引言 在1895年，伦琴博士在研究阴极射线时发现了一种特殊的射线。他确定这是一种新的射线，便把它命名为x射线。 X射线的发现具有很重要的意义，是19世纪末20世纪初物理学革命的开端

7、。为自然科学和医学开辟了一条崭新的道路1。X射线自被发现以来，就广泛地被应用。人们利用x射线的特性做了许多事情，尤其是在医学领域中。这足以证明了它的重要性。通过认识x射线的本质和特点，使人们清楚x射线到底是怎样为人们服务的。同时在研究的过程中，会发现x射线的其他特点，这样开拓了它的应用范围，使其在更多领域得到应用，发挥其价值造福于人类。      当然，x射线在造福于人类的同时对人体健康也产生了一些危害，因此在使用的同时也要利用一些手段来减少危害。      本课题的主要目的

8、是让人们深入了解认识X射线，清楚它的一些特性以及在医学中的一些应用，清楚减少x射线危害的方法，使它未来更好地为人们服务，发挥其巨大作用。2 X射线的产生产生X射线的方法有多种，最常用的有电子的韧制辐射、使用激光等离子体产生X射线、由同步辐射光源和受激辐射产生X射线。2.1 电子的韧制辐射X射线管产生X射线的原理就是利用高速电子撞击金属靶面。在1895年伦琴发现X射线时使用的就是X射线管，它是一种充气型的。随后，科学家们相继研究X射线管，又发明了真空式X射线管、在阳极和阴极间装上栅极的X射线管、双焦式X射线管、用纳米材料制成的射线管。这些射线管都可以产生X射线，且随着研究的进步，产生方法越来越方

9、便简单，易操作。目前医学中主要采用这种方法来获得X射线。2.2激光等离子体光源产生X射线此光源不但价格便宜而且操作方便，这种光源常常用于x射线显微术。产生x射线的原理是：激光脉冲打在固体靶上，使靶表面形成等离子体，然后发射x射线。用气体靶材料代替固体靶材料要更好一些。气体靶材料可以避免由于溅射而引起的损伤污染光学系统的问题。2.3同步辐射产生X射线同步辐射就是由加速的高能带电粒子直接辐射出X射线。由于同步辐射光源具有高强度、准直光束、连续波长、很小的光束截面积、时间脉波性与偏振性的特点，因而广泛地被人们使用2。2.3受激辐射产生X射线自X射线发现以来就被引用在各个领域，科学家们研究它的强度。X

10、射线激光比普通的激光具有更强的穿透能力。3 X射线的特性3.1物理效应3.1.1穿透作用X射线的穿透能力与X射线的波长有关，波长越短，X光子的能量就越大，则它的贯穿本领就越大。对于不同的物质来说，它的原子序数越大，吸收本领就越强，X射线的贯穿能力就越小。在医学中的X光透视和X光摄影技术都是以X射线的贯穿本领为基础的。3.1.2电离作用电离作用就是X射线能够使原子或分子发生电离的现象。由于电离作用会诱发一系列的生物效应，如会损伤细胞、抑制细胞生长、严重的会导致细胞死亡。医学中把电离作用作为了治疗和损伤的基础。3.1.3荧光作用X射线照射到某些特殊物质时，如磷、铂、硫化锌等，会使它们的原子或分子跃

11、迁处于激发态。当它们跃迁回到基态时，就会发出荧光。在进行X射线透视时，X射线透过人体后所成的像就呈现在荧光屏上，医生通过此影像就可以分析出受检者的具体情况。3.2化学效应3.2.1感光作用当X射线照射到胶片上的溴化银时，能使银离子沉淀从而使胶片产生感光作用。人体对X射线的吸收不同，导致胶片上获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。这为X射线的摄片检查提供了条件。X射线摄影技术就是应用的这个原理。3.3生物效应X射线照射人体时，会诱发一系列的生物效应，会破坏细胞结构，抑制细胞的生长。因为各个生物细胞都具有各自的结构特点，所以它们对X射线的敏感度就大不相同，利用这种特性可治疗人体的某些疾病，尤其是

12、肿瘤。经研究表明，利用X射线的生物效应来进行治疗，确实取得了可观的结果 3。4物质对单色X射线的衰减规律4.1单色X射线的衰减规律实验表明，单色平行X射线束通过物质时，沿入射方向，X射线的强度变化服从指数衰减规律，即：式中I0是入射X射线的强度，I是通过厚度为X的物质后的射线强度，称为线性衰减系数。越大衰减越快，越小衰减越慢。对于同一种物质，衰减系数与物质密度成正比，因此物质密度越大，则单位体积中可能与光子发生作用的原子就越多，光子被吸收或散射的概率就越大。线性衰减系数与密度的比值称为质量衰减系数，记作，即：质量衰减系数用来比较各种物质对X射线的吸收本领。一种物质由液态或固态转变为气态时，密度

13、变化很大，但值都是相同的。所以有：4.2衰减系数与波长、原子序数的关系对于质量衰减系数近似地适合下式：式中k是一个常数，z是吸收物质的原子序数，是射线波长。指数通常在34之间，与吸收物质和射线波长有关。对于水、空气和人体组织，可取3.5。所以可以得出：原子序数越大的物质，吸收本领越大。人体肌肉组织主要由C、H、O等组成，骨骼主要成分是Ca3(PO4)2，Ca和P的原子序数比肌肉组织中任何成分的原子序数都高，因此骨骼的质量衰减系数比肌肉组织的大，在X射线照片中显示出明显的阴影。在胃肠透视时服用钡餐也是因为钡的原子序数大，吸收本领大，可以显示出肠胃阴影。波长越长的X射线，越容易被吸收。也就是说，波

14、长越短，贯穿本领越强，越容易穿过物质。5 X射线在临床医学中的应用5.1 X射线在诊断方面的应用X射线在医学诊断方面的应用，主要是以X射线的穿透作用、感光作用、差别吸收以及荧光作用为基础的。5.1.1常规透视和摄影常规透视和摄影的基本原理相同，只不过透视技术是把像呈现在荧光屏上，摄影技术是把像呈现在胶片上，成像的工具不同，但通过这两种方法都可以看到人体内部的组织和器官，可以检查疾病。在透视和摄影时，人变得“透明”了，这为医护人员进行人体检查提供了便利条件。这两种方法在医学中都经常使用，但是相比较之下，X光摄影技术得到的影像更加清晰，能更加清楚明了的找到病变位置，所以这种方法更适合于精细检查。对

15、于X光透视技术来说，它就更适合于普查了。为了解决X光摄影时乳胶吸收X射线量不足的问题，人们研制出了一种工具增感屏。在进行X光摄影时，在底片前后各放一个增感屏，这样就大大增加了胶片吸收的X射线量，这个问题不仅解决了，而且对于病人来说，也减少了X射线的照射量，减少了X射线对人体的伤害。由于人体各部对X射线吸收不同，在对软组织进行摄影时，要选用较软的X射线。如果选择硬X射线，它的能量非常大，穿透能力特别强，摄影时也就不能区分不同组织了。现在医院使用的钼靶X射线管可以产生较软的X射线，用于对乳腺摄影时，取得了很好的效果。对于人体某些器官来说，在使用X光透视或X光摄影时，不能在荧光屏或胶片上显示出来，因

16、为这些器官和组织对X射线的吸收差不多，所以人们又研制出了一种物质造影剂，它的衰减系数较大或较小，用来增加和组织的对比。例如，在进行消化道检查时，让受检者吞服“钡餐”（硫酸钡），再进行X光透视或X光摄影时，就能把器官显示出来了。在进行关节检查时，在关节处注入空气，再进行检查，也能更好地把关节周围的结构显示出来4。5.1.2数字减影血管造影（DSA）数字减影血管造影(DSA)是通过电子计算机进行辅助成像的血管造影方法，它是应用计算机程序进行两次成像完成的。在注入造影剂之前，首先进行第一次成像，并用计算机将图像转换成数字信号储存起来。注入造影剂后，再次成像并转换成数字信号。两次数字相减，消除相同的信

17、号，得知一个只有造影剂的血管图像。这种图像较以往所用的常规脑血管造影所显示的图像，更清晰和直观，一些精细的血管结构亦能显示出来。DSA不但能清楚地显示颈内动脉、颅内大血管及大脑半球的血管图像，还可测定动脉的血流量，所以，被广泛应用于脑血管病检查，特别是对于动脉瘤、动静脉畸形等定性定位诊断，更是最佳的诊断手段。另外，对于缺血性脑血管病，也有较高的诊断价值。DSA可清楚地显示动脉管腔狭窄、闭塞、侧支循环建立情况等，对于脑出血可进一步查明导致出血的病因。对于心血管造影常用的方法是同步辐射双色数字减影术。造影剂对X光的吸收有一个k吸收边（33.16kev），此处衰减系数变得很大，而骨骼和肌肉没有这种现

18、象。在短时间内用两种波长的同步辐射X射线进行两次造影，一次使用的光子能量略低于k吸收边，此时碘的衰减系数较小。第二次使用的光子能量略高于k吸收边，此时碘的衰减系数较大。两次图像信号转变成数字信号后，两次数字相减，就把骨骼和肌肉的影像除去了，从而获得清楚的血管影像。5.1.3 XCTCT的全称是“计算机断层摄影系统”。它是采取很细的X射线束高度准直以后，围绕身体某一部位，从多个方向做横断层扫描，用灵敏的探测器接收吸收透过的X射线，利用计算机计算出该层面各点的X射线吸收系数值，再由图像显示器，将不同的数据用不同的灰度等级显示出来，从而为疾病诊断提供可供参考的重要依据。CT与X线图像相比，CT的密度

19、分辨力高，即有高的密度分辨力。因此，人体软组织的密度差别虽小，吸收系数虽多接近于水，也能形成对比而成像。这是CT的突出优点。所以，CT可以更好地显示由软组织构成的器官，如脑、脊髓、肺、肝、胆、胰以及盆部器官等，并在良好的解剖图像背景上显示出病变的影像。CT检查对中枢神经系统疾病的诊断价值较高，应用普遍。对颅内肿瘤、寄生虫病、外伤性血肿与脑损伤、脑梗塞与脑出血等病诊断效果好，诊断较为可靠。5.2 X射线在治疗方面的应用除诊断之外，X射线还可以用于治疗，尤其是对恶性肿瘤的治疗。5.2.1治疗设备普通X射线治疗机、电子直线加速器和“X-刀”是用来进行X射线治疗的三种设备。5.2.2 X-刀治疗X-刀

20、是一种用于放射治疗的设备。X射线在照射时能够精确的按照肿瘤的形状照射，使肿瘤组织凸显出来并与正常的组织形成整齐的边缘，很容易进行切除。      X-刀以高能X射线和电子线为放射源，将X射线集中照射在肿瘤病灶上消灭肿瘤细胞。就像是用放大镜将太阳光聚焦到火柴头能使火柴头燃烧一样，X刀就是将高剂量的X射线聚焦到肿瘤上来治疗肿瘤。其优点是：既提高了肿瘤的治疗效果，又保护了重要的正常组织和器官。5.3 X射线在药物分析方面的应用在中草药的研究工作中，利用X光衍射来分析中草药的有效成分的结构，寻求代用品以及在保护自然环境方面，X射线都发挥了重大

21、作用。5.3.1 X射线单晶衍射应用单晶X射线衍射来分析药物结构时，只需要一个单晶体，就可以完成测定。例如在研究紫杉醇及紫杉醇的化合物时，要从植物中提取，而且提取量很少，此时就要应用单晶X射线来分析药物结构。自然界中存在着许多不为人知的化合物结构，要探究这些化合物的结构都要通过单晶X衍射来分析。例如在分析研究龙胆草的根茎时，意外地发现了六种新的不为人知的晶体结构，这为人们进一步研究提供了更好的依据，使人们更好地利用此种药物。5.3.2 X射线粉末衍射每种药物都有自己的纯度，纯度包括化学纯度和晶型纯度。粉末X射线衍射就可以来鉴别药物的纯度。通过X射线衍射分析得出图像，然后就可以根据图像来计算药物

22、的纯度，根据计算结果就可以知道该药品是否质量达标。利用粉末X射线衍射技术还可以鉴定中药真伪。中药中含有很多的化学成分，目前都没有一套完整技术可以检测它的所有成分，因此导致中药无法走向全世界，这也制约了中药的发展。应用粉末X射线衍射技术可以在微观世界中再现中药整体结构特征。6 X射线的防护由于X射线的生物效应，在利用时会产生一些危害，比如：会使病人脱发，严重的造成皮肤烧伤，对于工作人员来说，可能会得白血病，视力问题等。所以为了减轻伤害，必须采取有效的防护措施。6.1常规透视及摄片的要求对病人的胸透和腹透要在较短时间内完成，一般为三到五分钟完成。并且辐射剂量也要控制在要求范围内，决不能超过要求的剂

23、量。按照正确方法及要求操作，就不会对医护人员及病人造成伤害了。6.2医护人员防护对于从事X射线的医护人员来说，虽然有完善的防护措施，但因为长时间接触，也要在人体可以接受的摄入范围内工作，否则就会对其造成伤害。所以要定期对各种防护设备进行检查，定期更换，要根据国家有关放射防护的规定制定完善的措施，按要求正确的进行X射线的检查，佩戴各种防护用具，加强自我保护意识。6.3被检查者防护确保被检查者的安全，对被检查者的防护，是防护工作的首要任务。人体吸收X射线的剂量与距离有关，越接近X射线管口，吸收的越多。所以在做胸透或腹透时要与管口保持一定距离。医护人员要运用恰当的方法，正确的检查过程，避免不必要的X射线曝射，同时，曝射次数不能过多也不要在短时间内重复检查4。7总结本文主要介绍了X射线的发现，X射线的产生，基本性质以及在医学中的主要应用。通过对这个题目的研究，要明确X射线在当今世界和当代科学中的重要地位和应用前景，了解如何去研究物理课题。当然，本文重点介绍的是X射线的性质、X射线在临床医学中的应用、以及X射线的防护，但是X射线在工业领域以及研究领域也发挥了重要作用。比如X射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。在地质研究中采用自由电子激光器的X射线全息照相术使全息技术走上了新的台阶。总而言之，X射线的