医用物理学-第十六章

1、医学物理学Medical Physics侯雪坤侯雪坤关于物理学概念和技术在医学上应用的一门学科第十六章X射线掌握掌握 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；理解理解 X射线的基本性质、X射线衍射和X-CT成像原理；了解了解 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。教学基本要求教学基本要求威廉威廉康拉德康拉德伦琴伦琴（18451923） 1845年3月27日生于德国莱纳普。3岁时全家迁居荷兰并入荷兰籍。1865年迁居瑞士苏黎世，伦琴进入苏黎世联邦工业大学机械工程系，1868年毕业。1869年获苏黎世大学博

2、士学位，并担任了物理学教授A孔脱的助手；1870年随同孔脱返回德国，1871年随他到维尔茨堡大学和1872年又随他到斯特拉斯堡大学工作。1894年任维尔茨堡大学校长，1895年伦琴在维尔茨堡大学发现了 X X射线射线。1900年任慕尼黑大学物理学教授和物理研究所主任。伦琴与伦琴与X射线射线 1895年11月8日，伦琴在进行阴极射线实验时第一次注意到，在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发出微光他确定该发光是由于射线管中发出的某种射线所致，并称它为X射线。同年12月28日，维尔茨堡物理学医学学会会刊发表了他关于这一发现的第一篇报告。 1896年1月23日，伦琴作了第一次关于X射线的报告，报告结束时，用

3、X射线拍摄了维尔茨堡大学著名解剖学教授克利克尔一只手的照片，克利克尔建议将这种射线命名为伦琴射线 。1901年诺贝尔奖第一次颁发第一次颁发，伦琴由于这一发现而获得了这一年的诺贝尔奖物理学奖诺贝尔奖物理学奖。 普通普通X光机光机第一节第一节 X X射线的产生射线的产生一、一、X X射线的产生装置射线的产生装置1. 1. 产生产生X X射线的方法射线的方法高速运动的电子受阻辐射最最常用的方法常用的方法同步辐射：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。有适当的障碍物有适当的障碍物靶，用来阻止电子的运动，把电子的动能转变为靶，用来阻止电子的运动，把电子的动能转变为X X

4、射射线的能量。线的能量。有高速运动的电子流；有高速运动的电子流；- -C CB BX X射线射线X X射线管射线管+ +A A2. X2. X射线产生装置射线产生装置4.4.整流整流电路电路1.X1.X射线管射线管2.2.低压低压电源电源3.3.高压高压电源电源 高度真空的硬质玻璃管，管内封入阴极(灯丝灯丝) )和阳极(靶靶)。 作用于阴极灯丝阴极灯丝，使其炽热而发射电子。 作用于阴阳两极之间阴阳两极之间，阴极发射的热电子在电场作用下高速奔向阳极，突然受阻，就有X射线向四周辐射。获得直流高压，即管电压(阴阳两极之间的电压)。l 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l 管电流 阴

5、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，大小和灯丝的形状有关。长灯丝-大焦点，短灯丝-小焦点l 焦点愈小，X射线透视或照相时所成的像愈清晰。l 一般，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。l 虽然电子撞击在靶上的面积较大，但X射线却像是从较小的面积上发射出来。有效焦点l 一般X射线管的阳极靶面均作成斜面，钨靶为一矩形。实际焦点的投影面积就叫做有效焦点。bc absin 角是靶面与垂直于电子流方向的夹角。为了降低阳极靶面的温度，大功率的X射线管多采用旋转阳极旋转阳极，使受撞击面不断改变，将热量分散到较大的面积上。bc ab

6、 实际焦点的面积：有效焦点的面积：二、二、X X射线的强度和硬度射线的强度和硬度1. X1. X射线的强度射线的强度单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量。单位：Wm -21122n1niiniIN hN hN hN h Nn 能量为hn 的光子数。（2 2）增加）增加X X射线强度的方法射线强度的方法增加管电流，使单位时间内轰击阳极靶的高速电子数目增多，从而增加 所产生的光子数目N；增加管电压，可使每个光子的能量h 增加。（1 1）定义）定义2. X射线的硬度 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。 X射线的总辐射能量管电流的毫安数辐射时间(mAs)。 X射线的贯穿

7、本领，它由X射线的波长（即单个光子的能量）所决定，而与光子数目无关。调节管电压，硬度大小用KV数表示。 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。（3）实际应用中：（1）定义（2）增加X射线硬度的方法 医学上医学上X X射线按硬度分类射线按硬度分类（3）实际应用中：名 称管电压(kV)最短波长(nm)主 要 用 途极软X射线软X射线硬X射线极硬X射线52020100100250250以上0.250.0620.0620.0120.0120.0050.005以下软组织摄影、表皮治疗透视和照相较深组织治疗深部组织治疗第二节第二节 X X射线谱射线谱 采用X射线管发出的X射

8、线，包含各种不同的波长成份，将其强度按照其强度按照波长的顺序排列波长的顺序排列开来的图谱，称为X X射线谱射线谱。连续连续X X射线谱射线谱标识标识X X射线谱射线谱一、连续一、连续X X射线谱射线谱1. 1. 产生机制产生机制- -轫致辐射 当高速电子流撞击在阳极靶上受到制动时，电子在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，使得一部分动能转化为动能转化为X X光子的能量光子的能量辐射出去。 由于各个电子到原子核的距离不同，速度变化情况也各不一样，所以每个每个电子损失的动能亦不同电子损失的动能亦不同，辐射出来的X光子能量具有各种各样的数值，从而形成具有各种频率的连续连续X X射线

9、谱射线谱。+ +hmax=EE E+ +轫致辐射hE EE-hE-h 2. 2. 连续谱特性连续谱特性强度强度； 峰值峰值和和 minmin向短波方向移动。向短波方向移动。minhc11.242nme(kV)UU 每一种靶原子核的核电荷数等于它的原子序数，原子序数大的原每一种靶原子核的核电荷数等于它的原子序数，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，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，因此，X X射线的强度也就愈大。射线的强度也就愈大。（2）管电流越大强度越大（1）短波极限 minmin（3）管电流、管电压一定时，靶原子序数愈高连

10、续谱强度愈大。管电压管电压1. 产生机制 二、标识X射线谱 标识X射线是由较高各能级的电子跃迁到内壳层的空位产生的。线系的最短波长边界：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的波长。壳层间能量差较大，因而发出的光子频率较高，波长较短。 电子由不同能级达到同一壳层的空位时发生的谱线 线系。 X射线管需要加几十千伏的电压才能激发出某些标识X射线系。当X射线管的管电压较低时只出现连续X射线谱。2. 2. 标识谱特性标识谱特性（1）连续谱上叠加有规律的尖峰（3）原子序数愈高的元素，标识X射线系的波长也愈短。（2）标识谱决定于阳极靶材料，可作为靶元素的标识。l 医用医用X X

11、射线管发出的主要是连续射线管发出的主要是连续X X射线，标识射线，标识X X射线在全部射线在全部X X射线中所占的射线中所占的分量很少。分量很少。l 标识标识X X射线的研究结果，对于认识原子的壳层结构和化学元素分析都是非射线的研究结果，对于认识原子的壳层结构和化学元素分析都是非常有用常有用。不同物质不同物质, ,尖峰位置和分布不同；尖峰位置和分布不同；尖峰不随管电压变化。尖峰不随管电压变化。第三节 X射线的基本性质一、一、X X射线的基本性质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。X射线除具有电磁波的一系列性质外，还有如下特性特性。1.1.电离作用电离作用生物效应的基础、测量

12、射线强度的原理；2.2.荧光作用荧光作用 X射线透视；3.3.光化学作用光化学作用感光，X射线照相；4.4.生物效应生物效应放射治疗的基础、需要防护的原因； 5.5.贯穿本领贯穿本领成像、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。同步辐射同步辐射X X射线有如下特性：射线有如下特性：X射线的波长：约为约为0.001 nm 10nm0.001 nm 10nm2 sindk （1）布喇格定律单色X射线束入射时

13、，一般不能满足干涉加强条件；连续X射线束入射时，总有一个波长可以产生加强反射。晶体中相邻微粒间距：约约0.1nm0.1nm1.X1.X射线晶体衍射的基本原理射线晶体衍射的基本原理 d dd ds i n s i n 1 12 2晶面晶面A AC CB B 每个原子都是发射子波的衍射中心,向各个方向发射子波,子波相干叠加,形成衍射图样。散射光干涉加强条件散射光干涉加强条件二、二、X X射线的衍射射线的衍射X射线衍射是研究晶体结构研究晶体结构的主要方法之一。 用结构已知的晶体作为光栅，利用布喇格公式可以计算出入射入射X X射线射线的波长的波长。反之，反之，利用已知波长的X射线照射晶体，则可测出晶体

14、点阵上微粒的位置和间隔。生物医学上研究有机体如细胞和蛋白质等的精细结构。DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构就是用X射线衍射发现的。（2）X射线结构分析 利用X射线晶体衍射的基本原理，布喇格父子设计了既能观察观察X X射线衍射线衍射射，又可摄取摄取X X射线谱射线谱的实验装置。当晶体往复转动时，反射X射线束就在胶片上从一端到另一端反复感光，取下胶片冲洗后就可获得X射线谱。用该摄谱仪还可获得单色X射线。（3）X射线摄谱仪改变 角，就可以使不同波长的X射线在不同的方向上得到加强并射向胶片。第四节第四节 物质对物质对X X射线的衰减规律射线的衰减规律物质对物质对X X射线的吸收射线的吸收X光子与物质

15、中的原子的相互作用：光子l 被吸收并转化为被吸收并转化为其他其他形式的形式的能量能量l 被物质散射而改变方向被物质散射而改变方向散射，电离，能级跃迁，光电效应X射线原来方向上的强度衰减一、单色一、单色X X射线的衰减规律射线的衰减规律1.X1.X射线强度的指数衰减规律射线强度的指数衰减规律0 xII e I 0：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（1） 愈大，射线强度在物质中衰减愈快。（2） 与物质的密度成正比。（- 原子数目）2.2.关于关于衰减系数衰减系数的一些讨论的一些讨论（3）指数衰减规律只适用于单色射线束。I I0 0 x xI Imm0e

16、xII 质量厚度 x xm m= =x x：单位面积、厚度为x 的吸收层的质量。（4）引入质量衰减系数质量衰减系数 m ml 物质由液、固态转变为气态时，密度变化很大，但m m 值值不变不变。 m X射线在物质中强度被衰减一半时的厚度(或质量厚度)1 2ln20.693xm1 2mmln20.693x （5）半价层l m m 值值可以用来在可以用来在物质物质之间比较之间比较对对X X射线的吸收本领射线的吸收本领。（2）医用X射线主要是连续谱，所以射线的总强度并不是严格地按照指数规律衰减的。（3）宏观总效果，即物质对X射线的衰减规律。3. 3. 连续谱连续谱的衰减规律的衰减规律（1）在实际问题中

17、，近似地运用指数衰减规律。此时指数衰减规律中的线性衰减系数 ，应当用各种波长的衰减系数的一个适当平均值来代替。二、衰减系数与波长、原子序数的关系二、衰减系数与波长、原子序数的关系3mkz Z：吸收物质的原子序数；：是射线的波长； 各元素的m m按照所含质量比例计算的平均值。1.1.单单元素的质量衰减系数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，指数指数 可取3.5。指数指数 3 - 43 - 4，与吸收物质和射线波长有关。，与吸收物质和射线波长有关。2.2.多种多种元素元素混合物质混合物质的质量衰减系数的质量衰减系数（1）原子序数愈大的物质，吸收本领愈大。（2）

18、波长愈长的X射线，愈容易被吸收。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。让X射线通过铜板或铝板，使软线成份被强烈吸收，这样得到的X射线不仅硬度较高，而且射线谱的范围也较窄，这种装置称为滤线板滤线板。3. 3. 影响影响质量衰减系数质量衰减系数的因素的因素4. X4. X射线的硬化射线的硬化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。第五节第五节 X X射线的医学应用射线的医学应用一、治一、治 疗疗X射线通过人体组织能产生电离作用、康普顿散射及生成正负电子对等过程，诱发一系列生物效应。组织细胞分裂旺盛是癌细胞的特征，因此用X射线照射可以抑制

19、它的生长或使它坏死。各种细胞对X射线的敏感性是不一样的，因此放射治疗方案的设计就显得尤为重要，不仅要根据肿瘤位置及细胞种类计算出给予病人肿瘤的照射量，还要及时测定和调节治疗设备输出的射线量。1. X1. X射线射线治疗癌症的机制治疗癌症的机制（3）X X射线刀射线刀 是电子直线加速器与旋转、平移控制系统及靶点定位系统相结合的装置。2. 2. 用于治疗的用于治疗的X X射线设备射线设备（1）普通治疗机普通治疗机 与常规摄影X射线机的结构基本相同，只是X射线管采用了大焦点。由于产生的X光子能量较低，所以常用来治疗皮肤肿瘤。（2）电子直线加速器电子直线加速器 利用微波电场加速电子，电子获得较高能量后

20、打在靶上，从而得到高能X射线。电子直线加速器可用于全身各个组织、器官的肿瘤治疗。高能高能X X射线围绕肿瘤靶点作射线围绕肿瘤靶点作270270 360360 的旋转的旋转，在在靶区形成多个非靶区形成多个非共面的聚焦照射弧共面的聚焦照射弧，使使X X射线从各个不同方向聚集于靶点射线从各个不同方向聚集于靶点，以获得最大的以获得最大的辐射量。辐射量。“X X射线刀射线刀”可用于全身各器官、组织肿瘤的放射治疗可用于全身各器官、组织肿瘤的放射治疗。二、诊二、诊 断断1. 1. 常规透视和摄影常规透视和摄影 X射线常规透视、摄影、X-CT以及数字减影血管造影技术是医学影像诊断中应用最普遍的检查手段。（1）

21、原理 由于由于体内不同组织或脏器对体内不同组织或脏器对X X射线的吸收本领不同射线的吸收本领不同，因此强度均匀强度均匀的X射线透过人体不同部位后的强度呈不均匀分布，将透过人体后的X射线投射到荧光屏上，就可以显示出明暗不同的荧光像。 人体某些脏器或病灶对X射线的吸收本领吸收本领与周围组织相差很少相差很少，在荧光屏或照片上不能显示出来。一种解决的办法一种解决的办法就是给这些脏器或组织注入衰减系数较大或较小的物质来增加它和周围组织的对比。 在作关节检查时，可以在关节腔内注入密度很小的空气，然后用X射线透视或摄影，从而显示出关节周围的结构。（3）数字化X射线成像技术被普遍使用，实现了对图像的储存、处理

22、、显示和传输。（2）造影剂 检查消化道时，让受检者吞服吸收系数很高的“钡盐钡盐”(即硫酸钡)，使它陆续通过食管和胃肠，并同时进行X射线透视或摄影，就可以把这些脏器显示出来。2. 2. 数字减影血管造影数字减影血管造影（DSADSA）DSADSA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动脉造影检查。X X射线影像射线影像光学图像光学图像影像增强器影像增强器视频信号视频信号摄像管摄像管图像的数字信号图像的数字信号模数模数(A/D)(A/D)转换转换图像存储器图像存储器本底图像本底图像数字信号数字信号未注入造影剂

23、未注入造影剂注入造影剂注入造影剂造影像造影像数字信号数字信号图像处理器图像处理器相减相减充盈造影剂的血管图像充盈造影剂的血管图像数字信号数字信号放大处理放大处理，提高对，提高对比度比度数模（数模（D/AD/A）转换）转换视频信号视频信号监视器监视器中中实时血管图像实时血管图像没加造影剂的图像没加造影剂的图像蒙片蒙片数字减影像数字减影像3. 3. 同步辐射双色数字减影术同步辐射双色数字减影术 造影剂碘对X光的吸收有一个K吸收边吸收边（33.16keV33.16keV），在此能量处碘对X光子发生共振吸收，即衰减系数急剧增加，而骨骼和肌肉没有这种现象。在很短时间内用两种能量（波长）的同步辐射X射线进

24、行两次造影两次造影：一次的光子能量略低于K吸收边，此时碘的衰减系数较小；另一次的光子能量略高于K吸收边，则衰减系数比前面大很多。两次探测到的图像信号经模数转换后输入计算机，数字相减数字相减后，可将肌肉和骨骼的影响几乎全部除去，剩下的基本是碘吸收的贡献，从而获得清晰的血管影像。不同能量的X光可看成有着不同的“颜色”，因此得名“同步辐射双色数字减影” 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、三、X-CTX-CT X射线计算机辅助断层扫描成像装置。G. N. Houn

25、sfieldG. N. HounsfieldA. M. CormackA. M. Cormack1963年美国物理学家科马克(A. M. A. M. Cormack,1924-1998 Cormack,1924-1998 )发现人体不同的组织对线的透过率有所不同,提出了用投影数据重建图像的数学方法。1972年英国工程师亨斯菲尔德(G. N. G. N. Hounsfield, 1919Hounsfield, 1919)研制成第一台头部X-CT,在临床上使用并获得清晰的诊断影像。 1. X-CT 1. X-CT的基本原理的基本原理01lnIxI 介质等分成若干个很小的体积元（体素）1e10 lI

26、I 221 lII e e12()0lI 通过第n个体素的强度：123n()0elnI I01231lnnIlI（1）不均匀介质的吸收规律（2）成像参数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。求各体素的值，是获得X-CT图像的关键。,( , )( , )drp rx ys （3） 在待测介质中的空间分布X射线源和探测器绕坐标原点(一般取层面的几何中心)，以很小的角度步进转动。每改变一个角度就记录一组该方向的投影值分布，直到记录足够多的投影值分布图（或数据），使各体素值所组成的方程式的个数，符合重建图像的需要为止。l 快速多方向测量投影值 l

27、 快速求解( (x x，y y) )重建图像的关键问题重建图像的关键问题( , )p r 2. 2. 图像重建的基本方法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p p 1 1= =1111+ +1212=8=8p p 2 2= =2121+ +2222=9=9p p 3 3= =1111+ +2121=10 =10 p p 4 4= =1212+ +2222=7=7仅有仅有3 3个方程是独立个方程是独立？需再取一个左对角线方向的投影值需再取一个左对角线方向的投影值p p 5 5 = =1111

28、+ +22 22 =5=5得到得到： 1111 =3 =3、1212=5=5、2121=7 =7 和和 2222=2=2。X-CT机常采用的有256256、512512等矩阵。水平方向水平方向垂直方向垂直方向(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。X-CTX-CT 成像原理 X X射射线管线管 探测器直线扫描直线扫描1 1直线扫描直线扫描2 2直线扫描直线扫描3 3直线扫描直线扫描240240次次旋转旋转1 1直线扫描直线扫描旋转旋转180180共得数据共得数据240240180=43200180=43200个

29、个从从4320043200个方程个方程2560025600个个 3. X-CT3. X-CT扫描机扫描机主要由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 2） 窄角扇束扫描窄角扇束扫描( (称第二代称第二代CTCT机机) )（3 3） 广角扇束扫描广角扇束扫描( (称第三代称第三代CTCT机机) )（4 4）固定）固定- -旋转广角扇束旋转广角扇束扫描扫描( (称为第四代称为第四代CTCT机机) )（5 5）动态空间扫描（称第五代）动态空间扫描（称第五代CTCT机）机）（6 6）电子束扫描（称第六代）电子束扫描（称第六代CTCT机）机）（7 7）锥形束多排螺旋扫描）

30、锥形束多排螺旋扫描 CT 扫描技术的发展历史19851985198919891991199119931993大量数据取样高质量的快速扫描（1 1）像素的）像素的CTCT值值（2 2）窗口技术）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像素，其灰度取决于相对应体素的衰减系数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，而是用像素的像素的CTCT值值。 CTK 待待水水水水值值（） 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值差别小的组织能得到分辨。窗口窗口：窗宽的上限和下限所包含的范围窗宽的上限和下限所包含的范围。 窗位窗位 是指是指观察某一组织结构细节时，以该组织的观察某一组织结构细节时，以该组织的CTCT值为中心进行值为中心进行观察观察。如脑组织的。如脑组织