喀蔚波医用物理学课件10章X射线

1、第十章 X射线X射线的产生及其性质X射线的衍射X射线在医学上的应用伦琴(W. K . Rontgen, 1845-1923)德国物理学家.1900年因发现X射线获诺贝尔物理学奖.产生X射线的条件有高速运动的电子流；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X射线的能量.10-1 X射线的产生及其性质一.X射线的发生装置X射线的发生装置的核心元件是X射线管.-CBX射线X射线管+AX射线管的工作原理阴极的作用释放电子,阴极阳极之间有强电场(几十几百kV/m),电子在强电场作用下,向阳极加速运动碰撞在靶上有X射线辐射.X 射线管二. 医用电子加速器 电子感应加速器电子感应加速器是利用

2、感生电场来加速电子的装置.在电磁铁的两极之间安置一个环形真空室,当用交变电流鼓励电磁铁时,在环形室内就会感生出很强的、同心环状的感生电场.用电子枪将电子注入环形室,电子在有旋电场的作用下被加速,并在洛仑兹力的作用下,在固定的圆轨道上盘旋.将高能电子从真空室中引出撞靶而产生高能X射线. 电子盘旋加速器电子盘旋加速器的主要结构是作为电极的两个金属半圆形真空盒,置于电磁铁产生的均匀磁场中.两D形电极之间加高频交变电压时,两电极缝隙之间产生高频交变电场.电子被这一电场加速后进入D1,在D1内受磁场力作用而作匀速圆周运动,当电子从D1出来再次进入两电极缝隙之间时,其间电场恰好改变方向,电子被电场加速后进

3、入D2.电子在交变电场和均匀磁场的作用下,屡次累积式地被加速而沿着螺旋形平面轨道运动,直到能量足够高时被引出加速器击靶产生X射线或直接被利用作高能电子束治疗.SBNO 电子直线加速器电子直线加速器是采用微波电场加速电子的装置,其加速电子的径迹是直线.主要由电子注入系统、加速系统以及引出系统组成.加速系统为一微波谐振腔,包括产生微波的设备(如磁控管、速调管)和传输微波并加速电子的加速管.电子在加速管中微波电磁场作用下,不断被加速,然后经偏转磁铁偏转而打靶产生高能X射线. 第三代直线加速器CLINAC 2100C (Varian, USA). 可以产生 6 和 18 MeV 的高能X射线及 6,9

4、,12,16 和 20 MeV的高能电子束直线加速器 (nm)0.050.10.1500.020.1080.1280.147KLLL三. X射线谱连续X射线特征X射线X光机产生的X射线谱1. 连续X射线谱 产生机制轫致辐射(bremsstrahlung)高速运动的电子撞击在阳极靶上,电子在靶原子核电场作用下,速度的量值和方向都发生急剧变化,电子的一局部动能转化为X光子的能量h而辐射出去.+hmax=EE+轫致辐射hEE-h 连续谱特性 不同管电压作用下的连续谱不同； 存在短波极限min； U 峰值和min向短波方向移动. 短波极限钨靶在较低管电压下产生的连续X射线谱2. 特征X射线谱对于钨靶,

5、管电压在70kV以上产生的X射线谱 产生机制高速运动的电子与阳极靶内某个原子的内层电子作用, 靶原子的内层轨道电子吸收能量从靶原子中逸出, 在原子的内层电子中出现空位；外层电子向空位跃迁, 并在跃迁过程中放出一个光子,光子能量为电子跃迁前后的能级差. 特征谱特性 X光子能量h=Em-En与靶材料有关与管电压无关元素特征四. X射线的特性劳厄相 1912年劳厄用晶体衍射的方法证实了X射线是电磁波(103 nm10nm)准直缝X射线劳厄斑晶体 X射线的特性 穿透作用成像、防护； 荧光作用X射线透视； 感光作用X射线照相； 电离作用生物效应的根底、测量射线强度的原理； 生物效应放射治疗的根底、需要防

6、护的原因.1. X射线的强度(intensity) 物理定义X射线的量每个光子能量h电子动能E管电压 h U光子数N电子数管电流 N I电 强度在医学上的表示法固定管电压U, 用管电流的mA数表示X射线的强度.五. X射线的强度与硬度 硬度在临床上的表示法用管电压的kV数表示X射线的硬度.2. X射线的硬度(hardness) 定义指X射线的贯穿能力表示X射线的质贯穿能力强 X射线硬管电压U电子动能光子能量h 能量大的光子不容易被物质吸收.硬度每一个光子的能量h X射线按硬度的分类名 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52020100100250

7、250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X光子物质中的粒子相互作用(吸收、散射) 单色平行X射线的衰减规律朗伯定律原行进方向的射线强度被衰减.六.物质对X射线的衰减II0 x质量衰减系数引入的意义：同种物质, 但m不变更便于比较不同物质(分子构成)对X射线的衰减.线性衰减系数物理意义：物质对X射线衰减的强弱程度 衰减系数 Z吸收本领是X射线医学诊断的物理根底. 人体肌肉组织的主要成分H、C、O, 骨骼的主要成分Ca3(PO4)2, 因此骨骼的m大易成像.铅(82)很好的防护材料人工造影消化道,硫酸钡

8、(钡56)容易被衰减放射治疗高能X射线射束硬化虑线装置 对低能射线劳厄(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. BraggW. L. Bragg10-2 X射线的衍射1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象, 证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性.小布拉格认为劳厄衍射图样上的每一个斑点, 是X射线在晶体中被某些平面干

9、预性反射的结果.他们使用老布拉格创造的X射线分光计, 对晶体结构进行精心研究, 提出了“布拉格公式. 他们又用X射线对氯化钠、氯化钾等晶体结构进行测定,从而为建立X射线晶体学打下了根底.一. X射线的衍射 晶体(crystal)原子在三维空间中周期性重复排列构成的固体. 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.ddsin 12晶面ACB 散射光干预加强条件布拉格方程 应用、可测d X射线晶体结构分析.研究细胞和蛋白质等的精细结构. 、d可测 X射线光谱分析.ddsin 12晶面ACB二. X射线晶体结构分析 X射线衍射仪 X射线晶体结构分析的根本方法 根

10、据Bragg方程,通过分析衍射图上斑点的位置,确定晶胞的大小和形状；利用衍射图上斑点的亮度或黑度,确定晶胞中原子的空间排布. 常采用的步骤为 使生物大分子结晶,得到有一定衍射分辨率的晶体；测量X射线衍射强度数据,即衍射斑点图；对数据进行分析处理,包括计算结构因子振幅、测定结构因子相位、计算电子密度图、构建结构模型、精修结构模型等. M.Perutz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,并因此于1962年获得了诺贝尔化学奖.C. Kendrew威尔金斯(M. Wilkin

11、s, 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3.4 nmJ. Watson F. Crick 1953年沃森(J. D. Watson,1928)和克里克(F. H. Crick,1916)在碱基互补配对原那么的根底上,构建了DNA分子双螺旋结构模

12、型由衍射图重建的SARS-CoV 主蛋白酶飘带结构模型 SARS-CoV 主蛋白酶 的X射线晶体衍射图 (1.9 ) 一. X射线在诊断方面的应用数字化多功能X光机10-3 X射线在医学中的应用 透视和摄影世界一流的心血管造影系统,主要用于心血管疾病的诊断和治疗,尤其是心血管疾病的介入治疗. 数字减影将血管内注入造影剂前、后获得的图像相减,可以得到消除骨骼和软组织结构的血管影像观察心血管和脑血管的血液动力学变化.X 射线电子计算机断层成像 (X-ray Computed Tomography, 简称X-CT ) G. N. HounsfieldA. M. Cormack1963年美国物理学家科

13、马克(A. M. 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. Hounsfield, 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 X-CT 系统示意图探测器X线管高压发生器模/数转换器计算机数/模转换器显示器照相机人体图像重建的物理根底12n-1nll X射线管 探测器直线扫描1直线扫描2直线扫描3第一代CT机直线扫描240次旋转1直线扫描旋转180共得数据240180=43200个从43200个方程25600个X-CT 成像原理CT 扫描技术的开展历史1985滑环CT实现单周连续扫描,扫描时间1s19891991199319951998亚秒扫描应用实时扫描技术0.5秒扫描时间螺旋CT开始用于临床亚毫米级高分辨 CT多层螺旋CT大量数据取样高质量的快速扫描全身螺旋CT马可尼公司(Marconi) 生产的MX8000多层螺旋CT扫描系统主要特点：最多100s的连续多层螺旋扫描能力；每秒8层的多层扫描能力；超快速0.5s, 360螺旋扫描；薄层扫描厚度0.5mm X-CT 扫描图像二.X射线在治疗方面的应用 肿瘤治疗手段：手术治疗、放射治疗、化学药物治疗 约有50%70%的癌症患者需要接受放