X射线成像的物理基础

X射线成像的物理基础

(第一讲)第九章返回X--ray

第一节X射线的产生及其基本性质物理学史1901年,首届诺贝尔物理学奖授予德国物理学伦琴,以表彰他在1895年11月8日偶然发现的X射线.历史上第一张人体的X照片:伦琴妻子的手.摄于1895年12月22日1896年1月发现X射线后仅几周，芝加哥电气技师EmilGrubbe（1875-1960）即利用X射线对一名55岁患乳腺癌的妇女进行了放射治疗一.X射线的产生阳极阴极低压电源毫安表千伏表高压电源(1)装置:X射线管,低压电源,高压电源,电流表,电压表,冷却装置图1.X射线仪装置图(2)X射线产生必要条件有：a.有高速运动的电子流(阴极,钨)b.有适当的障碍物(阳极,钨,钼,99%转变为热量!)就象子弹打在坦克上会发出声音和火花一样.图2.X射线治疗肿瘤机例题一:(411页,16--4)(3)两个主要参量：管电压(千伏)管电流(毫安)(4)关于X射线：a.是电磁波,遵从波的规律:折射,反射,干涉,衍射,….b.波长短,小于10nm频率高,大于c.人眼看不到e.能量强,可达几百KeVd.是光子,二.X射线的基本性质1.贯穿作用2.电离作用3.荧光作用4.感光作用5.生物效应三.X射线的强度和硬度(1)X射线的强度-----光子数量,管电流

单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量为X射线的强度.用I表示.式中

表示X射线光子的频率Ni为频率为的X射线的光子数X射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领.(2)X射线的硬度----光子能量,管电压举例:不同硬度X射线的医学用途(397页,表16--1)思考题1:(411页16—1)X射线强度为什么可以用管电流来表示?答:因为控制管电流就可以控制阴极发射电子的数量,发射电子数量的多少决定产生的X射线光子数量的多少,而光子数量的多少是X射线强度大小的标志.什么是X射线硬度?如何提高X射线硬度?在进行X射线照射时,是否硬度越硬越好?答:(1)X射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领;(2)可以通过加大X射线仪中的管电压来提高X射线的硬度;(3)不是.要根据具体需要调整X射线的硬度,否则会造成伤害.思考题2:(411页16—2)第二节X射线衍射

X射线谱一.X射线衍射

相邻两层的波程差是,

dθ12CBMA图3.X射线衍射原理式中m是正整数,m=1,2,3,…时,反射束分别为第一,二,三,级反射线束.由此我们得到X射线衍射波加强的条件为这个公式称为布拉格-乌利夫公式*θλ1λ2∑λX射线摄谱仪原理晶体已知d,可求波长,分析X射线;已知波长,求晶面间距,分析晶体结构练习题:16--71915年诺贝尔物理学奖

——X射线晶体结构分析1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利.布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯.布拉格,以表彰他们在1913年用X射线对晶体结构的分析所作的贡献.

劳伦斯·布拉格亨利.布拉格主要贡献:利用X-射线绕射方法研究晶体构造制成第一台X-射线光谱仪提出Bragg方程:nl=2dsinθ开创英国固态物理测定晶体构造L.布拉格(1890-1971)H.布拉格(1862-1942)

英国物理学家

金刚石结构模型布拉格父子于1913年借助X射线成功地测出金刚石的晶体结构,并提出了“布拉格公式”,为最终建立现代晶体学打下了基础,于1915年获奖.当时,小布拉格年仅25岁,是至今为止最年轻的诺贝尔奖获得者.1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄(Laue,1879-1960),以表彰他在1912年发现了晶体的X射线衍射.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M.PerutzC.Kendrew1962年诺贝尔化学奖罗莎琳德·富兰克林(RosalindFranklin)1920年生于伦敦,15岁就立志要当科学家,但父亲并不支持她这样做.她早年毕业于剑桥大学,专业是物理化学.1945年,当获得博士学位之后,她前往法国学习X射线衍射技术.当X射线穿过晶体之后,会形成衍射图样——一种特定的明暗交替的图形.不同的晶体产生不同的衍射图样,仔细分析这种图形人们就能知道组成晶体的原子是如何排列的.富兰克林精于此道,她成功的拍摄了DNA分子是单链结构的螺旋体X射线衍射照片.这张照片正是发现DNA结构的关键J.Watson

F.Crick

1953年沃森（J.Watson，1928）和克里克（F.Crick，1916）在碱基互补配对原则的基础上，构建了DNA分子双螺旋结构模型X射线成像的物理基础

(第二讲)第十六章返回X--ray二.X射线谱θλ1λ2∑λ晶体图4.X射线摄谱仪图5.钨靶的X射线谱X射线谱的特点:(2)X射线谱由强度连续分布的弱背底和强度断续分布的强谱线组成;(3)X射线谱中的断续谱线位置与阳极靶的材料有关，所以也称断续谱线为标识X射线.(1)X射线谱表示以X射线波长为横轴物理量,X射线相对强度为纵轴物理量的变化曲线;1.连续X射线阴极电子的动能=阳极电子的动能+阳极靶中的热能+X射线的光子能量与强度为零相对应的波长是连续光谱中最短波长,或称为短波极限.相对强度50kV40kV30kV20kV图6.钨靶的连续X射线谱***例题二:(411页,16--6)如果加在X射线管两端的管电压减少23kV,最短波长就增加一倍.求连续X射线谱的最短波长.练习题:大作业116—516--6MαLβLαKβKγKαKMLN2.标识X射线若阴极电子动能足够大,则可以将阳极靶原子内层电子激发到激发态,电子从激发态回落到另一定态时,将会辐射光子,即X射线标识谱.标识X射线谱的波长与阳极靶材料有关图7.钨靶的标识X射线谱思考题3:(411页16—3)为什么连续X射线谱与靶物质无关,而标识X射线谱却与靶物质有关?答:这与连续X射线谱和标识X射线谱产生原因有关.连续X射线谱是阴极电子受到靶原子核强电场的作用而减速产生的光谱,而标识X射线谱是阴极电子将阳极靶原子内层电子激发到激发态,电子从激发态回落到另一定态时辐射的光谱,所以标识X射线谱的波长与阳极靶材料有关.第三节X射线的吸收一.线性吸收系数及质量吸收系数式中I0是入射的X射线强度,I是通过厚度为x的物质层后的X射线强度,μ是物质的线性吸收系数.I0Ix**图8.X射线的强度在介质中减弱质量吸收系数称为质量厚度,它等于单位面积中,厚度为x的吸收层的质量.二.半价层

半价层就是使X射线强度减弱一半时所需要的吸收体厚度(或质量厚度).半价层:**三.质量吸收系数与物质和波长的关系式中k是常数λ是X射线的波长Z是吸收物质的原子序数*思考题4:为什么医生给病人做X光照相时,常用铅板为自己做防护?为什么病人作胃肠透视和照相时,要事先口服钡餐?答:因为钡和铅的原子序数比较高(Z=56,82),所以它们对X射线能量吸收较强,这样就可以提高胃肠透视的清晰度及减少医生受射线辐射的作用.例题三:(411页,16--11)对波长为0.154nm的X射线,铝的吸收系数为132/cm,铅的吸收系数为261/cm.要得到和1mm厚度的铅层相同的防护效果,铝板的厚度应为多少?练习题:大作业216--816--916--1016--11第四节X射线成像一.常规X射线投影成像

由于人体内各种不同的组织或脏器对X射线吸收本领不同,所以X射线透过身体不同部位后的强度是不同的.将这些强度不同的X射线投影到荧光屏上,就可以显示出明暗不同的荧光像,称为X射线透视术.如果让透过人体的X射线投射到照相底片上,显影后就可以观察到各处明暗不同的像,称为X射线照相术.X射线成像提示:1.X射线照相比X射线透视优点多:由于胶片感光度高,所以需要的X射线剂量低(透视的1/8),且分辨率高;2.由于脑室中各部分组织对X射线吸收的差别很小,所以不易做常规的X射线照相和透视;3.可以人为造成某器官与其周围组织的密度差异,可以扩大X射线成像的范围,此方法称为造影术.例如:向血管内注射碘(Z=53),诊断先天性心脏病.二.X射线电子计算机断层成像

X-raycomputedtomography(X--CT)1979年的诺贝尔生理学及医学奖授予美国物理学家科马克(1963年提出理论)和英国工程师亨斯菲尔德(1972年研制第一台CT机)发明X射线计算机断层扫描.1.X-CT的基本原理---投影重建图像原理当强度为I0的单色X射线通过厚度为x的均匀介质后,其强度.如果I0、I和x为已知,则吸收系数μ的值为对第一个体素有;对第二个体素有;对第n个体素有II0利用可将介质吸收系数的总和表示为当I和I0都测出之后,就可得出沿X射线贯穿方向的各体素的吸收系数的总和.我们称这个吸收系数的总和为投影值.人体内某一断层可以分成n×n个体素，每一方向的X射线扫描可以得到一个方程。若要求出n×n个体素的吸收系数，则需要扫描n×n次。2.扫描技术X-CT计算机断层成像原理（第三代）X-CT计算机断层成像原理（第三代）序号第一代第二代第三代第四代第五代名称单束扫描窄角扇束扫描广角扇束扫描反扇束扫描动态空间重现测量原理平移－旋转旋转静止测量时间5min1.5min5s2s<1s检测器数量1306001500静止28张角0度11度45度90度45度应用范围头部全身心，肺表.前五代CT机扫描的特点多层螺旋CT4层螺旋CT示意图马可尼公司(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0.5mm64层采集的螺旋CT设备：SIEMENSSOMATONSensation64层CT扫描一周能够获得64层图像，每层厚在1mm以下，一周所用时间只有0.37s，各个方向上的空间分辨率是一致的，为0.4mmSOMATONSensation642004年1月20日面世2004年4月12日获得FDA认证

CT扫描技术的发展历史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3.图像重建方法－直接反投影法4.CT值和窗口技术经过扫描和图象重建所得到的X-CT图像是一定数量由黑到白不同长度的小方块按矩阵排列方式组成的,这些小放块叫做像素.每个像素的亮度正比于该体素的吸收系数的大小。由于人体通常不采用μ的绝对值,而是取它的相对值,并称为CT值或洪斯菲尔德值,它的定义为式中μ为待测组织的吸收系数μ水﹦1为水的吸收系数物质吸收系数CT值水1.00H灰色空气0.0013－1000H黑色密质骨2.0＋1000H白色表.三种物质的CT值脑脊髓液1.01616水肿1.01818淋巴液1.02222神经胶质真性瘤1.02626骨髓真质瘤1.04444脑膜瘤1.04646星状细胞瘤1.05454血块1.07474红血球1.09393CT值（2000）灰度（2000）即从全黑（对应CT值为－1000）到全白（对应CT值1000）有2000个不同的黑白或明暗等级.由于这2000个CT值可转变为图像画面上的2000个灰度——CT像是一个灰度不同、且灰度变化不连续的图像.人体内有2000个CT值；一般人的眼睛只能分辨16个灰阶；CT值相差125H人眼才能分辨；窗口技术:在整个灰度值中，仅仅选出感兴趣的有限部分的灰度值，把它扩展到整个显示器的屏幕上进行观察。这样，就可以把感兴趣部分的灰度增强，把不感兴趣部分的灰度压缩，致使感兴趣部分的图像的细节变得更加丰富清晰。窗位—任意选定一个CT值为窗口的中心。窗宽－窗口上限CT值与窗口下限CT值之差。X-CT图像的形成过程：1.对患者的某一部位进行扫描，经过计算机计算获得n×n个体素的吸收系数(例如采取直接反投影法);2.利用公式计算