医用物理学第十章 X射线

第十章

X射线TheNobelPrizeinPhysics1901"inrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbythediscoveryoftheremarkablerayssubsequentlynamedafterhim"

WilhelmConradRötgen

GermanyMunichUniversity

Munich,Germanyb.1845

d.1923

X线又称为伦琴射线频率：3x1016Hz~3x1020Hz

波长：0.01~100A本章要求：掌握：X线发生装置、强度和硬度熟悉：X线性质、最短波长与管电压关系、

X线与物质相互作用、X线吸收了解：X线应用一、X线的一般性质X射线的性质及其谱线看不见的射线使某些化合物产生荧光能使分子与原子电离有贯穿物体的本领X线临床应用的历史三十年代出现X线断层摄影X-rayTomography

1895年11月8日伦琴(WithelmKonradRontgen)发现了X光，开始应用X线探测人体结构X-rayFluoroscopy1980年出现X线数码断层摄影，DSA，DR，CR，

1972年CT产生X射线的三个基本条件电子源(灯丝)

提供足够数量的电子高速电子流(管电流)高压产生的强电场高度真空的空间靶(重金属)

将高能电子转换成X射线的重金属X射线管结构主要部件:X射线管。X射线管由下列部分组成。阴极阳极阴极。由金属丝组成，用低压电源加热，引起热发射，提供足够数量的电子真空室。真空(玻璃外壳)：形成一个压强(P<10-4Pa)的真空环境，保护灯丝不被氧化，减少电子能量损失加速电压(管电压)。阳极和阴极间的电压，该电压把电子加速阳极。通常为镶嵌在铜制圆柱柱端斜面上的小钨块(靶)，供高能电子轰击，将电子能量转变为X-射线光子聚焦极灯丝窗口滤过重金属玻璃壁转子X线管的结构电磁定子称为轫致辐射(BrakingRadiation)，产生X线，这部分能量仅占1%左右，其余变为热。二、X线的发生装置当X高速电子撞击阳靶时，电子急剧减速，将一部分动能转化成光能向外辐射，管电流：经加速的电子束流(阴极向阳极)，几至几百毫安重要管电压：阴阳极之间的加速电压X射线的产生X射线谱的形状特征连续谱线状谱(特征谱或标识谱)高速带电粒子撞击物质突然受阻而变速产生X射线(轫致辐射)与X射线管有关由于各个电子在阳靶上受到阻碍的情况不同，所以产生的X线波长各有不同。导致形成一个谱线。三、X射线的强度与硬度强度：单位时间内通过与射线垂直的单位面积上的辐射能量。增加管电流，可增加X线的量，即式中的N值。增加管电压，可增加每个光子的能量，即式中的h值，所以强度增加。通常在管电压不变情况下，通过增加管电流来调节X线的强度，所以用电流毫安数来表示X线的强度。硬度：X线的质，与每个光子能量大小有关，与光子数目无关。对于一定物质，光子能量愈大，愈不容易被吸收，即贯穿本领愈大，X线就愈硬。习惯上常用管电压（称千伏率）来间接表示X射线的硬度五、X射线谱

X线与物质相互作用电子动能转移至阳靶高速电子速射入阳靶，速度骤减一个电子可能与许多电子相互作用，形成碰撞损失和辐射损失+辐射损失：高速电子与阳靶原子的内层电子或原子核作用，形成轫致辐射，是产生X射线主要来源，但仅为电子动能的1~5%左右。碰撞损失：高速电子与阳靶原子的外层电子作用，产生热量(占95~99%电子动能)能量损失X线能量与电子能量损失关系电子路径弯曲越大=电子能量损失越大电子能量损失=X光子能量

Ex=keVeB-keVeA++90keV90keV70keV45keV20keV45keV最大X线能量Emax全部电子能量转换给X光子keVeB=Ex管电压一定，连续X射线的强度随波长而变，有一强度最大值，并有一最短波长，光子具有最大的频率。kv°最短波长较低管电压下钨的连续X射线谱最短波长：电子将全部动能转换为Ｘ光子能量若U=100kV，则min=0.124Å

U=50kV，则min=0.248Å任何X线管都能产生连续谱。电压↑，辐射强度↑，最短波长↓min

靶材料无关最短波长仅与管电压有关+标识X射线产生(与原子核的内层电子作用)

1.高速入射电子(电子动能大于内层电子的结合能)431熟悉2.K层电子被入射电子撞出(变成自由电子)，形成空穴，入射电子将偏离原来入射方向行进(能量变小)3.外层电子填充被撞击出的空穴，从外层向内层跃迁，释放出能量,以X线形式辐射出来4.X线的能量等于填充此空穴的电子的两个轨道电子结合能之差2标识X射线当管电压达到一定时，在连续上出现多个峰；钨的X线谱，连续谱与标识谱钼的X线谱，连续谱与标识谱管电压越大，标识谱的峰就越高，但峰的位置不变；标识谱的波长与组成阳靶材料的原子序数的平方成反比；劳厄斑X射线管

X射线是一种波长很短的电磁波，波长在0.01—10nm。1912年劳厄以晶体中的晶格点阵作为光栅(三维空间光栅)，获的了X射线的衍射图样。晶体的结构可以从衍射图样中反推出来.DNA分子的双螺旋结构1.光电效应2.康普顿（A.H.Compton)---吴有训散射效应X射线与物质的相互作用及吸收规律光子能量较低,物质原子序数较高光子能量中等3.对电子效应光子的能量大于两个电子的静止质量所对应的能量。射线与物质的相互作用

X射线与物质相互作用时，X射线的一部分或全部能量转移线路物质，若生物组织吸收了这些能量，就会将能量沉积在细胞内，造成再生殖能力破坏。若大部分能量转换成热量，产生非生物效应。射线与物质相互作用的主要过程如图所示

X线通过物质后，由于与原子的相互作用，使X线的能量逐渐减弱而被吸收。

为物质的吸收系数(与波长和物质的原子序数有关)，单位为cm-1。二、X射线的吸收对于一定波长的X线，若穿过每种元素时所碰到的原子个数一样，则元素的吸收系数与其原子序数的四次方成正比。X线成像的原理也与此有关。表示Ｘ射线光子束穿过靶物质时在单位厚度上入射光子数减少的百分数与光子能量和靶材料有关总线性衰减系数为各相互作用的线性衰减系数之和半价层HVL：X射线强度衰减到一半时所需物质的厚度质量吸收系数质量衰减系数质量厚度，单位为线性衰减系数与吸收物质的密度成正比，而密度是可变的，引入质量衰减系数单位为Ｘ射线光子与每单位质量厚度物质发生相互作用的概率x射线的衰减规律核结构核束缚紧密电子束缚松(自由)电子光电效应与束缚紧密的电子相互作用光子被全部吸收光子能量在电子结合能B.E.和出射电子能量K.E之间.形成特征Ｘ线对于生物组织，特征Ｘ线的能量较低光子能量大于Ｋ层电子结合能，光电效应发生率大大上升碘的Ｋ层效应重要(33keV).出射的电子会引起生物损伤光电效应束缚紧密电子核x射线(E)出射电子(KE=E-EBE)标识Ｘ线(低能量)光电效应低能X射线(20~40KV管电压产生)，与物质的相互作用主要以光电效应为主。光电效应的发生概率与吸收物质的有效原子序数的4次方成正比。对软组织成像特别有利。光电效应能产生较好的影像：不利方面：入射线的X射线可以全部被人体吸收，增加了剂量不产生散射线，减少了照片的灰雾增加不同组织的对比康普顿效应入射x线(E)散射x线(E’<E)q散射电子(E-E’)结合能小的电子康普顿效应高能X射线(120KV以上的管电压产生的X射线)，与物质相互作用时以康普顿效应为主，康普顿效应发生的概率与有效原子序数无关。用此种方法进行的X射线摄影称为高千伏X射线摄影。由于康普顿效应发生的概率与有效原子序数无关，导致骨骼与软组织和气体的影像密度相关不大。康普顿效应电子对效应二者静止质量所对应于的能量各为：光子有可能在原子核的电场中发生湮灭作用对象：X-射线与物质原子在原子核区相互作用过程：

X-射线光子的能量>1.02Mev产生电子对（一个电子和一个正电子）能量方程：==1.022+正电子通过物质与原子中的电子相互作用吸引电子使原子电离正电子失去小部分能量正电子的动能耗完与一自由电子结合，湮灭二种粒子的质量均转变为能量产生二能量均为0.511Mev的光子（射线），方向相反。对于一定的物质，不同波长的X线吸收情况也不同，其吸收系数与波长的三次方成正比。X的防护：X线波长愈短，客观存在的贯穿本领愈大，组织吸收愈小(硬X线)。X线波长愈长，愈易被浅表组织吸收，引起组织损伤(电离)。对X线防护的主要对象为长波长X线，采用不同厚度的铝或铜过滤板。X射线的滤过X射线在人体内的衰减X射线除一部分为直接透射外，其余主要通过光电效应与康普顿效应被吸收和散射。20KeV以下低能Ｘ线主要以光电效应为主能量增加光电效应发生的概率下降，康普顿散射增加原子序数增加，光电效应概率增加20KeV低能Ｘ线，骨的线性衰减系数是水的６倍(光电效应)100KeV，骨的线性衰减系数是水的0.６倍(康普顿散射增加)一、放射治疗X线的医学应用利用X线的在穿过人体后，不同组织对X线具有的不同吸收本领的特性。利用X线被组织吸收，使之电离造成组织的损伤。二、诊断透射与拍摄片人工造影软X线摄影断层X线摄影数字减影血管造影(DSA)X线成像Nowonecouldseeclearlyimagesofhumanbeingwithnon-invasiveandharmfulnessmethods.Medicalimagingprovideapowerfultoolsfordiagnosis.X-raysystemin1907Chestexamination

withahandfluoroscope.butisprobably1911.X-raysystemin1907DRDeveloppememtofX-rayCharacteristicofFluoroscopy

Superpositionofimage(structuresspaceoverlap)Lowtissuedensityresolution(>50%)Highspaceresolution

Application：

ConventionalexaminationDSA

Intervention/LocalizationChestHandFluoroscopyArterialFluoroscopyArterialFluoroscopywithsubstationArterialFluoroscopyStentFibraInterventionPlacementofballoonPacemakerIntervention股骨人工关节radius-cubitusIntervention男8岁，右脚疼痛和跛行七天，X光示硬化，舟状跗骨tarsalnavicular硬化、不规则形和轻度塌陷，为骨缺血性坏死。

Ischemicnecrosisofbone缺血性骨坏死为骨组织失去血运，使骨细胞坏死，形成死骨，出现高密度影。ConventionalTomography(Planigraphy)ConventionalTomography(Planigraphy)通过X线探头与探测器的相对运动，获得一断层像，而其他层面则为噪声。常用于显示较深部位，了解病变内部情况。颈动脉与脑动脉血流图主动脉、肾与肾动血流图。示肾动脉变窄AngiographyRadiotherapy

IMRT

(IntensityModulatedRadiationTherapy放射治疗计划应用：最佳治疗区域区域形态放射射线强度分布Localization/TherapyPlanningX-CT

X线计算机断层摄影术ComputedTomographyTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1979"forthedevelopmentofcomputerassistedtomography"

GodfreyN.HounsfieldCentralResearchLaboratories,EMI

London,UnitedKingdomb.

b.1919AllanM.CormackTuftsUniversity

Medford,MA,USAb.1924

(inJohannesburg,SouthAfrica)d.1998X线临床应用的历史

1895年伦琴(WithelmKonradRontgen)发现X光

1930年后出现X线断层摄影Tomography1974年出现CT(断层扫描)1983年电子束EBCT1989年出现螺旋SpiralCT(Volumecanning)1998亚秒级CT及多层MSCTCT成像------基本思想X线管发出细束X线X线只进入成像层面X线平移与转动采集数据计算机重建图像获得组织衰减系数早期CT机需要通过旋转、平移，获取分析所需的必要投影数据，用于重建图像。CT扫描-----获取图像数据CT扫描机构螺旋CT对腹部扫描示意图扫描区域为胃，仰卧，手置于头顶。螺旋CT

HelicalCT------容积扫描

SpiralCT

Inthelate1980’s，newslip-ringtechnologyhasenabledCTcontinuousrotationwhichresultedintheintroductionofhelicalscan。Volumecanningbecamepossiblethroughthismeans.呼吸对图像的影响TheNextSlicemaynotbethenextslice结肠成像肺部低强度成像冠状动脉成像冠状动脉钙化评估应用领域CT征象：右颞骨内侧有双凸形高密区，中线右移。诊断：硬膜外(硬膜与颅骨间)血肿(多数为脑膜动脉破裂)。若为硬膜下血肿，则血肿范围较广，常越过颅骨缝，占位性强。头部外伤约1小时，当时意识丧失，约10分钟后清醒。头颅损伤CT征象：平扫示左额、颞部颅骨内板下有新月形高密度影，邻近组织受压，并向中线移位。特点：硬膜下血肿发生于硬脑膜与蛛网膜之间。颅骨内板下