X射线成像的物理基础

X射线及其医学应用

X-rayanditsmedicalapplications1X射线成像X-rayimaging2X射线及其医学应用

X-rayanditsmedicalapplications一、X射线的基本原理二、X射线的基本性质三、X射线在医学上的应用四、X射线的辐射防护3一、X射线的基本原理

ThebasicprinciplesofX-ray1、X射线概述2、X射线产生3、X射线硬度和强度4、X射线衍射5、X射线谱41、X射线概述

X-rayOverview1895年，伦琴发现当高速电子撞击某些固体时，会产生一种看不见的射线，它能透过许多对可见光不透明的物质，对感光乳胶有感光作用，并能使许多物质产生荧光，伦琴称它为X射线（X-ray）。研究表明X射线是波长大约在10-3～1nm范围内的电磁波。5伦琴及其拍摄的第一张X照片6X射线成像X-rayimaging7X射线的产生装置：X射线管低压电源高压电源2、X射线产生

X-rayproductionX射线是在高度真空的X射线管中产生的，是高速电子与阳极靶面相互作用的结果5~10V几十~几百kV8高速电子与阳极靶面相互作用存在以下四个物理过程：电离、激发、弹性散射、韧致辐射。电离：原子的外层价电子或内层电子在高速电子作用下完全脱离了原子轨道，使原子变成离子，称为电离，包括外层电离和内层电离。9二次电子（被击出的轨道电子）入射电子出射电子A外层电离二次电子入射电子出射电子B内层电离标识X射线外层电离：最外层电子轨道的能级差较小，所以外层电离的光谱一般是在紫外线、可见光和红外线的波长范围，属于光学光谱，不属于X线；内层电离：内层电子脱离轨道，使原子处于激发态，通过内层电子的能级跃迁而辐射标识X射线。光学光谱10激发：高速电子撞击原子外层电子，由于作用较弱，不足以使其电离，仅将其推入高能级的空壳层，使原子处于激发态，这种作用叫激发。发射光学光谱，不产生X射线。弹性散射：高速电子受原子核电场的作用而改变运动方向，但是能量不变，称为弹性散射。这种作用没有光谱辐射，也没有能量损失。11韧致辐射：高速电子在原子核电场作用下，速度突然变小时，它的一部分能量转变成电磁波发射出来，这种情况叫韧致辐射。韧致辐射所产生的X射线是一束波长不等的连续光谱。出射电子入射电子韧致辐射示意图连续X线12高速电子与阳极靶原子撞击的结果，产生两种类型的电磁辐射。一种是光学光谱，波长在可见光、红外线、紫外线附近（外层电离，激发）；另一种是X射线。（1）内层电离产生的标明阳极靶材料元素特性的标识X射线；（2）高速电子与核电场作用所形成的韧致辐射，这是一束连续X射线。X射线产生总结133、X射线硬度和强度

X-rayhardnessandintensityX射线的硬度是指它的贯穿本领，决定于波长。波长愈短的X射线，光子的能量愈大，贯穿本领愈强，它的硬度就愈大，常用于深部治疗。X射线的硬度由管电压控制管电压愈高，轰击阳极的电子动能就愈大，发射光子的能量也愈大，X射线愈硬。因此，在医学上通常用管电压来衡量X射线的硬度。14

X射线按硬度分类名

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5～2020～100250以上0.25～0.0620.062～0.0120.005以下软组织摄影，表皮治疗透视和摄影较深组织治疗深部组织治疗100～2500.012～0.00515X射线的强度是指单位时间通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量。通常是在一定的管电压下，用管电流的mA数来表示X射线的强度。有两种方法增加强度：增加管电流，增加管电压。X射线应用于医学中时，必须考虑剂量和选择波长，以适合诊断和治疗的要求。所以X射线的硬度和强度是两个重要的物理量。164、X射线衍射

X-raydiffraction晶体的微观结构（原子、分子或离子的排列）具有周期性，当X射线照到晶体上时，组成晶体的每一个原子都可看作一个子波源，向各个方向发出子波，在某些方向上的X射线会相加干涉，使得在一些特定的方向的光束加强。晶体可能产生衍射的方向决定于晶体微观结构的类型及其基本尺寸；而衍射强度决定于晶体中各组成原子的元素种类及其分布排列的坐标。晶体衍射方法是目前研究晶体结构最有力的方法——X射线结构分析17晶体的空间点阵可划分为一族平行且等间距的平面点阵，或者称晶面布拉格条件(Braggcondition)18X射线由连续X射线和标识X射线组成。5、X射线谱

X-rayspectraK

L

L

L

0.21.081.281.47

(Å)0.51.01.50相对强度X射线谱示意图19当X射线管在管电压较低时，它只发射连续X射线。不产生标识X射线Å)2-5钨的连续X每条连续谱线存在着最短波长，叫短波极限λmin。50kV40kV30kV20kV

(Å)0.40.61.00.80.2相对强度

钨的连续X射线谱5.1、连续X射线谱ContinuousX-rayspectra当管电压增大时，各波长强度都增大，且强度最大的波长和短波极限都向短波方向移动。20当管电压升高到一定值时，连续谱将迭加四条谱线，在曲线上出现了四个高峰。5.2、标识X射线characteristicX-ray钨的K系标识线0.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm200kV150kV100kV65kV

(nm)0.040.030.020.01.0相对强度图10-2.4钨在较高管电压下的X的射线谱21当电压变化，连续谱发生变化，但这四条谱线在图中的位置始终不变。钨的K系标识线0.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm200kV150kV100kV65kV

(nm)0.040.030.020.01.0相对强度图10-2.4钨在较高管电压下的X的射线谱22钨的K系标识线0.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm200kV150kV100kV65kV

(nm)0.040.030.020.01.0相对强度大量实验表明，这些谱线的波长决定于阳极靶的材料，不同元素制成的靶具有不同的线状X射线谱，可以作为这些元素的标识，所以这些谱线叫标识X射线。23（1）任何元素的特征X射线的波长是固定不变的。（2）标识线只有在一定的管电压下才能出现。（3）标识线的最高频率与靶元素的原子序数的平方成正比。标识X射线的特点24X射线的应用：连续X射线：医用X射线标识X射线：原子壳层结构，化学元素分析二、X射线的基本性质

ThebasicnatureoftheX-ray

1、物理效应穿透作用：指X射线通过物质时不被吸收的本领。波长越短，穿透能力越强。在波长一定条件下，X射线的穿透性取决于被通过物质本身的结构和性质。所以X射线穿透物质后的强度变化，反映了物质内部密度差异，这正是X射线透视和摄影的物理基础。25电离作用：物质受X射线照射时，使核外电子脱离原子轨道，这种作用叫电离作用。

电离作用是X射线损伤和治疗的基础。荧光作用：有些物质受X射线照射后，由于电离或激发使原子处于激发态，回到基态过程中发出荧光。热作用：物质吸收X射线最终绝大部分转变为热能，使物体温度升高。262、化学效应感光作用：当X射线照射到胶片的溴化银上时，由于电离作用，使溴化银药膜起化学变化，出现银粒沉淀，即X射线的感光作用。X射线摄影就是利用这种X线化学感光作用，使组织影象出现在胶片上。着色作用：某些物质如铅玻璃、水晶等，经X射线长期照射后，其结晶体脱水而改变颜色。273、生物效应

X射线对生物细胞具有破坏、瓦解的作用，是放射治疗的基础，也是X射线工作者应注意防护的原因。它是由电离作用引起。不同组织的破坏瓦解能力不同。敏感者：生长力强和分裂快的组织细胞

—破坏大，恢复慢28三、X射线的衰减

X-rayattenuation单色平行X射线束通过物质时的衰减服从指数吸收规律，即：入射X线的强度透射X线的强度线性衰减系数物质厚度29使射线强度减弱为一半所需的物质厚度，称为半价厚度，又称为半价层,用x1/2表示：半价层与线性衰减系数成反比。线性衰减系数随光子的能量和物质的种类而异。如：对于50keV的X光子，铝的半价厚度为7mm,铅的半价厚度为0.1mm。可见铅对X射线的衰减本领很强，这就是通常用铅做防护材料的原因。30X射线被衰减时，经过几个半价层，强度减少到原来的1%？

解：X射线被衰减后强度若强度减少到原来的1%，则而半价层与衰减系数的关系为311、治疗方面的应用

X射线主要用于癌症的治疗。

它的机理是X对生物组织的破坏作用。

在治疗过程中，照射量要恰当。四、X射线在医学上的应用

X-rayapplicationsinmedicine322、药物分析方面的应用X射线光衍射特性能用来分析物质成分结构。在中草药研究工作中有广泛的作用，可以用来分析中草药的有效成分的结构，寻求代用品，在保护自然生态环境方面，发挥了重大作用。33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.Kendrew343、研究生物大分子结构弗兰克林于1952年5月获得的一张清晰的DNA分子的X光衍射照片由推算DNA分子此呈双链同轴排列螺旋状，并测定其直径及螺距（1）透视和摄影：可利用体内各种不同组织对X射线衰减的不同，来检查身体内部的情况，在荧光屏上或照相底片上留下灰度不同的影象以供观察。前者称为荧光透视，后者称为X射线摄影。如果要检查的组织与其周围组织的线衰减系数相差较少时，可利用造影剂来提高对比度。(如：服用硫酸钡)4、诊断方面的应用35（2）电子计算机断层摄影（简称CT）：CT原理示意图36像素

CT扫描示意