医学物理学 第十六章 X射线.ppt

　　X 射线

　　第十六章

　　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 X射线的基本性质、X射线衍射和X-CT成像原理; 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

　　威廉·康拉德·伦琴(1845~1923)

　　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X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，伦 琴由于这一发现而获得了这一年的诺贝尔奖物理学奖。

　　普通X光机

　　第一节 X射线的产生

　　一、X射线的产生装置

　　1. 产生X射线的方法

　　高速运动的电子受阻辐射 X射线。

　　最常用的方法

　　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。

　　②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。

　　①有高速运动的电子流;

　　(Gp:) -

　　(Gp:) C

　　(Gp:) B

　　(Gp:) X射线

　　(Gp:) X射线管

　　(Gp:) +

　　(Gp:) A

　　2. X射线产生装置

　　整流电路

　　X射线管

　　低压电源

　　高压电源

　　高度真空的硬质玻璃管，管内封入阴极(灯丝)和阳极(靶)。

　　作用于阴极灯丝，使其炽热而发射电子。

　　作用于阴阳两极之间，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)。

　　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 管电流 — 阴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

　　焦点愈小，X射线透视或照相时所成的像愈清晰。

　　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。

　　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

　　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。

　　θ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，使受撞击面不断改变，将热量分散到较大的面积上。

　　实际焦点的面积：

　　有效焦点的面积：

　　二、X射线的强度和硬度

　　1. X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：W·m -2

　　波的强度

　　Nn ——能量为hνn 的光子数。

　　(2)增加X射线强度的方法

　　①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; ②增加管电压，可使每个光子的能量hν 增加。

　　(1)定义

　　X射线的量

　　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(mA﹒s)。

　　X射线的贯穿本领，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

　　X射线的质

　　医学上X射线按硬度分类

　　(3)实际应用中：

　　第二节 X射线谱

　　采用X射线管发出的X射线，包含各种不同的波长成份，将其强度按照波长的顺序排列开来的图谱，称为X射线谱。

　　连续X射线谱

　　标识X射线谱

　　一、连续X射线谱

　　1. 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X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X射线谱。

　　(Gp:) +

　　(Gp:) h?max=E

　　(Gp:) E

　　(Gp:) +

　　(Gp:) 轫致辐射h?

　　(Gp:) E

　　(Gp:) E-h?

　　2. 连续谱特性

　　强度↑; ?峰值和?min向短波方向移动。

　　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，因此，X射线的强度也就愈大。

　　(2)管电流越大强度越大

　　(1)短波极限λ min

　　(3)管电流、管电压一定时，靶原子序数愈高连续谱强度愈大。

　　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. 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。

　　医用X射线管发出的主要是连续X射线，标识X射线在全部X射线中所占的分量很少。 标识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常有用。

　　不同物质,尖峰位置和分布不同; 尖峰不随管电压变化。

　　第三节 X射线的基本性质

　　一、X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。

　　1.电离作用—生物效应的基础、测量射线强度的原理; 2.荧光作用— X射线透视; 3.光化学作用—感光，X射线照相; 4.生物效应—放射治疗的基础、需要防护的原因; 5.贯穿本领—成像、防护。

　　① 能获得单色X射线，且波长连续可调，从几微米到几百皮米; ②几乎是线偏振光，可研究生物分子的旋光性; ③有很好的准直性，即同步辐射X射线的发散角较小;④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X射线有如下特性：

　　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. Bragg

　　W. L. Bragg

　　二、X射线的衍射

　　X射线的波长：约为0.001 nm ~10nm

　　(1)布喇格定律

　　单色X射线束入射时，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0.1nm

　　晶体微粒的有规则结构 — X射线的三维衍射光栅

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

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　　(Gp:) ?

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　　(Gp:) ?

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　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) d

　　(Gp:) θ

　　(Gp:) θ

　　(Gp:) dsin θ

　　(Gp:) 1

　　(Gp:) 2

　　(Gp:) 晶面

　　(Gp:) A

　　(Gp:) C

　　(Gp:) B

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) ?

　　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

　　X射线衍射是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X射线的波长 。 反之，利用已知波长的X射线照射晶体，则可测出 晶体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。

　　DNA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X射线衍射，又可摄取X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θ 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 物质对X射线的衰减规律

　　物质对X射线的吸收

　　X光子与物质中的原子的相互作用：

　　光子

　　被吸收并转化为其他形式的能量

　　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X射线的衰减规律

　　1.X射线强度的指数衰减规律

　　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 μ： 线性衰减系数

　　(1)μ 愈大，射线强度在物质中衰减愈快。

　　(2)μ 与物质的密度 ρ 成正比。( ρ- 原子数目)

　　2.关于衰减系数的一些讨论

　　(3)指数衰减规律只适用于单色射线束。

　　(Gp:) I0

　　(Gp:) x

　　I

　　质量厚度 xm=xρ： 单位面积、厚度为x 的吸收层的质量。

　　(4)引入质量衰减系数 μm

　　物质由液、固态转变为气态时，密度变化很大，但μm 值不变。

　　X射线在物质中强度被衰减一半时的厚度(或质量厚度)

　　(5)半价层

　　μm 值可以用来在物质之间比较对X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. 连续谱的衰减规律

　　(1)在实际问题中，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 μ，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

　　Z：吸收物质的原子序数 λ：是射线的波长

　　~ 各元素的μm按照所含质量比例计算的平均值。

　　1.单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 α可取3.5。

　　指数 α~3 - 4，与吸收物质和射线波长有关。

　　2.多种元素混合物质的质量衰减系数

　　(1)原子序数愈大的物质，吸收本领愈大。

　　(2)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。

　　3. 影响质量衰减系数的因素

　　4. X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 X射线的医学应用

　　一、治 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. X射线治疗癌症的机制

　　X射线工作的人员要注意防护

　　(3)X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. 用于治疗的X射线设备

　　(1)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 利用微波电场加速电子，电子获得较高能量后打在靶上，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X射线围绕肿瘤靶点作270 ° ～ 360 °的旋转，在靶区形成多个非共面的聚焦照射弧，使X射线从各个不同方向聚集于靶点，以获得最大的辐射量。

　　“X射线刀”可用于全身各器官、组织肿瘤的放射治疗。

　　二、诊 断

　　1. 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)原理 由于体内不同组织或脏器对X射线的吸收本领不同，因此强度均匀的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射线的吸收本领与周围组织相差很少，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、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”(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. 数字减影血管造影(DSA)

　　DSA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。

　　X射线影像

　　光学图像

　　影像增强器

　　视频信号

　　摄像管

　　图像的数字信号

　　模数(A/D)转换

　　图像存储器

　　本底图像 数字信号

　　未注入造影剂

　　注入造影剂

　　造影像 数字信号

　　图像处理器

　　相减

　　充盈造影剂的血管图像 数字信号

　　放大处理，提高对比度

　　数模(D/A)转换

　　视频信号

　　监视器中实时血管图像

　　没加造影剂的图像

　　蒙片

　　数字减影像

　　3. 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(33.16keV)，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射线进行两次造影：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、X-CT

　　X射线计算机辅助断层扫描成像装置。

　　G. N. Hounsfield

　　A. M. Cormack

　　1963年美国物理学家科马克(A. M. Cormack,1924-1998 )发现人体不同的组织对X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。

　　1. X-CT的基本原理

　　介质等分成若干个很小的体积元(体素)

　　通过第n个体素的强度：

　　(1)不均匀介质的吸收规律

　　(2)成像参数 μ

　　图像重建的物理基础

　　欲观测的层面分解为 n×n 个体素的矩阵阵列;

　　一幅X-CT图像，反映了该层面体素关于μ的空间分布。

　　求各体素的μ值，是获得X-CT图像的关键。

　　(3)μ 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μ值所组成的方程式的个数，符合重建图像的需要为止。

　　快速多方向测量投影值 快速求解μ(x，y)

　　重建图像的关键问题

　　2. 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 1=μ11+μ12=8 p 2=μ21+μ22=9

　　p 3=μ11+μ21=10 p 4=μ12+μ22=7

　　仅有3个方程是独立?

　　需再取一个左对角线方向的投影值

　　p 5 =μ11+μ22 =5

　　得到： μ11 =3、μ12=5、μ21=7 和 μ22=2。

　　X-CT机常采用的有256×256、512×512等矩阵。

　　水平方向

　　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μ值矩阵。

　　X-CT 成像原理

　　(Gp:) X射线管

　　(Gp:) 探测器

　　(Gp:) 直线扫描1

　　(Gp:) 直线扫描2

　　(Gp:) 直线扫描3

　　直线扫描240次→旋转1° 直线扫描…→旋转180° 共得数据240×180=43200个 从43200个方程→25600个μ

　　3. X-CT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) 窄角扇束扫描(称第二代CT机)

　　(3) 广角扇束扫描(称第三代CT机)

　　(4)固定-旋转广角扇束扫描 (称为第四代CT机)

　　(5)动态空间扫描(称第五代CT机)

　　(6)电子束扫描(称第六代CT机)

　　(7)锥形束多排螺旋扫描

　　CT 扫描技术的发展历史

　　(Gp:) 1985

　　(Gp:) 滑环CT实现单周连续扫描,扫描时间1s

　　(Gp:) 1989

　　(Gp:) 1991

　　(Gp:) 1993

　　(Gp:) 1995

　　(Gp:) 1998

　　(Gp:) 亚秒扫描应用

　　(Gp:) 实时扫描技术

　　(Gp:) 0.5秒扫描时间

　　(Gp:) 螺旋CT开始用于临床

　　(Gp:) 亚毫米级高分辨 CT

　　(Gp:) 多层螺旋CT

　　(Gp:) 大量数据取样

　　(Gp:) 高质量的快速扫描

　　4. CT值和窗口技术

　　(1)像素的CT值

　　(2)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，其灰度取决于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CT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：窗宽的上限和下限所包含的范围。

　　窗位 是指观察某一组织结构细节时，以该组织的CT值为中心进行观察。如脑组织的CT值大约为35HU，则窗位选择为35HU，窗宽常用100HU。 窗宽 是指显示图像所包含的CT值范围，在此范围内的组织结构按密度的高低从白到黑分为16个灰度等级进行观察分析。调节窗宽主要影响对比度，窗宽大则图像层次多，组织对比少，反之亦然。

　　(3)图像显示

　　螺旋扫描

　　被观测层面的一系列投影值

　　探测器

　　模-数转换电路

　　数字信号

　　图像重建方法快速运算

　　层面各体素μ的相对值

　　荧光屏上显示图像的数据

　　数-模转换

　　模拟信号

　　观测层面的图像

　　脏器的立体影像

　　三维成像软件

　　5.多参数成像能谱X-CT

　　成像参数：混合能量CT值(两个)、碘基物质相对密度、水基物质相对密度、钙基物质相对密度、任意伪单色X光CT值、等效原子序数。

　　物理基础：X射线与物质相互作用中的康普顿散射和电子对效应。

　　体素的衰减系数：μ混合能量=μk+μe

　　近十年发展起来的新技术。

　　通过对同一层面扫描时施加大小不同的两种管电压而获得足够多的投影数据，从而解出各个体素相对两种基础物质的比例值(即α1和α2)，继而得到一个碘基“密度值”和一个水基“密度值”。

　　这两个相对“密度值”加起来就是体素的伪单色X光衰减系数或CT值，根据两个基础物质的X射线谱，能计算得到各体素的能谱曲线。

　　引入两种感兴趣的物质作为基础物质，用它们的衰减系数(单色光)的适当比例(不同体素数值不同)代替前面提到的两种效应对应的衰减系数(μ伪单色=α1μI单色+α2μH单色)，从而建立数学模型。

　　X-CT从根本上解决了常规摄影、透视及体层摄影中存在的影像重叠问题，医生可看到人体各种器官和骨骼的断层影像及形态，并能分辨出密度相差很小的组织，从而判断病变的部位、形态和性质。为了使病变与正常组织的密度吸收有明显区别，可使用造影剂(碘类化合物)进行增强扫描。目前使用的多排螺旋X-CT和多参数能谱X-CT，几乎能诊断人体各个部位的疾病，尤其对识别良性或恶性肿瘤，具有较高的诊断价值。X-CT是临床诊断的重要设备之一。