X射線成像的物理基礎.ppt

1、X射線及其醫(yī)學應用X-ray and its medical applications,X 射線成像 X-ray imaging,X射線及其醫(yī)學應用 X-ray and its medical applications,一、X射線的基本原理 二、X射線的基本性質 三、X射線在醫(yī)學上的應用 四、X射線的輻射防護 五、總結,一、X射線的基本原理The basic principles of X-ray,1、X射線概述 2、X射線產(chǎn)生 3、X射線硬度和強度 4、X射線譜 5、X射線衰減 6、X射線衍射,1、X射線概述X-ray Overview,1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)當高速電子撞擊某些固體時，會產(chǎn)生一

2、種看不見的射線，它能透過許多對可見光不透明的物質，對感光乳膠有感光作用，并能使許多物質產(chǎn)生熒光，倫琴稱它為X射線（X-ray）。 研究表明X射線是波長大約在10-31nm范圍內(nèi)的電磁波。,倫琴及其拍攝的第一張X照片,X射線管的結構 X-ray tube structure,高速電子與陽極靶面相互作用存在以下四個物理過程：電離、激發(fā)、彈性散射、韌致輻射。 電離：原子的外層價電子或內(nèi)層電子在高速電子作用下完全脫離了原子軌道，使原子變成離子，稱為電離，包括外層電離和內(nèi)層電離。,二次電子,入射電子,出射電子,A 外層電離,標識X射線,外層電離：最外層電子軌道的能級差較小，所以外層電離的光譜一般是在紫外

3、線、可見光和紅外線的波長范圍，不屬于X線； 內(nèi)層電離：內(nèi)層電子脫離軌道，使原子處于激發(fā)態(tài)，通過內(nèi)層電子的能級躍遷而輻射標識X射線。,光學光譜,激發(fā)：高速電子撞擊原子外層電子，由于作用較弱，不足以使其電離，僅將其推入高能級的空殼層，使原子處于激發(fā)態(tài)，這種作用叫激發(fā)。發(fā)射光學光譜，不產(chǎn)生X射線。 彈性散射：高速電子受原子核電場的作用而改變運動方向，但是能量不變，稱為彈性散射。這種作用沒有光譜輻射，也沒有能量損失。,韌致輻射：高速電子在原子核電場作用下，速度突然變小時，它的一部分能量轉變成電磁波發(fā)射出來，這種情況叫韌致輻射。,韌致輻射所產(chǎn)生的X射線是一束波長不等的連續(xù)光譜。,出射電子,入射電子,韌致

4、輻射示意圖,連續(xù)X線,高速電子與陽極靶原子撞擊的結果，產(chǎn)生兩種類型 的電磁輻射。 一種是光學光譜，波長在可見光、紅外線、紫外線附近； 另一種是X射線。 （1）內(nèi)層電離產(chǎn)生的標明元素特性的標識X射線； （2）高速電子與核電場作用所形成的韌致輻射， 這是一束連續(xù)X射線。,X射線產(chǎn)生總結,3、X射線硬度和強度X-ray hardness and intensity,X射線的硬度是指它的貫穿本領，決定于波長。波長愈短的X射線，光子的能量愈大，貫穿本領愈強，它的硬度就愈大，常用于深部治療。 X射線的硬度由管電壓控制，管電壓愈高，轟擊陽極的電子動能就愈大，發(fā)射光子的能量也愈大，X射線愈硬。因此，在醫(yī)學上通

5、常用管電壓來衡量X射線的硬度。,X射線的強度是指單位時間通過與射線方向垂直的單位面積的輻射能量。通常是在一定的管電壓下，用管電流的mA數(shù)來表示X射線的強度。 有兩種方法增加強度：增加管電流，增加管電壓。 X射線應用于醫(yī)學中時，必須考慮劑量和選擇波長，以適合診斷和治療的要求。所以X射線的硬度和強度是兩個重要的物理量。,4、X射線衍射X-ray diffraction,晶體的微觀結構（原子、分子或離子的排列）具有周期性，當X射線照到晶體上時，組成晶體的每一個原子都可看作一個子波源，向各個方向發(fā)出子波，在某些方向上的X射線會相加干涉，使得在一些特定的方向的光束加強。 晶體可能產(chǎn)生衍射的方向決定于晶體

6、微觀結構的類型及其基本尺寸；而衍射強度決定于晶體中各組成原子的元素種類及其分布排列的坐標。晶體衍射方法是目前研究晶體結構最有力的方法X射線結構分析,勞厄（Laue，1879-1960）1912年通過X射線在晶體中衍射的實驗，同時證實了X射線的波動性質和晶體內(nèi)部的周期結構,1913年布拉格父子（W. H. Bragg，1862-1942 and W. L. Bragg，1890-1971）通過X射線的衍射強度分布測定晶體的晶格結構,W. H. Bragg,W. L. Bragg,晶體的空間點陣可劃分為一族平行且等間距的平面點陣，或者稱晶面(crystal plane)。,d,d,d,布拉格條件(

7、Bagg condition),X射線由連續(xù)X射線和標識X射線組成，醫(yī)學應用的是連續(xù)X射線。,5、X射線譜X-ray spectra,K,L,L,L,0.2,1.08,1.28,1.47,相對強度,X射線譜示意圖,當X射線管在管電壓較低時，它只發(fā)射連續(xù)X射線。不產(chǎn)生標識X射線,),2-5,鎢的連續(xù),X,每條連續(xù)譜線存在著最短波長，叫短波極限min。,5.1、連續(xù)X射線譜Continuous X-ray spectra,當管電壓增大時，各波長強度都增大，且強度最大的波長和短波極限都向短波方向移動。,當管電壓升高到一定值時，連續(xù)譜將迭加四條譜線，在曲線上出現(xiàn)了四個高峰。,5.2、標識X射線char

8、acteristic X-ray,當電壓變化，連續(xù)譜發(fā)生變化，但這四條譜線在圖中的位置始終不變。,大量實驗表明，這些譜線的波長決定于陽極靶的材料，不同元素制成的靶具有不同的線狀X射線譜，可以作為這些元素的標識，所以這些譜線叫標識X射線。,（1）任何元素的特征X射線的波長是固定不變的。 （2）標識線只有在一定的管電壓下才能出現(xiàn)。 （3）標識線的最高頻率與靶元素的原子序數(shù)的平方成正比。,標識X射線的特點,二、X射線的基本性質The basic nature of the X-ray,1、物理效應 穿透作用：指X射線通過物質時不被吸收的本領。波長越短，穿透能力越強。在波長一定條件下，X射線的穿透性取

9、決于被通過物質本身的結構和性質。所以X射線穿透物質后的強度變化，反映了物質內(nèi)部密度差異，這正是X射線透視和攝影的物理基礎。,電離作用：物質受X射線照射時，使核外電子脫離原子軌道，這種作用叫電離作用。電離作用是X射線損傷和治療的基礎。 熒光作用：有些物質受X射線照射后，由于電離或激發(fā)使原子處于激發(fā)態(tài)，回到基態(tài)過程中發(fā)出熒光。 熱作用：物質吸收X射線最終絕大部分轉變?yōu)闊崮?，使物體溫度升高。,2、化學效應 感光作用：當X射線照射到膠片的溴化銀上時，由于電離作用，使溴化銀藥膜起化學變化，出現(xiàn)銀粒沉淀，即X射線的感光作用。X射線攝影就是利用這種X線化學感光作用，使組織影象出現(xiàn)在膠片上。 著色作用：某些物

10、質如鉛玻璃、水晶等，經(jīng)X射線長期照射后，其結晶體脫水而改變顏色。,3、生物效應 X射線對生物細胞具有破壞、瓦解的作用，是放射治療的基礎，也是射線工作者應注意防護的原因。它是由電離作用引起。,三、X射線的衰減X-ray attenuation,單色平行X射線束通過物質時的衰減服從指數(shù)吸收規(guī)律，即：,入射X線的強度,透射X線的強度,線性衰減系數(shù),物質厚度,使射線強度減弱為一半所需的物質厚度，稱為半價厚度，又稱為半價層,用x1/2表示：,半價層與線性衰減系數(shù)成反比。 線性衰減系數(shù)隨光子的能量和物質的種類而異。 如：對于50keV的X光子，鋁的半價厚度為7mm, 鉛的半價厚度為0.1mm。 可見鉛對X

11、射線的衰減本領很強，這就是通常用鉛做防護材料的原因。,1、治療方面的應用 X射線主要用于癌癥的治療。它的機理是X對生物組織的破壞作用。在治療過程中，照射量要恰當。,四、X射線在醫(yī)學上的應用X-ray applications in medicine,X 射線用于腫瘤的放射治療,1896年1月發(fā)現(xiàn)X射線后僅幾周，芝加哥電氣技師Emil Grubbe（1875-1960）即利用X射線對一名55歲患乳腺癌的婦女進行了放射治療,2、藥物分析方面的應用,X射線光衍射特性能用來分析物質成分結構。在中草藥研究工作中有廣泛的作用，可以用來分析中草藥的有效成分的結構，尋求代用品，在保護自然生態(tài)環(huán)境方面，發(fā)揮了重

12、大作用。,勞厄（Laue，1879-1960）1912年通過X射線在晶體中衍射的實驗，同時證實了X射線的波動性質和晶體內(nèi)部的周期結構,1913年布拉格父子（W. H. Bragg，1862-1942 and W. L. Bragg，1890-1971）通過X射線的衍射強度分布測定晶體的晶格結構,W. H. Bragg,W. L. Bragg,研究生物大分子結構,佩魯茲（M. Perutz，1914-2002）和肯特魯（C. Kendrew，1917-1997）1953年通過X射線衍射法完成了血紅蛋白和肌紅蛋白的結構分析,1947年卡文迪許實驗室建立了“生物系統(tǒng)的分子結構單元”（Unit for

13、 “Research on the Molecular Structure of Biological Systems”），1962年擴大為“分子生物學實驗室”,M. Perutz C. Kendrew,威爾金斯（M. Wilkins ，1916 ）和弗蘭克林（R. Franklin，1920-1958 ）通過X射線衍射法研究DNA分子的結構,M. Wilkins R. Franklin,威爾金斯拍攝的DNA分子的X射線衍射照片 照片顯示DNA分子是單鏈結構的螺旋體,弗蘭克林于1952年5月獲得的一張清晰的DNA分子的X光衍射照片 由此推算DNA分子呈螺旋狀，而且認識到是雙鏈同軸排列 定量測定

14、DNA螺旋體的直徑為1.0 nm，螺距為3.4nm,J. Watson F. Crick,1953沃森（J. D. Watson，1928）和克里克（F. H. Crick，1916）在堿基互補配對原則的基礎上，構建了DNA分子雙螺旋結構模型,（1）透視和攝影：可利用體內(nèi)各種不同組織對X射線衰減的不同，來檢查身體內(nèi)部的情況，在熒光屏上或照相底片上留下灰度不同的影象以供觀察。前者稱為熒光透視，后者稱為X射線攝影。 如果要檢查的組織與其周圍組織的線衰減系數(shù)相差較少時，可利用造影劑來提高對比度。,3、診斷方面的應用,（2）電子計算機斷層攝影（簡稱CT）：,CT原理示意圖,CT掃描示意圖,X-CT 成

15、像原理,G. N. Hounsfield,A. M. Cormack,Marconi生產(chǎn)的MX8000多層螺旋CT掃描系統(tǒng),由Marconi MX8000得到的肺動脈栓塞的X-CT 掃描圖像,CT 掃描圖像,CT 掃描圖像,X射線輻射防護的基本原則： 距離防護：即增加距輻射源的距離。 屏蔽防護：即對射線進行屏蔽。 時間防護：縮短照射時間。,五、X射線的輻射防護X-ray radiation protection,醫(yī)療X射線的防護 慎重使用放射診斷與治療 提高記錄和顯示系統(tǒng)的靈敏度 提高X射線的透過系數(shù) 盡量減少照射野面積 采用新型材料，減少不必要的衰減 減少透視時間 遠離照射野 進行必要的屏蔽

16、,（1） X射線的硬度是指它的貫穿本領，對于一定的吸收物質， X射線被吸收愈少，則貫穿量愈大。 X射線的管電壓愈高，轟擊陽極的電子動能就愈大，發(fā)射光子的能量也愈大，愈不易被物質吸收，因此，在醫(yī)學上通常用管電壓來衡量X射線的硬度。管電壓愈高，X射線愈硬。 （2） 在X射線透視或照相時，不是硬度高越好。而是要根據(jù)被照射物質的物理特性和用X射線透視或照相的不同目的選擇不同硬度的X射線。,一、 X射線的硬度為什么可用電壓表示？在用X射線進行透視時，是否硬度越高越好？,濾線板能使X線的軟線部分被強烈吸收，可得到硬度高，譜線窄的X射線。當同時使用兩種不同物質作的濾線板時，因為各種物質在吸收X射線時都會發(fā)出自己的標識X射線。所以，應把那種既可吸收前一種物質的標識X射線，而自身的標識X射線又很容易在空氣中被吸收的物質作的濾線板放在X射