X射線成像的物理基礎(chǔ).ppt

1、X射線及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用X-ray and its medical applications,X 射線成像 X-ray imaging,X射線及其醫(yī)學(xué)應(yīng)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(zhì) 三、X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 四、X射線的輻射防護(hù) 五、總結(jié),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(qiáng)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(dāng)高速電子撞擊某些固體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一

2、種看不見的射線，它能透過許多對(duì)可見光不透明的物質(zhì)，對(duì)感光乳膠有感光作用，并能使許多物質(zhì)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(zhǎng)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(jié)構(gòu) X-ray tube structure,高速電子與陽極靶面相互作用存在以下四個(gè)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(jià)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(biāo)識(shí)X射線,外層電離：最外層電子軌道的能級(jí)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(zhǎng)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(jí)躍遷而輻射標(biāo)識(shí)X射線。,光學(xué)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(jí)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(xué)光譜，不產(chǎn)生X射線。 彈性散射：高速電子受原子核電場(chǎng)的作用而改變運(yùn)動(dòng)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(chǎng)作用下，速度突然變小時(shí)，它的一部分能量轉(zhuǎn)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(zhǎng)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(jié)果，產(chǎn)生兩種類型 的電磁輻射。 一種是光學(xué)光譜，波長(zhǎng)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(biāo)明元素特性的標(biāo)識(shí)X射線； （2）高速電子與核電場(chǎng)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(jié),3、X射線硬度和強(qiáng)度X-ray hardness and intensity,X射線的硬度是指它的貫穿本領(lǐng)，決定于波長(zhǎng)。波長(zhǎng)愈短的X射線，光子的能量愈大，貫穿本領(lǐng)愈強(qiáng)，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(dòng)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(xué)上通

5、常用管電壓來衡量X射線的硬度。,X射線的強(qiáng)度是指單位時(shí)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(qiáng)度。 有兩種方法增加強(qiáng)度：增加管電流，增加管電壓。 X射線應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中時(shí)，必須考慮劑量和選擇波長(zhǎng)，以適合診斷和治療的要求。所以X射線的硬度和強(qiáng)度是兩個(gè)重要的物理量。,4、X射線衍射X-ray diffraction,晶體的微觀結(jié)構(gòu)（原子、分子或離子的排列）具有周期性，當(dāng)X射線照到晶體上時(shí)，組成晶體的每一個(gè)原子都可看作一個(gè)子波源，向各個(gè)方向發(fā)出子波，在某些方向上的X射線會(huì)相加干涉，使得在一些特定的方向的光束加強(qiáng)。 晶體可能產(chǎn)生衍射的方向決定于晶體

6、微觀結(jié)構(gòu)的類型及其基本尺寸；而衍射強(qiáng)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(biāo)。晶體衍射方法是目前研究晶體結(jié)構(gòu)最有力的方法X射線結(jié)構(gòu)分析,勞厄（Laue，1879-1960）1912年通過X射線在晶體中衍射的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)證實(shí)了X射線的波動(dòng)性質(zhì)和晶體內(nèi)部的周期結(jié)構(gòu),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(qiáng)度分布測(cè)定晶體的晶格結(jié)構(gòu),W. H. Bragg,W. L. Bragg,晶體的空間點(diǎn)陣可劃分為一族平行且等間距的平面點(diǎn)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(biāo)識(shí)X射線組成，醫(yī)學(xué)應(yīng)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(duì)強(qiáng)度,X射線譜示意圖,當(dāng)X射線管在管電壓較低時(shí)，它只發(fā)射連續(xù)X射線。不產(chǎn)生標(biāo)識(shí)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(zhǎng)，叫短波極限min。,5.1、連續(xù)X射線譜Continuous X-ray spectra,當(dāng)管電壓增大時(shí)，各波長(zhǎng)強(qiáng)度都增大，且強(qiáng)度最大的波長(zhǎng)和短波極限都向短波方向移動(dòng)。,當(dāng)管電壓升高到一定值時(shí)，連續(xù)譜將迭加四條譜線，在曲線上出現(xiàn)了四個(gè)高峰。,5.2、標(biāo)識(shí)X射線char

8、acteristic X-ray,當(dāng)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(shí)驗(yàn)表明，這些譜線的波長(zhǎng)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(biāo)識(shí)，所以這些譜線叫標(biāo)識(shí)X射線。,（1）任何元素的特征X射線的波長(zhǎng)是固定不變的。 （2）標(biāo)識(shí)線只有在一定的管電壓下才能出現(xiàn)。 （3）標(biāo)識(shí)線的最高頻率與靶元素的原子序數(shù)的平方成正比。,標(biāo)識(shí)X射線的特點(diǎn),二、X射線的基本性質(zhì)The basic nature of the X-ray,1、物理效應(yīng) 穿透作用：指X射線通過物質(zhì)時(shí)不被吸收的本領(lǐng)。波長(zhǎng)越短，穿透能力越強(qiáng)。在波長(zhǎng)一定條件下，X射線的穿透性取

9、決于被通過物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。所以X射線穿透物質(zhì)后的強(qiáng)度變化，反映了物質(zhì)內(nèi)部密度差異，這正是X射線透視和攝影的物理基礎(chǔ)。,電離作用：物質(zhì)受X射線照射時(shí)，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(chǔ)。 熒光作用：有些物質(zhì)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(zhì)吸收X射線最終絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使物體溫度升高。,2、化學(xué)效應(yīng) 感光作用：當(dāng)X射線照射到膠片的溴化銀上時(shí)，由于電離作用，使溴化銀藥膜起化學(xué)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(xué)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(zhì)如鉛玻璃、水晶等，經(jīng)X射線長(zhǎng)期照射后，其結(jié)晶體脫水而改變顏色。,3、生物效應(yīng) X射線對(duì)生物細(xì)胞具有破壞、瓦解的作用，是放射治療的基礎(chǔ)，也是射線工作者應(yīng)注意防護(hù)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(zhì)時(shí)的衰減服從指數(shù)吸收規(guī)律，即：,入射X線的強(qiáng)度,透射X線的強(qiáng)度,線性衰減系數(shù),物質(zhì)厚度,使射線強(qiáng)度減弱為一半所需的物質(zhì)厚度，稱為半價(jià)厚度，又稱為半價(jià)層,用x1/2表示：,半價(jià)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(zhì)的種類而異。 如：對(duì)于50keV的X光子，鋁的半價(jià)厚度為7mm, 鉛的半價(jià)厚度為0.1mm。 可見鉛對(duì)X

11、射線的衰減本領(lǐng)很強(qiáng)，這就是通常用鉛做防護(hù)材料的原因。,1、治療方面的應(yīng)用 X射線主要用于癌癥的治療。它的機(jī)理是X對(duì)生物組織的破壞作用。在治療過程中，照射量要恰當(dāng)。,四、X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)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(duì)一名55歲患乳腺癌的婦女進(jìn)行了放射治療,2、藥物分析方面的應(yīng)用,X射線光衍射特性能用來分析物質(zhì)成分結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，尋求代用品，在保護(hù)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(shí)驗(yàn)，同時(shí)證實(shí)了X射線的波動(dòng)性質(zhì)和晶體內(nèi)部的周期結(jié)構(gòu),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(qiáng)度分布測(cè)定晶體的晶格結(jié)構(gòu),W. H. Bragg,W. L. Bragg,研究生物大分子結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)分析,1947年卡文迪許實(shí)驗(yàn)室建立了“生物系統(tǒng)的分子結(jié)構(gòu)單元”（Unit for

13、 “Research on the Molecular Structure of Biological Systems”），1962年擴(kuò)大為“分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(rèn)識(shí)到是雙鏈同軸排列 定量測(cè)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(bǔ)配對(duì)原則的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,（1）透視和攝影：可利用體內(nèi)各種不同組織對(duì)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(shí)，可利用造影劑來提高對(duì)比度。,3、診斷方面的應(yīng)用,（2）電子計(jì)算機(jī)斷層攝影（簡(jiǎn)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(dòng)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(hù)的基本原則： 距離防護(hù)：即增加距輻射源的距離。 屏蔽防護(hù)：即對(duì)射線進(jìn)行屏蔽。 時(shí)間防護(hù)：縮短照射時(shí)間。,五、X射線的輻射防護(hù)X-ray radiation protection,醫(yī)療X射線的防護(hù) 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(shí)間 遠(yuǎn)離照射野 進(jìn)行必要的屏蔽

16、,（1） X射線的硬度是指它的貫穿本領(lǐng)，對(duì)于一定的吸收物質(zhì)， 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(dòng)能就愈大，發(fā)射光子的能量也愈大，愈不易被物質(zhì)吸收，因此，在醫(yī)學(xué)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(shí)，不是硬度高越好。而是要根據(jù)被照射物質(zhì)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(jìn)行透視時(shí)，是否硬度越高越好？,濾線板能使X線的軟線部分被強(qiáng)烈吸收，可得到硬度高，譜線窄的X射線。當(dāng)同時(shí)使用兩種不同物質(zhì)作的濾線板時(shí)，因?yàn)楦鞣N物質(zhì)在吸收X射線時(shí)都會(huì)發(fā)出自己的標(biāo)識(shí)X射線。所以，應(yīng)把那種既可吸收前一種物質(zhì)的標(biāo)識(shí)X射線，而自身的標(biāo)識(shí)X射線又很容易在空氣中被吸收的物質(zhì)作的濾線板放在X射