x射线成像的物理基础课件.ppt

X射线射线成像的物理基础成像的物理基础(第一讲第一讲)第第 九九 章章返回返回X-rayX-ray返回返回 第一节第一节 X射线射线的产生及其基本性质的产生及其基本性质返回返回返回返回 1901年,首届诺贝尔物理学奖授予德国物理学伦琴,以表彰他在1895年11月8日偶然发现的X射线.返回返回返回返回1896年1月发现X射线后仅几周，芝加哥电气技师Emil Grubbe（1875-1960）即利用X射线对一名55岁患乳腺癌的妇女进行了放射治疗返回返回返回返回一一.X射线的产生射线的产生阳极阳极阴极阴极低压低压电源电源毫安表毫安表千伏表千伏表高压电源高压电源(1)装置装置:X射线管射线管,低压电源低压电源,高压电源高压电源,电流表电流表,电压表电压表,冷却装置冷却装置图图图图1.X1.X射线仪装置图射线仪装置图射线仪装置图射线仪装置图返回返回返回返回就象子弹打在坦克上会发出声音和就象子弹打在坦克上会发出声音和火花一样火花一样.返回返回返回返回返回返回例题一例题一:(411页页,16-4)返回返回返回返回(4)关于关于X射线：射线：a.是电磁波是电磁波,遵从波的规律遵从波的规律:折射折射,反反射射,干涉干涉,衍射衍射,.b.波长短波长短,小于小于10nm 频率高频率高,大于大于c.人眼看不到人眼看不到e.能量强能量强,可达几百可达几百KeVd.是光子是光子,返回返回二二.X射线的基本性质射线的基本性质 1.贯穿作用贯穿作用2.电离作用电离作用3.荧光作用荧光作用4.感光作用感光作用5.生物效应生物效应返回返回返回返回 X射线硬度是指射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领射线对物质的贯穿本领.(2)X X射线的射线的硬度硬度-光子能量光子能量,管电压管电压举例举例:不同硬度不同硬度X射线的医学用途射线的医学用途 (397页页,表表16-1)返回返回思考题思考题1:(411页页 161)X射线强度为什么可以用管电流射线强度为什么可以用管电流来表示来表示?答答:因为控制管电流就可以控制阴极发射因为控制管电流就可以控制阴极发射电子的数量电子的数量,发射电子数量的多少决定产发射电子数量的多少决定产生的生的X射线光子数量的多少射线光子数量的多少,而光子数量的而光子数量的多少是多少是X射线强度大小的标志射线强度大小的标志.返回返回 什么是什么是X射线硬度射线硬度?如何提高如何提高X射线硬度射线硬度?在进行在进行X射线照射时射线照射时,是否硬度越硬越好是否硬度越硬越好?答答:(1)X射线硬度是指射线硬度是指X射线对物质的贯射线对物质的贯穿本领穿本领;(2)可以通过加大可以通过加大X射线仪中的管电压射线仪中的管电压来提高来提高X射线的硬度射线的硬度;(3)不是不是.要根据具体需要调整要根据具体需要调整X射线的射线的硬度硬度,否则会造成伤害否则会造成伤害.思考题思考题2:(411页页 162)返回返回第二节第二节 X射线衍射射线衍射 X射线谱射线谱返回返回一一.X射线衍射射线衍射 相邻两层的波程差是相邻两层的波程差是,d12CBMA图3.X 射线衍射原理返回返回返回返回12X射线摄谱仪原理射线摄谱仪原理晶体晶体已知已知d,可求波长可求波长,分析分析X射线射线;已知波长已知波长,求晶面间距求晶面间距,分析分析晶体结构晶体结构返回返回练习题练习题:16-7返回返回19151915年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖X X射线晶体结构分析射线晶体结构分析1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利.布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯.布拉格,以表彰他们在1913年用X射线对晶体结构的分析所作的贡献.劳伦斯布拉格 亨利.布拉格主要贡献:利用X-射线绕射方法研究晶体构造制成第一台X-射线光谱仪提出 Bragg 方程:nl=2dsin开创英国固态物理测定晶体构造L.布拉格(1890-1971)H.布拉格(1862-1942)英国物理学家 返回返回返回返回 1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄(Laue,1879-1960),以表彰他在1912年发现了晶体的X射线衍射.返回返回佩鲁兹（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.Perutz C.Kendrew1962年诺贝年诺贝尔化学奖尔化学奖返回返回返回返回J.Watson F.Crick 1953年沃森（J.WatsonJ.Watson，19281928）和克里克（F.CrickF.Crick，19161916）在碱基互补配对原则的基础上，构建了DNA分子双螺旋结构模型返回返回返回返回X射线射线成像的物理基础成像的物理基础(第二讲第二讲)第第 十十 六六 章章返回返回X-rayX-ray返回返回二二.X射线谱射线谱12晶体晶体图4.X 射线摄谱仪返回返回图图图图5.5.钨靶的钨靶的钨靶的钨靶的X X射线谱射线谱射线谱射线谱返回返回X射线谱的特点射线谱的特点:(2)X射线谱由强度连续分布的弱背底和射线谱由强度连续分布的弱背底和强度断续分布的强谱线组成强度断续分布的强谱线组成;(3)X射线谱中的断续谱线位置与阳极射线谱中的断续谱线位置与阳极靶的材料有关，所以也称断续谱线为标靶的材料有关，所以也称断续谱线为标识识X射线射线.(1)X射线谱表示以射线谱表示以X射线波长为横轴射线波长为横轴物理量物理量,X射线相对强度为纵轴物理量射线相对强度为纵轴物理量的变化曲线的变化曲线;返回返回1.连续连续X射线射线阴极电子的动能阴极电子的动能=阳极电子的动能阳极电子的动能+阳极靶中的热能阳极靶中的热能+X射线的光子能量射线的光子能量返回返回返回返回 与强度为零相对应的波长是连续光谱中最与强度为零相对应的波长是连续光谱中最短波长短波长,或称为短波极限或称为短波极限.相相相相对对对对强强强强度度度度50kV50kV40kV40kV30kV30kV20kV20kV图图图图6.6.钨靶的连续钨靶的连续钨靶的连续钨靶的连续X X射线谱射线谱射线谱射线谱返回返回*返回返回例题二例题二:(411页页,16-6)如果加在如果加在X射线射线管两端的管电压减少管两端的管电压减少23kV,最短波长就增最短波长就增加一倍加一倍.求连续求连续X射线谱的最短波长射线谱的最短波长.返回返回练习题练习题:大作业大作业1 165 16-6返回返回MLLKKKKMLN2.标识标识X射线射线 若阴极电子动能足够大若阴极电子动能足够大,则可以将阳极靶则可以将阳极靶原子内层电子激发到激发态原子内层电子激发到激发态,电子从激发态回电子从激发态回落到另一定态时落到另一定态时,将会辐射光子将会辐射光子,即即X射线标识射线标识谱谱.标识标识X射线谱的波长与阳极靶材料有关射线谱的波长与阳极靶材料有关图图图图7.7.钨靶的标识钨靶的标识钨靶的标识钨靶的标识X X射线谱射线谱射线谱射线谱返回返回思考题思考题3:(411页页 163)为什么连续为什么连续X射线谱与靶物质无关射线谱与靶物质无关,而而标识标识X射线谱却与靶物质有关射线谱却与靶物质有关?答答:这与连续这与连续X射线谱和标识射线谱和标识X射线谱产生射线谱产生原因有关原因有关.连续连续X射线谱是阴极电子射线谱是阴极电子受到靶受到靶原子核强电场的作用而减速产生的光谱原子核强电场的作用而减速产生的光谱,而而标识标识X射线谱是阴极电子将阳极靶原子内层射线谱是阴极电子将阳极靶原子内层电子激发到激发态电子激发到激发态,电子从激发态回落到另电子从激发态回落到另一定态时辐射的光谱一定态时辐射的光谱,所以标识所以标识X射线谱的射线谱的波长与阳极靶材料有关波长与阳极靶材料有关.返回返回第三节第三节 X射线的吸收射线的吸收返回返回一一.线性吸收系数及质量吸收系数线性吸收系数及质量吸收系数 式中式中I0是入射的是入射的X射线强度射线强度,I是通过厚度是通过厚度为为x的物质层后的的物质层后的X射线强度射线强度,是物质的是物质的线性线性吸收系数吸收系数.I I0 0I Ix x*图图图图8.X8.X射线的强度在介质中减弱射线的强度在介质中减弱射线的强度在介质中减弱射线的强度在介质中减弱返回返回质量吸收系数质量吸收系数 称为称为质量厚度质量厚度,它等于单位面积中它等于单位面积中,厚厚度为度为x的吸收层的质量的吸收层的质量.返回返回二二.半价层半价层 半价层半价层就是使就是使X射线强度减弱一半时所需射线强度减弱一半时所需要的吸收体厚度要的吸收体厚度(或质量厚度或质量厚度).半价层半价层:*返回返回三三.质量吸收系数与物质和波长的关系质量吸收系数与物质和波长的关系式中式中 k是常数是常数是是X射线的波长射线的波长Z是吸收物质的原子序数是吸收物质的原子序数*返回返回思考题思考题4:为什么医生给病人做为什么医生给病人做X光照相光照相时时,常用铅板为自己做防护常用铅板为自己做防护?为什么病人为什么病人作胃肠透视和照相时作胃肠透视和照相时,要事先口服钡餐要事先口服钡餐?答答:因为钡和铅的原子序数比较高因为钡和铅的原子序数比较高(Z=56,82),所以它们对所以它们对X射线能量吸收较强射线能量吸收较强,这样就可以提高胃肠透视的清晰度及减少这样就可以提高胃肠透视的清晰度及减少医生受射线辐射的作用医生受射线辐射的作用.返回返回返回返回例题三例题三:(411页页,16-11)对波长为对波长为0.154nm的的X射线射线,铝的吸收系数为铝的吸收系数为 132/cm,铅的吸收铅的吸收系数为系数为261/cm.要得到和要得到和1mm厚度的铅层相厚度的铅层相同的防护效果同的防护效果,铝板的厚度应为多少铝板的厚度应为多少?返回返回练习题练习题:大作业大作业2 16-8 16-9 16-10 16-11返回返回第四节第四节 X射线成像射线成像返回返回一一.常规常规X射线投影成像射线投影成像 由于人体内各种不同的组织或脏器对由于人体内各种不同的组织或脏器对X 射线吸收本领不同射线吸收本领不同,所以所以X 射线透过身体不同射线透过身体不同部位后的强度是不同的部位后的强度是不同的.将这些强度不同的将这些强度不同的X射线投影到荧光屏上射线投影到荧光屏上,就可以显示出明暗不同就可以显示出明暗不同的荧光像的荧光像,称为称为X射线透视术射线透视术.如果让透过人体如果让透过人体的的X射线投射到照相底片上射线投射到照相底片上,显影后就可以观显影后就可以观察到各处明暗不同的像察到各处明暗不同的像,称为称为X射线照相术射线照相术.返回返回返回返回X X X X 射线成像射线成像射线成像射线成像返回返回提示提示:1.X射线射线照相照相比比X射线射线透视透视优点多优点多:由于由于胶片感光度高胶片感光度高,所以需要的所以需要的X射线剂量低射线剂量低(透视的透视的1/8),且分辨率高且分辨率高;2.由于脑室中各部分组织对由于脑室中各部分组织对X射线吸收射线吸收的差别很小的差别很小,所以不易做常规的所以不易做常规的X射线照射线照相和透视相和透视;3.可以人为造成某器官与其周围组织的可以人为造成某器官与其周围组织的密度差异密度差异,可以扩大可以扩大X射线成像的范围射线成像的范围,此方法称为此方法称为造影术造影术.例如例如:向血管内注射向血管内注射碘碘(Z=53),诊断先天性心脏病诊断先天性心脏病.返回返回 二二.X 射线电子计算机断层成像射线电子计算机断层成像 X-ray computed tomography (X-CT)返回返回1979年的诺贝尔生理学及医学奖授予美国物理学家科马克(1963年提出理论)和英国工程师亨斯菲尔德(1972年研制第一台CT机)发明X射线计算机断层扫描.返回返回1.X-CT 的基本原理的基本原理-投影重建图像原理投影重建图像原理 当强度为当强度为I0的单色的单色X射线通过厚度为射线通过厚度为x的的均匀介质后均匀介质后,其强度其强度 .如果如果I0、I和和x为已知为已知,则吸收系数则吸收系数的值为的值为返回返回对第一个对第一个体素体素有有 ;对第二个体素有对第二个体素有 ;对第对第n个体素有个体素有II0返回返回利用利用 可将介质吸收系数的总可将介质吸收系数的总和表示为和表示为当当I和和I0都测出之后都测出之后,就可得出沿就可得出沿X射线贯穿方射线贯穿方向的各体素的吸收系数的总和向的各体素的吸收系数的总和.我们称这个吸收系数的总和为我们称这个吸收系数的总和为投影值投影值.返回返回 人体内某一断层可以分成人体内某一断层可以分成nn个体素，个体素，每一方向的每一方向的X射线扫描可以得到一个方程。射线扫描可以得到一个方程。若要求出若要求出nn个体素的吸收系数，则需要扫个体素的吸收系数，则需要扫描描nn次。次。返回返回2.扫描技术扫描技术返回返回 X-CT X-CT 计算机断层成像原理计算机断层成像原理 （第三代）（第三代）X-CT X-CT 计算机断层成像原理计算机断层成像原理 （第三代）（第三代）返回返回序号第一代第二代第三代第四代第五代名称单束扫描窄角扇束扫描广角扇束扫描反扇束扫描动态空间重现测量原理 平移旋转 旋 转 静止测量时间 5min 1.5min 5s 2s 1s检测器数量 1 30 600 1500 静止 28张角 0度 11度 45度 90度 45度应用范围 头 部 全身心，肺表表.前五代前五代CT机扫描的特点机扫描的特点返回返回多层螺旋CTCT4层螺旋CT 示意图返回返回马 可 尼 公 司(Marconi)生产的MX8000多 层 螺旋CT扫描系统主要特点：最多100s的连续多层螺旋扫描能力；每秒8层的多层扫描能力；超 快 速 0.5s，360螺旋扫描；薄层扫描厚度0.5mm返回返回64层采集的螺旋CT设备：SIEMENS SOMATON Sensation 64层CT扫描一周能够获得64层图像，每层厚在1mm以下，一周所用时间只有0.37s，各个方向上的空间分辨率是一致的，为0.4 mm返回返回SOMATON Sensation 642004年1月20日面世2004年4月12日获得FDA认证 返回返回CT 扫描技术的发展历史1985滑环滑环滑环滑环CTCT实现单周连续扫描，扫描时间实现单周连续扫描，扫描时间实现单周连续扫描，扫描时间实现单周连续扫描，扫描时间1s1s1989199119931995199519981998亚秒扫描应用亚秒扫描应用亚秒扫描应用亚秒扫描应用实时扫描技术实时扫描技术实时扫描技术实时扫描技术0.50.5秒扫描时间秒扫描时间秒扫描时间秒扫描时间螺旋螺旋螺旋螺旋CTCT开始用于临床开始用于临床开始用于临床开始用于临床亚毫米级高分辨亚毫米级高分辨亚毫米级高分辨亚毫米级高分辨 CTCT多层螺旋多层螺旋CTCT大量数大量数据取样据取样高质量的高质量的快速扫描快速扫描返回返回3.图像重建方法直接反投影法图像重建方法直接反投影法返回返回4.CT值和窗口技术值和窗口技术 经过扫描和图象重建所得到的经过扫描和图象重建所得到的X-CT图像图像是一定数量由黑到白不同长度的小方块按矩阵是一定数量由黑到白不同长度的小方块按矩阵排列方式组成的排列方式组成的,这些小放块叫做这些小放块叫做像素像素.每个像素的亮度正比于该体素的吸收每个像素的亮度正比于该体素的吸收系数的大小。系数的大小。返回返回 由于人体通常不采用由于人体通常不采用的绝对值的绝对值,而是取而是取它的相对值它的相对值,并称为并称为CT值值或洪斯菲尔德值或洪斯菲尔德值,它它的定义为的定义为式中式中为待测组织的吸收系数为待测组织的吸收系数水水 1为水的吸收系数为水的吸收系数返回返回 物物 质质 吸收系数吸收系数 CT值值 水水 1.0 0 H 灰色 空气空气 0.0013 1000 H 黑色 密质骨密质骨 2.0 1000 H 白色表表.三种物质的三种物质的CT值值返回返回脑脊髓液 1.016 16水肿 1.018 18淋巴液 1.022 22神经胶质真性瘤 1.026 26骨髓真质瘤 1.044 44脑膜瘤 1.046 46星状细胞瘤 1.054 54血块 1.074 74红血球 1.093 93返回返回CTCT值（值（20002000）灰度（灰度（20002000）即从全黑（对应CT值为1000）到全白（对应CT值1000）有2000个不同的黑白或明暗等级.由于这2000个CT值可转变为图像画面上的2000个灰度CT像是一个灰度不同、且灰度变化不连续的图像.返回返回人体内有人体内有2000个个CT值；值；一般人的眼睛只能分辨一般人的眼睛只能分辨16个灰阶；个灰阶；CT值相差值相差125H人眼才能分辨；人眼才能分辨；返回返回窗口技术窗口技术:在整个灰度值中，仅仅选出感兴在整个灰度值中，仅仅选出感兴趣的有限部分的灰度值，把它扩展到整个显趣的有限部分的灰度值，把它扩展到整个显示器的屏幕上进行观察。这样，就可以把感示器的屏幕上进行观察。这样，就可以把感兴趣部分的灰度增强，把不感兴趣部分的灰兴趣部分的灰度增强，把不感兴趣部分的灰度压缩，致使感兴趣部分的图像的细节变得度压缩，致使感兴趣部分的图像的细节变得更加丰富清晰。更加丰富清晰。窗位窗位 任意选定一个任意选定一个CT值为窗口的中心。值为窗口的中心。窗宽窗宽 窗口上限窗口上限CT值与窗口下限值与窗口下限CT值值 之差。之差。返回返回X-CT图像的形成过程：图像的形成过程：1.对患者的某一部位进行扫描，经过计对患者的某一部位进行扫描，经过计算机计算获得算机计算获得nn个体素的吸收系数个体素的吸收系数(例如例如采取直接反投影法采取直接反投影法);2.利用公式计算出各个体素的利用公式计算出各个体素的CT值；值；3.根据实际情况选择窗位和窗口，将根据实际情况选择窗位和窗口，将CT值转变成灰阶。值转变成灰阶。返回返回例题四例题四:(411页页,16-12)XCT图像说明被观测层面的什么图像说明被观测层面的什么物理量的二维分布物理量的二维分布?答：答：物质的吸收系数物质的吸收系数 返回返回例题五例题五:(411页页,16-13)(1)什么叫窗宽什么叫窗宽?(2)什么叫窗位？什么叫窗位？(3)若窗宽为若窗宽为500，窗口上限为，窗口上限为400，则窗位为多少？可观测的，则窗位为多少？可观测的CT值范围是值范围是多少？多少？答：答：3。CT值的上限值的上限400H CT值的下限值的下限400 H-500H-100H 窗位下限窗宽窗位下限窗宽/2+150H CT值的范围：值的范围：-100H+400H返回返回5.X-CT的临床应用的临床应用X-CT主要用来诊断脑部疾病主要用来诊断脑部疾病.全身全身CT检查对血液循环系统和消化系统检查对血液循环系统和消化系统的动态检查、妇科病和心脏病等的诊断上不的动态检查、妇科病和心脏病等的诊断上不如其他方法如其他方法.近年来近年来,已经将已经将CT引入了放射治疗领域引入了放射治疗领域,通过可以定量地确定肿瘤的位置、大小、宽通过可以定量地确定肿瘤的位置、大小、宽度与周围组织的几何关系等度与周围组织的几何关系等.返回返回早期早期 X-CTX-CTX-CTX-CT 片片返回返回CT 扫描图像返回返回CT 扫描图像返回返回用 Marconi公 司 MX8000得到的肺动脉栓塞的X-CT 扫描图像返回返回（1）无重叠像.X-CTX-CT优势优势（2）空间分辨率和密度分辨率高（千分之一），能够真实地显示病变部位的解剖学结构.例如：软组织病变、血栓，等.（3）无痛，操作简单，快速，X-CTX-CT劣势劣势（1）只有密度或形态发生改变的病灶才适用，而对功能变化的组织和器官部适用.（2）仪器设备昂贵和庞大，限制了它的普及范围和一线应用.