《医学物理学》课件-X射线.ppt

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1、前前页页后后页页返返回回第十四章第十四章 X X射线射线前前页页后后页页返返回回一、本章要点一、本章要点1.1.掌握掌握X X射线强度和硬度的概念、掌握射线强度和硬度的概念、掌握X X射线射线谱及谱及X X射线产生的微观机制、掌握射线产生的微观机制、掌握X X射线的射线的衰减规律及应用衰减规律及应用.2.2.理解理解X X射线的基本性质、射线的基本性质、X X射线的衍射射线的衍射.3.3.了解了解X X射线机的基本组成及射线机的基本组成及X X射线在医学上射线在医学上的应用的应用.二、授课重点：吸收规律二、授课重点：吸收规律前前页页后后页页返返回回19011901年获首届诺贝年获首届诺贝尔尔物

2、理学奖物理学奖 18951895年，德国物理学家伦琴在年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线管的过程中，发现了研究阴极射线管的过程中，发现了一种穿透力很强的射线一种穿透力很强的射线.高高压压电电源源金属靶金属靶电子束电子束高速高速由于未知这种射线，称为由于未知这种射线，称为X X射线射线.X X 射射 线线前前页页后后页页返返回回第一张第一张X X射线照片射线照片:伦琴夫人的手骨伦琴夫人的手骨.X X射线在医学中的应用：射线在医学中的应用：透视、摄影、透视、摄影、X-CTX-CT、治、治疗等疗等.前前页页后后页页返返回回X X 射线透射线透视视X X 射线射线摄影摄影X X线计算机体层成像（线计算

3、机体层成像（X-CTX-CT）前前页页后后页页返返回回第一节第一节 X X射线的产生射线的产生1.X1.X射线产生的两个基本条件射线产生的两个基本条件:1)1)高速运动的电子；高速运动的电子；2)2)阻止电子运动的适当的障碍物阻止电子运动的适当的障碍物(靶靶).).一、X X射线的产生装置射线的产生装置电子流电子流靶靶前前页页后后页页返返回回2.X2.X射线产生装置射线产生装置1)X X射线管的构造射线管的构造：外壳外壳：硬质玻璃管，高真空硬质玻璃管，高真空.阴极：阴极：电子源，发射电子流（钨丝）电子源，发射电子流（钨丝）.阳极：阳极：靶，受高速电子轰击而辐射靶，受高速电子轰击而辐射X X射线

4、射线.阴极阴极阳极阳极金属靶金属靶电子束电子束高速高速X X 射射 线线前前页页后后页页返返回回2)X2)X射线机的基本线路：射线机的基本线路：mAT T2 2(降压变压器）降压变压器）T T1 1（升压变压器）（升压变压器）整整流流 X X射线管射线管管电流管电流i 管电压管电压 U U220VR低压电源低压电源高压电源高压电源 220V前前页页后后页页返返回回（1 1）低压电源与管电流（低压电源与管电流（mA)mA)：T T2 2降压降压-R-R-灯丝电流灯丝电流-热电子数量热电子数量-管电流管电流i(mA)(mA)（2 2）高压电源与管电压高压电源与管电压(kV)(kV)：T T1 1升

5、压升压-整流整流-X-X管直流高压管直流高压U U(kV)-)-电子获得高速电子获得高速 （3 3）X X射线的产生：射线的产生：高速电子撞击靶高速电子撞击靶-产生热能（产生热能（99%99%）和）和X X线能（线能（1%1%）要求要求:靶物质靶物质-熔点高且易散热、原子序数（熔点高且易散热、原子序数（Z Z）大）大.管电流：管电流：管电压：管电压：管电压管电压管电流管电流U(kV)i(mA)前前页页后后页页返返回回X X线的强度（线的强度（I）:定义：单位时间内通过与射线方向垂直定义：单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量的单位面积的辐射能量.N Ni i-单位时间通过垂直于射线方

6、向单位面积光子数；单位时间通过垂直于射线方向单位面积光子数；h hvi i-光子能量光子能量(单位单位:w.m:w.m-2-2)二、线的二、线的强度和硬度强度和硬度两个因素决定两个因素决定X X线强度：线强度：（2）光子数目光子数目NiX X线强度线强度光子能量光子能量hvi（1）X X线强度线强度X X线的量线的量.X X线的质线的质.前前页页后后页页返返回回1.X1.X线的量线的量X X线总辐射量线总辐射量的的定义：一定时间内通过与定义：一定时间内通过与射线方向垂直的单位面积的总能量射线方向垂直的单位面积的总能量.X X线总辐射量线总辐射量=管电流管电流照射时间照射时间=it t （单位（

7、单位:mA:mAS S）*医学上常将一定的管电压下管电流毫安医学上常将一定的管电压下管电流毫安数（数（mAmA）表示）表示.一次拍片的量：一次拍片的量：Q=20mA.s=200 0.1mA.s=50 照手的照手的X X曝光量曝光量:15:15毫安毫安0.020.02秒秒,就是就是0.30.3毫安秒毫安秒.例如：例如：前前页页后后页页返返回回2.X2.X线的质线的质-硬度（硬度（X X线的贯穿本领）线的贯穿本领）X X线线X X线线实质：实质：能量大的光子被物质吸收少，其贯穿能量大的光子被物质吸收少，其贯穿本领强，相应的射线硬度大本领强，相应的射线硬度大.A束B束医学上常用管电压的千伏数（医学上

8、常用管电压的千伏数（kVkV）表示）表示X X线硬度线硬度.前前页页后后页页返返回回X X线按硬度分类及主要用途线按硬度分类及主要用途CategoriesCategoriesTube Tube voltagevoltage (kV)(kV)ShortestShortestWavelengthWavelength (nmnm)UseUse极软极软 X-rayX-ray软软X-rayX-ray硬硬X-rayX-ray极硬极硬 X-rayX-ray5-205-2020-10020-100100-250100-250over 250over 2500.25-0.0620.25-0.0620.062-0

9、.0120.062-0.0120.012-0.0050.012-0.005below 0.005below 0.005软组织的软组织的X X线摄影线摄影X X线摄影和透视线摄影和透视浅表组织的治疗浅表组织的治疗深部组织的治疗深部组织的治疗前前页页后后页页返返回回第二节第二节 射线射线谱谱(X(X线谱示意图线谱示意图)连续连续X X线谱线谱(背景）背景）标识标识X X线谱线谱(线状）线状）X X线谱线强度与波长的关系：线谱线强度与波长的关系：研究研究X X线谱的目的：了解线谱的目的：了解X X线产生的机制线产生的机制.在医学应用中主在医学应用中主要使用要使用连续连续X X线线,而在而在研究物质结

10、构中使用研究物质结构中使用标识标识X X线线.X X线谱的组成：线谱的组成：前前页页后后页页返返回回+Ze+Ze10-10-10m10-15me光子光子（h）（原子半径）（原子半径）（原子核半径）（原子核半径）一、连续一、连续X X射线谱射线谱(continuousX-rays)高速电子撞击高速电子撞击阳极靶时，受靶中阳极靶时，受靶中原子核的库仑场作原子核的库仑场作用而速度骤减，电用而速度骤减，电子减少的动能转化子减少的动能转化为光子辐射出来为光子辐射出来.轫致辐射：轫致辐射：eee1.产生的机制产生的机制前前页页后后页页返返回回 高速电子进入靶高速电子进入靶内不同深度，损失内不同深度，损失的

11、动能有各种数值，的动能有各种数值，使射线使射线(光子光子)波长波长连续变化连续变化,形成连形成连续谱续谱.高速电子高速电子光子光子（h）光子光子（h）前前页页后后页页返返回回2.2.连续谱特性连续谱特性（1）每一种管电压下，每一种管电压下，存在一个存在一个短波极限短波极限；射；射线中含有大于短波极限线中含有大于短波极限的各个波长成分的各个波长成分.（2）随着管电压增大，随着管电压增大，短波极限和强度最大的短波极限和强度最大的波长都朝短波方向移动波长都朝短波方向移动.相相对对强强度度管电压管电压管电流管电流钨靶钨靶波长波长 钨靶的连续钨靶的连续X X射线谱射线谱前前页页后后页页返返回回短波极限的

12、产生短波极限的产生:高速电子的动能全部转化成高速电子的动能全部转化成辐射能辐射能.当一个电子的动能全部转化为一个光当一个电子的动能全部转化为一个光子辐射出来时，光子具有最大能量（子辐射出来时，光子具有最大能量（h maxmax)，相应的波长为最短相应的波长为最短 minmin.电子动能电子动能 每个管电压每个管电压,对应一个短波极限对应一个短波极限;管电压增大管电压增大,短波极限朝短波方向移动短波极限朝短波方向移动.短波极限（短波极限（minmin）的计算：）的计算：前前页页后后页页返返回回 钨在较高管电压下的钨在较高管电压下的X X线谱线谱二、标识二、标识X X射线谱射线谱(characte

13、risticX-rays)1.1.特点特点:每一种元素（靶）有一套特定波长的特征每一种元素（靶）有一套特定波长的特征X X线线谱，成为其标识谱，成为其标识.比如：条形码为商品的标识比如：条形码为商品的标识.K K系特征线系特征线*在较高管电压下出现在较高管电压下出现四条谱线；四条谱线；标识标识X X线谱：线谱：*随着管电压继续增高随着管电压继续增高,连续连续X X线谱明显变化线谱明显变化,而四而四条谱线的位置不变（即波条谱线的位置不变（即波长不变）长不变）.前前页页后后页页返返回回2.2.标识标识X X射线产生机制射线产生机制原子内部各壳层电子原子内部各壳层电子跃迁形成标识谱跃迁形成标识谱.高

14、速电子击出某个内层电子高速电子击出某个内层电子(如：如：K K壳层壳层电子电子)，产生空位；空，产生空位；空位由其它壳层电子位由其它壳层电子(如：如：L L，M M，N N或更外层电子或更外层电子)填补，电子在跃迁填补，电子在跃迁过程中发出一个光子，其能量等过程中发出一个光子，其能量等于两能级能量之差于两能级能量之差.从而形成确从而形成确定波长的线状定波长的线状X X射线谱射线谱.核核K(2e)L(8e)M(18e)N(32e)*标识标识X X射线谱应用：化学元素的分析射线谱应用：化学元素的分析.(高速电子高速电子)eK K系标识线系标识线eeeee eeee e 不同壳层电子填不同壳层电子填

15、补某壳层同一空位补某壳层同一空位时所辐射的标识谱时所辐射的标识谱组成一个线系组成一个线系.(光子光子)ee前前页页后后页页返返回回第一、二节第一、二节 小小 结结X X射线的射线的硬硬度度强度强度X射线谱射线谱连续射线谱连续射线谱轫致辐射轫致辐射标识标识X射线谱射线谱 原子内层出现空位原子内层出现空位,跃迁跃迁.X X射线产生射线产生高速运动的电子；高速运动的电子；适当的障碍物适当的障碍物.装置装置X射线管射线管低、高压电源，整流电路低、高压电源，整流电路条件是：条件是：前前页页后后页页返返回回X X射线的本质：射线的本质：X X线是从原子内部线是从原子内部发射出来的波长很发射出来的波长很短短

16、(0.00110nm)的高的高能量的能量的光子流光子流.第三节第三节 X X射线的基本性质射线的基本性质 X X线也是电磁波，线也是电磁波，具有具有电磁波电磁波的共的共同特性同特性.电磁波谱电磁波谱前前页页后后页页返返回回一、一、X X射线的基本性质射线的基本性质化学效应：化学效应：射线能使多种物质发生光化学反应，射线能使多种物质发生光化学反应，使照相底片感光使照相底片感光.X.X射线射线摄影摄影的基础的基础.生物效应：生物效应：射线照射使生物体发生电离和激发，从射线照射使生物体发生电离和激发，从而使细胞受到损伤，生长受到抑制，甚至使细胞坏死而使细胞受到损伤，生长受到抑制，甚至使细胞坏死等效应

17、等效应.放射放射治疗治疗基础基础.同时要注重防护射线同时要注重防护射线.3.3.电离作用：射线使物质原子、分子发生电离。电离作用：射线使物质原子、分子发生电离。测量测量 X X射线的基础射线的基础.2.2.荧光作用：射线照射使某些物质发出荧光荧光作用：射线照射使某些物质发出荧光,在医在医 学上用于学上用于透视透视 .1.1.贯穿本领：射线能够贯穿本领：射线能够穿透穿透物质物质.物理效应：物理效应：前前页页后后页页返返回回*射线被衰减射线被衰减光子被物质吸收；光子被物质吸收；光子被物质散射光子被物质散射.I0I一、单能一、单能X X线的衰减规律线的衰减规律I I0 0-入射线强度入射线强度I I

18、-透射线强度透射线强度x-射线透过的厚度射线透过的厚度-物质的线性衰减系数物质的线性衰减系数x第四节第四节 X X射线的衰减规律射线的衰减规律xI0I0前前页页后后页页返返回回（线性衰减系数）（线性衰减系数）*物理意义：描写物质对物理意义：描写物质对X X线衰减快慢的物理量线衰减快慢的物理量.物质的物质的 越大，越大，X X射线衰减越快射线衰减越快.(单位：单位：cm-1或或m-1)多层物质的总衰减系数：多层物质的总衰减系数：I I0 0I I1 1I I2 2I I3 3I I4 41234xI Io oI Io o 大大 小小x(投影值投影值)前前页页后后页页返返回回m(质量衰减系数质量衰

19、减系数)xm m（质量厚度）（质量厚度）（mass thicknessmass thickness）:*定义：定义：xm m=x（单位面积中，厚度为单位面积中，厚度为x 的吸的吸 收层的质量）收层的质量）*单位：单位：g/cm2（m m与与 无关，无关，m m大则衰减快）大则衰减快）(与物质密度与物质密度 的关系：的关系：正比正比 )*定义定义：单位单位：cm2/g*衰减规律第二形式：衰减规律第二形式：前前页页后后页页返返回回半价层半价层x1/2 1/2 (halfvaluelayer):*定义定义：物质对物质对X X射线强度衰减到一半的厚度射线强度衰减到一半的厚度.物理意义：物理意义：物质的

20、物质的x1/21/2或或xm1/21/2越小越小,则对则对X X射线衰减越快射线衰减越快.*表式：表式：（单位：（单位：cm）（单位（单位:g/cm2 ）*衰减规律第三形式：衰减规律第三形式：前前页页后后页页返返回回 二、质量衰减系数与射线波长及二、质量衰减系数与射线波长及物质原子序数的关系物质原子序数的关系 m m=KZKZ 3 31.1.有效原子序数有效原子序数(Z)(Z)愈高的物质，对愈高的物质，对X X射线衰减愈强射线衰减愈强K K：常：常 数数 Z Z：原子序数：原子序数：医学上为：医学上为 3-43-4：X X射线波长射线波长由此得到影响由此得到影响X X射线衰减的因素的两个结论：

21、射线衰减的因素的两个结论：*X*X光透视与摄影光透视与摄影:骨骨(Ca,P)对对X X射线的衰减射线的衰减 大于大于 软组织软组织(C,H,O)对对X X射线的衰减射线的衰减骨在透视荧光屏中呈暗影骨在透视荧光屏中呈暗影;在摄影胶片在摄影胶片(底片底片)中呈亮影中呈亮影.前前页页后后页页返返回回*造影术造影术:血管造影，胃肠造影（血管造影，胃肠造影（“钡餐钡餐”）等）等.*防护材料防护材料:铅块铅块(Z=82)(Z=82)食管钡餐造影：左图为充盈相，右图为粘膜相食管钡餐造影：左图为充盈相，右图为粘膜相.造影后造影后造影前造影前(钡钡Z=56)Z=56)前前页页后后页页返返回回*X X射线硬化与滤

22、线板：射线硬化与滤线板：滤线板滤线板：铜板、铝板或铜板和铝板合并铜板、铝板或铜板和铝板合并(先铜后铝先铜后铝).硬化硬化：X X射线经过铜板或铝板后软成分射线经过铜板或铝板后软成分(长长)被吸收多，被吸收多，得到的得到的X X射线硬度高射线硬度高(短短)，射线谱范围窄，射线谱范围窄.滤线板的作滤线板的作用用：硬化硬化X X射线射线.2.X2.X射线波长射线波长()愈长，愈容易被物质吸收衰减愈长，愈容易被物质吸收衰减浅部治疗：浅部治疗：长；长；深部治疗：深部治疗：短短X X线源线源铅准直器铅准直器被照射体被照射体探测器探测器滤线板滤线板前前页页后后页页返返回回一、诊一、诊 断断第五节第五节 X

23、X 射线的医学应用射线的医学应用1.X 射线透射线透视视荧光透视荧光透视（fluoroscopyfluoroscopy）：）：简称透视简称透视.强度均匀强度均匀的的X X射线投照人体射线投照人体,由由于人体内不同部分对于人体内不同部分对射线衰减不同射线衰减不同,使透使透过人体的射线强度不过人体的射线强度不均匀均匀,投射到荧光屏投射到荧光屏后显示出明暗不同的后显示出明暗不同的荧光图像荧光图像.前前页页后后页页返返回回2.X2.X线摄影线摄影X X射线透过人体后射线透过人体后投射到照相底片投射到照相底片上，底片感光显上，底片感光显像后可观测到明像后可观测到明暗不同的图像暗不同的图像.前前页页后后页

24、页返返回回3.X3.X射线造影术：射线造影术：给器官或病灶注射衰减系数较给器官或病灶注射衰减系数较大或较小的物质来增加它与周围组织的对比以便清大或较小的物质来增加它与周围组织的对比以便清晰显像晰显像.造影剂：阳性造影剂、阴性造影剂造影剂：阳性造影剂、阴性造影剂.粘膜相粘膜相(造影前造影前)充盈相充盈相 (造影后造影后)钡灌肠钡灌肠前前页页后后页页返返回回 通过图像处理器将通过图像处理器将“原像原像”和和“造影像造影像”相减相减,从造影像中减去原像从造影像中减去原像,使造影的血使造影的血管图像保留下来而减影除去无关的组织影管图像保留下来而减影除去无关的组织影像像.血管造影前血管造影前血管造影后血

25、管造影后 血管数字减影处理后血管数字减影处理后4.数字减影血管造影数字减影血管造影(DSA):前前页页后后页页返返回回 应用物理技术和计算机处理，测定应用物理技术和计算机处理，测定X X射线的衰射线的衰减系数在人体中某断层面上的二维分布矩阵，利减系数在人体中某断层面上的二维分布矩阵，利用图像重建原理用图像重建原理,获得该断层面图像获得该断层面图像.5.X射线计算机断层成像（射线计算机断层成像（X-CT)：(X-raycomputedtomography)前前页页后后页页返返回回二、治疗二、治疗治疗癌症治疗癌症：X X射线对人体组织的电离作用，直接破射线对人体组织的电离作用，直接破坏细胞，尤其对

26、分裂旺盛的癌细胞坏细胞，尤其对分裂旺盛的癌细胞.刀刀-2121世纪治疗肿瘤新技术世纪治疗肿瘤新技术:在图像引导下在图像引导下,利用三维利用三维立体定向原理将直线加速器产生立体定向原理将直线加速器产生的高能的高能X X射线从空间三维方向上聚射线从空间三维方向上聚焦集中照射到病灶的一种新技术，焦集中照射到病灶的一种新技术，由于由于X X射线能够准确的按照肿瘤的射线能够准确的按照肿瘤的生长形状照射，使肿瘤组织和正生长形状照射，使肿瘤组织和正常组织之间形成整齐的边缘，像常组织之间形成整齐的边缘，像用手术刀切除的一样用手术刀切除的一样,故称为故称为“X-X-刀刀”.刀（也称光子刀）是一种立体定向放射治疗

27、技术刀（也称光子刀）是一种立体定向放射治疗技术.前前页页后后页页返返回回三、防护三、防护 X X射线对人体组织有破坏作用，过量照射线对人体组织有破坏作用，过量照射会引起白血病、角化病及毛发脱落射会引起白血病、角化病及毛发脱落.常用的防护物品有常用的防护物品有：铅板、含铅玻璃、铅板、含铅玻璃、含铅胶皮裙和手套以及混凝土等含铅胶皮裙和手套以及混凝土等.前前页页后后页页返返回回第三、四节小结电离作用电离作用 荧光作用荧光作用光化学作用光化学作用生物效应生物效应 贯穿作用贯穿作用X X射线的特性射线的特性X X射线的衍射射线的衍射单色单色X X射线的射线的衰减规律衰减规律I I=I I0 0 e exI I=I I0 0 e em m X Xm mm m=K =K Z Z3 3X X射线透视、摄影的依据？射线透视、摄影的依据？用什么物质作防护材料？用什么物质作防护材料？X X射线如何硬化？射线如何硬化？前前页页后后页页返返回回作作 业业P306:5、7、9、10结束结束