X射线产生机制 .ppt

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1、物理教研室物理教研室物理教研室物理教研室 X X 射线（射线（X RayX Ray）第十章第十章（教材第（教材第16章）章）学习要求：学习要求：掌握：掌握：1X射线的衰减规律；射线的衰减规律；2X射线的医学应用原理；射线的医学应用原理；理解：理解：1X射线的特点及产生的微观机制；射线的特点及产生的微观机制；2 描述描述X射线强弱的基本物理量的意义；射线强弱的基本物理量的意义；了解：了解：1X射线产生的条件；射线产生的条件；2X射线在医学上的应用。射线在医学上的应用。难点难点重点重点伦琴（伦琴（Wilhelm Conrad RontgerWilhelm Conrad Rontger），德国科学家

2、。），德国科学家。18951895，发现了，发现了x-rays.x-rays.X射线的发现射线的发现人类破天荒第一次无损伤看到人体内部的解剖结构！人类破天荒第一次无损伤看到人体内部的解剖结构！人类破天荒第一次无损伤看到人体内部的解剖结构！人类破天荒第一次无损伤看到人体内部的解剖结构！伦琴夫人手骨伦琴夫人手骨X 线照片线照片 (1895年年12月月22日日)1901年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖第一节 X 射线的产生及基本性质The Produce and basic Character of X rays靶物质靶物质电子源电子源h 3h 2h 1高速运动的电子受障碍物阻止，由于它们相互作用产

3、生高速运动的电子受障碍物阻止，由于它们相互作用产生X X射线。射线。轫致辐射（碰撞法）：用高速电子流轰击阳轫致辐射（碰撞法）：用高速电子流轰击阳极靶而获得。极靶而获得。一一 连续连续X射线的产生射线的产生（一）连续X射线谱1.X 射线的产生的条件射线的产生的条件1）高速运动的电子流）高速运动的电子流；2）适当的障碍物）适当的障碍物 靶靶(target)阳极阳极阴极阴极窗口窗口1）X 射线管射线管2）低压电源）低压电源 3）高压电源）高压电源4）整流电路）整流电路 2.X射线的产生装置射线的产生装置(高度真空的玻璃管高度真空的玻璃管)(灯丝、电子射线，灯丝、电子射线，5 10 伏伏)(加速电场，

4、万伏加速电场，万伏)(将交流电变成直流电将交流电变成直流电)管电压管电压管电流管电流靶靶截止频率：截止频率：电子在行进中急剧减速而发出电子在行进中急剧减速而发出X X射线射线3.X射线的本质射线的本质如果只有一部分动能变为光子的能量：如果只有一部分动能变为光子的能量：X X射射线线的的本本质质：波波长长极极短短，能能量量极极高高的的电电磁磁波波。波波长长范范围围大大致致为为0 0.0 00 01 1-1 10 0n nm m，频频率率范范围围大大致致为为3 31 10 01 16 6H Hz z-3 31 10 02 20 0H Hz z （二）标识（二）标识X X射线（辐射法）射线（辐射法）

5、1.X线谱线谱 X X线谱线强度与波长的关系：线谱线强度与波长的关系：(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）特征特征X X线谱线谱(线状）线状）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,而在而在利用光谱研究物质结利用光谱研究物质结构中使用特征构中使用特征X X线线.X X线谱的组成：线谱的组成：2.2.标识标识X X射线原理射线原理钼靶钼靶（三）X 射线的强度和硬度1.X射线的强度射线的强度（Intensity of X Rays）单位时间内通过与射线方向垂直的单位面单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量（积的辐射能量（W.m-2）。）。

6、管电流管电流 光子数光子数N 强度强度I 管电压管电压 光子频率光子频率 强度强度I 管电压一定时，常用管电流的毫安数（管电压一定时，常用管电流的毫安数（mAmA）表）表示示X X射线强度，如射线强度，如50 mA50 mA，100 mA100 mA等等。2.X 射线的硬度（Hardness of X Rays）X射线的贯穿本领。射线的贯穿本领。医学上常用管电压的千伏数（医学上常用管电压的千伏数（KVKV）来表）来表示示X X射线的硬度射线的硬度(如如50KV,100KV50KV,100KV等等).).管电压管电压 电子速度电子速度v 光子频率光子频率 贯穿本领贯穿本领指指X射线的贯穿本领，决

7、定于射线的贯穿本领，决定于h，与，与N无关无关3.X射线的分类（根据硬度）射线的分类（根据硬度）.名称名称管电压管电压（KV）最最短波短波长长（nm）主要用途主要用途（目前多用于诊断，（目前多用于诊断，不用于治疗）不用于治疗）极软极软X射线射线5200.250.062软组织摄影、表皮软组织摄影、表皮治疗治疗软软X射线射线201000.0620.012透视和摄影透视和摄影硬硬X射线射线1002500.0120.005较深组织治疗较深组织治疗极硬极硬X射线射线250以上以上0.005以下以下深组织治疗深组织治疗二.X 射线的基本性质1.贯穿本领贯穿本领(penetrability)；2.荧光荧光(

8、fluorescence)作用作用；3.光化学光化学(photochemistry)作用作用；4.生物效应生物效应(biologic effect)；5.电离电离(ionization)作用；作用；（Radiography of X-ray）第二节 X射线的成像一、介质对一、介质对 X 射线的衰减规律射线的衰减规律(The attenuation of X-ray with matter)介质介质介质介质X X X X 射线射线射线射线入射入射入射入射X X射线射线射线射线 反射射线反射射线反射射线反射射线透射透射透射透射X X射线射线射线射线 吸收吸收吸收吸收1.物理模型分析：物理模型分析：

9、成像成像要素要素X射线经物质后减弱的原因：吸收和散射射线经物质后减弱的原因：吸收和散射2.单色X射线的衰减规律（The attenuations laws of single wave length X-ray）衰减规律衰减规律II-dI dx介质元介质元介质元介质元衰减衰减衰减衰减dIdII 衰减为一半时对应衰减为一半时对应的物质厚度为半价层的物质厚度为半价层3.衰减系数衰减系数 (attenuation coefficient)，衰减量，衰减量，透过量，透过量。Z，衰减量，衰减量，透过量，透过量。，衰减量，衰减量，透过量，透过量。K：大致是一个常数；：大致是一个常数；：吸收物质密度；：吸收

10、物质密度；：通常：通常34；对水、空气、人体组织，；对水、空气、人体组织，3.5。线性衰减系数线性衰减系数质量衰减系数：质量衰减系数：Z愈大，愈大，m就大就大 短，短，m小，贯穿本领强。小，贯穿本领强。质量衰减系数：质量衰减系数：质量厚度：质量厚度：某些物质的衰减系数某些物质的衰减系数(m2.kg-1)空气空气水水肌肉肌肉骨骨碘碘等效等效Z能量能量(MeV)7.67.47.412.71310.0100.4820.4990.5092.04.010.0200.06910.0710.0730.2680.5易透性组织易透性组织中等透性组织中等透性组织不易透性组织不易透性组织低低组织组织中中组织组织高高

11、组织组织气体气体脂肪组织脂肪组织结缔组织结缔组织肌肉组织肌肉组织软骨软骨血液血液骨骼骨骼4.人体组织器官按照衰减系数的大小分为三类人体组织器官按照衰减系数的大小分为三类.THINkING 成像的物理基础：成像的物理基础：根本原因在于差异！根本原因在于差异！人体不同组织之间衰减系数和厚度的差别是产人体不同组织之间衰减系数和厚度的差别是产生影像对比的基础，是生影像对比的基础，是X线成像的基本条件。线成像的基本条件。一定一定5.X射线影像形成的主要条件射线影像形成的主要条件1 1、X X射线应具有一定的穿透力射线应具有一定的穿透力2 2、被穿透的组织必须存在衰减系、被穿透的组织必须存在衰减系数和厚度

12、的差异数和厚度的差异3 3、显像、显像二二.X 射线成像射线成像（Radiography of X-ray）X 线线 胶胶 片片白白荧荧 光光 屏屏黑黑灰灰透射透射X线线（气管）（气管）低低组织组织（肌肉）（肌肉）中中组织组织（骨）（骨）高高组织组织灰灰白白黑黑1.普通普通 X 射线成像射线成像普通普通 X 射线透视射线透视普通普通普通普通 X X 射线摄影（射线摄影（射线摄影（射线摄影（X X光片）光片）光片）光片）存贮保管难存贮保管难!取片查询难取片查询难!后期处理难后期处理难!远程传输难远程传输难!普通普通普通普通 X X 射线成像的缺点射线成像的缺点射线成像的缺点射线成像的缺点2.数字

13、化数字化 X 射线成像射线成像计算机计算机处理处理存贮器存贮器(D/A)转换转换显显示示打打印印检检 测测 器器(模拟信号模拟信号)数字化设备数字化设备(A/D转换转换)8 10 10 9 2 0 2 8 8 10 6 1 3 8 4 8 1 0 1 0 0 9 10 5 10 4 4 5 6 0 10 10 3 9 8 5 6 7 5 10 9 1 8 9 4 0 1 6 10 10 2 9 10 2 0 0 2 7 4 1 3 4 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0数字化数字化 X 射线成像优点射线成像优点存储存储显示显示/打印打印远程传输远程传

14、输图像处理图像处理血管阻塞血管阻塞第三节.X 射线造影及减影（The Angiography and DSA of X-The Angiography and DSA of X-rayray）1.造影造影(Angiography)将造影剂注入人体内某腔室或管道，将造影剂注入人体内某腔室或管道，人为增加其与周围组织的差异，从而人为增加其与周围组织的差异，从而显示其形态。显示其形态。血管阻塞血管阻塞 动脉血管造影动脉血管造影某些物质的质量衰减系数某些物质的质量衰减系数(m2.kg-1)空气空气水水肌肉肌肉骨骨碘碘等效等效Z能量能量(MeV)7.67.47.412.71270.0100.4820.4

15、990.5092.04.010.0200.0690.0710.0730.2680.5冠状动脉造影冠状动脉造影2.减影(Subtraction)造影前图像造影前图像A造影剂充盈图像造影剂充盈图像B减影后的图像减影后的图像ABABAB造影前图像造影前图像造影剂充盈图像造影剂充盈图像减影后的图像减影后的图像X射线射线 原像原像本底图象本底图象数字信号数字信号存储信号存储信号1第一次照射第一次照射第二次照射第二次照射X射线射线血管注入造影剂血管注入造影剂存储信号存储信号2用用X射线两次照射人体射线两次照射人体存储信号存储信号2 存储信号存储信号1=清晰的血管图像清晰的血管图像数字减影血管造影数字减影血

16、管造影（DSA，Digital Subtraction Angiography）CC（t）21246810t（秒）（秒）本底本底减影图像减影图像图像顺序图像顺序510152025 3.DSA的基本方法的基本方法时间减影：血管内造影剂浓度时间分布血管内造影剂浓度时间分布时时间间减减影影技技术术 将不同时间拍摄的统一部位的影像相将不同时间拍摄的统一部位的影像相减，来判断病灶。减，来判断病灶。4.血管造影介入治疗系统 广泛应用于神经外科、心脏内科、肿瘤、广泛应用于神经外科、心脏内科、肿瘤、腹部脏器官、骨科、泌尿科、妇科的介入治疗。腹部脏器官、骨科、泌尿科、妇科的介入治疗。美中不足美中不足：血管的深度

17、信息没有得到体现。信息不够全面。血管的深度信息没有得到体现。信息不够全面。存在所谓的遮挡效应。存在所谓的遮挡效应。N1 N2 N3 Nn 1 12 23 3n nxxxm mxI I0 0I In nI Im-1m-1I Im mx 加数交换次序其和不变！加数交换次序其和不变！X-ray computer tomography如何获得断层图像？如何获得断层图像？1917年奥地利数学家雷当（年奥地利数学家雷当（Radon）1963年美国物理学家柯马克（年美国物理学家柯马克（A.M.Cormack）第四节.X-CT 的基本原理(The basic principle of X-ray comput

18、er tomography)3746？5(1974)Hounsfield和和Cormack共同获得了共同获得了1979年的诺贝尔生理和医学奖。年的诺贝尔生理和医学奖。computer物物理理数数学学工工程程信息信息技术技术+=CT一次扫描需一次扫描需45分钟分钟 30120秒秒 2.5秒秒 1秒秒 1/100 秒秒一次扫描断层数一次扫描断层数1248163264 更更 快快 速速(1974)(2006)更更 清清 晰晰二维图像二维图像 更更 直直 观观三维图像三维图像多多个个腰腰椎椎横横突突骨骨折折GE公司的宝石（公司的宝石（500排）排）CT肺重建图像肺重建图像普通普通X射线治疗机射线治疗机

19、主要用于治疗皮肤肿瘤主要用于治疗皮肤肿瘤第五节.X 射线用于治疗 X射线刀射线刀 主要用于各器官、组织肿瘤的放射治疗主要用于各器官、组织肿瘤的放射治疗第六节第六节 防防 护护 X X射线对生物组织有破坏作用，过量照射会引起白血射线对生物组织有破坏作用，过量照射会引起白血病、角化病及毛发脱落。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、含铅胶皮裙和铅板、含铅玻璃、含铅胶皮裙和手套以及混凝土等。手套以及混凝土等。产生、性质产生、性质衰减规律衰减规律X射线成像射线成像X射线射线普通普通X射线成像射线成像及其数字化及其数字化造影、减影造影、减影XCTSummaryPrepa

20、ration教材第十七章教材第十七章 原子核与放射性原子核与放射性homework教材第教材第283页：页：16-5，16-6，16-8，16-9，16-10练习练习（1）标识）标识X射线的波长决定于（射线的波长决定于（）A、管电流的强弱、管电流的强弱 B、管电压的高低、管电压的高低C、阳极靶的材料、阳极靶的材料 D、阳极靶的面积、阳极靶的面积（2）连续）连续X射线的最短波长与什么因素有关（射线的最短波长与什么因素有关（）A、与管电流有关、与管电流有关 B、与散热装置有关、与散热装置有关 C、与管电压有关、与管电压有关 D、与靶材料有关、与靶材料有关练练 习习 （3）.用管电流的毫安数表示用管

21、电流的毫安数表示X射线的强度是射线的强度是 因为（因为（）A、管电流的毫安数就是打在靶上的电子数、管电流的毫安数就是打在靶上的电子数 B、管电流的毫安数就是、管电流的毫安数就是X射线的光子数射线的光子数 C、管电流的毫安数就、管电流的毫安数就X射线的辐射强度射线的辐射强度 D、X射线的辐射强度与管电流成正比射线的辐射强度与管电流成正比。练练 习习（4）X射线管的管电压一般为（射线管的管电压一般为（）A、几十伏到几百伏、几十伏到几百伏 B、几百伏到几千伏、几百伏到几千伏 C、几万伏到几十万伏、几万伏到几十万伏 D、几十万伏到几千万伏、几十万伏到几千万伏（5）X射线的贯穿本领决定于（射线的贯穿本领

22、决定于（）A、X射线的强度射线的强度 B、X射线的硬度射线的硬度 C、照射物质时间长短、照射物质时间长短 D、靶材料面积大小、靶材料面积大小（6）极硬）极硬X射线的最短波长的范围为（射线的最短波长的范围为（）A、大于、大于0.62；B、小于、小于0.12 C、小于、小于0.05 D、大于、大于0.05（7 7）物质对一定波长）物质对一定波长X X射线的吸收系数与物质的原射线的吸收系数与物质的原子序数的关系是子序数的关系是 A A、原子序数愈大吸收系数愈大、原子序数愈大吸收系数愈大 B B、原子序数愈大吸收系数愈小、原子序数愈大吸收系数愈小 C C、吸收系数与原子序数成正比、吸收系数与原子序数成正比 D D、吸收系数与原子序数成反比、吸收系数与原子序数成反比.练练 习习