醫(yī)用物理學(xué) 第2版 課件 第14章 X射線

第十四章

X射線2025/3/27本章主要內(nèi)容X射線的產(chǎn)生、強(qiáng)度和硬度

X射線譜：連續(xù)X射線譜、標(biāo)識(shí)X射線譜X射線的吸收：?jiǎn)紊玐射線的吸收規(guī)律、半價(jià)層

X射線的性質(zhì)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用2025/3/27倫琴倫琴W.K.RontgenW.K.Rontgen(1845~1923)(1845~1923)1901年獲首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)由于對(duì)這種射線本質(zhì)等不了解，稱為X射線。1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線(高速運(yùn)動(dòng)的電子流）的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一種穿透力很強(qiáng)的射線。+高壓電源金屬靶電子流高能X射線RadiographofthehandofMrs.RontgentakenonDecember22nd,1895.(Bertha'shandwitharing)X

射線透視X

射線攝影X線計(jì)算機(jī)體層成像（X-CT）一、X射線的產(chǎn)生裝置1.X射線產(chǎn)生的兩個(gè)基本條件:1).高速運(yùn)動(dòng)的電子流；2).阻止電子運(yùn)動(dòng)的適當(dāng)?shù)恼系K物(靶)。2.X射線產(chǎn)生裝置X射線管：由陰極和陽(yáng)極靶材料真空密封構(gòu)成，使高能電子撞

擊到靶材料上產(chǎn)生X射線陰極陽(yáng)極+金屬靶低壓電源：加熱陰極的鎢絲釋放熱電子。高壓電源：提供管電壓，使電子加速獲得很大的動(dòng)能。低壓電源高壓電源X射線管mAT2(降壓變壓器）T1（升壓變壓器）整流

X射線管管電流I

管電壓KV220VR低壓電源V量級(jí)高壓電源kV量級(jí)

220V+_X射線機(jī)的電路圖+管電壓管電流U(kV)i(mA)X射線管電流i

：X射線管電壓U

：（1）低壓電源與管電流i（mA)：

T2降壓-->R-->燈絲電流-->熱電子數(shù)量-->管電流i(mA)（2）高壓電源與管電壓U(kV)：

T1升壓-->整流-->X管直流高壓U(kV)-->電子獲得高速（3）高速電子撞擊靶---->產(chǎn)生熱能（>99%）和X線能（<1%）理論和實(shí)踐證明：當(dāng)速度（管電壓）、數(shù)量相同的電子（管電流）轟擊陽(yáng)靶時(shí)，產(chǎn)生X光子的數(shù)量和光子能量與靶材料的Z2成正比。靶物質(zhì)：熔點(diǎn)高且易散熱、原子序數(shù)（Z）大。如

Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等散熱方法：

散熱片通風(fēng)冷卻中空陽(yáng)極，通入流動(dòng)冷卻油二、X線的強(qiáng)度與硬度1.X線的強(qiáng)度（I）:

（1）定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)與射線方向垂直的單位面積的X射線的能量。兩個(gè)決定因素：每個(gè)光子所具有的能量；靶在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出X光子的數(shù)目。Ni能量為hνi的光子數(shù)。單位為W.m-2①增加管電流，使單位時(shí)間內(nèi)轟擊陽(yáng)極靶的高速電子數(shù)目增多，從而增加所產(chǎn)生的光子數(shù)目N；②增加管電壓，可使每個(gè)光子的能量增加。

（2）增加X(jué)射線強(qiáng)度的方法

（3）實(shí)際應(yīng)用中表示方法①光子數(shù)不易測(cè)，通常采用管電流的毫安數(shù)來(lái)表示X射線的強(qiáng)度。人體進(jìn)行X射線診斷和治療時(shí)，必須嚴(yán)格考慮照射量的毫庫(kù)倫數(shù)。即：I

光子數(shù)電子數(shù)管電流②X射線的總輻射能量，一般用管電流與輻射時(shí)間的乘積表示（mA.s），其等于X射線管中電子流總電量的毫庫(kù)倫數(shù)。2.X線的硬度醫(yī)學(xué)上常用管電壓的千伏數(shù)（kV）表示X線硬度。管電壓U↑→電子動(dòng)能↑→撞出的光子能量h

↑→能量大的光子不容易被物質(zhì)吸收→越硬.

指X射線的貫穿本領(lǐng)，X射線的波長(zhǎng)越短(頻率高X射線光子的能量越大)，則貫穿本領(lǐng)越強(qiáng)，硬度越大。名稱管電壓（kV）最短波長(zhǎng)(nm)主要用途極軟X射線軟X射線硬X射線極硬X射線5～2020～100100～250250以上0.25～0.0620.062～0.0120.012～0.0050.005以上軟組織攝影、表皮治療透視和攝影較深組織治療深部組織治療定義：將X射線的強(qiáng)度按照波長(zhǎng)排列的圖譜

X線譜線強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系：強(qiáng)度波長(zhǎng)X線譜的組成：①連續(xù)X線譜較寬連續(xù)帶，含各種波長(zhǎng)成分強(qiáng)度較大的線狀離散尖峰

研究X線譜的目的：了解X線產(chǎn)生的原理。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中主要使用連續(xù)X線,而在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)中使用標(biāo)識(shí)X線.②標(biāo)識(shí)X線譜一、連續(xù)X射線譜1.產(chǎn)生機(jī)制軔致輻射:出現(xiàn)在管電壓較低時(shí)（低于50KV）

高速電子撞擊陽(yáng)極靶時(shí)，受靶中原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用而速度驟減，每個(gè)電子失去的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為一個(gè)光子輻射出來(lái)。e光子（h

）e+Ze10-10m10-15m（原子半徑）（原子核半徑）ee每個(gè)電子損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為一個(gè)X光子。高速電子光子（h

）光子（h’）

高速電子進(jìn)入靶內(nèi)，靠近原子核距離不同，受原子影響程度不同，損失的動(dòng)能有各種數(shù)值，使射線(光子)波長(zhǎng)連續(xù)變化,形成連續(xù)譜。形成連續(xù)譜的原因：2.連續(xù)譜特性相對(duì)強(qiáng)度λ（nm）20KV50KV30KV40KV（1）各管電壓下，強(qiáng)度從長(zhǎng)波開始，逐漸上升，達(dá)最大后，快速下降為零。（2）強(qiáng)度最大對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λmax和強(qiáng)度最小對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λmin均隨U↗而↘，向短波端移動(dòng)λmax（3）短波極限λmin與靶的物質(zhì)種類無(wú)關(guān)，僅與管電壓U有關(guān)，其關(guān)系為強(qiáng)度最小對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為短波極限設(shè)：管電壓為U，電子電量為e，則電子動(dòng)能為eU，當(dāng)電子的全部動(dòng)能轉(zhuǎn)換為一個(gè)X光子能量時(shí)，X光子具有的最大能量應(yīng)為短波極限λmin與管電壓U成反比，管電壓U越高，λmin越短例設(shè)X射線管電壓為100KV。問(wèn)電子撞擊陽(yáng)靶的速度多大？所產(chǎn)生連續(xù)X射線譜的最短波長(zhǎng)？解因?yàn)樗远?、?biāo)識(shí)X射線譜出現(xiàn)在管電壓較高時(shí)（大于70KV）

鎢在較高管電壓下的X線譜*隨著管電壓繼續(xù)增高,連續(xù)X線譜明顯變化,而四條標(biāo)識(shí)譜線的位置不變（即波長(zhǎng)不變），與管電壓無(wú)關(guān)。*臨床應(yīng)用主要是X射線的連續(xù)譜，標(biāo)識(shí)譜是多余的甚至是有害的，常將其濾去。*對(duì)于不同元素制成的靶，具有不同的X射線標(biāo)識(shí)譜，可作為元素的標(biāo)識(shí)，所以稱為“標(biāo)識(shí)X射線譜”。特征譜特性與靶材料有關(guān)與管電壓無(wú)關(guān)元素特征產(chǎn)生機(jī)制：靶原子內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的電子與陽(yáng)極靶內(nèi)某個(gè)原子的內(nèi)層電子作用,靶原子的內(nèi)層軌道電子吸收能量從靶原子中逸出,在原子的內(nèi)層電子中出現(xiàn)空位；外層電子向空位躍遷,并在躍遷過(guò)程中放出一個(gè)光子,光子能量為電子躍遷前后的能級(jí)差.躍遷

X光子能量h

=Em-En鉬元素標(biāo)識(shí)譜鎢元素標(biāo)識(shí)譜X射標(biāo)識(shí)譜的線系1.原子內(nèi)的能級(jí)從低到高可用K,L,M,N,O…標(biāo)記2.若K能級(jí)的電子被外來(lái)電子碰出，則高能級(jí)的電子前來(lái)補(bǔ)充這一空位，多余的能量以X射線輻射出去，分別形成Kα，Kβ，Kγ….形成K線系，其他同理。3.兩個(gè)能級(jí)離得越遠(yuǎn)，得到的x射線頻率越高，能量越大，越硬。例.試計(jì)算波長(zhǎng)0.71?(Mo-Kα)和1.54?(Cu-Kα)的X射線束，其頻率和每個(gè)光子的能量。

Mo靶X射線:Cu靶X射線:X射線連續(xù)譜和標(biāo)識(shí)譜連續(xù)譜高速運(yùn)動(dòng)的電子能量轉(zhuǎn)換為X射線光子強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，包含各種波長(zhǎng)成分醫(yī)學(xué)上采用標(biāo)識(shí)譜高能級(jí)電子向低能級(jí)躍遷向外輻射X射線光子特定波長(zhǎng)處有離散尖峰，且強(qiáng)度較強(qiáng)元素分析，晶體結(jié)構(gòu)解析等名稱產(chǎn)生原因特征用途一、X射線吸收的原因第三節(jié)X射線的吸收（1）光電效應(yīng)X光子與物質(zhì)原子中的內(nèi)層束縛電子發(fā)生作用，光子被完全吸收，電子脫離原子的束縛。光電子條件：當(dāng)X光子能量等于或略高于內(nèi)層電子的脫出功，產(chǎn)生光電效應(yīng)。

光電效應(yīng)同時(shí)伴隨著標(biāo)識(shí)X射線的產(chǎn)生。光電效應(yīng)的本質(zhì)是電離!電離:將電子從基態(tài)激發(fā)到脫離原子現(xiàn)象：當(dāng)頻率一定的光照到金屬表面，可產(chǎn)生光電子；而較低頻率，增加光強(qiáng)依然不能產(chǎn)生光電子。（2）康普頓散射（或康普頓效應(yīng)）當(dāng)能量較高的X光子與自由電子或原子中的外層電子碰撞時(shí)，X光子損失一部分能量，并改變運(yùn)動(dòng)方向，電子獲得能量脫離原子成為反沖電子，光子的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，這個(gè)過(guò)程稱為康普頓散射。當(dāng)能量較高的X光子與原子中的內(nèi)層電子碰撞時(shí)，X光子無(wú)能量損失，僅改變運(yùn)動(dòng)方向，這個(gè)過(guò)程稱為瑞利散射?？灯疹D散射也產(chǎn)生電離！（3）電子偶效應(yīng)當(dāng)入射光子的能量大于電子的靜止能量的兩倍時(shí)（1.022MeV），光子的能量在原子核附近將全部的能量轉(zhuǎn)化為正、負(fù)電子對(duì)，光子消失。二、單色X射線的吸收/衰減規(guī)律I0Id

對(duì)單色X射線，通過(guò)物質(zhì)時(shí)的衰減服從指數(shù)規(guī)律：I0：入射x射線強(qiáng)度I：透射x射線強(qiáng)度d：物質(zhì)厚度μ：線性吸收系數(shù)（又稱為線性衰減系數(shù)）

*

反映物質(zhì)對(duì)X線吸收能力大小的物理量。物質(zhì)的μ

越大，I越小，X射線衰減（被吸收）越快。推導(dǎo)過(guò)程Oxx+dxdxI0II-dIμ：線性吸收系數(shù)（又稱為線性衰減系數(shù)）滿足線性關(guān)系＊半價(jià)層：X射線在某種物質(zhì)中強(qiáng)度減少一半所通過(guò)的厚度，稱為該物質(zhì)的半價(jià)層。

物質(zhì)的d1/2越小,μ越大，則對(duì)X射線衰減越快。穿過(guò)一個(gè)半價(jià)層，強(qiáng)度減半；同一X射線穿過(guò)不同物質(zhì)時(shí)，半價(jià)層不同。＊半價(jià)層表征X射線吸收關(guān)系dIIOI0Ixd＊線性吸收系數(shù)

μ：表示物質(zhì)對(duì)X射線吸收能力的大?。?）與物質(zhì)種類有關(guān)（2）與入射光波長(zhǎng)有關(guān)，λ↗μ↗（3）與物質(zhì)密度有關(guān)，

ρ↗，強(qiáng)度損失↗，μ↗＊質(zhì)量吸收系數(shù)dm=ρd----質(zhì)量厚度表示單位面積，厚度為d的吸收物的質(zhì)量單位面積d便于比較不同物質(zhì)對(duì)X射線的吸收差異。質(zhì)量吸收系數(shù)與物質(zhì)密度無(wú)關(guān)。三.質(zhì)量衰減系數(shù)與射線波長(zhǎng)及物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系實(shí)驗(yàn)證明：醫(yī)學(xué)常用低能X射線，各種元素的吸收系數(shù)近似等于：（a≈4）（1）對(duì)一定波長(zhǎng)λ

的X射線，Z↗→μm

↗*X光透視與攝影:肌肉：μm≈

0.079（管電壓為20KV）骨骼：Ca3(PO4)2μm≈

0.278骨在透視熒光屏中呈暗影;在攝影膠片(底片)中呈亮影。人工造影—消化道,硫酸鋇(56)鋇餐造影即消化道鋇劑造影，是指用硫酸鋇作為造影劑，在X線照射下顯示消化道有無(wú)病變的一種檢查方法。含鉛玻璃鉛(82)—很好的防護(hù)材料鉛板現(xiàn)代防護(hù)服（2）對(duì)一定物質(zhì)（Z一定），λ↗→μm

↗硬度↘*X射線硬化與濾線板：硬化：X射線經(jīng)過(guò)銅板或鋁板后軟成分(

長(zhǎng))被吸收，得到的X射線硬度高(

短)，射線譜范圍窄。濾線板：銅板、鋁板或銅板和鋁板合并(先銅后鋁)。硬化X射線。X線源鉛準(zhǔn)直器被照射體探測(cè)器濾過(guò)板單色X射線通過(guò)多層物質(zhì)的衰減（投影值）例1.強(qiáng)度為I0

的X射線在某物質(zhì)中傳播10cm后，強(qiáng)度變?yōu)樵瓉?lái)的1/8，求吸收系數(shù)。解：例2.X射線在某物質(zhì)中傳播一段距離后強(qiáng)度變?yōu)樵瓉?lái)的1/64，求在該物質(zhì)中傳播了幾個(gè)半價(jià)層？解：一、X射線的性質(zhì)1.貫穿本領(lǐng)：X射線因其波長(zhǎng)短，能量大，照在物質(zhì)上時(shí)，僅一部分被物質(zhì)所吸收，大部分經(jīng)由原子間隙而透過(guò)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的穿透能力。X射線的本質(zhì)是電磁波，與可見(jiàn)光完全相同，僅是波長(zhǎng)短而已，波長(zhǎng)在0.001~10nm之間，波長(zhǎng)介于紫外線和射線之間。X射線和其它電磁波一樣，能產(chǎn)生反射、折射、散射、干涉、衍射等現(xiàn)象，除具有一般電磁波的性質(zhì)外，還具有如下特性：

2.熒光作用：X射線波長(zhǎng)很短不可見(jiàn)，但它照射到某些化合物如磷、鉑氰化鋇等時(shí)，可使物質(zhì)發(fā)光（稱為熒光）。熒光的強(qiáng)弱與X射線量成正比。這種作用是X射線應(yīng)用于透視的基礎(chǔ)，利用這種熒光作用可制成熒光屏，用作透視時(shí)觀察X射線通過(guò)人體組織的影像。

3.電離作用：射線使物質(zhì)原子、分子發(fā)生電離。在x射線作用下，空氣可導(dǎo)電。

4.光化學(xué)效應(yīng)：X射線使多種物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，如使照相底片感光。膠片感光的程度與X射線量成正比，當(dāng)X射線通過(guò)人體時(shí)，因人體各組織的密度不同，對(duì)X射線量的吸收不同，膠片上所獲得的感光度不同，從而獲得X射線的影像。5.生物效應(yīng)：X射線照射到生物機(jī)體時(shí)，由于電離作用，使生物細(xì)胞受到抑制、破壞甚至壞死，致使機(jī)體發(fā)生不同程度的生理、病理和生化等方面的改變。二、X射線的醫(yī)學(xué)應(yīng)用1、治療：臨床上主要用于對(duì)癌癥的治療治療機(jī)制：產(chǎn)生電離，誘發(fā)一系列生物效應(yīng)普通X線治療機(jī)：按敏感度分為三類：注意：應(yīng)盡量減少病人不必要的照射專業(yè)人員要注意防護(hù)如何最大限度提高腫瘤組織放射劑量、最大限度地減少對(duì)正常組織的放射損傷是治療腫瘤的關(guān)鍵問(wèn)題。而X刀成功地解決了普通放療存在的這一問(wèn)題。2.中等敏感度：皮膚和黏膜的鱗狀細(xì)胞瘤、惡性腺瘤1.敏感度高的腫瘤：惡性淋巴瘤、白血病、胚胎病3.對(duì)射線有抗拒作用：神經(jīng)膠質(zhì)瘤、肉瘤Ｘ刀（光子刀）是一種立體定向放射治療技術(shù)，它是通過(guò)在醫(yī)用加速器上安裝不同直徑大小的限束筒，將直線加速器產(chǎn)生的高能Ｘ線從空間三維方向上聚焦在精確設(shè)計(jì)的腫瘤組織上，殺滅腫瘤細(xì)胞。Ｘ刀它首先用ＣＴ或磁共振等現(xiàn)代影像技術(shù)，對(duì)體內(nèi)腫瘤進(jìn)行三維空間上的精確定位，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)算使從多方向射向腫瘤組織的X射線聚焦在腫瘤處，且焦點(diǎn)形狀與腫瘤形狀完全吻合。單條X射線對(duì)組織幾乎不產(chǎn)生影響，但從不同方向射向腫瘤處的多條X射線聚焦在腫瘤處，能量非常高，足以迅速將病灶處細(xì)胞徹底殺死，破壞這個(gè)病灶組織，由于治療后的病灶與周圍正常組織的分解很明顯，邊緣如同“刀割”，所以人們形象稱其為X-刀。2.診斷1）X射線透視強(qiáng)度均勻的X射線投照人體,由于人體內(nèi)不同組織對(duì)射線吸收不同,使透過(guò)人體的射線強(qiáng)度不均勻,投射到熒光屏后顯示出明暗不同的熒光圖像。2）X線攝影X射線透過(guò)人體后投射到照相底片上，底片感光顯像后可觀測(cè)到明暗不同的圖像。3）X射線造影術(shù)：給器官或病灶注射衰減系數(shù)較大或較小的物質(zhì)來(lái)增加它與周圍組織的對(duì)比以便清晰顯像。粘膜相(造影前)充盈相(造影后)鋇灌腸三、X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像裝置(X－CT)X-CT被公認(rèn)為70年代重大科技突破,Cormack,Hounsfiled于79年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)金。對(duì)軟組織分辨率能力差。多層螺旋CT掃描系統(tǒng)

—薄層掃描厚度0.5mmX-CT誕生是影像診斷技術(shù)發(fā)展的重要里程碑，它使X射線成像技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代并實(shí)現(xiàn)了真正的斷層成像使醫(yī)學(xué)界夢(mèng)寐以求的用無(wú)創(chuàng)傷方法攝取人體任一層面圖像的愿望變成了現(xiàn)實(shí)。X-CT成像原理：X-CT首先將成像區(qū)域分成若干薄層，如圖。

每一薄層又分成大量的體素。一般體素的大?。洪L(zhǎng)和寬約為1mm,厚度即層面厚度約為0.5~1mm.體素矩陣像素矩陣X-CT成像原理：X-CT是運(yùn)用物理技術(shù)，通過(guò)掃描，得到待成像層面大量的投影值，求解出各個(gè)體素的線性吸收系數(shù)值，將其轉(zhuǎn)換為CT值，根據(jù)CT值的大小決定體素所對(duì)應(yīng)像素的灰度，從而得到層面的CT圖像。X-CT圖像的本質(zhì)是層面線性吸收系數(shù)分布圖。X-CT的成像關(guān)鍵是如何得到成像層面各體素線性吸收系數(shù)的大小。以2×2層面為例掃描目的是獲得大量方程或投影值掃描與投影圖像重建的數(shù)學(xué)方法①聯(lián)立方程法：②反投影法：1234004646450155490033771350523513161922減基數(shù)10369121234化簡(jiǎn)

像素的CT值：

CT圖像由一定數(shù)量的從黑到白的不同灰度的小方塊組成，稱為像素。其灰度值與相應(yīng)體素的線性吸收系數(shù)大小有關(guān)，但在實(shí)際過(guò)程中采用與此相關(guān)、且能表達(dá)組織密度的數(shù)值來(lái)表示，稱為像素的CT值。其它人體組織的CT值在-1000到1000之間，吸收系數(shù)大于水的為正，小于水的為負(fù)

窗口技術(shù)：

人體CT值（-1000到1000）可分為2000個(gè)等級(jí)，這樣分得太細(xì)，眼睛無(wú)法分清兩個(gè)相鄰CT值對(duì)應(yīng)的灰度值，一般分為10到30個(gè)灰度等級(jí)即可，由10個(gè)灰度等級(jí)來(lái)表示2000和CT等級(jí)的話，每一個(gè)灰度級(jí)包括