《医学物理学》课件X射线.ppt

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1、第十四章 X射线,一、本章要点,1.掌握X射线强度和硬度的概念、掌握X射线谱及X射线产生的微观机制、掌握X射线的衰减规律及应用.2.理解X射线的基本性质、X射线的衍射.3.了解X射线机的基本组成及X射线在医学上的应用.二、授课重点：吸收规律,1901年获首届诺贝尔,物理学奖,由于未知这种射线，称为X射线.,X 射 线,第一张X射线照片:伦琴夫人的手骨.,X射线在医学中的应用：透视、摄影、X-CT、治疗等.,X 射线透视,X 射线摄影,X线计算机体层成像（X-CT）,第一节 X射线的产生,1.X射线产生的两个基本条件:,1)高速运动的电子；2)阻止电子运动的适当的障碍物(靶).,一、X射线的产生

2、装置,电子流,靶,2.X射线产生装置,1)X射线管的构造：外壳：硬质玻璃管，高真空.阴极：电子源，发射电子流（钨丝）.阳极：靶，受高速电子轰击而辐射X射线.,2)X射线机的基本线路：,mA,T2(降压变压器）,T1（升压变压器）,整流,X射线管,管电流i,管电压 U,220V,R,低压电源,高压电源,220V,（1）低压电源与管电流（mA)：T2降压-R-灯丝电流-热电子数量-管电流i(mA),（2）高压电源与管电压(kV)：T1升压-整流-X管直流高压U(kV)-电子获得高速,（3）X射线的产生：高速电子撞击靶-产生热能（99%）和X线能（1%）要求:靶物质-熔点高且易散热、原子序数（Z）大

3、.,管电流：管电压：,U(kV),i(mA),X线的强度（I）:,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.,Ni-单位时间通过垂直于射线方向单位面积光子数；hvi-光子能量,(单位:w.m-2),二、线的强度和硬度,两个因素决定X线强度：,（2）,光子数目Ni,X线强度,光子能量hvi,（1）,X线强度,X线的量.,X线的质.,1.X线的量,X线总辐射量的定义：一定时间内通过与射线方向垂直的单位面积的总能量.,X线总辐射量=管电流照射时间=it（单位:mAS）,*医学上常将一定的管电压下管电流毫安数（mA）表示.,一次拍片的量：Q=20mA.s=2000.1mA.s=500.4

4、mA.s,照手的X曝光量:15毫安0.02秒,就是0.3毫安秒.,例如：,2.X线的质-硬度（X线的贯穿本领）,X线,X线,实质：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.,A束,B束,医学上常用管电压的千伏数（kV）表示X线硬度.,X线按硬度分类及主要用途,第二节 射线谱,(X线谱示意图),连续X线谱(背景）标识X线谱(线状）,研究X线谱的目的：了解X线产生的机制.,在医学应用中主要使用连续X线,而在研究物质结构中使用标识X线.,X线谱的组成：,+Ze,10-10m,10-15m,光子（h）,（原子半径）,（原子核半径）,一、连续X射线谱(continuous X-rays)

5、,高速电子撞击阳极靶时，受靶中原子核的库仑场作用而速度骤减，电子减少的动能转化为光子辐射出来.,轫致辐射：,1.产生的机制,高速电子进入靶内不同深度，损失的动能有各种数值，使射线(光子)波长连续变化,形成连续谱.,高速电子,光子（h）,光子（h）,2.连续谱特性,（1）每一种管电压下，存在一个短波极限；射线中含有大于短波极限的各个波长成分.,（2）随着管电压增大，短波极限和强度最大的波长都朝短波方向移动.,相对强度,钨靶,波长,钨靶的连续X射线谱,短波极限的产生:高速电子的动能全部转化成辐射能.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（hmax)，相应的波长为最短min.

6、,电子动能,每个管电压,对应一个短波极限;管电压增大,短波极限朝短波方向移动.,短波极限（min）的计算：,钨在较高管电压下的X线谱,二、标识X射线谱(characteristic X-rays),1.特点:,每一种元素（靶）有一套特定波长的特征X线谱，成为其标识.比如：条形码为商品的标识.,K系特征线,*在较高管电压下出现四条谱线；,标识X线谱：,*随着管电压继续增高,连续X线谱明显变化,而四条谱线的位置不变（即波长不变）.,2.标识X射线产生机制,原子内部各壳层电子跃迁形成标识谱.,高速电子击出某个内层电子(如：K壳层电子)，产生空位；空位由其它壳层电子(如：L，M，N或更外层电子)填补，

7、电子在跃迁过程中发出一个光子，其能量等于两能级能量之差.从而形成确定波长的线状X射线谱.,核,K(2e),L(8e),M(18e),N(32e),*标识X射线谱应用：化学元素的分析.,K系标识线,e,不同壳层电子填补某壳层同一空位时所辐射的标识谱组成一个线系.,第一、二节 小 结,X射线的,硬度,强度,X射线谱,连续射线谱,轫致辐射,标识X射线谱,原子内层出现空位,跃迁.,X射线产生,高速运动的电子；适当的障碍物.,装置,X射线管 低、高压电源，整流电路,条件是：,X射线的本质：,X线是从原子内部发射出来的波长很短(0.00110nm)的高能量的光子流.,第三节 X射线的基本性质,X线也是电磁

8、波，具有电磁波的共同特性.,电磁波谱,一、X射线的基本性质,化学效应：射线能使多种物质发生光化学反应，使照相底片感光.X射线摄影的基础.,生物效应：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，甚至使细胞坏死等效应.放射治疗基础.同时要注重防护射线.,3.电离作用：射线使物质原子、分子发生电离。测量 X射线的基础.,2.荧光作用：射线照射使某些物质发出荧光,在医 学上用于透视.,1.贯穿本领：射线能够穿透物质.,物理效应：,X射线发现17年后，于1912年，德国物理学家劳厄找到了X射线具有波动本性的最有力的实验证据：发现并记录了 X 射线通过晶体时发生的衍射现象.1914年

9、获诺贝尔物理学奖.,二、X射线衍射,劳厄的X射线衍射实验原理图,晶体中原子有规律排列的结构可看成是光栅.原子的线度和间距大约为10-10m 数量级，与入射X射线的波长相当或更小些，相邻晶面原子的反射线发生干涉，就可能获得衍射现象.,(掠射角),(氯化钠晶体),Cl,Na,晶体结构点阵,两层面间反射光光程差：,布拉格定律,干涉加强得亮点的条件：,或布拉格方程,布拉格方程,Bragg equation,X射线摄谱仪原理图,晶体,照相底片,铅屏,X射线管,X射线的衍射图样:,NaCl单晶X射线衍射斑点,石英的X射线衍射斑点,脱氧核糖核酸(DNA分子)的双螺旋结构模式:,X射线衍射的重要应用举例,19

10、53年，美国科学家沃森（J.D.Watson,1928-）和英国科学家克里克（F.Crick,1916-）提出DNA双螺旋结构;1962年获诺贝尔医学和生理学奖.,*射线被衰减,光子被物质吸收；光子被物质散射.,I0,I,一、单能X线的衰减规律,I0-入射线强度I-透射线强度x-射线透过的厚度-物质的线性衰减系数,x,第四节 X射线的衰减规律,（线性衰减系数）,*物理意义：描写物质对X线衰减快慢的物理量.物质的 越大，X射线衰减越快.,(单位：cm-1 或 m-1),多层物质的总衰减系数：,x,(投影值),m(质量衰减系数),xm（质量厚度）（mass thickness）:*定义：xm=x（

11、单位面积中，厚度为x 的吸 收层的质量）*单位：g/cm2,（m与 无关，m大则衰减快）,(与物质密度的关系：正比),*定义：,单位：cm2/g,*衰减规律第二形式：,半价层x1/2(half value layer):,*定义：物质对X射线强度衰减到一半的厚度.,物理意义：物质的x1/2或xm1/2越小,则对X射线衰减越快.,（单位:g/cm2）,*衰减规律第三形式：,二、质量衰减系数与射线波长及物质原子序数的关系,m=KZ3,1.有效原子序数(Z)愈高的物质，对X射线衰减愈强,由此得到影响X射线衰减的因素的两个结论：,*X光透视与摄影:,骨(Ca,P)对X射线的衰减 大于 软组织(C,H,

12、O)对X射线的衰减,骨在透视荧光屏中呈暗影;在摄影胶片(底片)中呈亮影.,*造影术:血管造影，胃肠造影（“钡餐”）等.*防护材料:铅块(Z=82),(钡Z=56),*X射线硬化与滤线板：,滤线板：铜板、铝板或铜板和铝板合并(先铜后铝).,硬化：X射线经过铜板或铝板后软成分(长)被吸收多，得到的X射线硬度高(短)，射线谱范围窄.,滤线板的作用：硬化X射线.,2.X射线波长()愈长，愈容易被物质吸收衰减,浅部治疗：长；深部治疗：短,一、诊 断,第五节 X 射线的医学应用,1.X 射线透视,荧光透视（fluoroscopy）：简称透视.强度均匀的X射线投照人体,由于人体内不同部分对射线衰减不同,使透

13、过人体的射线强度不均匀,投射到荧光屏后显示出明暗不同的荧光图像.,2.X线摄影,X射线透过人体后投射到照相底片上，底片感光显像后可观测到明暗不同的图像.,3.X射线造影术：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晰显像.,造影剂：阳性造影剂、阴性造影剂.,粘膜相(造影前),充盈相(造影后),钡灌肠,通过图像处理器将“原像”和“造影像”相减,从造影像中减去原像,使造影的血管图像保留下来而减影除去无关的组织影像.,血管造影前,血管造影后,血管数字减影处理后,4.数字减影血管造影(DSA):,应用物理技术和计算机处理，测定X射线的衰减系数在人体中某断层面上的二维分布矩阵

14、，利用图像重建原理,获得该断层面图像.,5.X射线计算机断层成像（X-CT)：(X-ray computed tomography),二、治疗,治疗癌症：X射线对人体组织的电离作用，直接破坏细胞，尤其对分裂旺盛的癌细胞.,刀-21世纪治疗肿瘤新技术:,在图像引导下,利用三维立体定向原理将直线加速器产生的高能X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，由于X射线能够准确的按照肿瘤的生长形状照射，使肿瘤组织和正常组织之间形成整齐的边缘，像用手术刀切除的一样,故称为“X-刀”.,刀（也称光子刀）是一种立体定向放射治疗技术.,三、防护,X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.,常用的防护物品有：铅板、含铅玻璃、含铅胶皮裙和手套以及混凝土等.,第三、四节小结,电离作用 荧光作用光化学作用生物效应 贯穿作用,X射线的特性,X射线的衍射,单色X射线的衰减规律,I=I0 ex,I=I0 em Xm,m=K Z3,X射线透视、摄影的依据？用什么物质作防护材料？X射线如何硬化？,