X射线在医学上的应用

贵州师范学院物理与电子科学学院论文[键入文字][键入文字]11摘要x射线的穿透能力极强，由于人体不同的组织对x射线的吸收程度不同，均匀的x线速穿透人体组织后，其不均匀的分布其实就是人体组织的投影。把这种成像技术应用在医学上，就可以得到病灶的位置信息。文章简单介绍了x射线技术自被发现以来的发展史和x射线成像的原理，以及现在x射线在医学上的诊断、治疗和层析摄影治疗，以后x射线技术在医学上的应用将会无处不在。关键字：诊断；治疗；层析摄影治疗ABSTRACTstrongx-raypenetration,thedifferentlevelsofdifferentbodytissuesabsorbx-rays,thepenetratingbodytissue,thenon-uniformdistributionisactuallyauniformtissueprojectionxlinespeed.Theapplicationofthisimagingtechniqueinmedicine,youcangetthelocationinformationoflesions.Thispaperbrieflydescribesthehistoryoftheprincipleofx-raytechnologyandx-rayimagingsincebeendiscovered,andnowthex-raysinmedicaldiagnosis,treatmentandtomographytreatment,afterx-raytechnologyinmedicinewillbenoOfficeisnot.Keywords:diagnosis；treatment；tomographytreatment.X射线在生物医学上的应用1.绪论1.1x射线技术在医学上应用的研究背景X射线自19世纪被伦琴在实验室发现以来，半个世纪后，发展了超声波成像、放射性同位素成像、核磁共振成像等，因为X射线具有强大的穿透能力，能够透过人体显示骨骼和薄金属中的缺陷，在医疗和金属检测上有重大的应用价值，因此引起了人们极大的兴趣。许多国家都竞相开展类似的试验。一股热潮席卷欧美，盛况空前。X射线迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具，后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。放射医学是医学的一个专门领域，它使用放射线照相术和其他技2术产生诊断图像，这可能是X射线技术应用最广泛的地方。X射线的用途主要是探测骨骼的病变，但对于探测软组织的病变也相当有用。常见的例子有胸腔X射线，用来诊断肺部疾病，如肺炎、肺癌或肺气肿；而腹腔X射线则用来检测肠道梗塞，自由气体（freeair，由于内脏穿孔）及自由液体（freefluid）。某些情况下，使用X射线诊断还存在争议，例如结石（对X射线几乎没有阻挡效应）或肾结石（一般可见，但并不总是可见）。因此在医学领域、工业领域、研究领域等各方面都有广泛应用，就X射线衍射来说,它对近代科学(物理、化学、材料学、生物学等等)和近代技术的发展都产生了很大的影响,了解X射线的性质以及产生原理，对我们的生活、学习、生产等各方面有促进作用。1.2x射线技术在医学上的应用的研究意义随着社会的发展及科学技术的进步，生命科学越来越引起人们的关注，人类对于自身的奥妙探索的需求不断增强。在这样的趋势下，人们对X射线影像设备的成像质量要求越来越高，同时还要求尽可能的减少X射线的照射量，这就迫使X射线技术不断发展。数字化医学影像的发展与应用，已经成为现代医院诊断必不可少的设备。X射线作为其中最普及的设备，为疾病的诊断与治疗提供了有力的保证。自从X射线被发现以来，经过不断的发展，现今已有各种各样的X射线机为人们服务。X射线本身对人体也有一定的损伤，所以，进行X射线检查应注意安全。传统X射线影像设备在临床的应用范围很广，常用于骨与关节的疾病。胃肠疾病和呼吸系统疾病的诊断，用不同的X射线对人体病灶部位的细胞进行照射时，使被照射的细胞组织受到破坏或抑制，从而达到对某些疾病，特别是肿瘤的治疗。在现代医学中，X射线在医学上的应用无处不显示着它的重要性。像CT、核磁共振、介入放射等这些人们并不陌生的放射性检查，不断用于临床医学，极大地提高了疾病的诊断率。他们每天担负的工作就是通过X射线这双穿透的“法眼”来检查病人体内的各种异常。目前，普通人在生活中所能接触到的电离辐射主要来自医疗辐射，这其中X线检查所释放的辐射，是非专业人员可能接触到的电离辐射的主要来源。孕妇需要重点防辐射，尤其是电离辐射，原因是电离辐射能量大，能使人体分子产生电离，可能对还未发育成形的胎儿的细胞造成伤害，引起死胎或畸形。贵州师范学院物理与电子科学学院论13电离辐射对人体，尤其是对胎儿的伤害的实例可以参考曾在二战中遭受核弹袭击的日本广岛和长崎两地居民的状况。这两个地方在美国投下原子弹之后出现的胎儿畸形情况最为骇人听闻，该地区儿童患白血病的病例大增，就是辐射伤害健康的证明。当然，核爆炸的辐射危害远远高于医疗用的X射线辐射，不过两者对孕妇腹中胎儿的伤害原理类似。X线是一种波长很短，穿透能力很强的电磁波，如果被X线照射过多，就可能产生放射反应，甚至受到一定程度的放射损害。用于医疗诊断的X线射照射剂量有严格控制，一般影响极小。但是，对准妈妈来说，如果在怀孕期间，尤其是怀孕早期受X光照射，万一超过胎儿的承受极限，则可能会导致胚胎死亡、胎儿畸形、脑部发育不良，及增加日后患癌症的几率等风险2.x射线的发展及性质2.1x射线的发展史X射线（X-ray）是由德国实验物理学家伦琴发现的波长非常短，频率很高的一种电磁波，又叫做艾克斯射线、伦琴射线或X光，X射线，波长范围在0.01纳米到10纳米之间（对应频率范围30PHz到30EHz），具有波粒二象性，X射线是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线。X射线最初用于医学成像诊断和X射线结晶学。X射线也是游离辐射等这一类对人体有危害的射线。后X射线被应用于临床医学，首先是用于诊断骨折和异物，其后逐步应用于人体各部的诊断检查。4X射线是波长范围在0.01纳米到10纳米之间（对应频率范围30PHz到30EHz））的电磁波，具波粒二象性。电磁波的能量以光子(波包)的形式传递。当X射线光子与原子撞击，原子可以吸收其能量，原子中电子可跃迁至较高电子轨态，单一光子能量足够高(大于其电子之电离能)时可以电离此原子。一般来说，较大之原子有较大机会吸收X射线光子。人体软组织由较细之原子组成而骨头含较多钙离子，所以骨头较软组织吸引较多X射线。故此，X射线可以用作检查人体结构。自伦琴发现X射线后，许多物理学家都在积极地研究和探索，1905年和1909年，巴克拉曾先后发现X射线的偏振现象，但对X射线究竟是一种电磁波还是微粒辐射，仍不清楚。1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了《X射线的干涉现象》一文。劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，当时老布拉格（WH．Bragg）已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格（WL．Bragg）则刚从剑桥大学毕业，在卡文迪许实验室。由于都是X射线微粒论者，两人都试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片，但他们的尝试未能取得成功。年轻的小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实验事实。他以更简洁的方式，清楚地解释了X射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：nX=Zdsino这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性，更重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息。1912年11月，年仅22岁的小布位格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线分光计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后，与其父亲合作，成功地测定出了金刚石的晶体结构，并用劳厄法进行了验证。金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。这对尚处于新生阶段的X射线晶体学来说是一个非常重要的事件，它充分显示了X射线衍射用于分析晶体结构的有效性，使其开始为物理学家和化学家普遍接受。贵州师范学院物理与电子科学学院论152.2x射线的性质2.2.1X射线的主要特点（1）特征频率值高X射线的特征是波长非常短，频率很高，其波长约为（20～0.06）×10-8厘米之间。因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X射线在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象。（2）辐射同步X射线谱由连续谱和标识谱两部分组成，标识谱重叠在连续谱背景上，连续谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射，其短波极限λ0由加速电压V决定：λ0=hc/(ev)h为普朗克常数，e为电子电量，c为真空中的光速。标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素内层电子的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构。同步辐射源可产生高强度的连续谱X射线，现已成为重要的X射线源。（3）穿透力强X射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，这就是X射线管的结构原理。2.2.2X射线的基本效应：（1）穿透作用X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。（2）电离作用物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利6用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。（3）荧光作用X射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，可使物质发生荧光（可见光或紫外线），荧光的强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础，利用这种荧光作用可制成荧光屏，用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，也可制成增感屏，用作摄影时增强胶片的感光量。2.2.3化学效应（1）感光作用X射线同可见光一样能使胶片感光。胶片感光的强弱与X射线量成正比，当X射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对X射线量的吸收不同，胶片上所获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。（2）着色作用X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，可使其结晶体脱水而改变颜色。（3）生物效应X射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞，对X射线有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，特别是肿瘤的治疗。在利用X射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等