大学医用物理X射线

第一节、X射线的产生及其性质第二节、X射线谱第三节、X射线的衰减第十五章X射线第四节、X射线的医学应用本章要求：1、掌握X射线强度和硬度的概念、X射线及X射线谱产生的微观机制、短波极限，X射线的衰减规律及应用。2、理解X射线机的基本组成，X射线的性质。3、了解X射线在医学上的运用。31德国的物理学家-伦琴（1845-1923）41世界上第一张人类活体骨胳照片，伦琴夫人手的X射线照片。摄于1895年12月22日阴极射线管51伦琴的发现轰动了欧美，美国《生活》杂志于1896年发表的这幅漫画，着实渲染了一番X射线的穿透一切的威力。一、X射线的产生X射线X射线管KA-+高压电源高速运动的电子突然受阻时，会有一部分能量（1%）转变为X射线。X射线的产生及描述1、产生X射线的条件:(1)高速运动的电子流(2)适当的障碍物——阳极靶X射线的产生及描述2、X射线产生的装置（1）X射线管发射出X射线（2）高压直流电源产生几万伏~几十万伏直流电压加到X射线管的阴阳极之间。（3）低压直流电源加低电压（5~10V）于阴极两端，使之发热发射电子。二.X射线的性质X射线是波长为0.006~12nm的电磁波，具有电磁波的共性。但因波长短，光子能量大，除具有电磁波的一系列性质外，还有如下特性：X射线的产生及描述1.荧光作用能量较大的光子，照射到某些物质时，能使其原子处于激发态，当它们回到基态时发出荧光。临床诊断用的荧光屏、荧光摄影都是利用这一性质。2.感光作用（光化学作用）X射线能使一些物质发生光化学反应。照相底片感光——拍摄X光片的原理3.电离作用高能量能使一些物质的原子和分子电离。电离作用还可以诱发有机体的各种生物效应,合理利用可用于治疗。X射线的性质4.生物效应其原发机制是X射线在生物体内产生激发和电离，使组织细胞受到损害、抑制，甚至坏死。是放射治疗的基础，也是X射线工作者应当注意防护的原因。5.贯穿本领高频，对实物物质的贯穿本领大于低频波动。对不同物质的贯穿能力的差别可以进行透视、摄影和防护。三.X射线的强度和硬度强度X射线的强度是指单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的幅射能量，单位：W·m-2管电流大X光子多单位面积的射线能量大强度高改变强度方法三.X射线的强度和硬度硬度医学中用管电压的千伏数表示X射线的硬度管电压高电子动能大每个X光子的能量大不易吸收贯穿本领大—硬X射线的硬度是指X射线对物质的贯穿本领，它决定于X射线的波长（即能量hv），单位：kv改变硬度方法通过调节管电压来控制X射线的硬度三.X射线的强度和硬度Kv5名称管电压主要用途极软X射线~200.25~0.062软组织摄影，表皮治疗软X射线~201000.062~0.012透视和摄影硬X射线~1002500.012~0.005软深组织治疗250以上0.005以下深部组织治疗极硬X射线最短波长（nm)131二.线状X射线谱一.连续X射线谱第二节X射线谱141X射线管发射的X射线不是单色的，它包含多种的波长成份。按照它们波长的顺序将其强度排列开来的图谱，叫做X射线谱。X射线谱示意图X射线谱X射线谱包含两部分：曲线下面斜线部分对应于照片上的背景，包含各种不同波长的射线，为连续谱；另一部分是曲线上凸出的尖峰，有较大的强度，对应照片上的明线谱线，相当于可见光中的明线光谱，为标识谱。上部：谱线强度与波长关系。下部：照在胶片上的射线谱。151X射线谱包括两部分：X射线谱（1）连续X射线任何X射线管都会产生；（2）线状X射线表示靶材料原子的特征。1、连续X射线谱（1）产生机制：连续X射线的发生是轫致辐射过程。轫致辐射：当高速电子流撞击在阳极靶上，电子在原子核的强电场作用下，速度和方向都发生急剧变化，一部分动能转化为光子的能量hv而辐射出去。由于各个电子损失的动能不同，从而形成具有各种频率的连续X射线。161（2）连续谱特性连续X射线谱②X射线强度自零起随波长的增加而迅速增大，达到最大值后缓慢下降。③当管电压升高时，各种波长的谱线强度均随之增大，强度极大值向短波方向移动。20K30K40K50K相对强度o表明相应波长变短①X射线管在管电压较低时只出现连续X射线谱。171相对强度20K30K40K50K④强度为零的相应波长是连续谱中最短波长，称为短波极限。eUhmaxeUchmineUhcmin连续X射线谱特性连续X射线谱管电压为U，光子具有的最大能量为hvman，连续X射线谱的短波极限与管电压成反比，与实验一致。1812、线状X射线谱（标识X射线谱）谱线的波长位置仅决定于阳极靶的材料，不同元素制成的靶具有不同的线状X射线谱。X射线谱（1）产生机制：管电压高于某限度值时，除轫致辐射外还有特征辐射，即高速电子进入靶内，与原子的内层电子发生强烈的相互作用使其脱出，出现电子跃迁，所发射的是线状X射线。（2）线状谱特性191对钨靶X射线管，当管电压升到70kV以上时才能激发标识X射线。相对强度100K150K200K65K医用X射线管发出的主要是连续X射线，线状射线所占比例很少，它的存在对临床应用是多余的。标识X射线的研究，对于认识原子的壳层结构和化学元素的分析非常有用，近年发展的微区分析技术，是根据样品发出的标识X射线来鉴定各微区中的元素成分，该技术已开始在医学研究中应用。线状谱特性201三.半价层一.衰减现象二.衰减规律第三节X射线的衰减211一.衰减现象二.衰减规律当X射线通过物质时，X光子与物质中的原子发生相互作用，光子一部分被吸收，一部分被散射，X射线在原方向上的强度逐渐减弱。线性吸收系数质量吸收系数m描述物质吸收X射线的本领的物理量，与物质的性质有关，与物质的密度有关。质量厚度X射线的衰减22133ZKm(1)原子序数高，吸收本领大肌肉：碳、氢、氧骨髂：磷酸钙钡餐：硫酸钡防护板：铅(2)波长长，则容易被吸收波长短，则贯穿本领大，硬度大。浅部治疗管电压低；深部治疗，管电压高。实验证明:原子序数二.衰减规律X射线的衰减231三.半价层使X射线强度衰减一半的物质厚度（或质量厚度），称为这种物质的半价层。X射线的衰减241例题1：若要吸收99%的X射线,物质的厚度要达到多少个半价层?解:6.642/lg2n251例题2：铝对波长为0.710-10m的X射线的质量吸收系数为0.5m2.kg-1，对于=2.7103kg.m-3的铝半价层为多少?解:261第四节X射线在医学上的应用诊断治疗271一.治疗放射治疗癌症医学上的应用治疗机制：X射线通过人体组织能产生电离作用、康普顿散射及生成电子对，由此可诱发一系列生物效应。X射线对生物组织细胞有破坏作用，尤其对分裂活动旺盛或正在分裂的细胞，其破坏力更强。组织细胞分裂旺盛是癌细胞的特征，用X射线照射可抑制它的生长或使它坏死。各种细胞对X射线的敏感性不一样，因此放射治疗方案的设计尤其重要。物理师放射治疗方案的设计根据肿瘤位置及细胞种类计算给予病人的照射量及时测定和调节治疗设备的射线量281二.诊断1、X射线透视术X-rayfluoroscopy2、X射线照相术X-rayroentgenography医学上的应用X射线常规透视、摄影、X-CT291二.诊断1、X射线透视术X-rayfluoroscopy2、X射线照相术X-rayroentgenography医学上的应用X射线荧光像X射线胶片301二.诊断3、对软组织摄影4、钡餐（照影剂）医学上的应用采用较软的X射线以增大软组织之间的影像反差。如：用低电压（~25kV）的钼靶X射线管对乳腺摄影，为乳腺的良性病变和乳腺癌的早期诊断及普查提供了有力工具。利用照影计注入脏器或组织，来增加它和周围组织的对比。如：检查消化道用的钡餐（硫酸钡），用它检查食道和胃肠；检查关节用的密度很小的空气，注入关节腔内，从而显示关节周围的结构。3115、X-CTX射线电子计算机辅助断层扫描成像工作过程：X射线管环绕人体某一层面扫描，X射线经人体薄层内的器官和组织衰减后，到达检测器，检测器将X射线的强度值转变为电信号，再经A/D转换器转换为数字信号，输送给计算机，计算机处理系统按照预先设计好的图像重建方法，对这些数字信号进行一系列的计算、处理、存储等，最后在屏幕上依据不同器官或组织的密度表示出不同的灰度，即显示人体这一层面上的器官或组织的图像。与X射线透视和摄影相比，X-CT能获得更清晰的人体解剖图，特别用于难以区分的低对比度的软组织结构。321X-CT原理把人体一截面划分为许多小微元，将X射线作横断层扫描，一次扫描可得一组方程。连续扫描可得无数组方程，用计算机算出该层面各点的X射线吸收系数值，再由图像显示器将不同的数据用不同的灰度等级显示出来，得到该层面的解剖结构图像。医学上的应用331本章要求：1、掌握X射线强度和硬度的概念、X射线及X射线谱产生的微观机制、短波极限，X射线的衰减规律及应用。2、理解X射线机的基本组成，X射线的性质。3、了解X射线在医学上的运用。