《医学物理学》课件--X射线

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1895年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线管的过程中，发现了一种穿透力很强的射线.高压电源金属靶电子束高速由于未知这种射线，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.阴极阳极金属靶电子束高速X射线2)X射线机的基本线路：mAT2(降压变压器）T1（升压变压器）整流X射线管管电流i管电压U220VR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.管电流：管电压：管电压管电流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.nnniiihvNhvNhvNhvNI...22111Ni---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、Ｘ线的强度和硬度两个因素决定X线强度：（2）光子数目NiX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=i·t（单位:mA·S）*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=2000.1mA.s=500.4mA.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CategoriesTubevoltage(kV)ShortestWavelength(nm)Use极软X-ray软X-ray硬X-ray极硬X-ray5-2020-100100-250over2500.25-0.0620.062-0.0120.012-0.005below0.005软组织的X线摄影X线摄影和透视浅表组织的治疗深部组织的治疗第二节Ｘ射线谱(X线谱示意图)连续X线谱(背景）标识X线谱(线状）X线谱线强度与波长的关系：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：+Ze10-10m10-15me光子（h）（原子半径）（原子核半径）一、连续X射线谱(continuousX-rays)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：eee1.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.相对强度管电压管电流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（hmax)，相应的波长为最短min.电子动能nmkVU)(242.1min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.minmax221chheUm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(characteristicX-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，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.(高速电子)eK系标识线eeeeee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.(光子)ee第一、二节小结X射线的硬度强度X射线谱连续Ｘ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①高速运动的电子；②适当的障碍物.装置X射线管低、高压电源，整流电路(nm)1.242λ(kV)minU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(0.001~10nm)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：*射线被衰减光子被物质吸收；光子被物质散射.I0I一、单能X线的衰减规律xeII0I0---入射线强度I---透射线强度x---射线透过的厚度µ---物质的线性衰减系数xµ第四节X射线的衰减规律xI0I0µ（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µ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：I0I1I2I3I41234xeII101xeII212xeII323xeII434xeIII432104xIoIoµ大µ小xIIxi0ln1(投影值)µm(质量衰减系数)xm（质量厚度）（massthickness）:*定义：xm=x（单位面积中，厚度为x的吸收层的质量）*单位：g/cm2（µm与无关，µm大则衰减快）m(µ与物质密度的关系：µ正比)mmxeII0*定义：单位：cm2/g*衰减规律第二形式：半价层x1/2(halfvaluelayer):*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.*表式：693.02ln2/1x（单位：cm）mmmx693.02ln2/1（单位:g/cm2）*衰减规律第三形式：2/1)21(0xxII二、质量衰减系数与射线波长及物质原子序数的关系µm=KZα31.有效原子序数(Z)愈高的物质，对X射线衰减愈强K：常数Z：原子序数α：医学上为3-4：X射线波长由此得到影响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,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)食管钡餐造影：左图为充盈相，右图为粘膜相.造影后造影前(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X线源铅准直器被照射体探测器滤线板一、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，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-raycomputedtomography)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.Ｘ刀----21世纪治疗肿瘤新技术:在ＣＴ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”.Ｘ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①电离作用②荧光作用③光化学作用④生物效应⑤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=I0e－μxI=I0e－μmXm21210xxIIμm=KZαλ3X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？作业P306:5、7、9、10结束