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1、掌握：X射线强度和硬度的概念；X射线的吸收规律及应用。 熟悉：X射线的基本性质；X射线的防护。 了解：X射线机的基本结构、X射线在医学上的应用。,第八章 X 射 线,第一节 X射线的产生,X射线是德国著名的物理学家伦琴在1895年研究究稀薄气体放电时时发现的。,1912年，劳厄（M.VonLaue）用晶体衍射实验，证明X射线类似于光波，是一种波长比紫外线更短的电磁波 。,X射线是电磁波，波长范围：0.110nm,X射线发现后，在各方面得到了广泛的应用。尤其在医学诊疗中,成为现代医学不可缺少的工具。,一 X射线的性质,一、X射线的基本性质,X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已
2、，因此具有波粒二像性。,X射线的波长范围：10-9-10-7m 。,表现形式：在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。,粒子性特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。表现形式为在与物质相互作用时交换能量。,二、X射线的基本性质,X射线既是波长很短的电磁波，也是能量很大的光子流。有如下特性：,电离作用,荧光作用,光化学作用,生物效应,贯穿本领,X射线对不同物质穿透性的差别也是选择屏蔽材料和过滤板材料的依据。,贯穿本领：X射线有很大的贯穿本领；对各种物质都具有一定的穿透作用。研究表明，物质对X射线的吸收程度与X射线的波长有关，也与物质的原子序数或密度
3、有关。,X射线波长越短，物质对它的吸收越小，它的惯穿本领就越大。医学上利用X射线的贯穿本领和不同物质对它吸收程度的不同进行X射线透视、摄影和防护。,电离作用：X射线能使某些物质的原子、分子电离；,荧光作用：X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；,光化学作用：X射线能使多种物质发生光化学反应，例如可使照相底片感光；,生物效应： X射线照射生物体，能使生物体产生各种生物效应，如使细胞损伤、生长受到抑制甚至坏死等。,二 X射线的产生,一、X射线的产生装置,产生X射线的方法,常用的方法：让高速运动的电子流受到适当物质的阻碍，便可产生X射线。,这种方法产生X射线的基本条件,.有高速运动的电子
4、流,.有适当的障碍物靶,高速电子流需要具备两个条件： （1）强电场，用以加速电子； （2）高真空度的空间，以保证高速电子流免受空气分子的阻挡而降低能量，同时又可保证灯丝不至因氧化而被烧毁。,2.X射线产生装置,主要包括：,X射线管,低压电源,高压电源,X射线管,阴极灯丝加电压5 10，电流使其炽热而发射热电子，电流越大，灯丝温度越高，单位时间内发射的电子越多。两极间电压几十 几百k（直流），热电子在电场作用下高速奔向阳极。到达靶面的高速电子，运动突然受阻，其动能部分转变为辐射能，以 X 射线的形式放出,全波整流X射线机基本线路图,阴阳两极间所加的几十千伏到几百千伏的直流高压，叫做管电压,阴极发
5、射的热电子在电场作用下高速奔向阳极，形成管电流,X射线管,低压电源,高压电源,整流电路,硬质真空玻璃管，封装有阴极和阳极,给阴极供电，使其炽热而发射电子,加在阴阳两极之间，形成电场使电子加速运动,将高压交流电变成高压直流电，加在阴阳极间,全波整流X射线机,X射线管产生X射线的效率极低，一般不足1，而高速电子流动能的绝大部分转变成热能。,1、X射线的产生效率，随着管电压的升高而增高； 2、X射线的产生效率极低，X射线管工作时，所消耗电能的99%以上都变为无用的热能，从而使靶面产生很高的温升。,阳极的制做：阳极通常是铜制的圆柱体（导热系数高），在柱端斜面上镶嵌钨板或钼板,二、 X射线产生的物理机制
6、（了解）,采用X射线管产生的X射线，包含各种不同的波长成分，将其强度按照波长的顺序排列开来的图谱，成为X射线谱(X-ray spectrum) 。,连续X射线,标识X射线,1、连续X射线谱产生的物理机制,在碰到靶之前，每个电子获得的动能 EK = eV。电子碰击在靶上而被减速，并在碰撞中基本上停下来。电子与靶冲击而损失的动能 EK = e V。,能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。电子的这种能量辐射叫韧致辐射，也叫刹车辐射,电子流,各个电子到靶原子核的距离不同，制动时速度变化不同,因此动能
7、损失不同，转化为射线光子的能量不同，产生射线的频率也不同，谱线连续,2.连续谱特性,以钨为例:当管电压较低时，只出现连续X射线谱。在不同的管电压下连续谱的位置不同,短波极限,短波极限,短波极限,短波极限,1）管电压增加时各波长的强度都增大;2）每一谱线都有强度最大的点，其波长随管电压增大向短波方向移动,连续X射线的最短波长与管电压成反比。代入数值，得,3）每一谱线都有短波极限（随管电压增大向短波方向移动）,即：短波极限与靶材料无关，仅由管电压决定,【例10-1】求管电压为100kV时，产生的X射线的最短波长和X光子的最大能量。,产生连续X射线谱的最短波长为,光子的最大能量为,（J）,3、标识X
8、射线谱,对于钨靶，当管电压小于50KV时只出现连续谱，而当管电压高于70KV时，在0.02nm处出现4条标识谱。它的位置不随管电压的改变而移动，只和靶物质有关，是靶物质的标识，因此称为标识谱,K,L,M,电子,K线系,K线系,O,K线系,1.产生机制,当高速电子将靶原子内层电子打出后，在内层出现空穴，外层电子会跃迁来补充空穴，在跃迁过程中发出X射线光子， 而X射线光子的能量等于相应两能级的能级差，这样产生了标识谱,2.标识谱特性,1）形成线系,电子从不同能级到达同一壳层的空位时发出的谱线组成一个线系。,K线系,L线系,电子离核越近，能级越低,1.X射线的强度,X射线的强度(I )是指单位时间内
9、通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量(光子能量之和)，单位Wm-2,Ni表示单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的能量为hvi的光子数,三、X射线的强度和硬度,管电压一定时，通常用管电流的毫安数(mA）来间接表示X射强度大小,称为毫安率。而管电流的调节是通过调节灯丝电流的方法实现的,灯丝电流,电子数目,管电流,射线强度,增加管电流，使单位时间内轰击阳极靶的高速电子数目增多，从而增加所产生的光子数目N,增加管电压，使每个光子的能量hv增加,增加X射线强度的方法：,2X射线的量与质 X射线的量：指X射线束的光子数。单位时间内发射的热电子数就越多，管电流就越大，则高速电子轰击阳极靶产生X射线束的
10、光子数也就越多。 常用X射线管的管电流的毫安数（mA）与照射时间（s）的乘积来间接反映X射线的量，单位为毫安秒（mAs）。 X射线的质：指X射线的能量，它表示X射线的穿透本领，在医学上通常称为X射线的硬度.,X射线的硬度指X射线的贯穿本领，决定于X射线单个光子的能量；X射线的波长越短，被吸收的越少、贯穿的量越多，X射线就越硬,在医学上通常用管电压的千伏数(KV)来表示X射线的硬度，称为千伏率，并通过调节管电压来控制X射线的硬度(能量大的光子不易被吸收),射线硬度,光子能量,电子动能,管电压,在医学上，根据用途把X射线按硬度分为四类,极软X 5-20 0.25-0.062 软组织摄影表皮治疗,名
11、称 管电压 最短波长 主要用途 KV nm,软 X 20-100 0.062-0.012 透视和摄影,硬 X 100-250 0.012-0.005 较深组织治疗,极硬X 250以上 0.005以下 深部组织治疗,四 X射线的吸收,当X射线通过物质时，一部分X射线被吸收，一部分被散射，使X射线在原来方向上强度衰减，这种现象称为物质对X射线的吸收。,一、单色X射线的衰减规律,单色平行X射线束通过物质时，沿入射方向X射线强度的变化满足下式：,线性衰减系数,对于同一种物质，线性吸收系数与其密度成正比。,质量衰减系数,二、质量吸收系数和质量厚度,质量吸收系数：线性吸收系数与物质密度的比值，记作m,质量
12、吸收系数m与物质的密度无关。,xm = x称为质量厚度,X射线在物质中强度被衰减为一半时的厚度（或质量厚度），称为该种物质的半价层。,三、衰减系数与波长、原子序数的关系,对于医用X射线，各种元素的质量衰减系数近似为,K是常数，Z为吸收物质的原子序数，为射线波长，在34之间。,原子序数越大的物质，吸收本领越大。,波长越长的X射线，越容易被吸收。,X射线透视 X射线摄影 人工造影检查 数字减影技术 X射线计算机体层摄影,第二节 X射线的医学应用,X射线在医疗上的应用，主要有治疗和诊断两个方面。,一、诊断,1、X射线透视,传统透视术,采用影像增强器,优点：不仅观察器官形态、还可以观察器官的运动情况。
13、 缺点：分辨率不高、不能记录。,2、X射线摄影术 特点：分辨率高、可以长期保存。,3、造影检查 软组织对X射线的吸收相差很小，很难分辨。 采用人工注入造影剂的方法改变吸收系数。 如肠胃检查可 食用“钡餐”,4、数字减影血管造影,二、治疗 1、癌症的治疗 利用生物效应 2、X刀： 定向照射治疗,思 考 题,1、X射线的特性 2、X射线发生装置组成及作用 3、短波极限 4、X射线的强度与硬度 5、X射线透视术和摄影术的基本原理,CT：X射线计算机体层摄影 1972年英国工程师 亨斯菲尔德研制成第一台 头部X-CT，在临床上使用 并获得清晰的诊断影像。 CT的发现在放射医学领域 引起了一场深刻的技术
14、革命,第三节 X-CT,普通X摄影的特点：重叠、密度分辨率低 CT无论从成像原理、成像装置和图像重建，还是从图像处理和图像的诊断上，都与传统的X射线有很大不同。,一、X-CT装置 一般CT成像装置主要由X射线管、准直器、检测器、扫描机构、测量电路、计算机、监视器等部分组成,诊断床,扫描机构,扫描机构,X射线管,检测器,计算机系统,1、将出射强度装变为电信号 2、处理电信号，得到数字矩阵 3、图像重建,CT成像与传统的X射线摄影相比，具有以下特点： 1X射线利用率高 X射线摄影：照射面积大，由于散射作用使影像变得模糊； CT成像：经过准直器形成窄X射线束，散射线成分少，提高了X射线的检测能力和利
15、用率。 2显示人体某一体层平面上的器官或组织的结构 X射线摄影：图像重叠 CT成像：断层图像。 3能分辨人体内器官或组织密度的细小变化 CT克服了影像重叠和散射线干扰，采用了高精度的图像重建技术，从而提高了图像的分辨率。,二、X-CT成像的物理基础 利用了单色X射线的衰减规律。 1、简单模式 如图：某一组织截面， 我们将它等分为4块。 入射强度为I0 。透过 后的强度I1、I2、I3 和l4。,I,由X射线哀减规律得： 1、2、3和4分别表示4块组织的吸收系数(即线性吸收系数) 。解此线性方程组，就可得到各个区域的吸收系数，再和正常值比较，就可知道有无病变，这就是计算机断层摄影的简单原理。,为
16、了增加像的清晰度，我们选择的体素应该很小。,体素(voxel)：将目标分割为许多厚度为l的小块，每一小块（称为体积元）可视为均匀介质，即值相同。,对第一个体素：,对第二个体素：,对第n个体素：,体层面分为kn个体素，对应有kn个吸收系数，kn个独立的方程组成方程组，就可求出kn个体素的吸收系数。,在实际检测当中，一般将区域划分的很细，每个这样的区域称为像素 。方程多，这些方程的求解是靠电子计算机处理，解出后再通过电子线路将各像素的吸收系数转化为相应的灰阶度，从而得出某一断层的图像，故称为计算机的断层摄影。,X射线吸收系数(值)得到统一，将值换算成CT值。并定水的CT值为零，其他不同密度的组织都同它进行比较,大于水的为正,小于水的为负。,1662.5,划分的体素越多，影像越清晰。体素的多少根据实际需
