X射线与断层成像

第十二章 X射线与断层成像 （X-ray and Tomography）,X 射线透视,X 射线摄影,X线计算机断层成像（X-CT）,X射线的产生及其性质,物质对X射线的吸收,X射线在医学上的应用,X-CT,主要内容与要求,难点： X-CT,重点： X射线的产生及其性质,第一节 X射线的产生及其性质 Production and Properties of X-ray,德国慕尼黑伍尔茨堡大学（1895年11月8日傍晚）,一种新的射线初步报告（1895年12月28日）,获首个诺贝尔物理学奖（1901年）,Dec. 22, 1895,1.本质,高频电磁波,频率：,波长：,一、X射线的产生,具有波粒二相性,临床：,有高速运动的电子流；,有阻止电子运动的合适障碍物（靶）。,基本条件：,2.X射线的产生,高速运动粒子流与原子的内层电子或原子核相互作用产生。,加速中的高能带电粒子直接辐射X射线（固体靶源）,同步辐射,等离子体源,核反应,3. X射线发生装置,管电流,管电压,X射线管,X射线管,包括三部分：X射线管、高压电源及低压电源,（1）阴极发射热电子的地方(一般由钨丝制成)。,（2）阳极（靶）使电子突然减速并发出X射线 的地方（一般由钨、钼制成）。,（3）窗口X射线从阳极射出放的通道。,阴极,阳极,窗口,阳极（靶-钨W、钼Mo）,水冷或油冷,靶旋转,高熔点的重金属,间断工作,高速粒子撞击阳极靶时，仅有1%的动能转换为X射线的动能，其余部分转化为热能。,1.X射线的强度和硬度,单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量。,（1） 强度（Intensity）或 X射线的量（Quantity）,表示频率为 的光子数目。,光子数N,二、X射线的性质,单位:,增加X射线强度的两个决定因素,常用一定管电压下管电流的mA数间接表示,光子能量数hv,（2）硬度（Hardness）,指X射线的穿透本领，只取决于X射线的波长，即光子的能量，与光子数目无关。,常用管电压的kV数来间接表示,X射线的硬度也称为X射线的质（Quality）,仅与管电压有关，管电压X射线的硬度,2.X射线的的基本性质,电离作用X射线照射能使分子或原子电离,对有机体可诱发各种生物效应，破坏或改变生物功能，可用于治疗某些疾病，但也有损坏作用，要对X射线进行防护。,荧光作用X射线照射某些物质能使其发出荧光,将ZnSO4、铂氰化钡、钨酸钙、磷等物质涂在纸板上可构成荧光屏。,贯穿本领对各种物质都有一定的贯穿作用,物质对X射线的吸收与X射线波长有关，也决定于物质的原子序数或密度。人体密度不同（或Z），呈现强度强弱的空间分布，用于透视照相。,光化作用X射线照射可使物质发生光化反应,使照相底版感光，记录X射线谱强度。,三、X射线谱,把X射线强度与波长的关系曲线称为X射线谱。,连续X射线谱,线状谱,（1）标识谱(特征谱)（Characteristic Spectrum）,特点：强度较大且具有特定波长，反映出靶材料的原子特征。,内层电子被激发，从高能级跃迁到低能级形成。,（2）连续谱（Continuous Spectrum）,波长连续分布。靶材料的原子序数愈大，管电压愈高，连续射线的强度愈强。,由轫致辐射（Bremsstrahlung）产生,连续谱的最短波长,电子受原子核强电场作用失去能量转换为光子的过程。,第二节 物质对X射线的吸收 X-ray Absorption by Materials,一、单能窄束X射线的吸收规律,单色窄束X射线吸收遵从朗伯定律,称为线性吸收系数,二、半价层（Half Value Layer）,X射线在某种物质中强度被吸收一半所对应的物质厚度。,三、吸收系数（Absorption Coefficient）,-物质的原子序数,-质量吸收系数,第三节 X射线在医学上的应用 The Application of X-ray in Medicine,一、诊断,X射线透视（X-ray Fluoroscopy）,优点：,缺点：,可任意转动体位，易于对某些器官的功能进行动态、多角度的观察；简单、快捷、费用低。,分辨率低；对病变没有记录，不利于讨论、研究及复查对比。,X射线摄影术（Roentgenography）,二、治疗,X射线对生物组织细胞有破坏作用，尤其是对分裂活动旺盛或正在分裂的细胞，其破坏力更强。,肿瘤细胞自身分裂活跃，它对X射线的敏感性比发育成熟的正常细胞更为强烈。,利用X射线可以对肿瘤组织起到抑制、破坏或杀死作用。,1.X射线治疗机,由X射线管发出的X射线需经过准直器准直再照射肿瘤部位。,X射线治疗机由X射线管、高压发生器、三维移动机架及计算机控制系统组成。,分为接触治疗机、浅层治疗机和深部治疗机,2.X刀（X射线立体定向放射治疗系统，光子刀）,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,准确的定位,较大的“焦皮比”,单位体积内病变组织与健康组织所受的剂量之比100/1。,使射线的焦点准确地定位与病灶点。,X-刀比-刀更适用于更大的颅内病灶,功能性疾病（帕金森、癫痫、三叉神经疼等）,X-刀的适应病症：,脑血管疾病（颅内动静脉畸形、动静脉瘤等）,颅内肿瘤（垂体瘤、听神经瘤、脑膜瘤等),在治疗过程中，病人无出血、无感染、无痛苦。,美国Varian 23EX医用电子直线加速器：包括普通放疗、三维适形 放疗（3D-CRT）、适形调强放疗（IMRT）、X-刀治疗,三、防护,X射线能够引起生物效应，过量的照射可以引起损伤（机体本身和遗传损伤）。,时间防护-缩短受照射时间,距离防护-增加到X射线源的距离,屏蔽防护-使用铅板、含铅玻璃、含铅胶皮裙 和手套以及混凝土等。,第四节 X-CT（X射线计算机断层成像） X-ray Computed Tomography,亨斯菲尔德和科马克获 1979年诺贝尔医学和生理学奖。,G. N. Hounsfield,A. M. Cormack,英国：亨斯菲尔德（Hounsfield） 1969年发明 1971年9月第一台头颅CT机问世 1972年11月公布于世 1974年美国工程师设计出全身CT机 美国：科马克（Cormack） -1950年提出投影重建算法，并进 行了仿真和实验研究,利用投影数据，采用数学方法重建图像。,投影是用X射线照射病人，投影于与射线方向垂 直的平面上。,数据是组织对X射线的吸收值,重建图像是将吸收值转化为图像,X-ray,CT,无前后影像重叠，密度分辨力比传统的X线检查高10-20倍。,一、CT成像的基本原理,1.图像重建的基本思想,小块厚度很小，视为均匀介质，并称为体素(Voxel）。,在实际应用中各体素常取同样厚度，且为单位长度。,测出多个投影数据，算出每个体素的值。,2.CT值,单位为亨,以水的吸收系数为基准,3.开窗,CT机荧光屏只能分64个灰度等级进行图像显示,窗宽(Window Width) 最亮的和最黑的CT值之差,窗位(Window Level) 中心CT值,开窗可以提高仪器的灵敏度,4.图像重建的基本方法,第一代CT，断层为160160=25600个像素。,（512512矩阵），空间分辨力也提高到0.1mm。,扫描时间可达到10,二、CT扫描及其特点,第一代CT扫描,螺旋型CT扫描,扫描时间比较长适于局部,扫描时间比较短适于整体,特点,准确显示待测部位的形态学特点；,具有很高的分辨率；,可建立三维立体图像；,检查快速、无痛苦。,局限性,限于形态学诊断；,价格比较贵。,小 结,1.X射线,3.X射线在医学中的应用,4.CT,（1）X射线的产生,（2）X射线的特性,2.物质对X射线的吸收,习题：P216，2. 4. 7. 8,