医学物理学：第十四章X射线

19011901年获首届诺贝年获首届诺贝尔尔物理学奖物理学奖 1895 1895年，德国物理学家伦琴在研究年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线管放电过程中，发现了一种穿阴极射线管放电过程中，发现了一种穿透力很强的射线。由于当时未知这种射透力很强的射线。由于当时未知这种射线，称其为线，称其为X X射线。射线。高压高压电源电源金属靶金属靶电子流电子流X射线射线(X-ray)第一张第一张X X射线照片射线照片(伦琴夫人手骨伦琴夫人手骨)X X射线透视射线透视X X射线摄影射线摄影X X射线在医学中的应用射线在医学中的应用：透视、摄影、透视、摄影、CTCT、治疗等。、治疗等。IPIP板板两者在时间、剂量（透两者在时间、剂量（透=10=10摄）、准确性、收费等的差异摄）、准确性、收费等的差异CR、DR数字化数字化X X射线摄影射线摄影X X线计算机体层成像（线计算机体层成像（X-CTX-CT）X X射线在医学中的应用射线在医学中的应用：透视、摄影、透视、摄影、CTCT、治疗等。、治疗等。鼻咽癌鼻咽癌的的X X线放疗线放疗X X射线在医学中的应用射线在医学中的应用：透视、摄影、透视、摄影、CTCT、治疗等。、治疗等。刀：刀：（21世纪治疗肿瘤新技术）世纪治疗肿瘤新技术）医用直线加速器：医用直线加速器：（目前国际上，在（目前国际上，在放射治疗（即放射治疗（即放疗）中使用最多）放疗）中使用最多）1.X射线产生的两个基本条件射线产生的两个基本条件:(1)(1)高速运动的电子流；高速运动的电子流；(2)(2)阻止电子流运动的适当的障碍物阻止电子流运动的适当的障碍物(靶靶)。一.X射线的发生装置射线的发生装置电子流电子流靶靶X射线射线2.X射线发生装置射线发生装置(1)X射线管的组成部分射线管的组成部分：外壳外壳：高真空的硬质玻璃管。高真空的硬质玻璃管。阴极：阴极：发射电子流的灯丝发射电子流的灯丝(钨）。钨）。阳极：阳极：接受高速电子流冲击的靶（钨接受高速电子流冲击的靶（钨 铜合金）铜合金）,并辐射出并辐射出X射线。射线。阴极阴极外壳外壳电子流高速X X 射射 线线Cu(2)X射线机的基本线路和两个工作指标：射线机的基本线路和两个工作指标：mAT2(降压变压器）降压变压器）T1（升压变压器）（升压变压器）整流整流管管电电流流 220VR高压电源高压电源 220V(T2降压降压R灯灯丝电流丝电流电子数电子数管电流管电流 mA)(T1升压升压整流整流直流直流管电压管电压kV 电子动能电子动能)X射线射线 管电压管电压 kVF100-3F100-3型型100mA100mA医用诊断医用诊断X X射线机射线机主要技术指标：主要技术指标：透视：透视：管电压：管电压：50-90KV 50-90KV 管电流：管电流：0.5-5mA0.5-5mA 时时 间：断续间：断续1.5H1.5H摄影：摄影：管电压：管电压：50-100KV50-100KV 管电流：管电流：25mA25mA、50mA50mA、75mA75mA、100mA100mA 时时 间：间：0.04-6s0.04-6s虽然透视的管电压管电流都比摄影的小，但时间（约十几秒）较长，所以总量比摄影多十几倍。（3）X射线的产生效率：射线的产生效率：管电压管电压管电流管电流U(kV)(mA)转换为阳极靶热能（转换为阳极靶热能（99%）;转换为转换为X射线光子能量（射线光子能量（250 0.005深部组织的治疗深部组织的治疗 三三.射线谱射线谱 (X射线谱示意图射线谱示意图)1）连续）连续X射线谱射线谱(背景）：背景）：含连续变化的各种波长成分。含连续变化的各种波长成分。2）特征）特征X射线谱射线谱(线状）：线状）：含特定的几种波长成分。含特定的几种波长成分。研究研究X射线谱的目的：了解射线谱的目的：了解X射线的产生原理。射线的产生原理。X射射线谱的组成：线谱的组成：波长波长谱谱线线强强度度连续谱连续谱特征谱特征谱 X射射线谱的用途：线谱的用途：连续连续X射线用于临床医学中诊射线用于临床医学中诊 断、透视和治疗。断、透视和治疗。特征特征X射线用于分析物质结构。射线用于分析物质结构。连续谱连续谱实验现象：实验现象：1.连续连续X射线谱射线谱(continuous X-rays)（1）每一种管电压下，存在一每一种管电压下，存在一个相对强度为零的最短波长，称个相对强度为零的最短波长，称短波极限短波极限，即射线中其它各个波，即射线中其它各个波长均大于短波极限。长均大于短波极限。（2）随着管电压增大，射线中随着管电压增大，射线中波长成分增多，且波长成分增多，且短波极限和强短波极限和强度最大的波长朝短波方向移动。度最大的波长朝短波方向移动。相相对对强强度度管电压管电压管电流管电流钨靶钨靶波长波长 钨靶的连续钨靶的连续X射线谱射线谱（管电压）（管电压）连续连续X射线谱产生的机制：射线谱产生的机制：入射的高速电子撞击阳入射的高速电子撞击阳极靶时，受靶中原子核的极靶时，受靶中原子核的库仑场作用而急剧减速，库仑场作用而急剧减速，每个入射电子损失的动能每个入射电子损失的动能转化为一个转化为一个X光子辐射出来，光子辐射出来，从而产生从而产生X射线。射线。轫致辐射：轫致辐射：10-10-10m10-15meX光子光子（h）（原子半径）（原子半径）（原子核半径）（原子核半径）e连续连续X射线是如何产生的？射线是如何产生的？高速电子高速电子形成波长连续形成波长连续变化的连续谱。变化的连续谱。高速电子高速电子短波极限的产生短波极限的产生:入射高速电子的动能全部转化为一个光子入射高速电子的动能全部转化为一个光子辐射出来。此时光子具有最大能量（辐射出来。此时光子具有最大能量（h max)、最短波长、最短波长 min。nmkVU)(242.1min表明：每个管电压表明：每个管电压,有一个短波极限有一个短波极限;管电压增大管电压增大,短波极限朝短波方向移动。短波极限朝短波方向移动。minmax221chheUm各个高速电子进入靶内各个高速电子进入靶内受阻情况各不相同，失受阻情况各不相同，失去的动能也各不相同。去的动能也各不相同。X光子光子（h）X光子光子（h）连续谱连续谱 钨在较高管电压下的钨在较高管电压下的X X射射线谱线谱2.特征特征X射线谱射线谱 (characteristic X-rays)实验现象实验现象:每一种元素（靶）有一套一定波长的每一种元素（靶）有一套一定波长的特征特征X X射射线谱，成线谱，成为其标识。比如：指纹成为人的标识。为其标识。比如：指纹成为人的标识。K K系系特征特征线线*在较高管电压下出现在较高管电压下出现四条谱线；四条谱线；“特征特征”X射线谱：射线谱：*随着管电压继续增高随着管电压继续增高,连续连续X X射射线谱明显变化线谱明显变化,而四条谱线的位置不变而四条谱线的位置不变（即波长不变）（即波长不变）。特征特征X X射线射线产生机制产生机制:原子内部各壳层电子原子内部各壳层电子跃迁形成特征谱。跃迁形成特征谱。高速电子击出某个内层电子高速电子击出某个内层电子(如：如：K壳层壳层电子电子)，产生空位；，产生空位；其它壳层其它壳层(如：如：L，M，N壳层壳层等等)电子填补空位而在跃迁过程电子填补空位而在跃迁过程中发出一个光子，其能量等于中发出一个光子，其能量等于两能级的能量差。从而形成确两能级的能量差。从而形成确定波长的线状定波长的线状X射线谱。射线谱。核核K(2e)L(8e)M(18e)N(32e)*特征特征X射线谱应用：化学元素的分析。射线谱应用：化学元素的分析。高速电子高速电子ee eeee e 不同壳层电子填补某不同壳层电子填补某壳层同一空位时所辐射的壳层同一空位时所辐射的标识谱组成一个线系。标识谱组成一个线系。eeK系标识线系标识线eeee特征特征X X光子光子X射线的本质：射线的本质：X射线是从原子内射线是从原子内部的内层电子壳层中部的内层电子壳层中发射出来的波长很短发射出来的波长很短(0.00110nm)的高能的高能量的光子流。量的光子流。X射线是电磁波，射线是电磁波，具有电磁波的共同具有电磁波的共同特性。特性。电磁波谱电磁波谱一、一、X射线的性质射线的性质2.2.化学效应：化学效应：射线使多种物质发生光化学反应，射线使多种物质发生光化学反应，使照相底片感光。使照相底片感光。X X射线摄影的基础。射线摄影的基础。3.3.生物效应：生物效应：射线照射使生物体发生电离和激发，引起一射线照射使生物体发生电离和激发，引起一系列生理、病理变化。系列生理、病理变化。放射治疗。同时要注重防护射线。放射治疗。同时要注重防护射线。(3)(3)电离作用：射线使物质原子、分子发生电离。电离作用：射线使物质原子、分子发生电离。测量测量 X X射线的基础。射线的基础。(2)(2)荧光作用：射线照射使物质发出荧光荧光作用：射线照射使物质发出荧光,在医学上在医学上 用于用于透视透视 。(1)(1)穿透本领：射线能够穿透本领：射线能够穿透穿透物质。物质。1.1.物理效应：物理效应：1914年获诺贝尔物理年获诺贝尔物理学奖学奖 X 射线发现射线发现1717年后，于年后，于1912年，德国物理学家劳厄找到了年，德国物理学家劳厄找到了X 射线具有波动本性的最有力的实射线具有波动本性的最有力的实验证据：发现并记录了验证据：发现并记录了X 射线通射线通过晶体时发生的衍射现象。过晶体时发生的衍射现象。二二.X射线射线衍射衍射衍射斑纹（劳厄斑）晶体X射线照相底片劳厄的X射线衍射实验原理图 晶体中原子有规律排列的结构晶体中原子有规律排列的结构可看成是光栅。原子的线度和间距可看成是光栅。原子的线度和间距大约为大约为1010-10-10m m 数量级，与入射数量级，与入射X射射线的波长相当或更小些，相邻晶面线的波长相当或更小些，相邻晶面原子的反射线发生干涉，就可能获原子的反射线发生干涉，就可能获得衍射现象。得衍射现象。衍射图样衍射图样X X射线射线晶体晶体中中各各晶面晶面 (掠射角掠射角 )(氯化钠晶体氯化钠晶体)ClNa晶体结构点阵晶体结构点阵X射线入射角掠射角掠射角求出相邻晶面求出相邻晶面距离为距离为 d 的两的两反射光反射光衍射衍射加加强条件。强条件。面层间两反射面层间两反射光光程差：光光程差：布拉格定律布拉格定律衍射加强衍射加强的条件：的条件：或或布拉格方程布拉格方程布拉格方程布拉格方程Bragg equation=X X射线摄谱仪原理图射线摄谱仪原理图晶体晶体照相底片照相底片铅屏铅屏X X射线管射线管X X射线的衍射图样射线的衍射图样:NaClNaCl单晶单晶X X射线射线衍射斑点衍射斑点石英的石英的X X射线衍射斑点射线衍射斑点铅屏铅屏沃森沃森-克里克克里克DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型:X X射线衍射的重要应用举例射线衍射的重要应用举例 1953 1953年，美国科学家沃森（年，美国科学家沃森（J.D.Watson,1928-J.D.Watson,1928-，生物学生物学博士博士）和英国科学家克里克（）和英国科学家克里克（F.Crick,1916-2004F.Crick,1916-2004，物理，物理学学博博士士）提出）提出DNADNA双螺旋结构。双螺旋结构。19621962年获诺贝尔医学和生理学奖。年获诺贝尔医学和生理学奖。*X射线被衰减射线被衰减X光子被物质吸收光子被物质吸收,能量减少；能量减少；X光子被物质散射光子被物质散射,改变方向和量改变方向和量；I0I一一.单能窄束单能窄束X射射线的线的吸收吸收衰减规律衰减规律:xeII0I0-入射线强度入射线强度,I-透射线强度透射线强度,x-射线透过的厚度射线透过的厚度,-物质的线性衰减系数物质的线性衰减系数(对单能谱对单能谱 的的X射线射线,恒定不变恒定不变);xxI0I0 （线性衰减系数）（线性衰减系数）（linear attenuation coefficient）描写物质对描写物质对X X射射线衰减快慢的物理量。线衰减快慢的物理量。物质的物质的 越大，越大，X X射线衰减越多。射线衰减越多。(单位：单位：cm-1)*非均匀介质非均匀介质(即多层物质即多层物质)的总线性衰的总线性衰减系数：减系数：I0I1I2I3I41234xeII101xeII212xeII323xeII4344043211ln1IIxNiixI I0 0I I0 0 大大 小小x*物理意义：物理意义：总线性衰减系数：总线性衰减系数：(以以4 4层为例层为例)二二.质量衰减系数质量衰减系数 m 质量厚度质量厚度 xm（mass thickness）:*定义：定义：xm=x（单位面积中，厚度为单位面积中，厚度为x 的吸收层的质量）的吸收层的质量）*单位：单位：g/cm2（m m与与 无关，无关，m m大则衰减快）大则衰减快）m(与物质密度与物质密度 的关系：的关系：正比正比 )mmxeII0*定义定义：单位单位：cm2/g*衰减规律第二形式：衰减规律第二形式：物质的半价层物质的半价层 x1/2 (half value layer):*定义定义：物质对物质对X射线强度衰减一半的厚度。射线强度衰减一半的厚度。*物理意义：物理意义：物质的物质的x1/2或或xm1/2越小越小,则对则对X射线衰减越多。射线衰减越多。*表式：表式：693.02ln2/1x（单位：（单位：cm）mmmx693.02ln2/1（单位（单位:g/cm2 ）*衰减规律第三形式：衰减规律第三形式：2/1)21(0 xxII 三三.质量衰减系数与波长及原子序数的关系质量衰减系数与波长及原子序数的关系 m=KZ 31.1.有效原子序数有效原子序数(Z)(Z)愈高的物质，对愈高的物质，对X X射线衰射线衰减愈强减愈强;K：常：常 数数;Z：物质有效原子序数：物质有效原子序数;：医学上为：医学上为 34;：X射线波长射线波长;由此得到两个有实际意义的结论：由此得到两个有实际意义的结论：*X X光透视与摄影光透视与摄影:骨骨(Ca,P,O)对对X射线的衰减射线的衰减 大于大于 软组织软组织(C,H,O)对对X射线的衰减射线的衰减;(骨在荧光屏中呈暗影骨在荧光屏中呈暗影;在摄影胶片在摄影胶片(底片底片)中呈亮影。中呈亮影。)mZ m 3和和 mZ人体中吸收人体中吸收X X线最多的是门牙，最少的是充满气体的肺。线最多的是门牙，最少的是充满气体的肺。*造影术造影术:血管造影，胃肠造影（血管造影，胃肠造影（“钡餐钡餐”）等。）等。食管钡餐造影：左图为充盈相，右图为粘膜相。食管钡餐造影：左图为充盈相，右图为粘膜相。造影后造影后造影前造影前(钡钡Z=56)Z=56)*防护材料防护材料:铅块铅块(Z=82)(Z=82)*X X射线硬化与滤线板：射线硬化与滤线板：滤线板滤线板：铜板、铝板或铜板和铝板合并铜板、铝板或铜板和铝板合并(先铜后铝先铜后铝)。硬化硬化：X X射线经过铜板或铝板后软成分射线经过铜板或铝板后软成分(长长)被吸收多，被吸收多，得到的得到的X X射线硬度高射线硬度高(短短)，射线谱范围窄。，射线谱范围窄。滤线板的作用滤线板的作用：硬化硬化X X射线。射线。2.X2.X射线的波长射线的波长()愈长，愈容易被物质吸收衰减。愈长，愈容易被物质吸收衰减。浅部治疗：浅部治疗：长；长；深部治疗：深部治疗：短短X X线源线源铅准直器铅准直器被照射体被照射体探测器探测器滤过板滤过板 m 3一一.诊诊 断断1.X 射线透视射线透视简称透视简称透视:强度均匀的强度均匀的X X射线投射线投照人体照人体,由于人体内由于人体内不同部分对射线衰减不同部分对射线衰减不同不同,使透过人体的使透过人体的射线强度不均匀射线强度不均匀,投投射到荧光屏后显示出射到荧光屏后显示出明暗不同的荧光图像。明暗不同的荧光图像。2.X线摄影线摄影X X射线透过人体后投射线透过人体后投射到照相底片上，射到照相底片上，底片感光显像后可底片感光显像后可观测到明暗不同的观测到明暗不同的图像。图像。3.X射线造影术：射线造影术：给器官或病灶注射衰减系数较大或较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。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。造影剂：阳性造影剂、阴性造影剂。粘膜相粘膜相(造影前造影前)充盈相充盈相 (造影后造影后)钡灌肠钡灌肠 阳性阳性造影剂造影剂:对对X X射线吸收强，在透视荧光屏上显示浓黑的射线吸收强，在透视荧光屏上显示浓黑的对比剂影像，在胶片上则是淡白的对比剂影像，如各种钡剂对比剂影像，在胶片上则是淡白的对比剂影像，如各种钡剂(Z=5656，硫酸钡)和碘剂等。和碘剂等。粘膜相粘膜相(造影前造影前)充盈相充盈相 (造影后造影后)钡剂罐肠钡剂罐肠是结肠是结肠疾病最常用的检疾病最常用的检查方法。查方法。钡剂：钡剂：消化道造影是喝钡剂。小肠气钡逆行注气双对比造影。消化道造影是喝钡剂。小肠气钡逆行注气双对比造影。碘剂：碘剂：输卵管碘油输卵管碘油造影、脑血管碘造造影、脑血管碘造影、有影、有机碘水作膝机碘水作膝关节造影或碘水气关节造影或碘水气体双重造影体双重造影。contrast medium4.数字减影血管造影数字减影血管造影(DSA):通过图像处理器将通过图像处理器将“原像原像”和和“造影像造影像”相减相减,从造从造影像中减去原像影像中减去原像,使造影的血管图像保留下来而减影除使造影的血管图像保留下来而减影除去无关的组织影像。去无关的组织影像。血管造影前血管造影前血管造影后血管造影后 血管数字减影处理后血管数字减影处理后 应用物理技术和计算机处理，测定应用物理技术和计算机处理，测定X X射线的衰减系数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。获得该断层面图像。5.X射线计算机断层成像（射线计算机断层成像（X-CT)：(X-ray computed tomography)二、治二、治 疗疗治疗癌症治疗癌症：X X射线对人体组织的电离作用，直接破坏细胞，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。尤其对分裂旺盛的癌细胞。刀刀-21世纪治疗肿瘤新技术世纪治疗肿瘤新技术:在图像引导下在图像引导下,利用三维利用三维立体定向原理将直线加速器产生立体定向原理将直线加速器产生的高能的高能X X射线从空间三维方向上聚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，焦集中照射到病灶的一种新技术，由于由于X X射线能够准确的按照肿瘤的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，像常组织之间形成整齐的边缘，像用手术刀切除的一样用手术刀切除的一样,故称为故称为“X-X-刀刀”。刀（也称光子刀）是一种立体定向放射治疗技术。刀（也称光子刀）是一种立体定向放射治疗技术。X刀治疗刀治疗“X-刀刀”治疗设备治疗设备目前国际上，在放射治疗中使用最多的是医用电子直线加速目前国际上，在放射治疗中使用最多的是医用电子直线加速器：器：射线类型射线类型:X:X线；线；能量能量:6MV:6MV；正常治疗距离：正常治疗距离：100cm100cm；最大输出剂量率：最大输出剂量率：250cGy/min250cGy/min；照射野范围：照射野范围：对称野：对称野：20mm20mm20mm20mm400mm400mm400mm400mm非对称野：非对称野：-100mm-100mm+200mm(+200mm(单边单边)电子直接引出，可作电子线治疗。电子打击重金属靶，产生韧致辐射，发射X射线，作X线治疗。三三.防护防护 X射线对生物组织有破坏作用，过量照射会引起白血射线对生物组织有破坏作用，过量照射会引起白血病、角化病及毛发脱落。病、角化病及毛发脱落。常用的防护物品有常用的防护物品有：铅板、含铅玻璃、含铅胶皮裙和铅板、含铅玻璃、含铅胶皮裙和手套以及混凝土等。手套以及混凝土等。工作人员防护工作人员防护受检者防护受检者防护铅当量：铅当量：0.5mmPb X X射线防护屏射线防护屏 内照射防护的基本措施内照射防护的基本措施:1 1，降低空气中放射性核素浓度，降低空气中放射性核素浓度2 2，降低表面污染水平，降低表面污染水平3 3，防止放射性核素进入人体，防止放射性核素进入人体4 4，加速体内放射性核素的排出，加速体内放射性核素的排出银耳、海带等银耳、海带等电离辐射标志：电离辐射标志：外照射防护的基本方法：外照射防护的基本方法：2.2.距离防护距离防护3.3.屏蔽防护屏蔽防护1.1.时间防护时间防护尽量减少在电尽量减少在电离辐射场中逗离辐射场中逗留的时间留的时间 尽可能增加作尽可能增加作业人员与辐射业人员与辐射源之间的距离源之间的距离 应有可靠的防护应有可靠的防护屏障屏障:屏蔽材料、屏蔽材料、屏蔽厚度屏蔽厚度(射线的强度与接触距离的平方成反比，与接触时间成正比射线的强度与接触距离的平方成反比，与接触时间成正比)第十三、十四章主要内容第十三、十四章主要内容Summary总总 结结kdsin2:明纹受激辐射、受激辐射、加强受激辐射两个基本条件、加强受激辐射两个基本条件、激光的四个基本特性、激光的四个基本特性、X X射线产生的两个基本条件、射线产生的两个基本条件、X X射线强度和硬度及其医学临床表示、射线强度和硬度及其医学临床表示、X X射线的本质、射线的本质、两种办法增加两种办法增加X X射线强度、射线强度、X X射线谱组成及其产生机制、射线谱组成及其产生机制、X X射线的性质、射线的性质、半价层。半价层。影响影响X X射线衰减的两个因素、射线衰减的两个因素、2/1)21(0 xxII mmxeII0 xeII0693.02/1xm布喇格布喇格定律：定律：xxmX X射线短射线短波极限：波极限：X X射线衰减定律：射线衰减定律：nmkVU)(242.1min3kZm