醫(yī)學(xué)物理射線第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五第一張X射線照片:倫琴夫人的手骨。X射線在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：透視、攝影、X-CT、治療等。本章內(nèi)容：第一節(jié)X射線的發(fā)生

第二節(jié)X射線的基本特征

第三節(jié)X射線的衰減規(guī)律第四節(jié)

X射線的醫(yī)學(xué)應(yīng)用第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五X射線透視X射線攝影X線計(jì)算機(jī)體層成像（X-CT）第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)X射線的發(fā)生1.X射線產(chǎn)生的兩個(gè)基本條件:1).高速運(yùn)動的電子流；2).阻止電子運(yùn)動的適當(dāng)?shù)恼系K物(靶)。一.X射線的發(fā)生裝置電子流靶第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五2.X射線產(chǎn)生裝置1)X射線管的構(gòu)造：外殼：硬質(zhì)玻璃管，高真空。陰極：電子源，發(fā)射電子流（鎢絲）。陽極：靶，受高速電子轟擊而輻射X射線。陰極陽極+金屬靶電子束高能X射線第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五2.X射線機(jī)的基本線路：mAT2(降壓變壓器）T1（升壓變壓器）整流

X射線管管電流I

管電壓KV220VR低壓電源高壓電源

220V第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五（1）低壓電源與管電流i（mA)：T2降壓-->R-->燈絲電流-->熱電子數(shù)量-->管電流i(mA)（2）高壓電源與管電壓U(kV)：

T1升壓-->整流-->X管直流高壓U(kV)-->電子獲得高速（管電壓U(kVP)---峰值管電壓）（3）X射線管與X射線的產(chǎn)生：高速電子撞擊靶---->產(chǎn)生熱能（>99%）和X線能（<1%）要求:靶物質(zhì)---熔點(diǎn)高且易散熱、原子序數(shù)（Z）大。

X射線管電流i：X射線管電壓U：+管電壓管電流U(kV)i(mA)第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五X線的強(qiáng)度（I）:

定義：單位時(shí)間內(nèi)通過與射線方向垂直的單位面積的輻射能量。Ni---單位時(shí)間通過垂直于射線方向單位面積光子數(shù)；hvi---光子能量ii(單位:焦?fàn)?秒·米2

)二.Ｘ線的強(qiáng)度和硬度兩個(gè)因素決定增加X線強(qiáng)度：（2）光子數(shù)目NX線強(qiáng)度光子能量hv

（1）X線強(qiáng)度X線的量.X線的質(zhì).第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五1.X線的量X線的量的定義：一定時(shí)間內(nèi)通過與射線方向垂直的單位面積的總能量。X線的量=管電流×照射時(shí)間=I·t（單位:mA·S）*醫(yī)學(xué)上常將一定的管電壓下管電流毫安數(shù)（mA）表示為X線強(qiáng)度。一次拍片的量：I=20mAs=2000.1mAs=500.4mAs照手的x曝光量:15毫安0.02秒,就是0.3毫安秒。例如：第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五2.X線的硬度（X線的貫穿本領(lǐng)）X線X線硬度比較：B束大于A束實(shí)質(zhì)：

能量大的光子被物質(zhì)吸收少，其貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，相應(yīng)的射線硬度大。A束B束醫(yī)學(xué)上常用管電壓的千伏數(shù)（kV）表示X線硬度。第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五X線按硬度分類及主要用途:CategoriesTubevoltage

(kV)

ShortestWavelength(nm)

Use很軟X-ray

軟X-ray

硬X-ray很硬X-ray5-20

20-100

100-250

over2500.25-0.062

0.062-0.012

0.012-0.005

below0.005軟組織的X線攝影X線攝影和透視

淺表組織的治療深部組織的治療第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五三.Ｘ射線譜(X線譜示意圖)連續(xù)X線譜(背景）特征X線譜(線狀）

X線譜線強(qiáng)度與波長的關(guān)系：研究X線譜的目的：了解X線產(chǎn)生的原理。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中主要使用連續(xù)X線,而在利用光譜研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)中使用特征X線.X線譜的組成：第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五射線譜特性：連續(xù)X射線(continuousX-rays)（1）每一種管電壓下，存在一個(gè)短波極限；射線中含有大于短波極限的各個(gè)波長成分。（2）隨著管電壓增大，短波極限和強(qiáng)度最大的波長朝短波方向移動。相對強(qiáng)度+管電壓管電流鎢靶波長

鎢靶的連續(xù)X射線譜第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五+Ze10-10m10-15me光子（h）（原子半徑）（原子核半徑）連續(xù)X射線譜產(chǎn)生的機(jī)制：

高速電子撞擊陽極靶時(shí)，受靶中原子核的庫侖場作用而速度驟減，每個(gè)電子減少的動能轉(zhuǎn)化為一個(gè)光子輻射出來，有X射線放出。軔致輻射：eee第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五高速電子進(jìn)入靶內(nèi)不同深度，損失的動能有各種數(shù)值，使射線(光子)波長連續(xù)變化,形成連續(xù)譜。高速電子光子（h）光子（h’）短波極限的產(chǎn)生:高速電子的動能全部轉(zhuǎn)成輻射能。當(dāng)電子的全部動能轉(zhuǎn)化為一個(gè)光子輻射出來時(shí)，光子具有最大能量（hmax)，相應(yīng)的波長為最短min。短波極限（min）的計(jì)算：

電子動能

每個(gè)管電壓,對應(yīng)一個(gè)短波極限;管電壓增大,短波極限朝短波方向移動。第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五鎢在較高管電壓下的X線譜2.標(biāo)識X射線譜

(characteristicX-rays)特點(diǎn):每一種元素（靶）有一套一定波長的特征X線譜，成為其標(biāo)識。比如：指紋成為人的標(biāo)識。K系特征線*在較高管電壓下出現(xiàn)四條譜線；特征X線譜：*隨著管電壓繼續(xù)增高,連續(xù)X線譜明顯變化,而四條譜線的位置不變（即波長不變）。第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五標(biāo)識X射線產(chǎn)生機(jī)制:原子內(nèi)部各殼層電子躍遷形成標(biāo)識譜.

高速電子擊出某個(gè)內(nèi)層電子(如：K殼層電子)，產(chǎn)生空位；空位由其它殼層電子(如：L，M，N或更外層電子)填補(bǔ)，電子在躍遷過程中發(fā)出一個(gè)光子，其能量等于兩能級能量之差。從而形成確定波長的線狀X射線譜。核K(2e)L(8e)M(18e)N(32e)*

標(biāo)識X射線譜應(yīng)用：化學(xué)元素的分析。(高速電子)eK系標(biāo)識線eeeeeeeeee不同殼層電子填補(bǔ)某殼層同一空位時(shí)所輻射的標(biāo)識譜組成一個(gè)線系。(光子)ee第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五一、X射線的本質(zhì)X線是從原子內(nèi)部發(fā)射出來的波長很短(0.001~10nm)的高能量的光子流。第二節(jié)X射線的基本特征

X線是電磁波，具有電磁波的共同特性。

電磁波譜第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五二、X射線的性質(zhì)化學(xué)效應(yīng)：射線使多種物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，使照相底片感光。X射線攝影的基礎(chǔ)。生物效應(yīng)：射線照射使生物體發(fā)生電離和激發(fā)，引起一系列生理、病理變化。放射治療。同時(shí)要注重防護(hù)射線。3.電離作用：射線使物質(zhì)原子、分子發(fā)生電離。測量

X射線的基礎(chǔ)。2.熒光作用：射線照射使物質(zhì)發(fā)出熒光,在醫(yī)學(xué)上用于透視。1.貫穿本領(lǐng)：射線能夠穿透物質(zhì)。物理效應(yīng)：第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五X射線發(fā)現(xiàn)17年后，于1912年，德國物理學(xué)家勞厄找到了X射線具有波動本性的最有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：發(fā)現(xiàn)并記錄了X射線通過晶體時(shí)發(fā)生的衍射現(xiàn)象。1914年獲諾貝爾物理學(xué)獎。

二.X射線衍射衍射斑紋（勞厄斑）+晶體X射線記錄干板勞厄的X射線衍射實(shí)驗(yàn)原理圖第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五晶體中原子有規(guī)律排列的結(jié)構(gòu)可看成是光柵。原子的線度和間距大約為10-10m數(shù)量級，與入射X射線的波長相當(dāng)或更小些，相鄰晶面原子的反射線發(fā)生干涉，就可能獲得衍射現(xiàn)象。衍射圖樣X射線晶體中各晶面(掠射角

)(氯化鈉晶體)Cl＋Na晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五lX射線qqEFPidl入射角掠射角求出相鄰晶面距離為

d的兩反射光干涉加強(qiáng)條件sincos+dEPPF2di2dq面層間兩反射光光程差：布拉格定律干涉加強(qiáng)得亮點(diǎn)的條件：或布拉格方程θ布拉格方程Braggequationsin2dqlk(),...21k,=第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五X射線攝譜儀原理圖晶體照相底片鉛屏X射線管X射線的衍射圖樣:NaCl單晶X射線衍射斑點(diǎn)石英的X射線衍射斑點(diǎn)第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五脫氧核糖核酸(DNA分子)的雙螺旋結(jié)構(gòu)模式:

X射線衍射的重要應(yīng)用舉例1953年，美國科學(xué)家沃森（J.D.Watson,1928-）和英國科學(xué)家克里克（F.Crick,1916-）提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu);1962年獲諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎。第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五*射線被衰減光子被物質(zhì)吸收，能量轉(zhuǎn)換；光子被物質(zhì)散射改變方向和量；I0I1.單能窄束X線的衰減規(guī)律I0---入射線強(qiáng)度I---透射線強(qiáng)度x---射線透過的厚度μ---物質(zhì)的線衰減系數(shù)(對單能譜的X射線,μ恒定不變)xμ第三節(jié)X射線的衰減規(guī)律xI0I0第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

μ（線衰減系數(shù)）（linearattenuationcoefficient）

*物理意義：描寫物質(zhì)對X線衰減快慢的物理量。物質(zhì)的μ越大，I越小，X射線衰減越快。(單位：cm-1或m-1)非均勻介質(zhì)(即多層物質(zhì))的總線衰減系數(shù)：I0I1I2I3I41234xI0I0

μ大

μ小x第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五二.μm(質(zhì)量衰減系數(shù))

xm（質(zhì)量厚度）（massthickness）:*定義：xm=x（單位面積中，厚度為x的吸收層的質(zhì)量）*單位：g/cm2（μm與無關(guān)，μm大則衰減快）(

μ與物質(zhì)密度的關(guān)系：

μ正比)*定義：單位：cm2/g*衰減規(guī)律第二形式：第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五半價(jià)層x1/2(halfvaluelayer):*定義：物質(zhì)對X射線強(qiáng)度衰減一半的厚度。物理意義：物質(zhì)的x1/2或xm1/2越小,則對X射線衰減越快。*表式：（單位：cm）（單位:g/cm2）*指數(shù)衰減規(guī)律第三形式：第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

三.質(zhì)量衰減系數(shù)與射線波長及物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系

μm=KZα31.有效原子序數(shù)(Z)愈高的物質(zhì)，對X射線衰減愈強(qiáng);K：常數(shù)Z：物質(zhì)有效原子序數(shù)α：醫(yī)學(xué)上為3~4：X射線波長由此得到影響X射線衰減的因素的兩個(gè)結(jié)論：*X光透視與攝影:骨(Ca,P,O)對X射線的衰減大于軟組織(C,H,O)對X射線的衰減骨在透視熒光屏中呈暗影;在攝影膠片(底片)中呈亮影。第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五*造影術(shù):血管造影，胃腸造影（“鋇餐”）等。*防護(hù)材料:鉛塊(Z=82)食管鋇餐造影：左圖為充盈相，右圖為粘膜相。造影后造影前(鋇Z=56)第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五*X射線硬化與濾線板：濾線板：銅板、鋁板或銅板和鋁板合并(先銅后鋁)。硬化：X射線經(jīng)過銅板或鋁板后軟成分(長)被吸收多，得到的X射線硬度高(短)，射線譜范圍窄。濾線板的作用：硬化X射線。2.X射線波長()愈長，愈容易被物質(zhì)吸收衰減。淺部治療：長；深部治療：短X線源鉛準(zhǔn)直器被照射體探測器濾過板第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五一.診斷第四節(jié)X射線的醫(yī)學(xué)應(yīng)用1。X射線透視熒光透視（fluoroscopy）：簡稱透視。強(qiáng)度均勻的X射線投照人體,由于人體內(nèi)不同部分對射線衰減不同,使透過人體的射線強(qiáng)度不均勻,投射到熒光屏后顯示出明暗不同的熒光圖像。第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五2.X線攝影X射線透過人體后投射到照相底片上，底片感光顯像后可觀測到明暗不同的圖像。第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五3.X射線造影術(shù)：給器官或病灶注射衰減系數(shù)較大或較小的物質(zhì)來增加它與周圍組織的對比以便清晰顯像。造影劑：陽性造影劑、陰性造影劑。粘膜相(造影前)充盈相(造影后)鋇