第十章X射線X射線的產生及其性質X射線的衍射X射線在醫(yī)學上的應用10章X射線倫琴(W.K.Rontgen,1845–1923)德國物理學家.1900年因發(fā)現(xiàn)X射線獲諾貝爾物理學獎.

產生X射線的條件⑴有高速運動的電子流；⑵有適當?shù)恼系K物—靶,用來阻止電子的運動,把電子的動能轉變?yōu)閄射線的能量.§10-1X射線的產生及其性質10章X射線一.X射線的發(fā)生裝置X射線的發(fā)生裝置的核心元件是X射線管.-CBX射線X射線管+AX射線管的工作原理陰極的作用——釋放電子,陰極–陽極之間有強電場(幾十~幾百kV/m),電子在強電場作用下,向陽極加速運動—碰撞在靶上—有X射線輻射.10章X射線X

射線管10章X射線二.醫(yī)用電子加速器

電子感應加速器電子感應加速器是利用感生電場來加速電子的裝置.在電磁鐵的兩極之間安置一個環(huán)形真空室,當用交變電流激勵電磁鐵時,在環(huán)形室內就會感生出很強的、同心環(huán)狀的感生電場.用電子槍將電子注入環(huán)形室,電子在有旋電場的作用下被加速,并在洛倫茲力的作用下,在固定的圓軌道上回旋.將高能電子從真空室中引出撞靶而產生高能X射線.10章X射線

電子回旋加速器電子回旋加速器的主要結構是作為電極的兩個金屬半圓形真空盒,置于電磁鐵產生的均勻磁場中.兩D形電極之間加高頻交變電壓時,兩電極縫隙之間產生高頻交變電場.電子被這一電場加速后進入D1,在D1內受磁場力作用而作勻速圓周運動.當電子從D1出來再次進入兩電極縫隙之間時,其間電場恰好改變方向,電子被電場加速后進入D2.電子在交變電場和均勻磁場的作用下,多次累積式地被加速而沿著螺旋形平面軌道運動,直到能量足夠高時被引出加速器擊靶產生X射線或直接被利用作高能電子束治療.SBND2D110章X射線

電子直線加速器電子直線加速器是采用微波電場加速電子的裝置,其加速電子的徑跡是直線.主要由電子注入系統(tǒng)、加速系統(tǒng)以及引出系統(tǒng)組成.加速系統(tǒng)為一微波諧振腔,包括產生微波的設備(如磁控管、速調管)和傳輸微波并加速電子的加速管.電子在加速管中微波電磁場作用下,不斷被加速,然后經偏轉磁鐵偏轉而打靶產生高能X射線.10章X射線第三代直線加速器CLINAC2100C(Varian,USA).可以產生6和18MeV

的高能X射線及6,9,12,16和20MeV的高能電子束.直線加速器10章X射線/nm0.050.10.1500.020.1080.1280.147KL

L

L

三.X射線譜連續(xù)X射線特征X射線X光機產生的X射線譜10章X射線1.連續(xù)X射線譜

產生機制——軔致輻射(bremsstrahlung)高速運動的電子撞擊在陽極靶上,電子在靶原子核電場作用下,速度的量值和方向都發(fā)生急劇變化,電子的一部分動能轉化為X光子的能量h

而輻射出去.+h

max=EE+軔致輻射h

EE-h

10章X射線

連續(xù)譜特性⑴不同管電壓作用下的連續(xù)譜不同；⑵存在短波極限

min；⑶U↑→

峰值和

min向短波方向移動.

短波極限鎢靶在較低管電壓下產生的連續(xù)X射線譜10章X射線2.特征X射線譜對于鎢靶,管電壓在70kV以上產生的X射線譜10章X射線

特征譜特性⑴X光子能量h

=Em-En與靶材料有關與管電壓無關元素特征

產生機制高速運動的電子與陽極靶內某個原子的內層電子作用,靶原子的內層軌道電子吸收能量從靶原子中逸出,在原子的內層電子中出現(xiàn)空位；外層電子向空位躍遷,并在躍遷過程中放出一個光子,光子能量為電子躍遷前后的能級差.10章X射線四.X射線的特性

勞厄相1912年勞厄用晶體衍射的方法證實了X射線是電磁波(103~10nm)準直縫X射線····勞厄斑晶體·10章X射線X射線的特性⑴穿透作用——成像、防護；⑵熒光作用——X射線透視；⑶感光作用——X射線照相；⑷電離作用——生物效應的基礎、測量射線強度的原理；⑸生物效應——放射治療的基礎、需要防護的原因.10章X射線1.X射線的強度(intensity)

物理學中的定義——X射線的量每個光子能量h

←電子動能E←管電壓h

∝U光子數(shù)N←電子數(shù)←管電流N∝I電

強度在醫(yī)學上的表示法固定管電壓U,用管電流的mA數(shù)表示X射線的強度.五.X射線的強度與硬度10章X射線

硬度在臨床上的表示法用管電壓的kV數(shù)表示X射線的硬度.2.X射線的硬度(hardness)

定義指X射線的貫穿能力——表示X射線的質貫穿能力強→X射線硬管電壓U↑——電子動能↑——光子能量h

↑——能量大的光子不容易被物質吸收.硬度←每一個光子的能量h

10章X射線X射線按硬度的分類名稱管電壓/kV最短波長/nm主要用途極軟X射線軟X射線硬X射線極硬X射線5~2020~100100~250250以上0.25~0.0620.062~0.0120.012~0.0050.005以下軟組織攝影,表皮治療透視和照相較深組織治療深部組織治療10章X射線X光子物質中的粒子相互作用(吸收、散射)

單色平行X射線的衰減規(guī)律——朗伯定律原行進方向的射線強度被衰減.六.物質對X射線的衰減II0x10章X射線質量衰減系數(shù)引入的意義：同種物質,

↑→

↑但

m不變——更便于比較不同物質(分子構成)對X射線的衰減.線性衰減系數(shù)物理意義：物質對X射線衰減的強弱程度.

衰減系數(shù)10章X射線⑴Z↑——吸收本領↑是X射線醫(yī)學診斷的物理基礎.人體肌肉組織的主要成分H、C、O,骨骼的主要成分Ca3(PO4)2,

因此骨骼的

m大易成像.鉛(82)——很好的防護材料人工造影——消化道,硫酸鋇(鋇56)⑵

↑——容易被衰減放射治療——高能X射線射束硬化——濾線裝置

對低能射線10章X射線勞厄(Laue,1879–1960)1912年通過X射線在晶體中衍射的實驗,同時證實了X射線的波動性質和晶體內部的周期結構.1913年布拉格父子(W.H.Bragg,1862–1942andW.L.Bragg,1890–1971)通過X射線的衍射強度分布測定晶體的晶格結構.W.H.BraggW.L.Bragg§10-2X射線的衍射10章X射線1912年德國物理學家勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線通過晶體時產生衍射現(xiàn)象,證明了X射線的波動性和晶體內部結構的周期性.小布拉格認為勞厄衍射圖樣上的每一個斑點,是X射線在晶體中被某些平面干涉性反射的結果.他們使用老布拉格發(fā)明的X射線分光計,對晶體結構進行精心研究,提出了“布拉格公式”.他們又用X射線對氯化鈉、氯化鉀等晶體結構進行測定,從而為建立X射線晶體學打下了基礎.10章X射線一.X射線的衍射

晶體(crystal)原子在三維空間中周期性重復排列構成的固體.

每個原子都是發(fā)射子波的衍射中心,向各個方向發(fā)射子波,子波相干疊加,形成衍射圖樣.

d

dsin

12晶面ACB

10章X射線

散射光干涉加強條件——布拉格方程

應用已知

、

可測d——X射線晶體結構分析.研究細胞和蛋白質等的精細結構.已知

、d可測

——X射線光譜分析.

d

dsin

12晶面ACB

10章X射線二.X射線晶體結構分析X射線衍射儀10章X射線X射線晶體結構分析的基本方法⑴根據布拉格方程,通過分析衍射圖上斑點的位置,確定晶胞的大小和形狀；⑵利用衍射圖上斑點的亮度或黑度,確定晶胞中原子的空間排布.

常采用的步驟⑴使生物大分子結晶,得到有一定衍射分辨率的晶體；⑵測量X射線衍射強度數(shù)據,即衍射斑點圖；⑶對數(shù)據進行分析處理,包括計算結構因子振幅、測定結構因子相位、計算電子密度圖、構建結構模型、精修結構模型等.10章X射線M.Perutz佩魯茲(M.Perutz,1914–2002)和肯特魯(C.Kendrew,1917–1997)1953年通過X射線衍射法完成了血紅蛋白和肌紅蛋白的結構分析,并因此于1962年獲得了諾貝爾化學獎.C.Kendrew10章X射線威爾金斯(M.Wilkins,1916)和弗蘭克林(R.Franklin,1920–1958)通過X射線衍射法研究DNA分子的結構.M.WilkinsR.Franklin

威爾金斯拍攝的DNA分子的X射線衍射照片.照片顯示DNA分子是單鏈結構的螺旋體.10章X射線弗蘭克林于1952年5月獲得的一張清晰的DNA分子的X光衍射照片.由此推算DNA分子呈螺旋狀,而且認識到是雙鏈同軸排列.定量測定DNA螺旋體的直徑為1.0

nm,螺距為3.4nm.10章X射線J.WatsonF.Crick

1953年沃森(J.D.Watson,1928)和克里克(F.H.Crick,1916–2004)在堿基互補配對原則的基礎上,構建了DNA分子雙螺旋結構模型.10章X射線由衍射圖重建的SARS-CoV主蛋白酶飄帶結構模型.SARS-CoV主蛋白酶的X射線晶體衍射圖(1.9?).10章X射線一.X射線在診斷方面的應用數(shù)字化多功能X光機§10-3X射線在醫(yī)學中的應用

透視和攝影10章X射線世界一流的心血管造影系統(tǒng),主要用于心血管疾病的診斷和治療,尤其是心血管疾病的介入治療.

數(shù)字減影將血管內注入造影劑前、后獲得的圖像相減,可以得到消除骨骼和軟組織結構的血管影像——觀察心血管和腦血管的血液動力學變化.10章X射線X

射線電子計算機斷層成像

(X-rayComputedTomography,簡稱X-CT)G.N.HounsfieldA.M.Cormack1963年美國物理學家科馬克(A.M.Cormack,1924–1998)發(fā)現(xiàn)人體不同的組織對Ｘ線的透過率有所不同,提出了用投影數(shù)據重建圖像的數(shù)學方法.1972年英國工程師亨斯菲爾德(G.N.Hounsfield,1919–2004)研制成第一臺頭部X-CT,在臨床上使用并獲得清晰的診斷影像.10章X射線X-CT

系統(tǒng)示意圖探測器X線管高壓發(fā)生器模/數(shù)轉換器計算機數(shù)/模轉換器顯示器照相機人體10章X射線圖像重建的物理基礎

1

2

n-1

n

l

l10章X射線

X射線管

探測器直線掃描1直線掃描2直線掃描3第一代CT機直線掃描240次→旋轉1°旋轉180°共得數(shù)據240

180=43200個從43200個方程→25600個

10章X射線X-CT

成像原理10章X射線CT

掃描技術的發(fā)展歷史1985滑環(huán)CT實現(xiàn)單周連續(xù)掃描,掃描時間1秒19891991199319951998亞秒掃描應用實時掃描技術