《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件--X射線.ppt

第十四章X射線 一 本章要點(diǎn) 1 掌握X射線強(qiáng)度和硬度的概念 掌握X射線譜及X射線產(chǎn)生的微觀機(jī)制 掌握X射線的衰減規(guī)律及應(yīng)用 2 理解X射線的基本性質(zhì) X射線的衍射 3 了解X射線機(jī)的基本組成及X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 二 授課重點(diǎn) 吸收規(guī)律 1901年獲首屆諾貝爾 物理學(xué)獎(jiǎng) 由于未知這種射線 稱為X射線 X射線 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 X射線透視 X射線攝影 X線計(jì)算機(jī)體層成像 X CT 第一節(jié)X射線的產(chǎn)生 1 X射線產(chǎn)生的兩個(gè)基本條件 1 高速運(yùn)動(dòng)的電子 2 阻止電子運(yùn)動(dòng)的適當(dāng)?shù)恼系K物 靶 一 X射線的產(chǎn)生裝置 電子流 靶 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(yáng)極 靶 受高速電子轟擊而輻射X射線 2 X射線機(jī)的基本線路 mA T2 降壓變壓器 T1 升壓變壓器 整流 X射線管 管電流i 管電壓U 220V R 低壓電源 高壓電源 220V 1 低壓電源與管電流 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 kV T1升壓 整流 X管直流高壓U kV 電子獲得高速 3 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 管電流 管電壓 U kV i mA X線的強(qiáng)度 I 定義 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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(guò)垂直于射線方向單位面積光子數(shù) hvi 光子能量 單位 w m 2 二 線的強(qiáng)度和硬度 兩個(gè)因素決定X線強(qiáng)度 2 光子數(shù)目Ni X線強(qiáng)度 光子能量hvi 1 X線強(qiáng)度 X線的量 X線的質(zhì) 1 X線的量 X線總輻射量的定義 一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)與射線方向垂直的單位面積的總能量 X線總輻射量 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 一次拍片的量 Q 20mA s 200 0 1mA s 50 0 4mA s 照手的X曝光量 15毫安0 02秒 就是0 3毫安秒 例如 2 X線的質(zhì) 硬度 X線的貫穿本領(lǐng) X線 X線 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 X線按硬度分類及主要用途 第二節(jié) 射線譜 X線譜示意圖 連續(xù)X線譜 背景 標(biāo)識(shí)X線譜 線狀 研究X線譜的目的 了解X線產(chǎn)生的機(jī)制 在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中主要使用連續(xù)X線 而在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)中使用標(biāo)識(shí)X線 X線譜的組成 Ze 10 10m 10 15m 光子 h 原子半徑 原子核半徑 一 連續(xù)X射線譜 continuousX rays 高速電子撞擊陽(yáng)極靶時(shí) 受靶中原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用而速度驟減 電子減少的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為光子輻射出來(lái) 軔致輻射 1 產(chǎn)生的機(jī)制 高速電子進(jìn)入靶內(nèi)不同深度 損失的動(dòng)能有各種數(shù)值 使射線 光子 波長(zhǎng)連續(xù)變化 形成連續(xù)譜 高速電子 光子 h 光子 h 2 連續(xù)譜特性 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(zhǎng)成分 2 隨著管電壓增大 短波極限和強(qiáng)度最大的波長(zhǎng)都朝短波方向移動(dòng) 相對(duì)強(qiáng)度 鎢靶 波長(zhǎng) 鎢靶的連續(xù)X射線譜 短波極限的產(chǎn)生 高速電子的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化成輻射能 當(dāng)一個(gè)電子的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為一個(gè)光子輻射出來(lái)時(shí) 光子具有最大能量 h max 相應(yīng)的波長(zhǎng)為最短 min 電子動(dòng)能 每個(gè)管電壓 對(duì)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(dòng) 短波極限 min 的計(jì)算 鎢在較高管電壓下的X線譜 二 標(biāo)識(shí)X射線譜 characteristicX rays 1 特點(diǎn) 每一種元素 靶 有一套特定波長(zhǎng)的特征X線譜 成為其標(biāo)識(shí) 比如 條形碼為商品的標(biāo)識(shí) K系特征線 在較高管電壓下出現(xiàn)四條譜線 標(biāo)識(shí)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(zhǎng)不變 2 標(biāo)識(shí)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(shí)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(guò)程中發(fā)出一個(gè)光子 其能量等于兩能級(jí)能量之差 從而形成確定波長(zhǎng)的線狀X射線譜 核 K 2e L 8e M 18e N 32e 標(biāo)識(shí)X射線譜應(yīng)用 化學(xué)元素的分析 K系標(biāo)識(shí)線 e 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(shí)譜組成一個(gè)線系 第一 二節(jié)小結(jié) X射線的 硬度 強(qiáng)度 X射線譜 連續(xù) 射線譜 軔致輻射 標(biāo)識(shí)X射線譜 原子內(nèi)層出現(xiàn)空位 躍遷 X射線產(chǎn)生 高速運(yùn)動(dòng)的電子 適當(dāng)?shù)恼系K物 裝置 X射線管低 高壓電源 整流電路 條件是 X射線的本質(zhì) X線是從原子內(nèi)部發(fā)射出來(lái)的波長(zhǎng)很短 0 001 10nm 的高能量的光子流 第三節(jié)X射線的基本性質(zhì) X線也是電磁波 具有電磁波的共同特性 電磁波譜 一 X射線的基本性質(zhì) 化學(xué)效應(yīng) 射線能使多種物質(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) 從而使細(xì)胞受到損傷 生長(zhǎng)受到抑制 甚至使細(xì)胞壞死等效應(yīng) 放射治療基礎(chǔ) 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(cè)量X射線的基礎(chǔ) 2 熒光作用 射線照射使某些物質(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) X射線發(fā)現(xiàn)17年后 于1912年 德國(guó)物理學(xué)家勞厄找到了X射線具有波動(dòng)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(guò)晶體時(shí)發(fā)生的衍射現(xiàn)象 1914年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 二 X射線衍射 勞厄的X射線衍射實(shí)驗(yàn)原理圖 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(jí) 與入射X射線的波長(zhǎng)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 掠射角 氯化鈉晶體 Cl Na 晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣 兩層面間反射光光程差 布拉格定律 干涉加強(qiáng)得亮點(diǎn)的條件 或布拉格方程 布拉格方程 Braggequation 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) 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(guó)科學(xué)家沃森 J D Watson 1928 和英國(guó)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(jiǎng) 射線被衰減 光子被物質(zhì)吸收 光子被物質(zhì)散射 I0 I 一 單能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(guò)的厚度 物質(zhì)的線性衰減系數(shù) x 第四節(jié)X射線的衰減規(guī)律 線性衰減系數(shù) 物理意義 描寫物質(zhì)對(duì)X線衰減快慢的物理量 物質(zhì)的 越大 X射線衰減越快 單位 cm 1或m 1 多層物質(zhì)的總衰減系數(shù) x 投影值 m 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 m與 無(wú)關(guān) m大則衰減快 與物質(zhì)密度 的關(guān)系 正比 定義 單位 cm2 g 衰減規(guī)律第二形式 半價(jià)層x1 2 halfvaluelayer 定義 物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度衰減到一半的厚度 物理意義 物質(zhì)的x1 2或xm1 2越小 則對(duì)X射線衰減越快 單位 g cm2 衰減規(guī)律第三形式 二 質(zhì)量衰減系數(shù)與射線波長(zhǎng)及物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系 m KZ 3 1 有效原子序數(shù) Z 愈高的物質(zhì) 對(duì)X射線衰減愈強(qiáng) 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 對(duì)X射線的衰減大于軟組織 C H O 對(duì)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 造影術(shù) 血管造影 胃腸造影 鋇餐 等 防護(hù)材料 鉛塊 Z 82 鋇Z 56 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(guò)銅板或鋁板后軟成分 長(zhǎng) 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(zhǎng) 愈長(zhǎng) 愈容易被物質(zhì)吸收衰減 淺部治療 長(zhǎng) 深部治療 短 一 診斷 第五節(jié)X射線的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 1 X射線透視 熒光透視 fluoroscopy 簡(jiǎn)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(duì)射線衰減不同 使透過(guò)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 2 X線攝影 X射線透過(guò)人體后投射到照相底片上 底片感光顯像后可觀測(cè)到明暗不同的圖像 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(lái)增加它與周圍組織的對(duì)比以便清晰顯像 造影劑 陽(yáng)性造影劑 陰性造影劑 粘膜相 造影前 充盈相 造影后 鋇灌腸 通過(guò)圖像處理器將 原像 和 造影像 相減 從造影像中減去原像 使造影的血管圖像保留下來(lái)而減影除去無(wú)關(guān)的組織影像 血管造影前 血管造影后 血管數(shù)字減影處理后 4 數(shù)字減影血管造影 DSA 應(yīng)用物理技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理 測(cè)定X射線的衰減系數(shù)在人體中某斷層面上的二維分布矩陣 利用圖像重建原理 獲得該斷層面圖像 5 X射線計(jì)算機(jī)斷層成像 X CT X raycomputedtomography 二 治療 治療癌癥 X射線對(duì)人體組織的電離作用 直接破壞細(xì)胞 尤其對(duì)分裂旺盛的癌細(xì)胞 刀 21世紀(jì)治療腫瘤新技術(shù) 在 圖像引導(dǎo)下 利用三維立體定向原理將直線加速器產(chǎn)生的高能X射線從空間三維方向上聚焦集中照射到病灶的一種新技術(shù) 由于X射線能夠準(zhǔn)確的按照腫瘤的生長(zhǎng)形狀照射 使腫瘤組織和正常組織之間形成整齊的邊緣 像用手術(shù)刀切除的一樣 故稱為 X 刀 刀 也稱光子刀 是一種立體定向放射治療