10章X射線[教資優(yōu)擇]

1、第十章 X射線 X射線的產(chǎn)生及 其性質(zhì) X射線的衍射 X射線在醫(yī)學(xué)上 的應(yīng)用 1教資借鑒 倫琴(W. K. Rontgen, 18451923)德國物理學(xué) 家.1900年因發(fā)現(xiàn)X射 線獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng). v產(chǎn)生X射線的條件 有高速運(yùn)動(dòng)的電子流； 有適當(dāng)?shù)恼系K物靶, 用來阻止電子的運(yùn)動(dòng),把 電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線 的能量. 10-1 X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì) 2教資借鑒 一.X射線的發(fā)生裝置 vX射線的發(fā)生裝置的核心元件是X射線管. - C B X射線射線 X X射線管射線管 + A vX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(qiáng) 電場(幾十幾百kV/m), 電子在強(qiáng)電場作用下, 向陽

2、極加速運(yùn)動(dòng)碰撞 在靶上有X射線輻射. 3教資借鑒 X 射線管 4教資借鑒 二. 醫(yī)用電子加速器 v 電子感應(yīng)加速器 電子感應(yīng)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(gè)環(huán)形真空室,當(dāng)用 交變電流激勵(lì)電磁鐵時(shí),在環(huán)形室內(nèi)就會(huì)感生出 很強(qiáng)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(chǎn)生高能X射 線. 5教資借鑒 v 電子回旋加速器 電子回旋加速器的主要結(jié) 構(gòu)是作為電極的兩個(gè)金屬 半圓形真空盒,置于電磁鐵 產(chǎn)生的均勻磁場中. 兩D形電極之間加高頻交變電壓時(shí),兩電

3、極縫隙之間 產(chǎn)生高頻交變電場. 電子被這一電場加速后進(jìn)入D1,在D1內(nèi)受磁場力作 用而作勻速圓周運(yùn)動(dòng). 當(dāng)電子從D1出來再次進(jìn)入兩電極縫隙之間時(shí),其間 電場恰好改變方向,電子被電場加速后進(jìn)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(yùn)動(dòng),直到能量足夠高 時(shí)被引出加速器擊靶產(chǎn)生X射線或直接被利用作高 能電子束治療. S B N D2 D1 6教資借鑒 v 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(chǎn)生微波的設(shè)備 (如磁控管、速調(diào)管)和

4、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(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵偏轉(zhuǎn)而打靶產(chǎn)生高能X射線. 7教資借鑒 第三代直線加速器 CLINAC 2100C (Varian, USA).可以 產(chǎn)生 6 和 18 MeV 的高能X射線及 6, 9, 12, 16 和 20 MeV的 高能電子束. 直線加速器 8教資借鑒 /nm0.050.10.150 0.020.108 0.128 0.147 KL L L 三. X射線譜 連續(xù)X射線 特征X射線 X光機(jī)產(chǎn)生的X射線譜 9教資借鑒 1. 連續(xù)X射線譜 v 產(chǎn)生機(jī)制軔致輻射(bremsstrahlung) 高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊在陽極

5、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(dòng)能轉(zhuǎn)化為X光子的能量h 而 輻射出去. + hmax=E E + 軔致輻 射h E E-h 10教資借鑒 v 連續(xù)譜特性 不同管電壓作用下的連續(xù)譜不同； 存在短波極限min； U 峰值和min向短波方向移動(dòng). v 短波極限 min max hc hEeU nm kV 242. 11 min UUe hc 鎢靶在較低 管電壓下產(chǎn)生 的連續(xù)X X射線譜 11教資借鑒 2. 特征特征X射線譜射線譜 對于鎢靶對于鎢靶, ,管電壓在管電壓在7070kV以上產(chǎn)生的以上產(chǎn)生的X射線譜射線譜 12教資借鑒 v 特征譜特性特征譜特

6、性 X光子能量光子能量h Em- -En 與靶材料有關(guān)與靶材料有關(guān) 與管電壓無關(guān)與管電壓無關(guān) 元素特征 v 產(chǎn)生機(jī)制產(chǎn)生機(jī)制 高速運(yùn)動(dòng)的電子與陽極靶內(nèi)某個(gè)原子的內(nèi)層電高速運(yùn)動(dòng)的電子與陽極靶內(nèi)某個(gè)原子的內(nèi)層電 子作用子作用, ,靶原子的內(nèi)層軌道電子吸收能量從靶原靶原子的內(nèi)層軌道電子吸收能量從靶原 子中逸出子中逸出, ,在原子的內(nèi)層電子中出現(xiàn)空位；外層在原子的內(nèi)層電子中出現(xiàn)空位；外層 電子向空位躍遷電子向空位躍遷, ,并在躍遷過程中放出一個(gè)光子并在躍遷過程中放出一個(gè)光子, , 光子能量為電子躍遷前后的能級差光子能量為電子躍遷前后的能級差. . 13教資借鑒 四四. X射線的特性射線的特性 勞厄相勞

7、厄相 v 1912年勞厄用晶體衍射的方法證實(shí)了年勞厄用晶體衍射的方法證實(shí)了X射線是射線是 電磁波電磁波(10- -310 nm) 準(zhǔn)直縫準(zhǔn)直縫 X射線射線 勞厄斑勞厄斑 晶體晶體 14教資借鑒 v X射線的特性射線的特性 穿透作用穿透作用成像、防護(hù)；成像、防護(hù)； 熒光作用熒光作用X射線透視；射線透視； 感光作用感光作用X射線照相；射線照相； 電離作用電離作用生物效應(yīng)的基礎(chǔ)、測量射線強(qiáng)生物效應(yīng)的基礎(chǔ)、測量射線強(qiáng) 度的原理；度的原理； 生物效應(yīng)生物效應(yīng)放射治療的基礎(chǔ)、需要防護(hù)的放射治療的基礎(chǔ)、需要防護(hù)的 原因原因. . 15教資借鑒 1. 1. X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度( (intensity) )

8、 v 物理學(xué)中的定義物理學(xué)中的定義X射線的量射線的量 Nh tS E I i n i ih N 1 每個(gè)光子能量每個(gè)光子能量h 電子動(dòng)能電子動(dòng)能E管電壓管電壓 h U 光子數(shù)光子數(shù)N電子數(shù)電子數(shù)管電流管電流 N I電 電 v 強(qiáng)度在醫(yī)學(xué)上的表示法強(qiáng)度在醫(yī)學(xué)上的表示法 固定管電壓固定管電壓U, ,用管電流的用管電流的mA數(shù)表示數(shù)表示X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度. . 五五. X射線的強(qiáng)度與硬度射線的強(qiáng)度與硬度 16教資借鑒 v 硬度在臨床上的表示法硬度在臨床上的表示法 用管電壓的用管電壓的kV數(shù)表示數(shù)表示X射線的硬度射線的硬度. . 2. 2. X射線的硬度射線的硬度( (hardness) ) v

9、定義定義 指指X射線的貫穿能力射線的貫穿能力表示表示X射線的質(zhì)射線的質(zhì) 貫穿能力強(qiáng)貫穿能力強(qiáng) X射線硬射線硬 管電壓管電壓U電子動(dòng)能電子動(dòng)能光子能量光子能量h 能量大的光子不容易被物質(zhì)吸收能量大的光子不容易被物質(zhì)吸收. . 硬度硬度每一個(gè)光子的能量每一個(gè)光子的能量h 17教資借鑒 v X射線按硬度的分類射線按硬度的分類 名名 稱稱管電壓管電壓 / /kV 最短波長最短波長 / /nm 主主 要要 用用 途途 極軟極軟X射線射線 軟軟X射線射線 硬硬X射線射線 極硬極硬X射線射線 520 20100 100250 250以上以上 0.250.062 0.0620.012 0.0120.005 0

10、.005以下以下 軟組織攝影軟組織攝影, ,表皮治療表皮治療 透視和照相透視和照相 較深組織治療較深組織治療 深部組織治療深部組織治療 18教資借鑒 X光子光子 物質(zhì)中的粒子物質(zhì)中的粒子 相互作用相互作用( (吸收、散射吸收、散射) ) v 單色平行單色平行X射線的衰減規(guī)律射線的衰減規(guī)律朗伯定律朗伯定律 x II - e 0 原行進(jìn)方向的射線強(qiáng)度被衰減原行進(jìn)方向的射線強(qiáng)度被衰減. 六六. .物質(zhì)對物質(zhì)對X射線的衰減射線的衰減 II0 x 19教資借鑒 質(zhì)量衰減系數(shù)質(zhì)量衰減系數(shù) m 引入的意義：引入的意義： 同種物質(zhì)同種物質(zhì), , 但但 m不變不變更便于比較更便于比較 不同物質(zhì)不同物質(zhì)( (分子

11、構(gòu)成分子構(gòu)成) )對對X射線的衰減射線的衰減. . 線性衰減系數(shù)線性衰減系數(shù) x I Id d1 - 物理意義：物質(zhì)對物理意義：物質(zhì)對X射線衰減的強(qiáng)弱程度射線衰減的強(qiáng)弱程度. . v 衰減系數(shù)衰減系數(shù) 20教資借鑒 Z吸收本領(lǐng)吸收本領(lǐng) 是是X射線醫(yī)學(xué)診斷的物理基礎(chǔ)射線醫(yī)學(xué)診斷的物理基礎(chǔ). .人體肌肉組織的人體肌肉組織的 主要成分主要成分H、C、O, ,骨骼的主要成分骨骼的主要成分Ca3(PO4)2, , 因此因此骨骼的骨骼的 m大易成像大易成像. . 鉛鉛(82)(82)很好的防護(hù)材料很好的防護(hù)材料 人工造影人工造影消化道消化道, ,硫酸鋇硫酸鋇( (鋇鋇56)56) 3 m a Z 容易被衰

12、減容易被衰減 放射治療放射治療高能高能X射線射線 射束硬化射束硬化濾線裝置濾線裝置 v 對低能射線對低能射線 21教資借鑒 勞厄勞厄(Laue, 18791960) 1912年通過年通過X射線在晶射線在晶 體中衍射的實(shí)驗(yàn)體中衍射的實(shí)驗(yàn), ,同時(shí)同時(shí) 證實(shí)了證實(shí)了X射線的波動(dòng)性射線的波動(dòng)性 質(zhì)和晶體內(nèi)部的周期結(jié)質(zhì)和晶體內(nèi)部的周期結(jié) 構(gòu)構(gòu). . 1913年布拉格父子年布拉格父子(W. H. Bragg, 18621942 and W. L. Bragg, 18901971)通通 過過X射線的衍射強(qiáng)度分射線的衍射強(qiáng)度分 布測定晶體的晶格結(jié)構(gòu)布測定晶體的晶格結(jié)構(gòu). . W. H. Bragg W. L

13、. Bragg 10-2 10-2 X射線的衍射射線的衍射 22教資借鑒 1912年德國物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了年德國物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線通過晶體射線通過晶體 時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象, ,證明了證明了X射線的波動(dòng)性和晶體射線的波動(dòng)性和晶體 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性. . 小布拉格認(rèn)為勞厄衍射圖樣上的每一個(gè)斑點(diǎn)小布拉格認(rèn)為勞厄衍射圖樣上的每一個(gè)斑點(diǎn), ,是是 X射線在晶體中被某些平面干涉性反射的結(jié)果射線在晶體中被某些平面干涉性反射的結(jié)果. . 他們使用老布拉格發(fā)明的他們使用老布拉格發(fā)明的X射線分光計(jì)射線分光計(jì), ,對晶體對晶體 結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心研究結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心研究, ,提出了提出了“布拉

14、格公式布拉格公式”. .他他 們又用們又用X射線對氯化鈉、氯化鉀等晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行射線對氯化鈉、氯化鉀等晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行 測定測定, ,從而為建立從而為建立X射線晶體學(xué)打下了基礎(chǔ)射線晶體學(xué)打下了基礎(chǔ). . 23教資借鑒 一一. X射線的衍射射線的衍射 v 晶體晶體( (crystal) ) 原子在三維空間中周原子在三維空間中周 期性重復(fù)排列構(gòu)成的期性重復(fù)排列構(gòu)成的 固體固體. . v 每個(gè)原子都是發(fā)射每個(gè)原子都是發(fā)射 子波的衍射中心子波的衍射中心, ,向各向各 個(gè)方向發(fā)射子波個(gè)方向發(fā)射子波, ,子波子波 相干疊加相干疊加, ,形成衍射圖形成衍射圖 樣樣. . d dsin 1 2 晶面晶面 A C B

15、 24教資借鑒 v 散射光干涉加強(qiáng)條件散射光干涉加強(qiáng)條件布拉格方程布拉格方程 ), 2, 1, 0( sin2 k kd v 應(yīng)用應(yīng)用 已知已知 、 可測可測d X射線晶體結(jié)構(gòu)分析射線晶體結(jié)構(gòu)分析. .研究細(xì)胞和蛋白質(zhì)等研究細(xì)胞和蛋白質(zhì)等 的精細(xì)結(jié)構(gòu)的精細(xì)結(jié)構(gòu). . 已知已知 、d 可測可測 X射線光譜分析射線光譜分析. . d dsin 1 2 晶面晶面 A C B 25教資借鑒 二二. X射線晶體結(jié)構(gòu)分析射線晶體結(jié)構(gòu)分析 v X射線衍射儀射線衍射儀 26教資借鑒 v X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的基本方法射線晶體結(jié)構(gòu)分析的基本方法 根據(jù)根據(jù)布拉格布拉格方程方程, ,通過分析衍射圖上斑點(diǎn)的位通過分析衍

16、射圖上斑點(diǎn)的位 置置, ,確定晶胞的大小和形狀；確定晶胞的大小和形狀；利用衍射圖上斑利用衍射圖上斑 點(diǎn)的亮度或黑度點(diǎn)的亮度或黑度, ,確定晶胞中原子的空間排布確定晶胞中原子的空間排布. . v 常采用的步驟常采用的步驟 使生物大分子結(jié)晶使生物大分子結(jié)晶, ,得到有一定衍射分辨率的得到有一定衍射分辨率的 晶體；測量晶體；測量X射線衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)射線衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù), ,即衍射斑點(diǎn)即衍射斑點(diǎn) 圖；對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理圖；對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理, ,包括計(jì)算結(jié)構(gòu)因子包括計(jì)算結(jié)構(gòu)因子 振幅、測定結(jié)構(gòu)因子相位、計(jì)算電子密度圖、振幅、測定結(jié)構(gòu)因子相位、計(jì)算電子密度圖、 構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型、精修結(jié)構(gòu)模型等構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型、精修結(jié)

17、構(gòu)模型等. . 27教資借鑒 M.Perutz 佩魯茲佩魯茲(M. Perutz, 19142002)和肯特魯和肯特魯(C. Kendrew, 19171997)1953年通過年通過X射線衍射法完成了血紅蛋白和肌紅蛋白的射線衍射法完成了血紅蛋白和肌紅蛋白的 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析, ,并因此于并因此于1962年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng). . C. Kendrew 28教資借鑒 威爾金斯威爾金斯(M. Wilkins, 1916) 和弗蘭克林和弗蘭克林(R. Franklin, 19201958)通過通過X射線衍射射線衍射 法研究法研究DNA分子的結(jié)構(gòu)分子的結(jié)構(gòu). . M. Wilkin

18、s R. Franklin 威爾金斯拍攝的威爾金斯拍攝的DNA分子的分子的 X射線衍射照片射線衍射照片. . 照片顯示照片顯示DNA分子是單鏈結(jié)分子是單鏈結(jié) 構(gòu)的螺旋體構(gòu)的螺旋體. . 29教資借鑒 弗蘭克林于弗蘭克林于1952年年 5月獲得的一張清月獲得的一張清 晰的晰的DNA分子的分子的X 光衍射照片光衍射照片. . 由此推算由此推算DNA分分 子呈螺旋狀子呈螺旋狀, ,而且而且 認(rèn)識到是雙鏈同軸認(rèn)識到是雙鏈同軸 排列排列. . 定量測定定量測定DNA螺螺 旋體的直徑為旋體的直徑為1.0 nm, ,螺距為螺距為3.4 nm. . 30教資借鑒 J. Watson F. Crick 1953

19、年沃森年沃森(J. D. Watson, ,1928)和克和克 里克里克(F. H. Crick, ,19162004)在堿基在堿基 互補(bǔ)配對原則的基礎(chǔ)上互補(bǔ)配對原則的基礎(chǔ)上, ,構(gòu)建了構(gòu)建了DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型. . 31教資借鑒 由衍射圖重建的由衍射圖重建的SARS- CoV 主蛋白酶飄帶結(jié)構(gòu)模主蛋白酶飄帶結(jié)構(gòu)模 型型. . SARS-CoV 主蛋白酶主蛋白酶 的的X射線射線 晶體衍射圖晶體衍射圖 (1.9 ). . 32教資借鑒 一一. X射線在診斷方面的應(yīng)用射線在診斷方面的應(yīng)用 數(shù)字化多功能數(shù)字化多功能X X光機(jī)光機(jī) 10-3 10-3 X射線在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用射線

20、在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 v 透視和攝影透視和攝影 33教資借鑒 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. v 數(shù)字減影數(shù)字減影 將血管內(nèi)注入造影劑前、后獲得的圖像相減將血管內(nèi)注入造影劑前、后獲得的圖像相減, ,可可 以得到消除骨骼和軟組織結(jié)構(gòu)的血管影像以得到消除骨骼和軟組織結(jié)構(gòu)的血管影像 觀察心血管和腦血管的血液動(dòng)力學(xué)變化觀察心血管和腦血管的血液動(dòng)力學(xué)變化. . 34教資借鑒 vX 射線電子計(jì)算機(jī)斷層成像射線電子計(jì)算機(jī)斷層成像 (X-ray Computed Tomography, 簡稱簡稱X-CT ) G. N. Hounsfield A. M.

21、Cormack 1963年美國物理學(xué)家科馬克年美國物理學(xué)家科馬克(A. M. Cormack, ,19241998)發(fā)現(xiàn)人體不同的發(fā)現(xiàn)人體不同的 組織對線的透過率有所不同組織對線的透過率有所不同, ,提出提出 了用投影數(shù)據(jù)重建圖像的數(shù)學(xué)方法了用投影數(shù)據(jù)重建圖像的數(shù)學(xué)方法. . 1972年英國工程師年英國工程師 亨斯菲爾德亨斯菲爾德(G. N. H o u n s f i e l d , , 19192004)研制成研制成 第一臺(tái)頭部第一臺(tái)頭部X-CT, , 在臨床上使用并獲在臨床上使用并獲 得清晰的診斷影像得清晰的診斷影像. . 35教資借鑒 X-CT 系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)示意圖 探測器探測器 X線

22、管線管 高壓發(fā)高壓發(fā) 生器生器 模模/數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn) 換器換器 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn) 換器換器 顯示器顯示器照相機(jī)照相機(jī) 人人 體體 36教資借鑒 圖像重建的物理基礎(chǔ)圖像重建的物理基礎(chǔ) x II - e 0 3 a m KZ 12n-1n l l n i in I I l 1 21 0 ln 1 37教資借鑒 X射射 線管線管 探測器 直線掃描直線掃描1 直線掃描直線掃描2 直線掃描直線掃描3 第一代第一代CT機(jī)機(jī) 直線掃描直線掃描240次次旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)1 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)180 共得數(shù)據(jù)共得數(shù)據(jù)240 180=43200個(gè)個(gè) 從從43200個(gè)方程個(gè)方程25600個(gè)個(gè) 38教資借鑒 X-CT 成像原理成像原理 39教資借鑒 CT 掃描技術(shù)的發(fā)展歷史掃描技術(shù)的發(fā)展歷史 1985 1989 1991 1993 大量數(shù)大量數(shù) 據(jù)取樣據(jù)取樣 高質(zhì)量高質(zhì)量 的快速的快速 掃描掃描 40