X 線物 理及防護

1、二、醫(yī)用物理學知識物質結構(1)原子的核外結構;而原子由帶正電的原子核和帶負電的核外電子構成(2)原子能級:原子系統(tǒng)能量量子化的形象化表示掌握了解 三、X 線物 理與防護 1X 線的產(chǎn)生(1)X 線的發(fā)現(xiàn):1895年11月8日,1901年諾貝爾獎,1896年2月應用于醫(yī)學(2)X 線的產(chǎn)生：用幾萬伏至幾十萬伏的高壓加速電子，電子束轟擊靶極，X射線從靶極發(fā)出。三個條件： 電子源 高速電子流 靶物質(3)連續(xù) X 線：入射電子與靶原子核電場作用所產(chǎn)生，能譜連續(xù)。特征（標識)X 線：高速電子與靶原子的內層軌道電子作用，能譜分裂，單能或單色(4)影響 X 線產(chǎn)生的因素：1、影響連續(xù)X線產(chǎn)生的因素 包括

2、靶物質、管電壓、管電流和高壓波形。（1）靶物質 連續(xù)X線強度與靶物質的原子序數(shù)成正比。不同靶物質的X線譜高能端重合，是因為X線譜的最大光子能量只與管電壓有關，與靶物質無關；不同靶物質的X線譜低能端重合，是因為X線管固有濾過和低能成分被管壁吸收的緣故。（2）管電流 連續(xù)X線強度與管電流成正比。管電壓一定時，管電流愈大，說明撞擊陽極靶面的電子數(shù)愈多，X線也愈大。（3）管電壓 連續(xù)X線強度與管電壓的n次方成正比。（4）高壓波形 供給X線管的管電壓都是脈動電壓，有兩種形式：單相電源的半波和全波，三相電源的6脈沖和12脈沖。脈動電壓產(chǎn)生的連續(xù)X線強度比峰值相當?shù)暮愣妷寒a(chǎn)生的低；三相電源產(chǎn)生的連續(xù)X線強

3、度比單相電源產(chǎn)生的硬線多、強度大。2、影響特征X線產(chǎn)生的因素特征X線強度與管電流成正比，其發(fā)生與否受制于管電壓是否大于某系的最低激發(fā)電壓，并隨管電壓繼續(xù)升高強度迅速增大。對鎢靶X線管而言，管電壓在80-150kV，特征X線占10-28%。醫(yī)用X線主要使用的是連續(xù)輻射；物質結構的光譜分析中使用特征輻射。(5)X 線強度的空間分布：陽極傾角影響X線分布。陽極傾角指垂直于X線管長軸的平面與靶面的夾角。在通過X線管長軸且垂直于有效焦點平面內，近陽極端X線強度弱，近陰極端強，最大處約在10°處，其分布非對稱性，這現(xiàn)象稱為陽極效應。陽極傾角越小，陽極效應越明顯。在通過X線管短軸且垂直于有效焦點平

4、面內測定，在90處最大，分布基本上對稱。熟練掌握熟練掌握掌握熟練掌握熟練掌握2X 線的本質及與物質的相 互作用(1)X 線的本質與特性：1.本質；X線是電磁輻射譜中的一部分，屬于電離輻射，其波長介于紫外線與射線之間，具有電磁波和光量子雙重特性。本質而言，X線與可見光、紅外線、紫外線、射線完全相同，都是電磁波，只不過X線頻率很高，波長很短。1、X線具有波動性 突出表現(xiàn)在其傳播時。有反射、折射、衍射、偏振等現(xiàn)象。2、X線具有微粒性 突出表現(xiàn)在其與物質相互作用時。光電效應、熒光作用、電離作用等。2.X線的特性1、物理特性（1）X線在均勻的、各向同性的介質中，是直線傳播的不可見電磁波；（2）X線不帶電

5、，不受外界磁場或電場的影響。（3）穿透本領 X線能量高則穿透力強，反之則弱。（4）熒光作用 熒光物質原子被激發(fā)或電離，當被激發(fā)的原子恢復到基態(tài)時，便放出熒光。（5）電離作用 X線的電離作用主要是它的次級電子的電離作用。（6）熱作用2、化學特性（1）感光作用 （2）著色作用 使結晶體脫水變色，又稱脫水作用。3、生物效應特性(2)X 線與物質的相互作用：（一）光電效應1、光電效應的定義 X線光子與構成原子的內殼層軌道電子碰撞，將全部能量都傳給原子的殼層電子，獲得能量的電子擺脫原子核的束縛，成為自由電子（光電子），而X線光子則被物質的原子吸收，這種現(xiàn)象稱為光電效應。失去電子的原子成為正離子，處于激發(fā)

6、態(tài)，外層電子填充空位，放出特征X線。特征X線離開原子前，又擊出外層軌道電子，使之成為俄歇電子，這個現(xiàn)象稱為俄歇效應。光電效應產(chǎn)物：光電子、正離子、特征X線和俄歇電子。2、光電效應產(chǎn)生條件及發(fā)生幾率和入射光子能量的三次方成反比；和原子序數(shù)的四次方成正比。3、光電效應在X線攝影中的意義 其不產(chǎn)生有效的散射，對膠片不產(chǎn)生灰霧，可增加X線對比度。因光電效應中，光子的能量全部被吸收，比任何其他效應都多，所以為減少對病人的照射，在適當情況下，要采用高能量的射線。（二）康普頓效應1、康普頓效應的定義 也稱康普頓散射。光子擊脫原子外層軌道上的電子或自由電子，入射光子損失部分能量，并改變原來傳播方向，變成散射光

7、子（散射線），電子從光子處獲得部分能量脫離原子核束縛，按一定方向射出，稱為反沖電子，這過程稱為康普頓效應。光子入射和散射方向的夾角稱為散射角，即偏轉角度。反沖電子的運動方向和入射光子的傳播方向的夾角稱為反沖角。偏轉角度愈大，光子能量損失愈多。X線攝影中的散射線幾乎都來自這種散射。攝影時到達前方的散射線使膠片產(chǎn)生灰霧。2、康普頓效應的發(fā)生幾率與入射光子的能量成反比，即與入射光子的波長成正比；與物質原子序數(shù)成正比。（三）電子對效應1、電子對效應的定義 具有足夠能量的光子與靶原子核發(fā)生相互作用，光子突然消失，同時轉化為一對正、負離子，的過程稱為電子對效應。2、電子對效應的產(chǎn)生條件 電子靜止質量能mo

8、c2=0.51MeV，所以要產(chǎn)生電子對效應，入射光子的能量必須大于或等于1.02 MeV。超過部分轉化為電子對的動能。3、電子對效應的發(fā)生幾率 與光子能量的對數(shù)成正比；與單位體積內的原子個數(shù)成正比；與物質原子序數(shù)的平方成正比。故，該作用對高能光子和高原子序數(shù)物質來說才重要。（四）相干散射 主要是指瑞利散射。指入射光子被原子的內殼層電子吸收并激發(fā)到外層高能級上，隨即又躍遷回原能級，同時放出一個能量與入射光子相同，但傳播方向發(fā)生改變的散射光子的過程稱為瑞利散射。實際上就是X線的折射。唯一不產(chǎn)生電離的過程。發(fā)生幾率與物質原子序數(shù)成正比，并隨光子能量增大而急劇地減少。不足全部作用的5%。（五）光核反應

9、就是光子與原子核作用，從原子核內擊出數(shù)量不等的中子、質子和光子的核反應過程，稱為光核作用。綜上所述，光電效應、康普頓效應、電子對效應三個主要過程和相干散射、光核反應兩個次要過程。在診斷X線能量范圍內，只能發(fā)生光電效應、康普頓效應和相干散射，電子對效應、光核反應不可能發(fā)生。(3)各種效應發(fā)生的相對幾率：20-100keV診斷X線能量范圍內，只有光電效應和康普頓效應是最重要的，相干散射占比例很小。對20keV的低能X線，各種物質均以光電效應為主。對造影劑（碘劑和鋇劑），在整個診斷X線能量范圍內，光電效應始終占絕對優(yōu)勢熟練掌握掌握掌握 3X 線強度、X線質與 X 線量(1)X 線的波長與管電壓：管電

10、壓增高，被加速的電子速度增大。但X線管中高速電子的速度并不是與管電壓成正比，因為電子質量隨速度變化而變化的緣故。max=1.5min。由于濾過不同，連續(xù)X線的平均能量，一般為最大能量的1/3 1/2。其平均波長mean=2.5min。(2)X 線強度：即X線束中的光子數(shù)與每個光子的能量的乘積(3)X 線質：又稱X線的硬度。由波長（或頻率）決定。波長短（頻率高），X線光子具有的能量越大，X線的穿透力越強，即X線質硬。（一）半值層X線質的另一種表示方法是半值層（HVL）。指使入射X線強度衰減到初始值一半時，所需的標準吸收物質的厚度。用毫米鋁（mmAl）表示。診斷用X線的半值層一般1.5-4之間。（

11、二）管電壓由于X線管壁、絕緣油層、放射窗口、附加濾過板等吸收，150KV射出X線管壁的X線波長約為0.06nm；應用于X線攝影中的X線波長在0.008-0.06nm之間。實際應用中是以管電壓和濾過情況來反映X線的質。濾過一定時，常用管電壓的千伏值來粗略描述X線的質。影響X線質的因素有：管電壓、濾過及整流方式（即高壓波形）。(4)X 線量：（一）測量方法 X線診斷范圍內常用管電流與曝光時間乘積-管電流流量Q（mAs）表示。（二）影響X線量的因素 與靶面物質原子序數(shù)成正比；與管電壓平方成正比（診斷能量范圍）；與管電流及曝光時間成正比。熟練掌握熟練掌握熟練掌握熟練掌握 4X 線的吸收 與衰減(1)距

12、離的衰減：與距離的平方成反比，這一規(guī)律稱射線強度衰減的平方反比法則。距離所致的衰減，也稱擴散衰減。在真空中才成立。在空氣中，一般忽略空氣對X線的衰減。(2)物質吸收的衰減：射線通過物質時，射線光子與物質原子發(fā)射光電效應、康普頓效應、電子對效應等一系列作用，致使入射方向上的射線強度衰減稱為物質吸收的衰減。其衰減規(guī)律是X線透視、攝影、造影及各種特殊檢查、CT檢查和放射治療的基本依據(jù)。也是屏蔽防護的根據(jù)。物理意義的窄束指射線束中不存在散射成分。(3)連續(xù) X 線在物質中的衰減特點：衰減特點：強度變小，硬度提高，能譜變窄。實際應用中，可通過改變X線管窗口濾過厚度來調節(jié)X線束的線質。 (4)衰減系數(shù)、影

13、響衰減的因素：（一）衰減系數(shù)1、線衰減系數(shù)I=I0e-x。I為穿透厚度為x的物質層后的射線強度。線衰減系數(shù)的國際單位是m-1。在診斷能量范圍內，值主要是光電線衰減系數(shù)和康普頓線衰減系數(shù)之和，即=+。2、質量衰減系數(shù)質量衰減系數(shù)m=/。dx=1，稱為單位質量厚度，物理意義是：在1m2面積上均勻分布1kg質量吸收物質層的厚度值。質量衰減系數(shù)的單位是m2·kg-1。在診斷能量范圍內，m+m。m=K3Z4。（二）能量轉移系數(shù)1、線能量轉移系數(shù)=tr+s。重要的是確定X線能量的電子轉移部分tr。tr=tr+tr+tr。tr稱為線能量轉移系數(shù)，其單位是m-1。2、質量能量轉移系數(shù)簡稱質能轉移系數(shù)

14、，=tr/。其單位是m2·kg-1。（三）能量吸收系數(shù)1、線能量吸收系數(shù)如果次級電子的能量相當高，那么由于軔致輻射而消耗次級電子的能量份額則不可忽略。故真正被物質吸收的能量應等于光子轉移給次級電子的能量減去因軔致輻射損失的能量，用g表示。en=tr（1-g）。其單位是m-1。2、質量能量吸收系數(shù)簡稱質能吸收系數(shù)，其單位是m2·kg-1。（四）影響衰減的因素1、射線性質對衰減的影響 射線能量愈高，衰減愈小。2、物質原子序數(shù)對衰減的影響 原子序數(shù)愈高的物質，吸收X線也愈多。透射量隨入射線能量的增加而增加的規(guī)律，對Z物質是正確的，對Z物質則不然，當射線能量增加時，透過量還可能突然

15、下降，這種矛盾現(xiàn)象的產(chǎn)生，是由于原子的K邊界吸收造成。鉛K邊界吸收界限為88keV，錫的為29keV。顯然，在29-88keV之間，錫比鉛對X線具有更強的衰減本領。在診斷X線能量范圍內，錫比鉛具有更好的屏蔽防護性能。3、物質密度對衰減的影響 與物質密度成正比關系。由于密度不同，便形成衰減的差別，而產(chǎn)生了X線影像。4、每克電子數(shù)對衰減的影響 電子數(shù)多的物質更容易衰減X線。(5)人體對 X 線的衰減：（一）人體的構成元素和組織密度有效原子序數(shù) Z 是指在相同照射條件下，1kg復雜物質與1kg單質所吸收的輻射能相同時，則此單質的原子序數(shù)就稱為復雜物質的有效原子序數(shù)Z。組織的有效原子序數(shù)為7.43；骨

16、的是14；空氣的是7.64。（二）人體對X線的衰減主要通過光電效應和康普頓效應兩種作用使其衰減。肌組織在42kV，兩種效應各占50%，在90kV時，康普頓效應占90%。骨的有效原子序數(shù)較高，其發(fā)生光電效應幾率是肌肉的2倍。在73kV時，骨骼中兩種效應幾率相等。(6)X 線濾過：因絕大部分低能射線被組織吸收，增加了皮膚劑量，為此需要預先把X線束中的低能成分吸收掉，即X線濾過。（一）固有濾過指X線機本身的濾過，包括X線管的管壁、絕緣油層和窗口的濾過板。一般用鋁當量表示，即一定厚度的鋁板和其他物質對X線具有同等量的衰減時，此鋁板厚度稱為濾過物質的鋁當量，單位是mmAl。（二）附加濾過在X線攝影中，附

17、加濾過指X線管窗口到被檢體之間所附加的濾過板。如附加濾過板、可選擇的附加濾過版、遮光器中反光鏡和有機玻璃窗的濾過等。低能射線用鋁濾過板；高能射線用銅鋁等復合濾過板，使用時原子序數(shù)大的朝向X線管。濾過板要求厚度均勻。增加管電壓和濾過時，會提高透射率，使照片對比度下降，特別是骨的對比度下降明顯，故當故的對比度不占重要地位時，如頸、胸部的照片，可以用硬質X線，以降低受檢者劑量。用鋇劑檢查時，鋇本事對比度高，故可用硬質X線，以降低受檢者劑量。濾過板對高能射線也有一定衰減，為彌補這一損失，一般采用適當增加照射時間的方法來解決。證明，采用高電壓、厚濾過攝影，雖然照射時間延長，但受照劑量卻大幅度降低。熟練掌

18、握熟練掌握掌握掌握熟練掌握熟練掌握 5輻射量及其 單位(1)照射量與照射量率：（一）照射量X及單位國際上選擇和定義輻射量及其單位的權威組織是“國際輻射單位和測量委員會”（ICRU）。指所有的次級電子，不包括其產(chǎn)生的軔致輻射。只適用于射線能量在10keV-3MeV射線。照射量的國際單位為C·kg-1，原有單位為R。1R=2.58×10-4 C·kg-1。（二）照射量率X·及單位指單位時間內照射量的增量。其單位為C/(kg·s)。專用單位為R·s-1。(2)比釋動能與比釋動能率：描述間接致電離粒子與物質相互作用時，傳遞給了直接致電離粒子的

19、能量。（一）比釋動能K及單位由間接致電離輻射所產(chǎn)生的全部帶點粒子的初始動能之和。其單位為J·kg-1，又名Gy，曾用單位rad。1J/kg=1Gy=100rad。（二）比釋動能率K·及單位時間間隔內的比釋動能的增量。其單位為Gy/s。比釋動能常用來計算輻射場量，推斷生物組織中某點的吸收劑量，描述輻射場的輸出額。(3)吸收劑量與吸收劑量率：三、吸收劑量與吸收劑量率（一）吸收劑量D及單位物質吸收電離輻射能量大小的物理量。其單位為J/kg，專用名稱Gy，原用rad。（二）吸收劑量率D·及單位表示單位時間內吸收劑量的增量。其單位為J/(kg·s)，專名Gy/s。

20、(4)吸收劑量與照射量的關系：在空氣中產(chǎn)生一對離子所需的平均電離能量=33.85eV。若已知空氣中某點的照射量為X，那么這點空氣的吸收劑量為D空氣=33.85·X。(4)當量劑量與當量劑量率：（一）當量劑量H及單位經(jīng)修正后的吸收劑量在放射防護中稱為當量劑量。在輻射防護中，有較大意義的不是受照體某點的吸收劑量，而是某個器官或組織吸收劑量的平均值。其單位與吸收劑量相同，即J/kg，專名是Sv，曾用rem。1J/kg=1Sv=100rem。（二）當量劑量率H·及單位單位時間內，當量劑量的增量。其單位為Sv/s。(5)有效劑量：（一）輻射效應的危險度小劑量、低劑量輻射主要損害是隨機

21、性效應（嚴重遺傳性疾患和誘發(fā)餓各種致死癌癥）。危險度（或系數(shù)）即器官或組織接受單位當量劑量（1Sv）照射引起隨機性損害效應的幾率。（二）有效劑量E其單位與當量劑量H的單位相同，即Sv。掌握掌握掌握掌握了解掌握 6電離輻射對 人體的危害(1) 放射線產(chǎn)生的生物效應：射線經(jīng)過的重要生物分子，如DNA或具有生物功能的其他分子吸收射線的能量，直接被電離、激發(fā)，引起損傷的效應稱為直接作用。射線能量通過擴散的離子以及射線作用于機體水分子產(chǎn)生多種自由基與生物分子作用，引起損傷的效應稱為間接作用。因人體水含量高，故間接作用引起的損傷具有實際意義。（一）確定性效應射線照射人體全部或局部組織，若能殺死相當數(shù)量的細

22、胞而這些細胞又不能由活細胞的增殖來補充，則這種照射可引起人類的確定性效應。如畸形。男性暫時不育的一次照射的閾劑量約為睪丸吸收0.15Gy的劑量；絕育的閾劑量為3.5-6Gy；女性絕育的閾劑量為急性吸收劑量2.5-6Gy。有臨床意義的造血功能抑制，全部骨髓的吸收劑量的閾劑量約為0.5Gy。（二）隨機性效應其有害效應的嚴重程度與受照劑量的大小無關。如致癌效應和遺傳效應。(2) 影響輻射損傷的因素：主要來自兩方面：一、與電離輻射有關的因素；二、與受照體有關的因素。（一）與電離輻射有關的因素1、輻射種類2、吸收劑量、劑量率3、照射次數(shù)、部位、面積、方式。（二）與機體有關的因素1、種系 種系演化愈高，組

23、織結構愈復雜，輻射敏感性愈高。2、個體及個體發(fā)育過程 隨著個體發(fā)育，敏感性降低，但老年又比成年敏感。3、不同組織和細胞的輻射敏感性 高度敏感組織有：淋巴組織、胸腺、骨髓、胃腸上皮、性腺和胚胎組織等；中度敏感組織有：感覺器官、內皮細胞、皮膚上皮、唾液腺、腎、肝、肺的上皮細胞等；輕度敏感組織有：中樞神經(jīng)系統(tǒng)、內分泌腺、心臟等；不敏感組織有：肌肉組織、軟骨、骨組織和結締組織等。(3) 胎兒出生前受照效應：（一）胚胎死亡 通常為植入前期，相當于人工受孕0-9天。（二）畸形 器官形成期，相當于人工受孕后9-42天。（三）智力低下 妊娠8-15周是最敏感時期，其次是16-25周。（四）誘發(fā)癌癥 出生后至1

24、0周歲之內。(4) 皮膚效應：（一）急性放射性皮膚損傷身體局部受到一次或短時間內多次受到大劑量外照射所引起的急性放射性皮炎及放射性皮膚潰瘍，稱為急性放射性皮膚損傷。（二）慢性放射性皮膚損傷由急性放射性皮膚損傷遷延而來或由小劑量射線長期照射后引起的慢性放射性皮炎及慢性放射性皮膚潰瘍，稱為慢性放射性皮膚損傷。年累積劑量一般大于15Gy。慢性放射性皮膚損傷多發(fā)生于早年從事X線透視的放射診斷人員的手部。（三）放射性皮膚癌診斷標準：1、必須是在原放射性損傷的部位上發(fā)生的皮膚癌；2、癌變前表現(xiàn)為射線所致的角化過度或長期不愈的放射性潰瘍；3、發(fā)生在手部的放射性皮膚癌的細胞類型多為鱗狀上皮細胞。(5) 外照射

25、慢性放射病：指放射工作人員在較長時間內，連續(xù)或間斷受到超當量劑量限值的外照射，達到一定累積劑量后引起的以造血組織為主，并伴有其他系統(tǒng)改變的全身性疾病。表現(xiàn)為無力型神經(jīng)衰弱綜合征。造血系統(tǒng)改變是本病最常見的臨床表現(xiàn)。度：無明顯出現(xiàn)傾向，脫離射線恢復較快，WBC持續(xù)在4×109/L以下。度：頑固自覺癥狀，明顯出血，脫離恢復慢，WBC持續(xù)在3×109/L以下，骨髓增生低下。了解了解了解了解了解7X 線的測量(1)照射量的測量：照射量的測量是利用X線對空氣的電離作用，通過測量電離電荷實現(xiàn)的。（一）自由空氣電離室 也稱標準電離室。工作氣體就是空氣。（二）實用型電離室 可直接用于照射量

26、的測量。1、實用型電離室室壁 室壁材料與中心電極的有效原子序數(shù)與自由空氣基本等效。最常用的室壁材料有石墨、電木或塑料。2、電離室的校準 校正時室溫一般為20，氣壓為760mmHg。對所測的數(shù)值進行溫度、氣壓的校正。3、電離電荷的測量(2)吸收劑量的測量：（一）吸收劑量的基本測量法 測量吸收劑量的標準方法。物質受到輻射，其吸收的射線能量將以熱的形式表現(xiàn)出來。水吸收1Gy的吸收劑量時，其溫升只有2.4×10-4。（二）電離室測量法D物質=33.85·X?？梢娭灰獪y出照射量，就能換算出任意物質的吸收劑量。掌握了解 8X 線的防護(1)放射防護的基本原則：1、實踐的正當化2、放射防

27、護最優(yōu)化3、個人劑量的限制目的：防止發(fā)生有害的確定性效應，并將隨即性效應的發(fā)生率限制到認為可以接受的水平。(2)外照射防護的一般措施：一般有時間防護、距離防護和屏蔽防護。（一）時間防護一切人員都應減少在輻射場內停留的時間。（二）距離防護盡量延長人員到X線管和散射體的距離。（三）屏蔽防護主要研究的問題是：屏蔽材料的選擇和屏蔽厚度的確定。(3)外照射的屏蔽防護：（一）對屏蔽材料的要求從材料的防護性能、結構性能、穩(wěn)定性能和經(jīng)濟成本等方面綜合考慮。1、防護性能 防護性能好是指衰減射線的能力強，產(chǎn)生的散射線少。2、結構性能 物理形態(tài)、力學特性和機械強度等。3、穩(wěn)定性能 抗輻射能力、耐高溫、抗腐蝕。4、經(jīng)濟成本防護X線常用的屏蔽材料有鉛、鐵、磚、混凝土和水等。（二）鉛當量把達到與一定厚度的某屏蔽材料相同屏蔽效果的鉛層厚度，稱為該一定厚度屏蔽材料的鉛當量，單位為：毫米鉛（mmPb）。凡談到防護材料的鉛當量，必須說明是什么材料、多大厚度、在多大射線能量下的鉛當量。（三）屏蔽防護1、確定屏蔽厚度的依據(jù)應考慮當量劑量限值和最優(yōu)化；屏蔽用途和距離；屏蔽材料的防護性能；工作負荷；居留因子；利用因子六個因素。2、屏蔽厚度的計算主要計算初級（主）防