X射線成像的物理基礎(chǔ)

X射線成像的物理基礎(chǔ)

(第一講)第九章返回X--ray

第一節(jié)X射線的產(chǎn)生及其基本性質(zhì)物理學(xué)史1901年,首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國物理學(xué)倫琴,以表彰他在1895年11月8日偶然發(fā)現(xiàn)的X射線.歷史上第一張人體的X照片:倫琴妻子的手.攝于1895年12月22日1896年1月發(fā)現(xiàn)X射線后僅幾周，芝加哥電氣技師EmilGrubbe（1875-1960）即利用X射線對(duì)一名55歲患乳腺癌的婦女進(jìn)行了放射治療一.X射線的產(chǎn)生陽極陰極低壓電源毫安表千伏表高壓電源(1)裝置:X射線管,低壓電源,高壓電源,電流表,電壓表,冷卻裝置圖1.X射線儀裝置圖(2)X射線產(chǎn)生必要條件有：a.有高速運(yùn)動(dòng)的電子流(陰極,鎢)b.有適當(dāng)?shù)恼系K物(陽極,鎢,鉬,99%轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?)就象子彈打在坦克上會(huì)發(fā)出聲音和火花一樣.圖2.X射線治療腫瘤機(jī)例題一:(411頁,16--4)(3)兩個(gè)主要參量：管電壓(千伏)管電流(毫安)(4)關(guān)于X射線：a.是電磁波,遵從波的規(guī)律:折射,反射,干涉,衍射,….b.波長短,小于10nm頻率高,大于c.人眼看不到e.能量強(qiáng),可達(dá)幾百KeVd.是光子,二.X射線的基本性質(zhì)1.貫穿作用2.電離作用3.熒光作用4.感光作用5.生物效應(yīng)三.X射線的強(qiáng)度和硬度(1)X射線的強(qiáng)度-----光子數(shù)量,管電流

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為X射線的強(qiáng)度.用I表示.式中

表示X射線光子的頻率Ni為頻率為的X射線的光子數(shù)X射線硬度是指X射線對(duì)物質(zhì)的貫穿本領(lǐng).(2)X射線的硬度----光子能量,管電壓舉例:不同硬度X射線的醫(yī)學(xué)用途(397頁,表16--1)思考題1:(411頁16—1)X射線強(qiáng)度為什么可以用管電流來表示?答:因?yàn)榭刂乒茈娏骶涂梢钥刂脐帢O發(fā)射電子的數(shù)量,發(fā)射電子數(shù)量的多少?zèng)Q定產(chǎn)生的X射線光子數(shù)量的多少,而光子數(shù)量的多少是X射線強(qiáng)度大小的標(biāo)志.什么是X射線硬度?如何提高X射線硬度?在進(jìn)行X射線照射時(shí),是否硬度越硬越好?答:(1)X射線硬度是指X射線對(duì)物質(zhì)的貫穿本領(lǐng);(2)可以通過加大X射線儀中的管電壓來提高X射線的硬度;(3)不是.要根據(jù)具體需要調(diào)整X射線的硬度,否則會(huì)造成傷害.思考題2:(411頁16—2)第二節(jié)X射線衍射

X射線譜一.X射線衍射

相鄰兩層的波程差是,

dθ12CBMA圖3.X射線衍射原理式中m是正整數(shù),m=1,2,3,…時(shí),反射束分別為第一,二,三,級(jí)反射線束.由此我們得到X射線衍射波加強(qiáng)的條件為這個(gè)公式稱為布拉格-烏利夫公式*θλ1λ2∑λX射線攝譜儀原理晶體已知d,可求波長,分析X射線;已知波長,求晶面間距,分析晶體結(jié)構(gòu)練習(xí)題:16--71915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

——X射線晶體結(jié)構(gòu)分析1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國倫敦大學(xué)的亨利.布拉格和他的兒子英國曼徹斯特維克托利亞大學(xué)的勞倫斯.布拉格,以表彰他們?cè)?913年用X射線對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的分析所作的貢獻(xiàn).

勞倫斯·布拉格亨利.布拉格主要貢獻(xiàn):利用X-射線繞射方法研究晶體構(gòu)造制成第一臺(tái)X-射線光譜儀提出Bragg方程:nl=2dsinθ開創(chuàng)英國固態(tài)物理測定晶體構(gòu)造L.布拉格(1890-1971)H.布拉格(1862-1942)

英國物理學(xué)家

金剛石結(jié)構(gòu)模型布拉格父子于1913年借助X射線成功地測出金剛石的晶體結(jié)構(gòu),并提出了“布拉格公式”,為最終建立現(xiàn)代晶體學(xué)打下了基礎(chǔ),于1915年獲獎(jiǎng).當(dāng)時(shí),小布拉格年僅25歲,是至今為止最年輕的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者.1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國法蘭克福大學(xué)的勞厄(Laue,1879-1960),以表彰他在1912年發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射.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(jié)構(gòu)分析M.PerutzC.Kendrew1962年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)羅莎琳德·富蘭克林(RosalindFranklin)1920年生于倫敦,15歲就立志要當(dāng)科學(xué)家,但父親并不支持她這樣做.她早年畢業(yè)于劍橋大學(xué),專業(yè)是物理化學(xué).1945年,當(dāng)獲得博士學(xué)位之后,她前往法國學(xué)習(xí)X射線衍射技術(shù).當(dāng)X射線穿過晶體之后,會(huì)形成衍射圖樣——一種特定的明暗交替的圖形.不同的晶體產(chǎn)生不同的衍射圖樣,仔細(xì)分析這種圖形人們就能知道組成晶體的原子是如何排列的.富蘭克林精于此道,她成功的拍攝了DNA分子是單鏈結(jié)構(gòu)的螺旋體X射線衍射照片.這張照片正是發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵J.Watson

F.Crick

1953年沃森（J.Watson，1928）和克里克（F.Crick，1916）在堿基互補(bǔ)配對(duì)原則的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型X射線成像的物理基礎(chǔ)

(第二講)第十六章返回X--ray二.X射線譜θλ1λ2∑λ晶體圖4.X射線攝譜儀圖5.鎢靶的X射線譜X射線譜的特點(diǎn):(2)X射線譜由強(qiáng)度連續(xù)分布的弱背底和強(qiáng)度斷續(xù)分布的強(qiáng)譜線組成;(3)X射線譜中的斷續(xù)譜線位置與陽極靶的材料有關(guān)，所以也稱斷續(xù)譜線為標(biāo)識(shí)X射線.(1)X射線譜表示以X射線波長為橫軸物理量,X射線相對(duì)強(qiáng)度為縱軸物理量的變化曲線;1.連續(xù)X射線陰極電子的動(dòng)能=陽極電子的動(dòng)能+陽極靶中的熱能+X射線的光子能量與強(qiáng)度為零相對(duì)應(yīng)的波長是連續(xù)光譜中最短波長,或稱為短波極限.相對(duì)強(qiáng)度50kV40kV30kV20kV圖6.鎢靶的連續(xù)X射線譜***例題二:(411頁,16--6)如果加在X射線管兩端的管電壓減少23kV,最短波長就增加一倍.求連續(xù)X射線譜的最短波長.練習(xí)題:大作業(yè)116—516--6MαLβLαKβKγKαKMLN2.標(biāo)識(shí)X射線若陰極電子動(dòng)能足夠大,則可以將陽極靶原子內(nèi)層電子激發(fā)到激發(fā)態(tài),電子從激發(fā)態(tài)回落到另一定態(tài)時(shí),將會(huì)輻射光子,即X射線標(biāo)識(shí)譜.標(biāo)識(shí)X射線譜的波長與陽極靶材料有關(guān)圖7.鎢靶的標(biāo)識(shí)X射線譜思考題3:(411頁16—3)為什么連續(xù)X射線譜與靶物質(zhì)無關(guān),而標(biāo)識(shí)X射線譜卻與靶物質(zhì)有關(guān)?答:這與連續(xù)X射線譜和標(biāo)識(shí)X射線譜產(chǎn)生原因有關(guān).連續(xù)X射線譜是陰極電子受到靶原子核強(qiáng)電場的作用而減速產(chǎn)生的光譜,而標(biāo)識(shí)X射線譜是陰極電子將陽極靶原子內(nèi)層電子激發(fā)到激發(fā)態(tài),電子從激發(fā)態(tài)回落到另一定態(tài)時(shí)輻射的光譜,所以標(biāo)識(shí)X射線譜的波長與陽極靶材料有關(guān).第三節(jié)X射線的吸收一.線性吸收系數(shù)及質(zhì)量吸收系數(shù)式中I0是入射的X射線強(qiáng)度,I是通過厚度為x的物質(zhì)層后的X射線強(qiáng)度,μ是物質(zhì)的線性吸收系數(shù).I0Ix**圖8.X射線的強(qiáng)度在介質(zhì)中減弱質(zhì)量吸收系數(shù)稱為質(zhì)量厚度,它等于單位面積中,厚度為x的吸收層的質(zhì)量.二.半價(jià)層

半價(jià)層就是使X射線強(qiáng)度減弱一半時(shí)所需要的吸收體厚度(或質(zhì)量厚度).半價(jià)層:**三.質(zhì)量吸收系數(shù)與物質(zhì)和波長的關(guān)系式中k是常數(shù)λ是X射線的波長Z是吸收物質(zhì)的原子序數(shù)*思考題4:為什么醫(yī)生給病人做X光照相時(shí),常用鉛板為自己做防護(hù)?為什么病人作胃腸透視和照相時(shí),要事先口服鋇餐?答:因?yàn)殇^和鉛的原子序數(shù)比較高(Z=56,82),所以它們對(duì)X射線能量吸收較強(qiáng),這樣就可以提高胃腸透視的清晰度及減少醫(yī)生受射線輻射的作用.例題三:(411頁,16--11)對(duì)波長為0.154nm的X射線,鋁的吸收系數(shù)為132/cm,鉛的吸收系數(shù)為261/cm.要得到和1mm厚度的鉛層相同的防護(hù)效果,鋁板的厚度應(yīng)為多少?練習(xí)題:大作業(yè)216--816--916--1016--11第四節(jié)X射線成像一.常規(guī)X射線投影成像

由于人體內(nèi)各種不同的組織或臟器對(duì)X射線吸收本領(lǐng)不同,所以X射線透過身體不同部位后的強(qiáng)度是不同的.將這些強(qiáng)度不同的X射線投影到熒光屏上,就可以顯示出明暗不同的熒光像,稱為X射線透視術(shù).如果讓透過人體的X射線投射到照相底片上,顯影后就可以觀察到各處明暗不同的像,稱為X射線照相術(shù).X射線成像提示:1.X射線照相比X射線透視優(yōu)點(diǎn)多:由于膠片感光度高,所以需要的X射線劑量低(透視的1/8),且分辨率高;2.由于腦室中各部分組織對(duì)X射線吸收的差別很小,所以不易做常規(guī)的X射線照相和透視;3.可以人為造成某器官與其周圍組織的密度差異,可以擴(kuò)大X射線成像的范圍,此方法稱為造影術(shù).例如:向血管內(nèi)注射碘(Z=53),診斷先天性心臟病.二.X射線電子計(jì)算機(jī)斷層成像

X-raycomputedtomography(X--CT)1979年的諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予美國物理學(xué)家科馬克(1963年提出理論)和英國工程師亨斯菲爾德(1972年研制第一臺(tái)CT機(jī))發(fā)明X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描.1.X-CT的基本原理---投影重建圖像原理當(dāng)強(qiáng)度為I0的單色X射線通過厚度為x的均勻介質(zhì)后,其強(qiáng)度.如果I0、I和x為已知,則吸收系數(shù)μ的值為對(duì)第一個(gè)體素有;對(duì)第二個(gè)體素有;對(duì)第n個(gè)體素有II0利用可將介質(zhì)吸收系數(shù)的總和表示為當(dāng)I和I0都測出之后,就可得出沿X射線貫穿方向的各體素的吸收系數(shù)的總和.我們稱這個(gè)吸收系數(shù)的總和為投影值.人體內(nèi)某一斷層可以分成n×n個(gè)體素，每一方向的X射線掃描可以得到一個(gè)方程。若要求出n×n個(gè)體素的吸收系數(shù)，則需要掃描n×n次。2.掃描技術(shù)X-CT計(jì)算機(jī)斷層成像原理（第三代）X-CT計(jì)算機(jī)斷層成像原理（第三代）序號(hào)第一代第二代第三代第四代第五代名稱單束掃描窄角扇束掃描廣角扇束掃描反扇束掃描動(dòng)態(tài)空間重現(xiàn)測量原理平移－旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)靜止測量時(shí)間5min1.5min5s2s<1s檢測器數(shù)量1306001500靜止28張角0度11度45度90度45度應(yīng)用范圍頭部全身心，肺表.前五代CT機(jī)掃描的特點(diǎn)多層螺旋CT4層螺旋CT示意圖馬可尼公司(Marconi)生產(chǎn)的MX8000多層螺旋CT掃描系統(tǒng)主要特點(diǎn)：最多100s的連續(xù)多層螺旋掃描能力；每秒8層的多層掃描能力；超快速0.5s，360°螺旋掃描；薄層掃描厚度0.5mm64層采集的螺旋CT設(shè)備：SIEMENSSOMATONSensation64層CT掃描一周能夠獲得64層圖像，每層厚在1mm以下，一周所用時(shí)間只有0.37s，各個(gè)方向上的空間分辨率是一致的，為0.4mmSOMATONSensation642004年1月20日面世2004年4月12日獲得FDA認(rèn)證

CT掃描技術(shù)的發(fā)展歷史1985滑環(huán)CT實(shí)現(xiàn)單周連續(xù)掃描，掃描時(shí)間1s19891991199319951998亞秒掃描應(yīng)用實(shí)時(shí)掃描技術(shù)0.5秒掃描時(shí)間螺旋CT開始用于臨床亞毫米級(jí)高分辨

CT多層螺旋CT大量數(shù)據(jù)取樣高質(zhì)量的快速掃描3.圖像重建方法－直接反投影法4.CT值和窗口技術(shù)經(jīng)過掃描和圖象重建所得到的X-CT圖像是一定數(shù)量由黑到白不同長度的小方塊按矩陣排列方式組成的,這些小放塊叫做像素.每個(gè)像素的亮度正比于該體素的吸收系數(shù)的大小。由于人體通常不采用μ的絕對(duì)值,而是取它的相對(duì)值,并稱為CT值或洪斯菲爾德值,它的定義為式中μ為待測組織的吸收系數(shù)μ水﹦1為水的吸收系數(shù)物質(zhì)吸收系數(shù)CT值水1.00H灰色空氣0.0013－1000H黑色密質(zhì)骨2.0＋1000H白色表.三種物質(zhì)的CT值腦脊髓液1.01616水腫1.01818淋巴液1.02222神經(jīng)膠質(zhì)真性瘤1.02626骨髓真質(zhì)瘤1.04444腦膜瘤1.04646星狀細(xì)胞瘤1.05454血塊1.07474紅血球1.09393CT值（2000）灰度（2000）即從全黑（對(duì)應(yīng)CT值為－1000）到全白（對(duì)應(yīng)CT值1000）有2000個(gè)不同的黑白或明暗等級(jí).由于這2000個(gè)CT值可轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像畫面上的2000個(gè)灰度——CT像是一個(gè)灰度不同、且灰度變化不連續(xù)的圖像.人體內(nèi)有2000個(gè)CT值；一般人的眼睛只能分辨16個(gè)灰階；CT值相差125H人眼才能分辨；窗口技術(shù):在整個(gè)灰度值中，僅僅選出感興趣的有限部分的灰度值，把它擴(kuò)展到整個(gè)顯示器的屏幕上進(jìn)行觀察。這樣，就可以把感興趣部分的灰度增強(qiáng)，把不感興趣部分的灰度壓縮，致使感興趣部分的圖像的細(xì)節(jié)變得更加豐富清晰。窗位—任意選定一個(gè)CT值為窗口的中心。窗寬－窗口上限CT值與窗口下限CT值之差。X-CT圖像的形成過程：1.對(duì)患者的某一部位進(jìn)行掃描，經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算獲得n×n個(gè)體素的吸收系數(shù)(例如采取直接反投影法);2.利用公式計(jì)算