第十二章-X射線

1895年倫琴在探討淡薄氣體放電時(shí)發(fā)覺了X射線又名倫琴射線。勞厄用晶體衍射試驗(yàn)證明白X射線是一種波長較短（10-8—10-12m）的電磁波。X射線在醫(yī)學(xué)診療中也有廣泛的運(yùn)用，它與近代科技相結(jié)合更成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不行缺少的工具。

本章將介紹X射線的性質(zhì)，產(chǎn)生，X射線譜，吸收規(guī)律及X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用和X-CT的基本原理。2023/3/31§12.1X射線的基本性質(zhì)X射線具有光波的一般性質(zhì)，同時(shí)由于其頻率大，能量大還具有以下基本性質(zhì)：1、電離作用：使分子原子電離。應(yīng)用：X射線強(qiáng)度儀，輻射劑量測(cè)試。3、熒光效應(yīng)：使分子原子處于激發(fā)態(tài)，發(fā)熒光。如：P,ZnS,氰化鋇，鎢酸鈣等。應(yīng)用：X射線透視。2、貫穿本領(lǐng)：由于其頻率大，能量大對(duì)物質(zhì)具有穿透能力，與原子序數(shù)Z及λ有關(guān)，Z貫穿本領(lǐng),Z貫穿本領(lǐng)；λ

貫穿本領(lǐng)，λ

貫穿本領(lǐng)。應(yīng)用：X射線診斷理療的基礎(chǔ)。

2023/3/324、光化學(xué)作用：使物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，如：膠片感光。應(yīng)用：X射線照相技術(shù)。5、生物效應(yīng)：使生物有機(jī)體電離激發(fā)從而損壞，死亡。應(yīng)用：治療癌癥殺死癌細(xì)胞，應(yīng)留意防護(hù)。2023/3/33高速運(yùn)動(dòng)的電子受到物質(zhì)的阻擋時(shí)都能產(chǎn)生X射線§12.2X射線的產(chǎn)生1、X射線產(chǎn)生條件：（a)高速運(yùn)動(dòng)的電子流（b)有適當(dāng)?shù)恼系K物——靶（阻擋電子運(yùn)動(dòng)）2、X射線產(chǎn)生裝置：Ⅰ)X射線管；Ⅱ）降壓變壓器；（供應(yīng)燈絲電流）Ⅲ）升壓變壓器；（供應(yīng)陰陽兩極管電壓）Ⅳ）整流部分。（溝通變直流）2023/3/342023/3/35高壓電子束X射線鎢靶銅棒燈絲真空低壓陰極燈絲：低壓電源供電（5-10V)要求：熔點(diǎn)高，電子逸出功小，不易蒸發(fā)作用：放射電子，電流增大，燈絲溫度上升，單位時(shí)間內(nèi)放射電子數(shù)增加X射線管中：2023/3/36陽極靶：與陰極之間有高壓直流電（幾萬-幾十萬伏)要求：熔點(diǎn)高，原子序數(shù)大（鎢，鉬），X射線光子總數(shù)與Z2成正比,靶座散熱性能好（銅）作用：接受電子沖擊，產(chǎn)生X射線。管電壓：陰陽兩極所加的幾萬到幾十萬伏的直流高壓。管電流：熱電子在電場(chǎng)作用下高速奔向陽極形成。2023/3/37§12.3X射線的強(qiáng)度和硬度一、X射線的強(qiáng)度：定義：單位時(shí)間通過與射線方向垂直的單位面積的輻射能量叫做X射線的強(qiáng)度。單位：W/m2變更X射線強(qiáng)度有如下方法：其中Ni表示單位時(shí)間通過與垂直于射線方向的單位面積的輻射能量為hνi的光子數(shù)。1、表達(dá)式：1）增大管電流，即增大Ni，一般調(diào)整燈絲電流來調(diào)整管電流：2023/3/38hνi難以測(cè)定，X射線的強(qiáng)度一般用管電流表示。2）增大管電壓，即增大hνi。二、X射線的硬度：定義：硬度即貫穿本領(lǐng)，只決定于波長而與強(qiáng)度無關(guān)，λ，硬度，λ硬度。硬度確定于管電壓的大小，可以用調(diào)整管電壓的方法來調(diào)整硬度。用管電壓來表征（KV）硬度。2023/3/39但增大管電壓的同時(shí)不但增加了硬度同時(shí)也增加了單位時(shí)間到達(dá)陽極的電子數(shù)，即增大了X射線的強(qiáng)度，可適當(dāng)降低陰極電流以削減電子放射數(shù)量從而保證強(qiáng)度不變。對(duì)應(yīng)于不同硬度的X射線有不同的用途，見P271表14-12023/3/310§12.4X射線譜X射線譜：X射線管發(fā)出的X射線強(qiáng)度按波長依次排列開的圖譜。X射線譜包括兩個(gè)部分：連續(xù)譜和標(biāo)識(shí)譜。2023/3/311X射線譜L2023/3/312一、連續(xù)X射線譜Ⅰ）當(dāng)管電壓較低（鎢靶50KV以下）時(shí)只有連續(xù)譜，無標(biāo)識(shí)譜，管電壓不同，連續(xù)譜位置不一樣。產(chǎn)生過程：

韌致輻射過程，即高速電子在原子核電場(chǎng)作用下急劇減速，電子的部分能量化為X射線光子的能量hv。連續(xù)譜特征：Ⅱ）譜線強(qiáng)度從長波漸漸上升，達(dá)到最大值后快速下降為0。強(qiáng)度為0的波長對(duì)應(yīng)短波極限。相對(duì)強(qiáng)度50KV40KV30KV20KVλ2023/3/313連續(xù)X射線短波極限與管電壓成反比。Ⅲ）當(dāng)管電壓增大時(shí)各波長強(qiáng)度都增大，曲線最大值和短波極限都向短波方向移動(dòng)。Ⅳ）X射線強(qiáng)度同時(shí)與管電流和管電壓及靶的原子序數(shù)有關(guān)ZI。2023/3/314二、標(biāo)識(shí)X射線譜Ⅰ）當(dāng)管電壓較高時(shí)（如鎢靶X射線管70KV以上）連續(xù)譜上會(huì)出現(xiàn)尖峰，且位置不隨管電壓變更。產(chǎn)生過程：當(dāng)高速電子把靶原子中的K層（或者L、M、N層）電子撞擊出，使之成為自由電子，便會(huì)在原處形成一個(gè)空位，而外層電子就會(huì)馬上向內(nèi)層躍遷前來填補(bǔ)空位，相應(yīng)釋放多余的能量。標(biāo)識(shí)譜特征：Ⅱ）各元素標(biāo)識(shí)譜有相似的結(jié)構(gòu),只是波長不同，原子序數(shù)Z波長λ。連續(xù)譜一般作為醫(yī)用，標(biāo)識(shí)譜用于分析物質(zhì)元素構(gòu)成（微區(qū)分析技術(shù)）。2023/3/315X射線通過物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)發(fā)生吸取，散射而使X射線在原方向強(qiáng)度衰減稱為X射線的吸取?！?2.5X射線的衰減一、單色X射線的吸取規(guī)律：d為X射線穿透的物質(zhì)厚度（cm）為物質(zhì)線性衰減系數(shù)（cm-1）I為X射線穿透的物質(zhì)后的強(qiáng)度I0為X射線原來的強(qiáng)度對(duì)于同一物質(zhì)線性衰減系數(shù)μ與ρ有關(guān)（正比），ρ越大，路徑上遇到的原子數(shù)越多，能量損失越大。2023/3/316由此定義質(zhì)量衰減系數(shù)：而且定義質(zhì)量厚度dm=d(g·cm-2)

則X射線的吸取規(guī)律可寫為：對(duì)應(yīng)于同種物質(zhì)的固、液、氣三態(tài)m值都相同(cm2·g-1)2023/3/317半價(jià)層：強(qiáng)度衰減到一半時(shí)對(duì)應(yīng)的物質(zhì)厚度或質(zhì)量厚度

以上規(guī)律只適用于單色X射線，對(duì)于連續(xù)X射線只是近似2023/3/318二、質(zhì)量衰減系數(shù)的確定因素：K為常數(shù)約為3~4.1：a)Z越大μm越大。如：做胃鏡時(shí)運(yùn)用鋇餐，防輻射時(shí)用鉛防護(hù)，X照相時(shí)運(yùn)用了μ骨骼（Ca)＞μ肌肉(C、H、O)b)λ越大,μm越大，衰減越快；λ越小,μm越小衰減越慢。2023/3/319§12.6X射線的醫(yī)學(xué)應(yīng)用及X-CT一、治療：1、機(jī)制：X射線的電離作用，康普頓散射，電子對(duì)效應(yīng)等，可誘發(fā)一系列生物效應(yīng)，作用與分裂旺盛的腫瘤細(xì)胞使其壞死。2、方案設(shè)計(jì)：嚴(yán)格限制照射量。3、用于治療的X射線設(shè)備有：大焦點(diǎn)——治療皮膚腫瘤，X—刀：將X射線聚焦后作用于病灶。X射線對(duì)于正常細(xì)胞也有損害，應(yīng)留意防護(hù)：削減不必要的照射，對(duì)于放射工作人員用鉛版，含鉛玻璃，含鉛皮裙和手套愛護(hù)。2023/3/320二、診斷：1、常規(guī)透視和攝影：機(jī)制：X射線對(duì)身體不同組織穿透力不同，勻整X射線穿過人體后強(qiáng)度不同，可在熒光屏上或膠片上形成明暗不同的像。攝影比透視的辨別率高。用途：a)可辨別腫瘤位置和大小，肺結(jié)核病灶，骨折程度，臟器形態(tài)等。b)對(duì)軟組織攝影用軟X射線。c)人體某些臟器衰減與四周組織相差很小可注入相差大的介質(zhì)顯影，如：消化道鋇餐，骨關(guān)節(jié)空氣等。2023/3/3212、數(shù)字減影血管造影：原理：X射線一般影像光學(xué)圖像視頻信號(hào)數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)變注入造影劑的造影像未注入造影劑的原像充盈造影劑的血管造影的像視頻信號(hào)監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)時(shí)血管圖像減這是志向的非損傷性血管造影檢查術(shù)，可以視察血管梗阻、狹窄、畸形和血管瘤等。2023/3/322三、X-CT（X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描）X射線管環(huán)繞人體某一層面掃描，利用探測(cè)器測(cè)得從各方面透過該層面的射線強(qiáng)度，利用計(jì)算機(jī)圖像重建技術(shù)獲得該層面的圖像，為斷層掃描。1、X-CT基本原理：依據(jù)：?xI0I

將介質(zhì)分成一個(gè)個(gè)方形小單元，稱為體素，其表面稱為像素，設(shè)其線度為?x。則：2023/3/323對(duì)第一個(gè)體素有：對(duì)其次個(gè)體素有：對(duì)第n個(gè)體素有：所以：說明：1）設(shè)體素為n×n矩陣陣列，μ值反映機(jī)體組織的特性，求出各μ值可反映機(jī)體組織的特性，進(jìn)行圖像重建。2023/3/3242）射線束從各個(gè)方向掃描，橫掃，縱掃，斜掃或轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ角，直至可解出全部μ值為止。2、圖像重建的基本方法：聯(lián)立方程法，反投影法，濾波反投影法，二維傅立葉變換法，卷積反投影及迭代法。μ11μ12μ21μ223572設(shè)有體素如圖：2023/3/325a)聯(lián)立方程法舉例：μ11μ12μ21μ223572橫掃：縱掃：斜掃：聯(lián)立求得各μ值缺點(diǎn)：運(yùn)算量大，對(duì)于大矩陣256×256須要高速計(jì)算機(jī)完成。2023/3/326反投影法：將各方向的投影值沿投影反方向投影回矩陣?yán)?，然后將其值累加，?jīng)數(shù)學(xué)方法處理后得到重建一幅圖像的μ值。3572④①②③3572①8899④③②131316142320262126323823減底數(shù)17并除以32023/3/3273、CT值：1）CT圖像是確定數(shù)量不同黑白灰度的小方塊組成，這些小方塊叫像素。2）灰度與μ值有關(guān)，將μ值與密度聯(lián)系起來的值為像素的CT值。μ水=1，μ骨=2，μ空氣=0CT值=1000×μ待-μ水μ水（Hu)則：CT空氣=1000×=-10000-11（Hu)2023/3/328CT水=1000×=01-11（Hu)CT骨=1000×=10002-11（Hu)CT值不同，灰度不同，圖像黑白反映組織密度及性質(zhì)，從而進(jìn)行診斷。4、CT設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：包括：掃描裝置、電子學(xué)系統(tǒng)和電腦系統(tǒng)3部分。2023/3/3295、窗口技術(shù)：人體組織的CT值分為2000個(gè)等級(jí)，人眼辨別不出如此微小的差別，一般黑白電視機(jī)顯象管（CRT)由黑到白分為10到30個(gè)灰度等級(jí)或灰階已能滿足人眼對(duì)灰階的分辨實(shí)力。設(shè)熒光屏上的圖象是由10個(gè)灰度來反映2000個(gè)分度，則圖象能辨別的CT值是200Hu，即兩組織的CT值相差200Hu以下時(shí)，人眼不能加以辨別。為了提高辨別率，在CT成象時(shí)常將感愛好部位的對(duì)比度增加而將無關(guān)緊要的部位對(duì)比度壓縮，使CT值差別較小的組織能得到辨別，這一工作稱為窗口技術(shù)。即將