X 射 线

1. X 射 线 物理教研组

2. X射线 1895年德国物理学家伦琴在做阴极射线实验时，意外地发现了X射线。伦琴因此获得了1901年首届诺贝尔物理学奖。 X射线在医学诊断、治疗中的应用非常广泛，特别是X射线诊断技术，已经成为现代医学不可缺少的工具。 伦琴 第一张X光照片

3. X射线发现以后，很快就被应用于医学，成为现代医学诊断、治疗和研究的重要手段。

4. 第一节 X射线的产生 产生X射线的方法有多种，常用的产生X射线的方法是：用高速运动的电子束轰击一障碍物——阳极靶。受到靶的阻碍作用，电子的动能转变为X射线光子的能量。 产生X射线的两个基本条件是: 1)有高速运动的电子流； 2)有适当的障碍物—靶来阻止电子的运动。

5. X射线管 Ｒ 图16-1 X射线机的基本线路 一、X射线产生装置 1. X射线机的基本线路 X射线管由封装于真空玻璃管内的灯丝阴极和阳极靶组成;升压变压器T1输出的交流高压经整流后加在阴极和阳极之间；灯丝变压器T2为灯丝供电，灯丝温度由电位器Ｒ控制。

6. X射线管 Ｒ

7. 2.靶材料 • 耐高温 • 　　高速电子轰击阳极靶时，电子动能转变为X射线的能量不到1%，99%以上的能量都变为热量。因此靶材料应选用耐高温的材料。 • 2)原子序数大 • 靶材料的原子序数Z越大，电子能量转化为X射线的能量越多。因此，钨(Z=74)和它的合金是最合适的靶材料。

8. 图16-2a) 有效焦点 3.实际焦点与有效焦点 1)实际焦点： 　电子流在靶面上的撞击面积叫 实际焦点。 2)大焦点、小焦点： 　实际焦点的大小与灯丝的形状有关，长灯丝形成的焦点叫大焦点、短灯丝形成的焦点叫小焦点。 3)有效焦点： 　实际焦点的投影面积叫有效焦点。

9. 图16-2b)旋转阳极 4.阳极 一般诊断用的X射线管采用小焦点，焦点越小，在荧光屏上或照相底片上所成的像就越清晰。治疗用的X射线管采用大焦点。 图16-2b)旋转阳极 大功率的X射线管多采用旋转阳极，使受撞击的面积不断改变，将热量分散到较大的面积上。

10. 二、X射线的强度和硬度 1. X射线的强度 1)定义： X射线的强度是指单位时间内通过垂直于射线方向的单位面积的辐射能量，用I表示。 式中，Ni为单位时间内通过垂直于射线方向的单位面积的能量为hni的光子数。

11. 2) 增加X射线强度的方法： ①增加管电流；②增加管电压。 　　增加管电流，可使单位时间内轰击阳极靶的电子数目增多，从而使公式16-1中Ni增加；增加管电压，可产生频率更高的光子，即能量更高的光子。 3) X射线的强度表示：通常用管电流的毫安数(mA)间接表示X射线的强度。 4) 总辐射能量表示： X射线总辐射能量与X射线的强度和照射时间成正比。因此，用管电流毫安数与照射时间的乘积表示X射线总辐射能量。

12. 2．X射线的硬度 指X射线的贯穿本领，它只取决于X射线的波长，即光子的能量，与光子数目无关。 　因此它与管电压有关，而与管电流无关。管电压越高，产生的X射线的硬度就越大。通常用管电压的千伏数(kV)来表示X射线的硬度。

13. 图16-3 钨靶X射线谱 第二节　X射线谱 Ｘ射线管产生的X射线，包含各种不同的波长成分，将其强度按照波长的顺序排列开来的图谱称为Ｘ射线谱(X-ray spectrum) 图16-3为利用X射线摄谱仪(见§16.3)拍摄的钨靶X射线谱。它分为连续谱和线状谱两部分。

14. hν 电子 靶原子

15. 轫致辐射 (bremsstralung) 高速电子（或离子）流撞击阳极靶受到制动时,电子在原子核强电场作用下，速度的量值和方向都发生急剧变化，一部分动能转化为光子的能量 hυ辐射出去， 此现象称为轫致辐射 (bremsstralung)

16. 一、连续X射线谱 １.产生机制 当高速电子流在阳极靶上受到制动时，电子的一部分能量DE转化为光子的能量hn，在撞击时各个电子损失的能量DE大小不同，所以光子的能量不同，即光子波长不同，这样就产生了连续谱。 　当管电压较低时，只产生连续X射线。图16-4是管电压分别为20kV、30kV、40kV、50kV时的连续X射线谱。由图可见，当管电压增大时，各波长强度都随之增大。

17. 图16-4 钨的连续X射线谱 2. 连续谱特性 1)短波极限： 由图可见，每一个管电压下都对应着一个最短的波长lmin，称为短波极限。 2) lmin与管电压的关系 实验发现，X射线谱的能量最高的光子的波长lmin与管电压密切相关，管电压越高，lmin越短。

18. 设管电压为U，电子电量e。则电子的动能为eU，当这一能量完全转化为光子的能量时设管电压为U，电子电量e。则电子的动能为eU，当这一能量完全转化为光子的能量时 将h=6.626×10-34 J·s， c=2.9979×108 m·s-1， e=1.602×10-19C代入上式得 其中，管电压单位为 kV，波长单位为nm。

19. 图16-5 　钨在较高管电压下的X射线谱 二、标识X射线谱 当管电压增加到70kV以上时，出现线状谱，如图16-5所示。 实验表明，线状谱的波长取决于阳极靶的材料。不同元素制成的靶具有不同的线状谱，可以用这些线状谱作为元素的标识，因此，这些线状谱称为标识X射线谱。

20. 图16-6 标识X射线发生原理示意图 1.产生机制 当轰击阳极靶的高速电子的能量足够高时，可以使靶原子的内层电子脱离原子核的束缚。比如，K层电子被击出，则L、M、N等外层电子就会跃迁到K层，从而放出光子。光子的能量等于两个能级差。这样就形成了K线系。

21. Kγ Kβ Lβ Lα Kα Mα K L M N 2、标识谱特征 ① 线系 K层出现空位形成的X射线谱称为K线系 用Kα、Kβ、Kγ …Kmin表示 对应光子的能量： hυKα= EL-EK hυKβ = EM-EK …… hυmax= E自-EK =h c /λmin L线系用Lα、Lβ、Lγ…Lmin表示，

22. Kγ 自由电子 Kβ Lβ Lα Kα Mα K L M N ②.每一线系都有一个最短波长 是自由电子补充空位时发出的 h c /λmin= E自-EK ③.靶元素原子序数愈高，对应线系的波长愈短， ∵靶元素原子序数愈高各层的能量差值愈大。

24. 2.标识谱特性 标识X射线对化学元素分析非常有用。医学诊断和治疗中使用的X射线主要是连续X射线，标识X射线在X射线的强度中所占的分量很小。

25. 第三节 X射线的基本性质 一、X射线的特性： 1、电离作用 使分子、原子电离——可诱发各种生物效应 2、荧光作用 使分子、原子处于激发态，回到基态时，发出荧光 3、生物效应 放疗的基础；防护的原因 4、贯穿本领 穿透能力强。X射线透视和摄影的基础 5、光化学作用 使底片感光。医学上利用此进行X线摄影

26. 二、X射线的衍射 • 1912年劳厄 提出方案，由弗里德里希、尼平进行实验，用晶体衍射法证明了X射线具有波动性，从而揭示了X射线的本质。

27. 劳厄提出：用X 射线照射晶体应能观察到干涉现象。 布拉格父子(W.H.Bragg,、W.L.Bragg,) 用X射线晶体分光仪，测定了X射线的衍射角给出衍射公式， 叠加加强的条件是： 2dsinθ= kλ ( k=1、2、…) 此式称为布拉格定律， 晶体对X射线的折射率近似为1。 1 2 C θ d A B M 布拉格 劳厄

28. λ2 λ1 Θ 晶体 X射线摄谱仪原理 // X射线摄谱仪原理 利用布拉格公式可以： ①测量X射线的波长λ、 ②测量晶体的晶格常数d、 ③获取X射线谱。 2dsinθ= kλ 改变θ值，使不同波长的X射线干涉加强。

29. 第四节　物质对X射线的衰减规律 一、单色X射线的衰减规律 1．衰减规律 如图，设入射X射线强度为I0，在厚度x处，强度为I，在x~x+dx厚度内衰减了dI，则 其中比例系数m称为线性衰减系数。

30. 两边积分得： 厚度的单位cm，m的单位cm-1。

31. 代入式(16-5)得 将 2．半价层 X射线强度在物质中被衰减为一半时的厚度称为该物质的半价层 上式为半价层与衰减系数之间的关系式

32. 二、衰减系数与波长原子序数的关系 1.原子序数愈大的物质，吸收本领愈大。 人体肌肉组织的主要成分是C、H、O等，而骨骼的主要成分是Ca3(PO4)2，其中，Ca和P的原子序数比肌肉组织的成分原子序数高，因此骨骼的衰减系数比肌肉组织的大。 胃肠透视时，吞服造影剂钡餐(硫酸钡)，钡（Z=56）的原子序数较高，吸收本领较大，可以显示出胃肠的阴影。铅(Z=82)的原子序数很高，因此将铅板用作X射线的防护材料。

33. 2.波长愈长的X射线，愈容易被吸收。 X射线的波长越短，贯穿本领越大，因此浅部治疗时，使用波长较长的X射线，深部治疗时使用波长较短的X射线。

34. 质量衰减系数： 质量衰减系数成因：

35. 第五节　X射线的医学应用 一、治疗 X射线在临床上主要应用于治疗癌症，其机理是X射线的电离作用，由此引发人体组织的一系列生物效应。 1)X射线治疗机： 使用大焦点X射线管，产生X射线。用于治疗皮肤肿瘤。

36. 2) X射线刀： 这是一种立体定 向放疗系统。利用 直线加速器输出高 能电子，轰击钨靶 产生高能 X射线作 为放射源，在CT引 导下，由计算机系统控制，实施高精度立体定位，非共面多轨迹等中心旋转，集中照射肿瘤，使肿瘤病灶受到致死性高剂量照射，而周围正常组织受量很小。

37. 二、诊断 1.常规透视和摄影 各组织器官对X线的吸收不同，则透过后的强度不，在荧光屏或胶片上将显示器官的影像 X射线摄影的位置分辨能力和对比度分辨能力优于X射线透视 常规X射线诊断的图像将各种组织、器官重叠在一起，并且使骨骼掩盖了一些组织和器官，致使有些疾病不能得到准确的诊断。 人工造影：注入造影剂，以增大与周围组织的对比 软组织摄影：采用较软X射线以增加组织间影像反差

38. 影像增强器 摄像管 造影像－原像 模数转换 放大、数模转换 监视器 2. 数字减影血管造影（DSA） 是一种理想的非损伤性血管造影检查术，不仅 用于血管疾病的诊断，而且可为血管内插管导向。 X射线影像 光学图象 视频信号 图像的数字信号 造影图像 视频信号 血管图像 用于观察血管梗阻、狭窄、畸形、血管瘤……内插管导向

39. X射线 X射线 物体 像 普通X射线成像的缺点

40. CT与传统X射线装置的对比 • CT： • 图像重建，三维断层、图像清晰； • 通过图像后处理，可获得多平面图像； • 成像剂量可选（精细），剂量小； • 动态范围大； • 密度分辨率高，对软组织分辨率能力高； • 空间分辨率较低； • 易与医院其它数字化设备互连。 • 传统X射线装置： • 几何聚焦，二维X光片、纵向信息重叠； • 图像后处理应用少； • 成像剂量可选（粗），剂量大； • 动态范围小； • 密度分辨率低，不能区别软组的细节； • 空间分辨率高； • 不易与医院其它数字化设备互联。

41. 三、X-CT X射线计算机辅助断层扫描成像装置(X－CT) CT的发明 CT（Computed Tomography）即电子计算机体层摄影，又称X线CT。 基本原理：通过X射线管环绕人体某一层面的扫描，利用探测器测得从各个方向透过该层面后的射线强度值，利用计算机及图像重建原理，获取该层面的图像。 X-CT被公认为70年代重大科技突破, Cormack, Hounsfiled于79年获得诺贝尔医学生理学奖金。

42. 第一节 CT成像系统概述 一、CT的发明 CT（Computed Tomography）即电子计算机体层摄影，又称X线CT。 X线平片的缺点…,CT的发明解决了其不足

43. X-CT的历史背景 • 诺贝尔奖:Rontgen (1895): 发现X-射线 Cormack和Hounsfield (1979): 发明CT机

44. ▲1917年Radon提出了图像重建的数学方法。 ▲1971年英国工程师Hounsfield设计成功第一台颅脑CT机 ▲1972年应用于临床 ▲1974年，美国工程师Ledley设计出全身CT机. ▲Hounsfield和美国物理学家Cormark获得了1979年度诺贝尔医学生理学奖。 Hounsfield于2004年8月12日在英国逝世，享年84岁

45. 与普通X射线摄影的比较： （1）清晰度高 （2）密度分辨率高 0.1%～1% （普通：10%） （3）采用单能射线，散射线对图象的 影响不大

46. m x 朗伯定律 CT成像原理-1 • I0:入射X-射线强度; I : 输出X-射线强度； • :组织的线性衰减系数; x: 组织的厚度。

47. CT图像 • 体素：将选定层面分成若干个体积相同的立方体。 • 数字矩阵：每个体素的X线衰减系数排列成矩阵。 • 像素：数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块。

48. 图16-9X射线穿过n个体素 三、X-CT 1.X-CT的基本原理 设有n个边长为l的小立方体体素，如图16-9所示，每个小立方体可视为均匀的，吸收系数依次为m1、m2、m3、...... mn，入射X射线强度I0。

49. 对第1个体素： 对第2个体素： 对第n个体素： … …

50. 式中l、I0是已知的，只要测出从第n个体素透射出的X射线强度I，则可以算出右式的值。这样可得到m1~mn这n个未知数的一个线性方程。式中l、I0是已知的，只要测出从第n个体素透射出的X射线强度I，则可以算出右式的值。这样可得到m1~mn这n个未知数的一个线性方程。 现在，假设有n行×n列个体素，各个体素的吸收系数分别为m11~mnn，如图16-10所示。现在，只要设法求出m11~mnn这n2个衰减系数，就可建立一幅CT图像了。 从数学上说，只要我们能够得到关于m11~mnn的n2个独立的线性方程，解方程组就可以得到m11~mnn。 那么，如何得到这n2个方程呢？方法是通过扫描。