12-18X射线与断层成像课件.ppt

1、 （X-ray and Tomography）视视摄影摄影X X线计算机断层成像（线计算机断层成像（X-CTX-CT）X射线的产生及其性质射线的产生及其性质 物质对物质对X射线的吸收射线的吸收 X射线在医学上的应用射线在医学上的应用 X-CT难点：难点：X-CT重点：重点：X X射线的产生及其性质射线的产生及其性质第一节第一节 X X射线的产生及其性质射线的产生及其性质 Production and Properties of X-ray德国慕尼黑伍尔茨堡大学（德国慕尼黑伍尔茨堡大学（18951895年年1111月月8 8日傍晚）日傍晚）一种新的射线一种新的射线初步报告初步报告（1895189

2、5年年1212月月2828日日）获首个诺贝尔物理学奖（获首个诺贝尔物理学奖（19011901年）年）Dec.22,18951.1.本质本质l高频电磁波高频电磁波频率：频率：16203 103 10 Hz波长：波长：0.00110nm一、一、X X射线的产生射线的产生hp hchl具有波粒二相性具有波粒二相性临床：临床：0.0080.031nml有高速运动的电子流；有高速运动的电子流；l有阻止电子运动的合适障碍物（有阻止电子运动的合适障碍物（靶靶）。）。基本条件：基本条件：2.X2.X射线的产生射线的产生 高速运动粒子流与原子的高速运动粒子流与原子的内层电子内层电子或或原子核原子核相互作用产生。

3、相互作用产生。l加速中的高能带电粒子直接辐射加速中的高能带电粒子直接辐射X X射线（射线（固体靶源固体靶源）同步辐射同步辐射等离子体源等离子体源核反应核反应3.X3.X射线发生装置射线发生装置管电流管电压X射线管X X射线管射线管包括三部分：包括三部分：X X射线管、高压电源及低压电源射线管、高压电源及低压电源（1 1）阴极）阴极发射热电子的地方发射热电子的地方(一般由钨丝制成一般由钨丝制成)。（2 2）阳极（）阳极（靶靶）使电子突然减速并发出使电子突然减速并发出X X射线射线 的地方（一般由钨、钼制成）。的地方（一般由钨、钼制成）。（3 3）窗口）窗口X X射线从阳极射出放的通道。射线从阳极

4、射出放的通道。阴极阳极窗口阳极（靶阳极（靶-钨钨 W、钼、钼Mo）l水冷或油冷水冷或油冷l靶旋转靶旋转l高熔点的重金属高熔点的重金属l间断工作间断工作 高速粒子撞击阳极靶时，高速粒子撞击阳极靶时，仅有仅有1%1%的动能转换为的动能转换为X X射线的动射线的动能，其余部分转化为热能。能，其余部分转化为热能。1 1.X X射线的强度和硬度射线的强度和硬度 单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量。单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量。（1）强度强度（Intensity）或）或 X射线的量射线的量（Quantity）1niiiIN hiNi表示频率为表示频率为 的光子数目。的光子

5、数目。l光子数光子数N二、二、X X射线的性质射线的性质单位单位:-1-2J sm增加X射线强度的两个决定因素常用一定管电压下管电流的常用一定管电压下管电流的mAmA数间接表示数间接表示l光子能量数光子能量数hv（2 2）硬度）硬度（Hardness）指指X射线的穿透本领，只取决于射线的穿透本领，只取决于X X射线的波长，射线的波长，即光子的能量，与光子数目无关。即光子的能量，与光子数目无关。l常用管电压的常用管电压的kV数来间接表示数来间接表示lX射线的硬度也称为射线的硬度也称为X X射线的质射线的质（Quality）仅与管电压有关仅与管电压有关，管电压，管电压X X射线的硬度射线的硬度 X

6、射线按硬度分类名名 称称管电压管电压(kV)最短波长最短波长(nm)主要用途主要用途极软X射线 5200.250.062软组织摄影等软X射线 201000.0620.012透视和摄影硬X射线 1002500.0120.005较深组织治疗极硬X射线 250以上0.005以下深部组织治疗2.X2.X射线的的基本性质射线的的基本性质l电离作用电离作用X X射线照射能使分子或原子电离射线照射能使分子或原子电离 对有机体可诱发各种生物效应，破坏或改变生对有机体可诱发各种生物效应，破坏或改变生物功能，可用于物功能，可用于治疗某些疾病，但也有，但也有损坏作用，要对要对X X射线进行防护。射线进行防护。l荧光

7、作用荧光作用X X射线照射某些物质能使其发出荧光射线照射某些物质能使其发出荧光 将将ZnSOZnSO4 4、铂氰化钡、钨酸钙、磷等物质涂、铂氰化钡、钨酸钙、磷等物质涂在纸板上在纸板上可构成荧光屏。l贯穿本领贯穿本领对各种物质都有一定的贯穿作用对各种物质都有一定的贯穿作用 物质对物质对X X射线的吸收与射线的吸收与X X射线波长有关，也决定射线波长有关，也决定于物质的原子序数或密度。人体密度不同（或于物质的原子序数或密度。人体密度不同（或Z Z），），呈现强度强弱的空间分布，呈现强度强弱的空间分布，用于透视照相。l光化作用光化作用X X射线照射可使物质发生光化反应射线照射可使物质发生光化反应使照

8、相底版感光，使照相底版感光，记录X射线谱强度。三、三、X X射线谱射线谱把把X X射线强度与波长的关系曲线称为射线强度与波长的关系曲线称为X X射线谱射线谱。连续X射线谱线状谱 （1 1）标识谱）标识谱(特征谱特征谱)（Characteristic Spectrum）特点：强度较大且具有特定波长，反映出靶材料特点：强度较大且具有特定波长，反映出靶材料的原子特征。的原子特征。)1(Kn)4(Nn)2(Ln)3(MnKKLLE内层电子被激发，从高能级跃迁到低能级形成。内层电子被激发，从高能级跃迁到低能级形成。（2 2）连续谱）连续谱（Continuous Spectrum）波长连续分布。靶材料的波

9、长连续分布。靶材料的原子序数愈大，管电压愈高，原子序数愈大，管电压愈高，连续射线的强度愈强。连续射线的强度愈强。l由轫致辐射由轫致辐射（Bremsstrahlung）产生产生l连续谱的最短波长连续谱的最短波长maxmin1hvhceU)nm()kV(1.24minU电子受原子核强电场作用失去能量转换为光子的过程。电子受原子核强电场作用失去能量转换为光子的过程。第二节第二节 物质对物质对X X射线的吸收射线的吸收X-ray Absorption by Materials一、单能窄束一、单能窄束X X射线的吸收规律射线的吸收规律 单色窄束单色窄束X X射线吸收遵从朗伯定律射线吸收遵从朗伯定律0 x

10、II e称为线性吸收系数称为线性吸收系数二、半价层二、半价层（Half Value Layer）X X射线在某种物质中强度被吸收一半所对应的射线在某种物质中强度被吸收一半所对应的物质厚度物质厚度。0 xII e693.02ln21x三、吸收系数三、吸收系数（Absorption Coefficient）34kZ Z-物质的原子序数物质的原子序数 34mkZm-质量吸收系数质量吸收系数 第三节第三节 X X射线在医学上的应用射线在医学上的应用The Application of X-ray in Medicine一、诊断一、诊断X X射线透视射线透视（X-ray Fluoroscopy）优点：优

11、点：缺点：缺点：可任意转动体位，易于对某些器官的功能进行可任意转动体位，易于对某些器官的功能进行动态、多角度的观察；简单、快捷、费用低。动态、多角度的观察；简单、快捷、费用低。分辨率低；对病变没有记录，不利于讨论、研分辨率低；对病变没有记录，不利于讨论、研究及复查对比。究及复查对比。X X射线摄影术射线摄影术（Roentgenography）二、治疗二、治疗 X X射线对生物组织细胞有破坏作用，尤其是对射线对生物组织细胞有破坏作用，尤其是对分裂活动旺盛或正在分裂的细胞，其破坏力更强。分裂活动旺盛或正在分裂的细胞，其破坏力更强。肿瘤细胞自身分裂活跃，它对肿瘤细胞自身分裂活跃，它对X X射线的敏感

12、性射线的敏感性比发育成熟的正常细胞更为强烈。比发育成熟的正常细胞更为强烈。利用利用X X射线可以对肿瘤组织起到抑制、破坏或射线可以对肿瘤组织起到抑制、破坏或杀死作用。杀死作用。治疗癌症治疗癌症：X X射线对人体组织的电离作用，直接破坏射线对人体组织的电离作用，直接破坏 细胞，尤其对分裂旺盛的癌细胞。细胞，尤其对分裂旺盛的癌细胞。刀刀-2121世纪治疗肿瘤新技术世纪治疗肿瘤新技术三、防护三、防护 X X射线能够引起生物效应，过量的照射可以引射线能够引起生物效应，过量的照射可以引起损伤（机体本身和遗传损伤）。起损伤（机体本身和遗传损伤）。l时间防护时间防护-缩短受照射时间缩短受照射时间 l距离防护

13、距离防护-增加到增加到X X射线源的距离射线源的距离 l屏蔽防护屏蔽防护-使用铅板、含铅玻璃、含铅胶皮裙使用铅板、含铅玻璃、含铅胶皮裙 和手套以及混凝土等。和手套以及混凝土等。第四节第四节 X-CTX-CT（X X射线计算机断层成像）射线计算机断层成像）X-ray Computed TomographyG.N.Hounsfield A.M.Cormack 英国：亨斯菲尔德（英国：亨斯菲尔德（HounsfieldHounsfield）19691969年发明年发明19711971年年9 9月第一台头颅月第一台头颅CTCT机问世机问世19721972年年1111月公布于世月公布于世19741974年

14、美国工程师设计出全身年美国工程师设计出全身CTCT机机美国：科马克美国：科马克（CormackCormack）-1950-1950年提出投影重建算法，并进年提出投影重建算法，并进 行了仿真和实验研究行了仿真和实验研究利用投影数据，采用数学方法重建图像。利用投影数据，采用数学方法重建图像。l投影是用投影是用X X射线照射病人，投影于与射线方向垂射线照射病人，投影于与射线方向垂 直的平面上。直的平面上。l数据是组织对数据是组织对X X射线的吸收值射线的吸收值l重建图像是将吸收值转化为图像重建图像是将吸收值转化为图像X-rayCT无前后影像重叠，密度分辨力比传统的无前后影像重叠，密度分辨力比传统的X

15、 X线检查高线检查高10-2010-20倍。倍。一、一、CTCT成像的基本原理成像的基本原理1.1.图像重建的基本思想图像重建的基本思想xeII01101xeII)(012221122xxxeIeII)(02211nnxxxneII小块厚度很小，视为均匀介质，并称为体素小块厚度很小，视为均匀介质，并称为体素(Voxel）。在实际应用中各体素常取同样厚度，且为单位长度。在实际应用中各体素常取同样厚度，且为单位长度。121xxxxnAIIIIxnnn0021lnln1测出多个投影数据，算出每个体素的测出多个投影数据，算出每个体素的值。值。将各体素的将各体素的值转化成对应图像上各像素的灰度。值转化成

16、对应图像上各像素的灰度。2.2.CTCT值值水水值1000CT单位为亨单位为亨(Hu)以水的吸收系数为基准以水的吸收系数为基准 1水）（空气Hu10000.10.101000CT）（致密骨Hu10000.10.10.21000CT3.3.开窗开窗CTCT机荧光屏只能分机荧光屏只能分6464个灰度等级进行图像显示个灰度等级进行图像显示窗宽窗宽(Window Width)最亮的和最黑的最亮的和最黑的CTCT值之差值之差窗位窗位(Window Level)中心中心CTCT值值开窗可以提高仪器的灵敏度开窗可以提高仪器的灵敏度 4.4.图像重建的基本方法图像重建的基本方法 321743 63144254

17、121124334第一代第一代CTCT，断层为，断层为160160160=25600160=25600个像素个像素。（512512512512矩阵矩阵），），空间分辨力也提高到空间分辨力也提高到0.1mm0.1mm。扫描时间可达到扫描时间可达到1010ms 二、二、CTCT扫描及其特点扫描及其特点第一代第一代CTCT扫描扫描螺旋型螺旋型CTCT扫描扫描 扫描时间比较长适于局部扫描时间比较长适于局部 扫描时间比较短适于整体扫描时间比较短适于整体 特点特点l准确显示待测部位的形态学特点；准确显示待测部位的形态学特点；l具有很高的分辨率；具有很高的分辨率；l可建立三维立体图像；可建立三维立体图像；l检查快速、无痛苦。检查快速、无痛苦。局限性局限性l限于形态学诊断；限于形态学诊断；l价格比较贵。价格比较贵。小小 结结1.X1.X射线射线3.X3.X射线在医学中的应用射线在医学中的应用4.CT4.CT（1 1）X X射线的产生射线的产生（2 2）X X射线的特性射线的特性2.2.物质对物质对X X射线的吸收射线的吸收 nii1hiNI)nm()kV(1.24minUxIIe0693.02ln21x34kZ 水水值1000CT习题：习题：P216P216，2.4.7.82.4.7.8