第十三章-X射线课件.ppt

1、 1901 1901年，首届诺贝尔物理学年，首届诺贝尔物理学奖授予德国物理学家伦琴奖授予德国物理学家伦琴(Wilhelm Konrad Rntgen(Wilhelm Konrad Rntgen，184518451923)1923)，以表彰他在，以表彰他在18951895年发现了年发现了X X射线。射线。X X 射线迅速被医学界广泛射线迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、利用，成为透视人体、检查检查伤病的有力工具，后来又发伤病的有力工具，后来又发展到用于金属探伤，对工业展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。技术也有一定的促进作用。第十六章第十六章 X射线射线(X-rays)第一节第一节

2、 X X 射线的产生射线的产生一、一、X X射线的产生装置射线的产生装置高速运动的电子流高速运动的电子流适当的障碍物适当的障碍物金属靶。金属靶。1 1、产生、产生X X射线的方法：射线的方法：高速电子受阻辐射高速电子受阻辐射同步辐射同步辐射受激辐射受激辐射基本条件：基本条件：2、X射线产生装置主要装置主要装置为：为：1.X射线射线 管管2.低压交低压交流电源流电源3.高压直高压直流电源流电源 说明：说明：（一）（一）电子动能转变为电子动能转变为X射线的能量不到射线的能量不到 1%，99%以上都转变为热能，使阳极温度以上都转变为热能，使阳极温度 升高。因此升高。因此被轰击区域应用熔点高的物质被轰

3、击区域应用熔点高的物质钨来作；钨来作；根据功率的不同采用散热片、通风冷却、根据功率的不同采用散热片、通风冷却、阳极作成中空用水或油循环冷却；阳极作成中空用水或油循环冷却；铜圆柱铜圆柱钨板钨板电子束电子束 大功率的大功率的X射线管，多采用旋转阳极射线管，多采用旋转阳极（二）（二）理论和实验表明，靶理论和实验表明，靶Z越大，发生越大，发生 X 射线的效率越高。射线的效率越高。钨钨Z=74旋转阳极旋转阳极电子束电子束3、实际焦点与有效焦点、实际焦点与有效焦点实际焦点实际焦点：灯丝发射的灯丝发射的电子，经聚电子，经聚焦加速后，焦加速后，投射到阳极投射到阳极靶上的积。靶上的积。有效焦点：有效焦点：实际焦

4、点在实际焦点在垂直于垂直于X 射射线管轴线方线管轴线方向上投影的向上投影的面积。面积。cdcdabcdabsin实际焦点愈大实际焦点愈大X射线管的散热愈好；有效射线管的散热愈好；有效焦点愈小，所成的像愈清晰。焦点愈小，所成的像愈清晰。ab电子束电子束长长灯丝形成的焦点叫灯丝形成的焦点叫大大焦点，焦点，治疗治疗用。用。短短灯丝形成的焦点叫灯丝形成的焦点叫小小焦点，焦点，诊断诊断用。用。二、二、X射线的强度和硬度射线的强度和硬度1 1、X X射线的强度射线的强度定义：定义：指单位时间通过与射线方向垂直指单位时间通过与射线方向垂直 的单位面积的辐射能量。的单位面积的辐射能量。用用I I表示。单位：表

5、示。单位：W Wm m-2-2I=NI=Ni ihhi i=N=N1 1hh1 1+N+N2 2hh2 2+N Nn nhhn nN Ni i表示单位时间通过与射线方向垂直表示单位时间通过与射线方向垂直的单位面积的光子数的单位面积的光子数I=NI=Ni ihhi i=N=N1 1hh1 1+N+N2 2hh2 2+N Nn nhhn n改变管电流改变管电流改变管电压改变管电压控制强度的方法控制强度的方法X X射线强度的表示：射线强度的表示：管电流的管电流的mAmA数。数。用管电流的毫安数（用管电流的毫安数（mA）和辐射）和辐射时间（时间（s）的乘积表示）的乘积表示X射线的总辐射量，射线的总辐射

6、量，单位：单位：mAs。通常采用的方法是：通常采用的方法是：在管电压保持一定的条件下，通过在管电压保持一定的条件下，通过 调节管电流来控制调节管电流来控制X X射线的强度。射线的强度。2射线的硬度射线的硬度定义：定义：指指X射线的贯穿本领。射线的贯穿本领。它只决定于它只决定于X射线的能量射线的能量 hh 与光子数目无关。与光子数目无关。提高提高X射线硬度的方法：增大管电压射线硬度的方法：增大管电压表示：表示：管电压的千伏数（管电压的千伏数（kV）表表13-1 X射线按硬度的分类射线按硬度的分类名称名称极软极软X射线射线软软X射线射线硬硬X射线射线极硬极硬X射线射线管电压管电压（kV）52020

7、100100250250以上以上最短波长（最短波长（nm）0.250.0620.0620.0120.0120.0050.005以下以下主要用途主要用途软组织摄影软组织摄影,表皮治疗表皮治疗透视和透视和 摄影摄影较深组织治疗较深组织治疗深部组织治疗深部组织治疗根据用途把根据用途把X射线按硬度分为极软、软射线按硬度分为极软、软、硬、极硬四类：、硬、极硬四类：例：产生例：产生X射线的必要条件是：射线的必要条件是：A.加热灯丝加热灯丝 B.高速电子流与靶材料高速电子流与靶材料 C.高压电源高压电源 D.散热装置散热装置B.高速电子流与靶材料高速电子流与靶材料例：在产生例：在产生X射线时，提高射线时，提

8、高X射线的效率射线的效率 的方法是：的方法是：A.利用轻的元素作靶材料利用轻的元素作靶材料 B.利用原子序数高的物质作靶材料利用原子序数高的物质作靶材料 C.利用任意元素作靶材料利用任意元素作靶材料 D.加强散热装置加强散热装置B.利用原子序数高的物质作靶材料利用原子序数高的物质作靶材料 例：用管电流的毫安数表示例：用管电流的毫安数表示x射线的辐射强射线的辐射强度是因为：度是因为：A.管电流的毫安数就是打在靶上的高速电子数；管电流的毫安数就是打在靶上的高速电子数；B.管电流的毫安数就是管电流的毫安数就是x射线的总光子数射线的总光子数C.管电流的毫安数就是管电流的毫安数就是x射线的实际辐射强度射

9、线的实际辐射强度D.x射线的辐射强度与管电流成正比射线的辐射强度与管电流成正比D.x射线的辐射强度与管电流成正比射线的辐射强度与管电流成正比例：例：X射线的贯穿本领决定于射线的贯穿本领决定于 A.X射线的强度射线的强度;B.X射线的硬度；射线的硬度；C.照射物质时间的长短；照射物质时间的长短；D.靶面积的大小。靶面积的大小。B.X射线的硬度；射线的硬度；例：调节例：调节x射线强度的主要方法是：射线强度的主要方法是：A.调节灯丝电压；调节灯丝电压；B.调节管电压；调节管电压；C.调节散热装置；调节散热装置；D.调节辐射时间。调节辐射时间。A.调节灯丝电压调节灯丝电压第二节第二节 X 射射 线线

10、谱谱(X-ray Spectrum)将将 X射线射线的强的强度按照波长的顺序度按照波长的顺序排列开来的图谱排列开来的图谱,称为称为X射线谱射线谱。标识标识X射线谱射线谱:强度较大的离散谱强度较大的离散谱 （线状构成的部分）（线状构成的部分）X射线谱包含两个部分射线谱包含两个部分:连续连续X射线谱射线谱:含有各种波长含有各种波长 (照片的背景部分照片的背景部分)一连续射线谱一连续射线谱 (continuous X-ray Spectrum)1谱线的特点谱线的特点 （1）管电压一定时，）管电压一定时，谱线强度随波长变化，谱线强度随波长变化，存在短波极限。存在短波极限。相对强度相对强度50kV40k

11、V30kV20kV管电压较低时（低于管电压较低时（低于50KV），只出现，只出现连续连续射线谱。射线谱。（2）管电压增大，管电压增大，短波极限短波极限min向短波向短波方向移动。方向移动。强度为零的波长称为短波极限强度为零的波长称为短波极限min产生连续射线谱的微观机制是由于产生连续射线谱的微观机制是由于韧致辐射韧致辐射（bremsstralung）2产生机制产生机制一个电子的动能一个电子的动能全部转换为一个全部转换为一个X 光子的能量时：光子的能量时：2max21mvh221mveU mUU61983410242.1106.11031063.6minmineUhchvminmaxeUhcmi

12、n即即)()(242.1minnmkVU 例：设例：设 X 射线管电压为射线管电压为100kV。问电子刚。问电子刚碰到靶时的速度多大？连续碰到靶时的速度多大？连续X 射线谱的最短波射线谱的最短波长和相应光子能量为多大？长和相应光子能量为多大？解：解：eUmV221)(1087.1101.910100106.122831319smmeUV)(01242.0100241.1)()(242.1minnmnmkVU)(100)(105keVeVeUE二标识二标识X射线谱射线谱(characteristicX-ray Spectrum)只有达到一只有达到一 定的管电压，定的管电压，标识标识 X 射线射线

13、 谱才会出现；谱才会出现；1谱线的特点谱线的特点谱线谱线 决定于决定于 靶材料，靶材料，与管电压无关。与管电压无关。KLLL0.02nm对于对于不同元素不同元素制成的靶，具有不同的线状制成的靶，具有不同的线状X射线谱，可作为这些元素的射线谱，可作为这些元素的标识标识，所以，所以称称“标识标识X射线谱射线谱”。利用利用微区分微区分析析技术鉴定技术鉴定元素成分。元素成分。2、产生机制、产生机制内层电子受激的结果内层电子受激的结果MLLKKKKMLN若若K层出现空位形层出现空位形成的成的X射线即称为射线即称为K线系线系L层出现空位即形层出现空位即形成成L线系线系K系系L系系M系系M层出现空位即形层出

14、现空位即形成成M线系线系EL-EK=h KEM-EK=h K E自自-EK=hmax =h c/min 每一线系都有自己的最短波长边界每一线系都有自己的最短波长边界 靶元素原子序数愈高，对应的线系靶元素原子序数愈高，对应的线系 （K、L线系）的波长愈短。线系）的波长愈短。靶的标识谱决定于靶材料各层的能量差值。靶的标识谱决定于靶材料各层的能量差值。E自自-EK=hmax=h c/min 标识标识x射线是内层电子受激的结果射线是内层电子受激的结果 例：连续例：连续x射线的产生是由于：射线的产生是由于：A.韧致辐射；韧致辐射；B.靶原子外层电子跃迁辐射；靶原子外层电子跃迁辐射；C.靶原子内层电子跃迁

15、辐射；靶原子内层电子跃迁辐射；D.以上说法均不对。以上说法均不对。A.韧致辐射韧致辐射 例：连续例：连续x射线谱中的最短射线谱中的最短波长与什么因素有关？波长与什么因素有关？A.与管电流有关；与管电流有关；B.与靶材料有关；与靶材料有关；C.与靶面积大小有关；与靶面积大小有关；D.只与管电压有关。只与管电压有关。D.只与管电压有关。只与管电压有关。例：例：x射线机在固定电压下产生射线机在固定电压下产生的连续的连续 x 射线谱，具有下列哪一个射线谱，具有下列哪一个特征？特征？A.单一波长；单一波长；B.范围从范围从=0到到的波长；的波长；C.最小波长；最小波长；D.最小频率。最小频率。C.最小波

16、长最小波长 例：若某例：若某X射线管的管电压为射线管的管电压为200KV，则连续谱的短波极限为，则连续谱的短波极限为 A.6.2 B.0.062 C.12.4 D.6.210-5062.0102.6)(242.13minnmnmKVUB.0.062 例：管电压为例：管电压为100KV的的X射线光子的射线光子的最大能量和最短波长分别为最大能量和最短波长分别为Emax、min,则则 A.Emax=100keV,min=0.124 B.Emax=100keV,min=1.2410-4 C.Emax=100J,min=0.124 D.Emax=100J,min=1.2410-4Emax=eU,U242

17、.1minA.Emax=100keV,min=0.124 例：若已知例：若已知 X 射线管上的电压增加射线管上的电压增加了一倍后，连续了一倍后，连续 X 射线谱的最短波长变射线谱的最短波长变化了化了0.5，试求该波长的最小值。，试求该波长的最小值。)()(242.1nmKVUm解：解：mmmU212242.1nmAm1.015.022 例：如果要得到最短波长为例：如果要得到最短波长为0.5的的X射线，射线，至少要加多大的电压于至少要加多大的电压于X射线管？在此情况下，射线管？在此情况下，电子运动到阳极有多大的动能？电子运动到阳极有多大的动能？)(84.241.05.0242.1242.1)()

18、(242.1minminkVUnmkVU1932106.11084.24)(84.2421KeVeUmV)(1097.315J)(1097.32115min2JhcmV一、一、X X射线的基本性质射线的基本性质电离作用电离作用荧光作用荧光作用光化学作用光化学作用生物效应生物效应贯穿作用贯穿作用第三节第三节 X X射线的基本性质射线的基本性质：0.00110nm的电磁波的电磁波第四节第四节 物质对物质对X X射线的衰减规律射线的衰减规律一、单色一、单色X X射线的衰减规律射线的衰减规律I=II=I0 0 e eXXxI0I吸收物质吸收物质1、宏观吸收规律：、宏观吸收规律：物质的物质的线性衰减系数

19、线性衰减系数，单位：单位：m m-1-1 、cmcm-1-1越大，强度减小得越快，越大，强度减小得越快，物质对物质对X X射线吸收越强。射线吸收越强。II0大大x小小X Xm m=x=x称为称为质量厚度质量厚度，单位：，单位：kgkgm m-2-2,g,gcmcm2 2 。2、质量衰减系数：、质量衰减系数：m 线性衰减系数线性衰减系数 吸收物质的密度吸收物质的密度质量衰减系数质量衰减系数m m用来比较不同物质对用来比较不同物质对x射射线的吸收本领线的吸收本领。mmmxxeIeII00单位单位:m2kg-1，cm cm2 2 g g-1-13、质量厚度、质量厚度4 4、半价层、半价层(表示衰减快

20、慢的量表示衰减快慢的量)半价层：半价层：X X射线在物质中强度被衰减一半射线在物质中强度被衰减一半 时对应的物质厚度，用时对应的物质厚度，用X X1/21/2表示。表示。2 21 1x xx x2 21 1I II I0 0故故X X射线的衰减射线的衰减规律又可写为：规律又可写为：2/1002xeIII693.02ln2/1xmmmx693.02ln21同理21)21(0mmxxII 二、质量二、质量衰减系数衰减系数与波长、原子序数的关系与波长、原子序数的关系K K大致是一个常数大致是一个常数通常在通常在3 34 4之间，与吸收之间，与吸收物质和射线波长有关物质和射线波长有关3kzm（一）对于

21、（一）对于低能（长波）低能（长波）软软X射线，各元素射线，各元素 的质量衰减系数近似地适合下式的质量衰减系数近似地适合下式1、一定，一定，z愈大的物质，吸收本领愈强。愈大的物质，吸收本领愈强。由上式可得出两个有用的结论：由上式可得出两个有用的结论：3kzm人体骨的主要成分人体骨的主要成分Ca、P,Z较大，较大，吸收强。肌肉的成分吸收强。肌肉的成分H、O、C原原子系数较小，吸收弱。子系数较小，吸收弱。在做胃肠造影时需先服用钡盐在做胃肠造影时需先服用钡盐（Z=56），由于吸收强，可以），由于吸收强，可以显示胃肠的阴影。显示胃肠的阴影。用铅（用铅（Z=82）作防护）作防护X射线的材料。射线的材料。2

22、、当、当z一定时，波长愈长的一定时，波长愈长的X射线，愈容射线，愈容 易被吸收。易被吸收。3kzm 小，小，m 小，吸收少，贯穿的深度大小，吸收少，贯穿的深度大 大，大，m 大，吸收多，贯穿的深度小大，吸收多，贯穿的深度小 因此，可通过改变波长来控制射线对人体因此，可通过改变波长来控制射线对人体的贯穿深度，从而达到治疗不同深度部位疾病的贯穿深度，从而达到治疗不同深度部位疾病的目的。的目的。X X3 3（硬）（硬）X X2 2X X1 1X X铜铜X X铝铝X X射线的硬化：射线的硬化：X射线进入物体后愈来愈射线进入物体后愈来愈 硬的现象。硬的现象。滤线板滤线板（锡板、铜板和铝板）：是专门用（锡

23、板、铜板和铝板）：是专门用于吸收长波的装置，从而使于吸收长波的装置，从而使X射线的硬度较高，射线的硬度较高，射线谱的范围较窄。射线谱的范围较窄。（二）对于（二）对于高能（短波）高能（短波）硬硬X射线，吸收射线，吸收系数与原子系数无关。系数与原子系数无关。若放射诊断采用波长若放射诊断采用波长太短的太短的X射线，骨骼射线，骨骼的阴影将不太明显。的阴影将不太明显。表表13-1 X射线按硬度的分类射线按硬度的分类名称名称极软极软X射线射线软软X射线射线硬硬X射线射线极硬极硬X射线射线管电压管电压（kV）52020100100250250以上以上最短波长（最短波长（nm）0.250.0620.0620.

24、0120.0120.0050.005以下以下主要用途主要用途软组织摄影软组织摄影,表皮治疗表皮治疗透视和透视和 摄影摄影较深组织治疗较深组织治疗深部组织治疗深部组织治疗 例：一束强度为例：一束强度为 I0 的单色平行的单色平行X射线，射线，通过厚度为通过厚度为x1的物体后，强度为的物体后，强度为I1,若使它通若使它通过厚度为过厚度为x2=2x1的同类物体，强度为的同类物体，强度为I2,则则101xeII1202xeIIA.I2/I1=e-x1/2 B.I2/I1=e-x1C.I2/I1=2 D.I2/I1=1/2111212xxxeeIIB.I2/I1=e-x1 例：强度为例：强度为I0的的x

25、射线通过物质时，该射线通过物质时，该物质对物质对x射线的吸收强度射线的吸收强度I与物质厚度与物质厚度x及物及物质的衰减系数质的衰减系数的关系为的关系为 A.I=xI0 B.I=I0e-x C.I=I0 ex D.I=I0(1-e-x)D.I=I0(1-e-x)吸收强度吸收强度I=入射强度入射强度I0透射强度透射强度I0e-x693.021xC.2:1.A2:1.B1:2.C1:2.D 例：两种物质对例：两种物质对x射线吸收的半价层之比射线吸收的半价层之比为为 ，则它们的衰减系数之比为：，则它们的衰减系数之比为：2:1 例：例：X射线通过射线通过5个半价层的物质后，个半价层的物质后，强度减小为原

26、来的强度减小为原来的 A.1/4 B.1/5 C.1/16 D.1/32 321)21(5oIID.1/32 例：某物质对某种例：某物质对某种x射线的衰减系数射线的衰减系数为为20cm-1,欲使透过的欲使透过的x射线的强度为原来射线的强度为原来入射的入射的x射线的强度的射线的强度的50%，则该物质的，则该物质的厚度应为厚度应为 A.3.465cm B.3.46510-2cm C.13.86cm D.1.386cm2ln21xB.3.46510-2cm 例：某物质对例：某物质对x射线的质量吸收系射线的质量吸收系数为数为0.05cm2/g,则它的质量半价层为：则它的质量半价层为：A.13.86g/

27、cm2 B.138.6 g/cm2 C.13.8610-2 g/cm2 D.1.386 g/cm2)/(86.1305.0693.0693.0221cmgxmmA.13.86g/cm2普通普通X射线摄影：射线摄影：XCT示意图：示意图：X射射线线重重叠叠像像X射线管射线管检测器检测器非非重重叠叠像像XCT的基本原理的基本原理手术证实的肝内胆管细胞癌病例。平扫示肝左手术证实的肝内胆管细胞癌病例。平扫示肝左叶外侧段一低密度灶，密度不均匀。叶外侧段一低密度灶，密度不均匀。探测器探测器平平移移扫扫描描22211211,数字图象数字图象视频图像数据采集数据采集图像重建图像重建图像转换图像转换 XCT 是

28、以测定人体对是以测定人体对X射线的衰减系数射线的衰减系数 为基为基础，用数学方法经计算机处理而重建断层图像的装置。础，用数学方法经计算机处理而重建断层图像的装置。XCT 的成像过程的成像过程气管、支气管树气管、支气管树外形显示良好，外形显示良好，但内部结构被遮但内部结构被遮蔽。蔽。显示胆囊的轮显示胆囊的轮廓和表面形态廓和表面形态将胆囊壁部分切将胆囊壁部分切除，可显示胆囊除，可显示胆囊内多颗内多颗 小结石小结石 透明法重建透明法重建清楚显示胆囊清楚显示胆囊内许多小结石内许多小结石胆胆 囊囊 三三 维维 重重 建建正常气道三维表面重建正常气道三维表面重建横断面增强扫描横断面增强扫描见肿瘤实质部分见

29、肿瘤实质部分明显强化，囊性明显强化，囊性部分不强化部分不强化MPR显示显示透明技术显示透明技术显示切割技术显示切割技术显示容积显示容积显示小脑蚓部海绵状血管瘤小脑蚓部海绵状血管瘤正常主动脉的正常主动脉的MIP显示显示见主动脉显示光滑整齐，见主动脉显示光滑整齐，边缘规则，其主要分支边缘规则，其主要分支显示清楚。显示清楚。SSD 联合联合 VR显示显示黄色为双侧肾脏，黄色为双侧肾脏，红色为主动脉系统红色为主动脉系统X X射线的射线的硬硬度度I=I=N Ni ihh 常用常用mAmA数表示数表示强度强度提高提高X射线硬度的方法射线硬度的方法X射线谱射线谱连续射线谱连续射线谱韧致辐射韧致辐射标识标识X

30、射线谱射线谱原子内层出现空位原子内层出现空位X X射线产生射线产生条件是：条件是：高速运动的电子流，高速运动的电子流，适当的障碍物适当的障碍物靶靶装置装置X射线管射线管;低、高压电源低、高压电源(nm)(nm)U U1.2421.242eUeUhchc (kV)(kV)minmin第一、二节第一、二节 小小 结结第三、四节小结第三、四节小结电离作用电离作用 荧光作用荧光作用光化学作用光化学作用生物效应生物效应 贯穿作用贯穿作用X X射线的特性射线的特性X X射线的衍射射线的衍射布拉格定律：布拉格定律：2d sin=k单色单色X X射线射线的衰减规律的衰减规律I=II=I0 0 e eXXI=I

31、I=I0 0 e em Xmm Xm21210 xxIIm m=K Z=K Z3 3 用什么物质作防护材料？用什么物质作防护材料？X X射线如何硬化？射线如何硬化？一、一、X X射线的一般性质射线的一般性质电离作用电离作用荧光作用荧光作用光化学作用光化学作用生物效应生物效应贯穿作用贯穿作用第三节第三节 X X射线的基本性质射线的基本性质：0.00110nm的电磁波的电磁波二、二、X X射线的衍射射线的衍射劳厄劳厄x射线衍射实验（射线衍射实验（1912年）年）X铝板铝板单晶片单晶片照相底片照相底片二、二、X X射线的衍射射线的衍射d12CBMA布喇格的布喇格的x射线衍射方法（射线衍射方法（191

32、3年）：年）：入射入射x射线射线散射散射x射线射线在散射线中，只有在散射线中，只有按反射定律反射的按反射定律反射的射线强度最大。射线强度最大。d12CBMA 从晶体上下两层分从晶体上下两层分子反射的子反射的X X射线射线1 1、2 2间的光程差为：间的光程差为：AM+BM=2AM=2dsin 叠加加强的叠加加强的条件是：条件是：2dsin=k布拉格定律布拉格定律d 晶格常数晶格常数 掠射角掠射角k=1,2,3,利用布拉格公式利用布拉格公式2dsin=k可以：可以：测量测量X射线的波长射线的波长;测量晶体的晶格常数测量晶体的晶格常数d;获取获取X射线谱射线谱X射线摄谱仪原理射线摄谱仪原理改变改变可获取不同波长的加强干涉。可获取不同波长的加强干涉。12X射线摄谱仪原理射线摄谱仪原理晶体晶体 例：例：X射线投射在射线投射在KCI 晶体上，二级晶体上，二级布喇格反射角布喇格反射角为为30，若，若x射线的波长为射线的波长为1.57,晶格常数为：晶格常数为：A.3.14 B.314 C.31.4 D.3.14mmA.3.1414.330sin257.12sin2kd（）