1、X射线成像的物理基础(第一讲),第 九 章,返回,X-ray,第一节 X射线的产生及其基本性质,物理学史,1901年,首届诺贝尔物理学奖授予德国物理学伦琴, 以表彰他在1895年11月8日偶然发现的X射线.,历史上 第一张人体的X照片:伦琴妻子的手.摄于1895年12月22日,1896年1月发现X射线后仅几周，芝加哥电气技师Emil Grubbe（1875-1960）即利用X射线对一名55岁患乳腺癌的妇女进行了放射治疗,一. X射线的产生,(1)装置: X射线管,低压电源,高压电源, 电流表,电压表,冷却装置,图1.X射线仪装置图,(2)X射线产生必要条件有： a.有高速运动的电子流(阴极,钨
2、) b.有适当的障碍物(阳极,钨,钼, 99%转变为热量!),就象子弹打在坦克上会发出声音和火花一样.,图2. X 射线治疗肿瘤机,例题一: (411页,16-4),(3)两个主要参量：,管电压(千伏),管电流(毫安),(4)关于X射线：,a.是电磁波,遵从波的规律:折射,反射,干涉,衍射,.,b.波长短,小于10nm 频率高,大于,c.人眼看不到,e.能量强,可达几百KeV,d.是光子,二. X射线的基本性质,1.贯穿作用,2.电离作用,3.荧光作用,4.感光作用,5.生物效应,三. X射线的强度和硬度,(1) X射线的强度-光子数量,管电流,单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量
3、为X射线的强度.用 I 表示.,X射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领.,(2) X射线的硬度-光子能量,管电压,举例:不同硬度X射线的医学用途 (397页,表16-1),思考题1: (411页 161),X射线强度为什么可以用管电流来表示?,答:因为控制管电流就可以控制阴极发射电子的数量,发射电子数量的多少决定产生的X射线光子数量的多少,而光子数量的多少是X射线强度大小的标志.,什么是X射线硬度?如何提高X射线硬度?在进行X射线照射时,是否硬度越硬越好?,答:(1) X射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领; (2)可以通过加大X射线仪中的管电压来提高X射线的硬度; (3)不是.要根据具体需要调整
4、X射线的硬度,否则会造成伤害.,思考题2: (411页 162),第二节 X射线衍射 X射线谱,一. X射线衍射,相邻两层的波程差是,图3. X 射线衍射原理,式中m是正整数,m =1,2,3, 时,反射束分别为第一,二,三,级反射线束.,由此我们得到X射线衍射波加强的条件为,这个公式称为布拉格-乌利夫公式,*,已知d,可求波长,分析X射线;,已知波长,求晶面间距,分析晶体结构,练习题:16-7,1915年诺贝尔物理学奖X射线晶体结构分析,1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利.布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯.布拉格,以表彰他们在1913年用X射线对晶体结构的分析所
5、作的贡献.,劳伦斯布拉格 亨利.布拉格,主要贡献:,利用X-射线绕射方法研究晶体构造,制成第一台X-射线光谱仪,提出 Bragg 方程 : nl=2dsin,开创英国固态物理测定晶体构造,L.布拉格(1890-1971) H.布拉格(1862-1942) 英国物理学家,金刚石结构模型,布拉格父子于1913年借助X射线成功地测出金刚石的晶体结构,并提出了“布拉格公式”,为最终建立现代晶体学打下了基础,于1915年获奖.当时,小布拉格年仅25岁,是至今为止最年轻的诺贝尔奖获得者.,1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄 ( Laue ,1879-1960),以表彰他在1912年发现了晶
6、体的X射线衍射.,佩鲁兹（M. Perutz，1914-2002）和肯特鲁（C. Kendrew，1917-1997）1953年通过X射线衍射法完成了血红蛋白和肌红蛋白的结构分析,M. Perutz C. Kendrew,1962年诺贝尔化学奖,罗莎琳德 富兰克林 (Rosalind Franklin)1920年生于伦敦,15岁就立志要当科学家,但父亲 并不支持她这样做.她早年毕业于剑桥大学,专业是物理化学. 1945年,当获得博士学位之后,她前往法国学习X射线衍射技术.,当X射线穿过晶体之后,会形成衍射 图样一种特定的明暗交替的图形.不同的晶体产生不同的衍 射图样,仔细分析这种图形人们就能知
7、道组成晶体的原子是如何 排列的.富兰克林精于此道,她成功的拍摄了DNA分子是单链结构的螺旋体X射线衍 射照片.这张照片正是发现DNA结构的关键,J. Watson F. Crick,1953年沃森（J.Watson，1928）和克里克（F.Crick，1916）在碱基互补配对原则的基础上，构建了DNA分子双螺旋结构模型,X射线成像的物理基础(第二讲),第 十 六 章,返回,X-ray,二. X射线谱,图4. X 射线摄谱仪,图5. 钨靶的X射线谱,X射线谱的特点:,(2) X射线谱由强度连续分布的弱背底和强度断续分布的强谱线组成;,(3) X射线谱中的断续谱线位置与阳极靶的材料有关，所以也称断
8、续谱线为标识X射线.,(1) X射线谱表示以X射线波长为横轴物理量, X射线相对强度为纵轴物理量的变化曲线;,1. 连续X射线,阴极电子的动能=阳极电子的动能+ 阳极靶中的热能+ X射线的光子能量,与强度为零相对应的波长是连续光谱中最短波长,或称为短波极限.,图6. 钨靶的连续X射线谱,*,例题二: (411页,16-6) 如果加在X射线管两端的管电压减少23kV,最短波长就增加一倍.求连续X射线谱的最短波长.,练习题: 大作业1 165 16-6,2. 标识X射线,若阴极电子动能足够大,则可以将阳极靶原子内层电子激发到激发态,电子从激发态回落到另一定态时,将会辐射光子,即X射线标识谱.标识X
9、射线谱的波长与阳极靶材料有关,图7. 钨靶的标识X射线谱,思考题3: (411页 163),为什么连续X射线谱与靶物质无关,而标识X射线谱却与靶物质有关?,答:这与连续X射线谱和标识X射线谱产生原因有关.连续X射线谱是阴极电子受到靶原子核强电场的作用而减速产生的光谱,而标识X射线谱是阴极电子将阳极靶原子内层电子激发到激发态,电子从激发态回落到另一定态时辐射的光谱,所以标识X射线谱的波长与阳极靶材料有关.,第三节 X射线的吸收,一. 线性吸收系数及质量吸收系数,式中I0是入射的X射线强度, I是通过厚度为x的物质层后的X射线强度,是物质的线性吸收系数.,*,图8. X射线的强度在介质中减弱,质量
10、吸收系数,称为质量厚度,它等于单位面积中,厚度为x的吸收层的质量.,二. 半价层,半价层就是使X射线强度减弱一半时所需要的吸收体厚度(或质量厚度).,半价层:,*,三. 质量吸收系数与物质和波长的关系,*,思考题4:为什么医生给病人做X光照相时,常用铅板为自己做防护?为什么病人作胃肠透视和照相时,要事先口服钡餐?,答: 因为钡和铅的原子序数比较高(Z=56,82),所以它们对X射线能量吸收较强,这样就可以提高胃肠透视的清晰度及减少医生受射线辐射的作用.,例题三: (411页,16-11) 对波长为0.154nm的X射线,铝的吸收系数为 132/cm,铅的吸收系数为261/cm.要得到和1mm厚
11、度的铅层相同的防护效果,铝板的厚度应为多少?,练习题:大作业2 16-8 16-9 16-10 16-11,第四节 X射线成像,一. 常规X射线投影成像,由于人体内各种不同的组织或脏器对X 射线吸收本领不同, 所以X 射线透过身体不同部位后的强度是不同的.将这些强度不同的X射线投影到荧光屏上,就可以显示出明暗不同的荧光像,称为X射线透视术.如果让透过人体的X射线投射到照相底片上,显影后就可以观察到各处明暗不同的像,称为X射线照相术.,X 射线成像,提示:,1.X射线照相比X射线透视优点多:由于胶片感光度高,所以需要的X射线剂量低(透视的1/8),且分辨率高;,2.由于脑室中各部分组织对X射线吸
12、收的差别很小,所以不易做常规的X射线照相和透视;,3.可以人为造成某器官与其周围组织的密度差异, 可以扩大X射线成像的范围,此方法称为造影术.例如:向血管内注射碘(Z=53),诊断先天性心脏病.,二. X 射线电子计算机断层成像 X-ray computed tomography (X-CT),1979年的诺贝尔生理学及医学奖授予美国物理学家科马克(1963年提出理论)和英国工程师亨斯菲尔德(1972年研制第一台CT机) 发明X射线计算机断层扫描.,1. X-CT 的基本原理-投影重建图像原理,当强度为I0的单色X射线通过厚度为x的均匀介质后,其强度 .如果I0 、I和x为已知,则吸收系数的值
13、为,对第一个体素有 ;对第二个体素有 ;对第n个体素有,利用 可将介质吸收系数的总和表示为,当I和I0都测出之后,就可得出沿X射线贯穿方向的各体素的吸收系数的总和.我们称这个吸收系数的总和为投影值.,人体内某一断层可以分成nn个体素，每一方向的X射线扫描可以得到一个方程。若要求出nn个体素的吸收系数，则需要扫描nn次。,2. 扫描技术,X-CT 计算机断层成像原理 （第三代）,X-CT 计算机断层成像原理 （第三代）,表 . 前五代CT机扫描的特点,多层螺旋CT,4层螺旋CT 示意图,马可尼公司(Marconi) 生产的MX8000多层螺旋CT扫描系统主要特点：最多100s的连续多层螺旋扫描能
14、力；每秒8层的多层扫描能力；超快速0.5s，360螺旋扫描；薄层扫描厚度0.5mm,64层采集的螺旋CT设备：SIEMENS SOMATON Sensation 64层CT扫描一周能够获得64层图像，每层厚在1mm以下，一周所用时间只有0.37s，各个方向上的空间分辨率是一致的，为0.4 mm,SOMATON Sensation 642004年1月20日面世2004年4月12日获得FDA认证,CT 扫描技术的发展历史,3.图像重建方法直接反投影法,4. CT值和窗口技术,经过扫描和图象重建所得到的X-CT图像是一定数量由黑到白不同长度的小方块按矩阵排列方式组成的,这些小放块叫做像素.,每个像素
15、的亮度正比于该体素的吸收系数的大小。,由于人体通常不采用的绝对值,而是取它的相对值,并称为CT值或洪斯菲尔德值,它的定义为,表. 三种物质的CT值,CT值（2000）,灰度（2000）,即从全黑（对应CT值为1000）到全白（对应CT值1000）有2000个不同的黑白或明暗等级.由于这2000个CT值可转变为图像画面上的2000个灰度CT像是一个灰度不同、且灰度变化不连续的图像.,人体内有2000个CT值；,一般人的眼睛只能分辨16个灰阶；,CT值相差125H人眼才能分辨；,窗口技术:在整个灰度值中，仅仅选出感兴趣的有限部分的灰度值，把它扩展到整个显示器的屏幕上进行观察。这样，就可以把感兴趣部
16、分的灰度增强，把不感兴趣部分的灰度压缩，致使感兴趣部分的图像的细节变得更加丰富清晰。,窗位 任意选定一个CT值为窗口的中心。,窗宽 窗口上限CT值与窗口下限CT值 之差。,X-CT图像的形成过程： 1. 对患者的某一部位进行扫描，经过计算机计算获得nn个体素的吸收系数(例如采取直接反投影法);,2. 利用公式计算出各个体素的CT值；,3. 根据实际情况选择窗位和窗口，将CT值转变成灰阶。,例题四: (411页,16-12) XCT图像说明被观测层面的什么物理量的二维分布?,答： 物质的吸收系数,例题五: (411页,16-13) (1)什么叫窗宽?(2)什么叫窗位？(3)若窗宽为500，窗口上
17、限为400，则窗位为多少？可观测的CT值范围是多少？,答： 3。CT值的上限400H CT值的下限400 H-500H-100H 窗位下限窗宽/2+150H CT值的范围：-100H+400H,5. X-CT的临床应用,X-CT主要用来诊断脑部疾病.,全身CT检查对血液循环系统和消化系统的动态检查、妇科病和心脏病等的诊断上不如其他方法.,近年来,已经将CT引入了放射治疗领域,通过可以定量地确定肿瘤的位置、大小、宽度与周围组织的几何关系等.,早期 X-CT 片,CT 扫描图像,CT 扫描图像,用Marconi公司 MX8000得到的肺动脉栓塞的X-CT 扫描图像,（1）无重叠像.,X-CT优势,（2）空间分辨率和密度分辨率高（千分之一），能够真实地显示病变部位的解剖学结构.例如：软组织病变、血栓，等.,（3）无痛，操作简单，快速，,X-CT劣势,（1）只有密度或形态发生改变的病灶才适用，而对功能变化的组织和器官部适用.,（2）仪器设备昂贵和庞大，限制了它的普及范围和一线应用.,
