医用物理学 第十三章X射线 公开课课件

1、第十三章 X射线,X射线的基本性质,X射线的产生,X射线谱,X射线的吸收规律,X射线的医学应用,教学大纲要求 1理解X射线的产生原理、 X射线连续谱和标识谱的产生机制。 2了解X射线的性质、X射线的医学应用。 3掌握X射线强度和硬度的概念。 4. 掌握物质对x射线的吸收规律以及衰减系数概念。,一.X射线的发现： X射线又名伦琴射线是德国物理学家伦琴在1895年发现的。,13.1 X射线的产生,劳厄的X射线衍射实验原理图,1912年，德国物理学家劳厄通过晶体衍射方法证实X射线是一种频率很高的电磁波。,1914年获诺贝尔物理学奖,1915年布喇格父子获诺贝尔物理学奖，小布喇格当年25岁，是历届诺贝尔奖最年轻的得主。,二.X射线的发生装置： 1.产生条件： 有高速运动的电子流； 有适当的障碍物靶: 阻止电子的运动，把电子的动能转变为X射线的能量。 2.产生装置：如图所示,X射线管(X-ray tube )：X射线发生装置的核心元件. 借助于阳极和阴极之间电位差的作用加速电子束轰击阳极而产生X射线的真空管。,X 射线管,旋转阳极球管,诊断X线机球管,治疗用X射线管,X射线管的工作原理 阴极的作

2、用释放电子,阴极阳极之间有强电场(几十几百kV/m),电子在强电场作用下,向阳极加速运动碰撞在靶上有X射线辐射., 电源：由低压电源和高压电源两部分组成。 散热装置：（99%）,常用的散热方法有： 铜制阳极，间歇使用，自冷却方式。 空气散热，空心阳极，加散热板、吹风等。 水冷或油冷，采用浸泡式或循环式冷却。 旋转阳极，以分散热量。,3、有效焦点： 实际焦点的投影面积叫有效焦点。a*b,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。,有效焦点,三.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。A*B,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。,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。,4.旋转阳极,改变方法：改变管电流或管电压,物理学中的定义X射线的量：单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量，单位为Wm-2,管电流电子数光子数N N I电 管电压电子动能E每个光子能量h h U,四.X

3、射线的强度和硬度：即X射线的量与质 1.X射线的强度(intensity)：,X射线的量：X射线的强度与辐射时间的乘积，即 mAS。,强度在医学上的表示法：在一定的管电压下，用管电流的mA数来表示X射线的强度。,2.X射线的硬度(hardness)： 定义：,指X射线的贯穿能力表示X射线的质. 贯穿能力越强 X射线越硬 管电压U电子动能光子能量h能量大的光子不容易被物质吸收.,决定因素：只决定于X射线的波长，既每个光子的能量h，而与光子数目无关。 每一个光子的能量h 硬度,硬度在临床上的表示法：用管电压的kV数来表示, 医学上把X射线的硬度按管电压分为：极软X射线、 软X射线、硬X射线、极硬X射线。,X射线按硬度的分类,X射线发现17年后，于1912年，德国物理学家劳厄找到了X射线具有波动本性的最有力的实验证据：发现并记录了X射线通过晶体时发生的衍射现象。 X射线被证实是一种频率很高（波长很短）的电磁波。在电磁波谱中，X射线的波长范围约为0.001nm到10nm。,1914年获诺贝尔物理学奖,13.2 X射线的基本性质,一.X射线的性质,主要特性有： 1、电离作用：生物效应的基础、测量

4、射线强 度的原理。 2、荧光作用：用于X射线透视术。 3、光化学作用：用于X射线照相术。 4、生物效应：放射治疗的基础、需要防护的 原因。 5、贯穿本领：用于成像、防护, 是医疗诊断的 理论基础。,一.连续X射线谱与轫致辐射：,13.3 X射线谱,1.连续X射线谱:,产生机制轫致辐射(bremsstrahlung) 高速运动的电子撞击在阳极靶上,电子在靶原子核电场作用下,速度的量值和方向都发生急剧变化,电子的一部分动能转化为X光子的能量h 而辐射出去.,X射线的管电压较低时产生连续X射线谱,连续谱特性 不同管电压作用下的连续谱不同； 存在短波极限min； U 峰值和min向短波方向移动. 短波极限与构成阳极靶的材料无关，仅由管电压的大小决定。,短波极限,钨靶在较低管电压下产生的连续X射线谱,2.特征X射线谱：即线状谱,对于钨靶,管电压在70kV以上产生的X射线谱,产生机制 高速运动的电子与阳极靶内某个原子的内层电子作用,靶原子的内层轨道电子吸收能量从靶原子中逸出,在原子的内层电子中出现空位；,X光子能量: h =Em-En,外层电子向空位跃迁,并在跃迁过程中放出一个光子,光子能量为电子

5、跃迁前后的能级差.,标识谱特性：,为线状谱，有不连续的波长分布； 波长与阳极靶的材料有关，由波长可判断构成阳极靶的材料，“标识”之名由此而来；,在较高管电压下才产上标识X射线，波长与管电压大小无关。,X光子 物质中的粒子,相互作用(吸收、散射),一、单色平行X射线的衰减规律朗伯定律,原行进方向的射线强度被衰减.,I,13.4 物质对X射线的衰减规律,2、质量衰减系数,引入的意义：同种物质, 但m不变更便于比较不同物质(分子构成)对X射线的衰减.,1、线性衰减系数,物理意义：物质对X射线衰减强弱的程度., ,二、衰减系数,采用质量吸收系数后，吸收规律可以表示为：,3、质量厚度Xm：xm=x，单位：kg/m (g/cm2) I=I0e- x 和 I=I0e-mxm x=mxm,4、半价层X1/2：,X射线在某物质中强减小一半所对应的厚度，称为该种物质的半价层。, Z吸收本领 是X射线医学诊断的物理基础.人体肌肉组织的主要成分H、C、O,骨骼的主要成分Ca3(PO4)2, 因此骨骼的m大易成像. 人工造影消化道,硫酸钡(钡56) 铅(82)很好的防护材料,容易被衰减 放射治疗高能X射线 射束

6、硬化滤线装置,对低能射线,一.X射线在诊断方面的应用,13-5 X射线在医学中的应用,主要有两个方面：诊断和治疗,世界一流的心血管造影系统,主要用于心血管疾病的诊断和治疗,尤其是心血管疾病的介入治疗.,数字减影 将血管内注入造影剂前、后获得的图像相减,可以得到消除骨骼和软组织结构的血管影像观察心血管和脑血管的血液动力学变化.,X 射线电子计算机断层成像 (X-ray Computed Tomography, 简称X-CT ),G. N. Hounsfield,A. M. Cormack,1963年美国物理学家科马克(A. M. Cormack,19241998)发现人体不同的组织对线的透过率有所不同,提出了用投影数据重建图像的数学方法.,1972年英国工程师亨斯菲尔德(G. N. Hounsfield, 19192004)研制成第一台头部X-CT,在临床上使用并获得清晰的诊断影像.,X-CT 系统示意图,图像重建的物理基础,第一代CT机 直线扫描240次旋转1 旋转180 共得数据240180=43200个 从43200个方程25600个,X-CT 成像原理,CT 扫描技术的发展历史,全身螺旋CT,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.,X-CT 扫描图像,二.X射线在治疗方面的应用 肿瘤治疗手段：手术治疗、放射治疗、化学药物治疗. 约有50%70%的癌症患者需要接受放射治疗. 目前仅我国每年就有新肿瘤患者200万人. 近一百年来,肿瘤治疗的5年生存率不断上升. 在被治愈的45%的肿瘤患者中,三大手段对治愈率的相对贡献为,肿瘤放射治疗技术 经历了三个发展阶段 X 射线治疗机(keV 级) 医用直线加速器(MeV 级) 调强适形放射治疗(IMRT),本章结束,

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