X射线与CT

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。
质量衰减系数： 质量衰减系数成因：
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。
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。
X射线管
Ｒ
图16-1 X射线机的基 本线路
X射线管
Ｒ
2.靶材料
1) 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。
表16-1 X射线按硬度分类
管电压(kV) 最短波长(nm) 主要用途
5~20
0.25~0.062 软组织摄影等
20~100
0.062~0.012 透视和摄影
100~250 0.012~0.005 较深组织治疗
250以上 0.005以下 深部组织治疗
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)
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。
一、X射线产生装置
1. X射线机的基本线路
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。
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。
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。
图16-4 钨的连续X射线谱
设管电压为U，电子电量e。则电子的动能为eU，
光子的能量 hυ辐射出去，
此现象称为轫致辐射 (bremsstralung)
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。
普通X射线成像的缺点
X射线
X射线
物体
像
CT与传统X射线装置的对比
CT：
传统X射线装置：
图像重建，三维断层、图像清晰；
几何聚焦，二维X光片、纵向信息重叠；
通过图像后处理，可获得多平面图像； 图像后处理应用少；
成像剂量可选（精细），剂量小；
成像剂量可选（粗），剂量大；
动态范围大；
动态范围小；
密度分辨率高，对软组织分辨率能力高； 密度分辨率低，不能区别软组的细节；
空间分辨率较低；
空间分辨率高；
易与医院其它数字化设备互连。
不易与医院其它数字化设备互联。
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。
X射线
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。
伦琴
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。
第一张X光照片
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。
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
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
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。
图16-5 钨在较高管电 压下的X射线谱
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。
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。
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。
名称 极软X射线 软X射线 硬X射线 极硬X射线
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。
AB M
2 d
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。
劳厄 布拉格
利用布拉格公式可以：
①测量X射线的波长λ、 2dsinθ= kλ
②测量晶体的晶格常数d、 ③获取X射线谱。
X射线摄谱仪原理
改变θ值，使不同波长的X射线干涉加强。
λ2 λ1
软组织摄影：采用较软X射线以增加组织间影像反差
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射线影像影像增强器 光学图象 摄像管 视频信号
模数转换
图像的数字信号 造影像－原像
造影图像放大、数模转换 视频信号监视器 血管图像
用于观察血管梗阻、狭窄、畸形、血管瘤……内插 管导向
X线平片的缺点…,CT的发明解决了其不足
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
基本原理：通过X射线管环绕人体某一层面的扫描， 利度X用值-C探，T测利被器用公测计认得算为从机70各及年个图代方像重向重大透建科过原技该理突层，破面获, C后取or的该m射层ac线面k, 强的 图H像ou。nsfiled于79年获得诺贝尔医学生理学奖金。
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。
当这一能量完全转化为光子的能量时
hn max
h c
lmin
eU
得：
lmin
hc 1 eU
（16-2)
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
lmin

1.242 U
(16-3)
其中，管电压单位为 kV，波长单位为nm。
图16-2a) 有效焦点
3)有效焦点： 实际焦点的投影面积叫有效焦点。
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。
4.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。
图16-2b)旋转阳极 图16-2b)旋转阳极
• 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。
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，
1 θC
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。
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。
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
二、X射线的衍射
0
lnI - lnI0 = m x
I = I0e-mx
(16 5)
厚度的单位cm，m的单位cm-1。
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Βιβλιοθήκη 将x x12
，
I

1 2
I0
代入式(16-5)得
x1 2

ln 2
m

0.693
m
（16-8）
上式为半价层与衰减系数之间的关系式
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。
图16-3 钨靶X射线谱
hν
电子
靶原子
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
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。
n
I Nihνi N1hν1 N2hν2 Nnhνn i 1
(16-1)
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。
图16-6 标识X射线 发生原理示意图
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：
hυ Kα = EL-EK hυ Kβ = EM-EK …… hυmax = E自-EK
=h c /λmin
Kγ Kβ
Kα
Lα Lβ
K
Mα
L M
N
L线系用Lα、Lβ、 Lγ…Lmin表示，
Θ
晶 体
X射线摄谱仪原理 //
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
dI = - mIdx
其中比例系数m称为线性衰减系数。
两边积分得：
I dI = -m
x
dx
I I0
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
自由电子
Kγ Kβ Kα
Lα Lβ
K
Mα
L M
N
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。
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。