物质对X射线的吸收与X射线波长有关.ppt

十三、十三、X射线射线山东大学精品课程山东大学精品课程 医学物理学1895年伦琴发现了年伦琴发现了 X 射线，劳厄用晶体衍射实验，射线，劳厄用晶体衍射实验，证明证明 X 射线是一种波长较短的电磁波射线是一种波长较短的电磁波。X 射线的发现，对物质微观结构理论的深入研究和射线的发现，对物质微观结构理论的深入研究和技术上的应用都有重大意义。技术上的应用都有重大意义。X 射线在医学诊疗中也有着广泛的应用，它与近代射线在医学诊疗中也有着广泛的应用，它与近代科技相结合，更成为现代医学不可缺少的工具。科技相结合，更成为现代医学不可缺少的工具。医学物理学 一、一、X 射线的基本性质：射线的基本性质：1.电离作用电离作用 气体分子在气体分子在 X 射线照射下，将电离射线照射下，将电离成离子对，而成为导电体。成离子对，而成为导电体。对有机体可诱发各种生物效应对有机体可诱发各种生物效应;电离作用可用于测量电离作用可用于测量 X 射线强度射线强度;治疗某些疾病（癌细胞电离后，代谢功治疗某些疾病（癌细胞电离后，代谢功能差）。能差）。2.荧光作用荧光作用 X 射线照射某些物质，能使其发出射线照射某些物质，能使其发出荧光（如：荧光（如：ZnSO4、铂氰化钡、钨酸钙、磷等物质）、铂氰化钡、钨酸钙、磷等物质）;用它们涂在纸板上就构成荧光屏。用它们涂在纸板上就构成荧光屏。医学物理学3.光化作用光化作用 X 射线可使物质发生光化反应，（如射线可使物质发生光化反应，（如照相底版感光，记录照相底版感光，记录 X 射线谱强度）。射线谱强度）。4.贯穿本领贯穿本领 物质对物质对 X 射线的吸收与射线的吸收与 X 射线波长射线波长有关，也决定于物质的原子序数或密度。人体密度有关，也决定于物质的原子序数或密度。人体密度不同（或不同（或 Z 不同），不同），X 强度有空间强弱分布，用于强度有空间强弱分布，用于透视照相。透视照相。5.生物效应生物效应 X 射线在生物体内产生电离和激发，射线在生物体内产生电离和激发，破坏或改变生物功能。故有治疗作用或损坏作用，破坏或改变生物功能。故有治疗作用或损坏作用，也正是要对也正是要对 X 射线进行防护的原因。射线进行防护的原因。医学物理学医学物理学二、二、X射线的发射和发射谱射线的发射和发射谱 (X-ray emission and emission spectrum)A-阳极（靶）阳极（靶）K-阴极阴极 K由钨丝制成由钨丝制成,当钨丝通当钨丝通电加热时产生热电子。热电加热时产生热电子。热电子受电子受 A、K 之间电场的之间电场的作用高速撞击阳极作用高速撞击阳极 A，发发射出射出X射线射线。X射线中有两类辐射，射线中有两类辐射，轫轫致辐射致辐射(连续谱连续谱)和标识辐射（线状谱和标识辐射（线状谱）。轫致辐射轫致辐射 高速电子受到靶的制动使运动速度变化高速电子受到靶的制动使运动速度变化而发射的电磁波。而发射的电磁波。X射线管示意图射线管示意图 X 射线射线电子电子真空管真空管冷却液冷却液KA医学物理学1、连续谱机制：、连续谱机制：轫致辐射轫致辐射 高速电子撞击钨靶重原子时，该电子损高速电子撞击钨靶重原子时，该电子损失动能、并偏转，同时一部分动能转化为一个失动能、并偏转，同时一部分动能转化为一个 X 光子的光子的能量辐出去。能量辐出去。医学物理学电子被高压加速所获得的动能为电子被高压加速所获得的动能为 K=eUU是阳极与阴极之间的电势差。是阳极与阴极之间的电势差。轫致辐射的轫致辐射的X射线中包含各种波长成分，即连续谱。射线中包含各种波长成分，即连续谱。短波长短波长(短波极限短波极限)0 与电子全部动能转变为光子能量与电子全部动能转变为光子能量相对应，即相对应，即或或 0 是与是与 0 相对应的轫致辐射频率。相对应的轫致辐射频率。右图表示在不同加速电压下钨靶右图表示在不同加速电压下钨靶发出的发出的X射线连续谱射线连续谱(实线实线)。0.100.060.02106235 kV50 kV40 kV30 kV20 kVKK波长波长nm相相对对强强度度 短波极限短波极限 随管电压随管电压增加而向短波方向移动。增加而向短波方向移动。短波极限与阳靶的物质短波极限与阳靶的物质种类无关种类无关蓝移蓝移医学物理学当加速电压超过某临界值时，当加速电压超过某临界值时，X射线中，还包含线状射线中，还包含线状谱，即谱，即标识辐射标识辐射。标识标识x射线谱的波长取决于射线谱的波长取决于阳靶的材料阳靶的材料，可以作为识别这，可以作为识别这种元素的标记。种元素的标记。图中图中点线点线画出了在画出了在35 kV加加速电压下速电压下，钼靶发出的两条，钼靶发出的两条标识谱线标识谱线K 和和 K 叠加在连续叠加在连续谱上的情形。谱上的情形。0.100.060.02106235 kV50 kV40 kV30 kV20 kVKK波长波长nm相相对对强强度度2、线状谱机制：、线状谱机制：医学物理学n n标识谱：内层电子获能后，向外逃逸，产生空穴；外标识谱：内层电子获能后，向外逃逸，产生空穴；外标识谱：内层电子获能后，向外逃逸，产生空穴；外标识谱：内层电子获能后，向外逃逸，产生空穴；外层电子向该空穴跃迁时，发出线状层电子向该空穴跃迁时，发出线状层电子向该空穴跃迁时，发出线状层电子向该空穴跃迁时，发出线状 X X 射线谱。射线谱。射线谱。射线谱。医学物理学 实验表明，大多数元素的标识谱都包含两个线系，实验表明，大多数元素的标识谱都包含两个线系，即即K线系和线系和L线系，原子序数大的元素会出现更多的线系，原子序数大的元素会出现更多的线系，它们是线系，它们是M线系和线系和N线系。如图所示。线系。如图所示。对对K 谱线的频率，莫塞莱谱线的频率，莫塞莱（H.G.J.Moseley）总结出经总结出经验公式验公式式中式中R是里德伯常量，是里德伯常量，Z是原子序是原子序数。这一规律称为数。这一规律称为莫塞莱定律莫塞莱定律。莫塞莱定律提供了精确测量莫塞莱定律提供了精确测量Z的方法。的方法。n54321ONMLKMMLLLKKK K医学物理学三、强度和硬度三、强度和硬度1、强度强度 单位时间内垂直通过单位面积的辐射单位时间内垂直通过单位面积的辐射能，能，X 光强度正比于高速电子流的数目。光强度正比于高速电子流的数目。强度强度 表示表示x射线的量射线的量,它与单位时间内打在靶上的它与单位时间内打在靶上的电子数成正比电子数成正比,电子数越多电子数越多,转变为光子也就越多转变为光子也就越多.保持一定的管电压保持一定的管电压,通过调节管电流来控制通过调节管电流来控制x射线的射线的强度强度.医学物理学贯穿本领决定于贯穿本领决定于 X 射线的波长，射线的波长，X X光子的光子的光子的光子的频率越高，频率越高，频率越高，频率越高，X X光子能量越大光子能量越大光子能量越大光子能量越大,贯穿本领越大贯穿本领越大贯穿本领越大贯穿本领越大,X,X射线越硬射线越硬射线越硬射线越硬.2、硬度硬度X射线贯穿物质的能力。射线贯穿物质的能力。当管电压增加时当管电压增加时当管电压增加时当管电压增加时,X,X光子的能量也增加了光子的能量也增加了光子的能量也增加了光子的能量也增加了,X,X 射线的硬度增射线的硬度增射线的硬度增射线的硬度增加了加了加了加了.可通过可通过可通过可通过调节管电压来控制调节管电压来控制调节管电压来控制调节管电压来控制X X射线的硬度射线的硬度射线的硬度射线的硬度。医学物理学3、滤波滤波：长波长波 X 射线易被物质吸收，短波射线易被物质吸收，短波 X 射线可透过，故射线可透过，故 X 射线在贯穿过程中，越来越硬（射线在贯穿过程中，越来越硬（X 射线的硬化）。射线的硬化）。常用铜、铝过滤长波常用铜、铝过滤长波 X 射线，使射线，使 X 射线频率区变窄。射线频率区变窄。铝可吸收铜的标识铝可吸收铜的标识 X 射线谱，故用铜板前、铝板后射线谱，故用铜板前、铝板后方法去滤除方法去滤除 X 射线的长波段射线。射线的长波段射线。医学物理学四、四、X 射线的吸收射线的吸收1.吸收吸收 X 线通过某物质后其强度的减弱过程。线通过某物质后其强度的减弱过程。实验表明，单能实验表明，单能X射线通过物质时的吸收规律与射线通过物质时的吸收规律与可见光相同，也服从指数衰减规律：可见光相同，也服从指数衰减规律：医学物理学与与Z Z、近似地适合下式：近似地适合下式：k是比例常数是比例常数结论：结论：1）长波长波X射线比短波射线比短波X射线更容易被吸收射线更容易被吸收。在浅表。在浅表治疗时，应使用低能治疗时，应使用低能X射线，在深部治疗时，则使用射线，在深部治疗时，则使用高能高能X射线。射线。2）原子序数越高的物质，吸收本领越大原子序数越高的物质，吸收本领越大。骨的成分。骨的成分Ca、P的原子序数比肌肉主要成分的原子序数比肌肉主要成分H、O、C的原子序的原子序数高，因而骨的吸收系数比肌肉组织大得多。透视时，数高，因而骨的吸收系数比肌肉组织大得多。透视时，会出现骨骼的明显阴影。患者吞服钡盐也是因钡的原会出现骨骼的明显阴影。患者吞服钡盐也是因钡的原子序数高，吸收本领大，可显示出胃肠的阴影。铅的子序数高，吸收本领大，可显示出胃肠的阴影。铅的原子序数很高，被广泛用做原子序数很高，被广泛用做X射线的防护材料。射线的防护材料。医学物理学临床上常用临床上常用质量吸收系数质量吸收系数m和质量厚度和质量厚度dm，以消除，以消除密度的影响。密度的影响。于是于是X X射线的吸收规律可写为射线的吸收规律可写为 医学物理学五、半价层：五、半价层：1、定义、定义 射线强度衰减一半所经过的物质厚度射线强度衰减一半所经过的物质厚度，医学物理学X射线通过一个半价层厚度后强度减为入射强度的射线通过一个半价层厚度后强度减为入射强度的1/2，通过二个半价层强度减为，通过二个半价层强度减为1/4，通过，通过N个半价层强个半价层强度减为度减为1/2N。由于在物质中由于在物质中X射线的长波成分比短波成分衰减得快，射线的长波成分比短波成分衰减得快，当连续当连续X射线通过金属铝、铜做成滤过板后，长波成分射线通过金属铝、铜做成滤过板后，长波成分被强烈吸收，这样得到的被强烈吸收，这样得到的X射线不但硬度高，而且射线射线不但硬度高，而且射线谱的范围变窄，可以适应医疗上的不同需要。谱的范围变窄，可以适应医疗上的不同需要。半价层与线性或质量吸收系数成反比。利用换底公式半价层与线性或质量吸收系数成反比。利用换底公式可得可得医学物理学六、六、X射线的医学应用射线的医学应用1.治疗应用治疗应用肿瘤的肿瘤的X射线治疗是放射治疗的重要组成部分，射线治疗是放射治疗的重要组成部分，X射射线的激发与电离作用是线的激发与电离作用是X射线治疗肿瘤的物理基础。射线治疗肿瘤的物理基础。足够的能量沉积在细胞内时，就会破坏它们的再生能足够的能量沉积在细胞内时，就会破坏它们的再生能力，从而达到治疗肿瘤的目的。力，从而达到治疗肿瘤的目的。2.诊断诊断1.透视和摄影透视和摄影2.造影检查造影检查钡餐钡餐显示胃肠显示胃肠、有机碘、有机碘显示动脉影像显示动脉影像、数字减影血管造影、数字减影血管造影数字数字X射线摄影技术射线摄影技术可提供更高的影像对比度，更合理地降可提供更高的影像对比度，更合理地降低病人的受线量，更有效地组织影像检查流程低病人的受线量，更有效地组织影像检查流程。医学物理学3.软软X射线的应用射线的应用乳腺摄影乳腺摄影，具有对比度高和清晰度好等特点，为乳腺，具有对比度高和清晰度好等特点，为乳腺的良性病变和乳腺癌的早期诊断提供了良好的手段。的良性病变和乳腺癌的早期诊断提供了良好的手段。4.计算机断层成像技术计算机断层成像技术CTCT具有非常高的具有非常高的密度分辨率，可密度分辨率，可准确测量各组织准确测量各组织的的X X射线衰减系射线衰减系数数 ，并通过，并通过各种计算进行定各种计算进行定量分析。量分析。医学物理学普通普通X X射线摄影，结构互相重叠射线摄影，结构互相重叠，不能观察到内部的细节。而，不能观察到内部的细节。而断断层摄影层摄影的二维断层图像，的二维断层图像，不存在结构影像重叠问题不存在结构影像重叠问题，同时利用图，同时利用图像三维重建技术，还像三维重建技术，还可显示人体的三维结构可显示人体的三维结构。医学物理学