章X射线PPT学习教案

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1、会计学1伦琴(W.K.Rontgen,18451923)德国物理学家.1900年因发现X射线获诺贝尔物理学奖.10-1 X射线的产生及其性质第1页/共46页一.X射线的发生装置vX射线的发生装置的核心元件是X射线管.-CBX射线X射线管+AvX射线管的工作原理阴极的作用释放电子,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.第2页/共46页X 射线管第3页/共46页二.医用电子加速器v 电子感应加速器电子感应加速器是利用感生电场来加速电子的装置.在电磁铁的两极之间安置一个环形真空室,当用交变电流激励电磁铁时,在环形室内就会感生出很

2、强的、同心环状的感生电场.用电子枪将电子注入环形室,电子在有旋电场的作用下被加速,并在洛伦兹力的作用下,在固定的圆轨道上回旋.将高能电子从真空室中引出撞靶而产生高能X射线.第4页/共46页v 电子回旋加速器电子回旋加速器的主要结构是作为电极的两个金属半圆形真空盒,置于电磁铁产生的均匀磁场中.两D形电极之间加高频交变电压时,两电极缝隙之间产生高频交变电场.电子被这一电场加速后进入D1,在D1内受磁场力作用而作匀速圆周运动.当电子从D1出来再次进入两电极缝隙之间时,其间电场恰好改变方向,电子被电场加速后进入D2.电子在交变电场和均匀磁场的作用下,多次累积式地被加速而沿着螺旋形平面轨道运动,直到能量

3、足够高时被引出加速器击靶产生X射线或直接被利用作高能电子束治疗.SBND2D1第5页/共46页v 电子直线加速器电子直线加速器是采用微波电场加速电子的装置,其加速电子的径迹是直线.主要由电子注入系统、加速系统以及引出系统组成.加速系统为一微波谐振腔,包括产生微波的设备(如磁控管、速调管)和传输微波并加速电子的加速管.电子在加速管中微波电磁场作用下,不断被加速,然后经偏转磁铁偏转而打靶产生高能X射线.第6页/共46页第三代直线加速器CLINAC 2100C(Varian,USA).可以产生 6 和 18 MeV 的高能X射线及 6,9,12,16 和 20 MeV的高能电子束.直线加速器第7页/

4、共46页/nm0.050.10.1500.020.1080.1280.147KLLL三.X射线谱连续X射线特征X射线X光机产生的X射线谱第8页/共46页1.连续X射线谱v 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.+hmax=EE+轫致辐射hEE-h第9页/共46页v 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.v 短波极限minmaxhchEeUnmkV242.11minUUehc钨靶在较低管电压下产

5、生的连续X射线谱第10页/共46页2.特征X射线谱对于钨靶,管电压在70kV以上产生的X射线谱第11页/共46页v 特征谱特性 X光子能量h Em-En与靶材料有关与管电压无关元素特征v 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；外层电子向空位跃迁,并在跃迁过程中放出一个光子,光子能量为电子跃迁前后的能级差.第12页/共46页四.X射线的特性劳厄相v 1912年劳厄用晶体衍射的方法证实了X射线是电磁波(10-310 nm)准直缝X射线劳厄斑晶体第13页/共46页v X射线的特性 穿透作用成像、防护；荧光作用X

6、射线透视；感光作用X射线照相；电离作用生物效应的基础、测量射线强度的原理；生物效应放射治疗的基础、需要防护的原因.第14页/共46页1.X射线的强度(intensity)v 物理学中的定义X射线的量NhtSEIiniihN1每个光子能量h电子动能E管电压 h U光子数N电子数管电流 N I电v 强度在医学上的表示法固定管电压U,用管电流的mA数表示X射线的强度.五.X射线的强度与硬度第15页/共46页v 硬度在临床上的表示法用管电压的kV数表示X射线的硬度.2.X射线的硬度(hardness)v 定义指X射线的贯穿能力表示X射线的质贯穿能力强 X射线硬管电压U电子动能光子能量h 能量大的光子不

7、容易被物质吸收.硬度每一个光子的能量h第16页/共46页v X射线按硬度的分类名名 称称管电压管电压/kV最短波长最短波长/nm主主 要要 用用 途途极软极软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52020100100250250以上以上0.250.0620.0620.0120.0120.0050.005以下以下软组织摄影软组织摄影,表皮治疗表皮治疗透视和照相透视和照相较深组织治疗较深组织治疗深部组织治疗深部组织治疗第17页/共46页X光子物质中的粒子相互作用(吸收、散射)v 单色平行X射线的衰减规律朗伯定律xII-e0原行进方向的射线强度被衰减.六.物质对X射线的衰减II0

8、 x第18页/共46页质量衰减系数m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.线性衰减系数xIIdd1-物理意义：物质对X射线衰减的强弱程度.v 衰减系数第19页/共46页 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.铅(82)很好的防护材料人工造影消化道,硫酸钡(钡56)3maZ容易被衰减放射治疗高能X射线射束硬化滤线装置v 对低能射线第20页/共46页劳 厄(L a u e,18791960)1912年通过X射线在晶体中衍射的实验,同时证实了X射线的波动性质和晶体内部的周期

9、结构.1913年布拉格父子(W.H.Bragg,18621942 an d W.L.B r a g g,18901971)通过X射线的衍射强度分布测定晶体的晶格结构.W.H.BraggW.L.Bragg第21页/共46页1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象,证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性.小布拉格认为劳厄衍射图样上的每一个斑点,是X射线在晶体中被某些平面干涉性反射的结果.他们使用老布拉格发明的X射线分光计,对晶体结构进行精心研究,提出了“布拉格公式”.他们又用X射线对氯化钠、氯化钾等晶体结构进行测定,从而为建立X射线晶体学打下了基础.第22页/共46页一.X

10、射线的衍射v 晶体(crystal)原子在三维空间中周期性重复排列构成的固体.v 每个原子都是发射子波的衍射中心,向各个方向发射子波,子波相干叠加,形成衍射图样.ddsin 12晶面ACB第23页/共46页v 散射光干涉加强条件布拉格方程),2,1,0(sin2kkdv 应用已知、可测d X射线晶体结构分析.研究细胞和蛋白质等的精细结构.已知、d 可测 X射线光谱分析.ddsin 12晶面ACB第24页/共46页二.X射线晶体结构分析v X射线衍射仪第25页/共46页v X射线晶体结构分析的基本方法根据布拉格方程,通过分析衍射图上斑点的位置,确定晶胞的大小和形状；利用衍射图上斑点的亮度或黑度,

11、确定晶胞中原子的空间排布.v 常采用的步骤使生物大分子结晶,得到有一定衍射分辨率的晶体；测量X射线衍射强度数据,即衍射斑点图；对数据进行分析处理,包括计算结构因子振幅、测定结构因子相位、计算电子密度图、构建结构模型、精修结构模型等.第26页/共46页佩鲁兹(M.Perutz,19142002)和肯特鲁(C.Kendrew,19171997)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,并因此于1962年获得了诺贝尔化学奖.C.Kendrew第27页/共46页M.Wilkins R.Franklin 威尔金斯拍摄的DNA分子的X射线衍射照片.照片显示DNA分子是单链结构的螺旋体.

12、第28页/共46页弗兰克林于1952年5月获得的一张清晰的DNA分子的X光衍射照片.由此推算DNA分子呈螺旋状,而且认识到是双链同轴排列.定量测定DNA螺旋 体 的 直 径 为 nm,螺距为3.4 nm.第29页/共46页J.Watson F.Crick 第30页/共46页 由衍射图重建的SARS-CoV 主蛋白酶飘带结构模型.SARS-CoV 主蛋白酶 的X射线晶体衍射图(1.9).第31页/共46页一.X射线在诊断方面的应用数字化多功能X光机v 透视和摄影第32页/共46页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.v 数字减影将血管内注入造影剂前

13、、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.第33页/共46页vX 射线电子计算机断层成像 (X-ray Computed Tomography,简称X-CT)G.N.HounsfieldA.M.Cormack1963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.第34页/共46页 X-CT 系统示意图探测器X线管

14、高压发生器模/数转换器计算机数/模转换器显示器照相机人体第35页/共46页图像重建的物理基础xII-e03amKZ12n-1nllniinIIl1210ln1第36页/共46页 X射线管 探测器直线扫描1直线扫描2直线扫描3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个第37页/共46页X-CT 成像原理第38页/共46页CT 扫描技术的发展历史1985198919911993大量数据取样高质量的快速扫描第39页/共46页全身螺旋CT第40页/共46页马可尼公司(Marconi)生产的MX8000多层螺旋CT扫描系统主要特点：最多1

15、00s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,360螺旋扫描；薄层扫描厚度.第41页/共46页 X-CT 扫描图像第42页/共46页二.X射线在治疗方面的应用v 肿瘤治疗手段：手术治疗、放射治疗、化学药物治疗.v 约有50%70%的癌症患者需要接受放射治疗.v 目前仅我国每年就有新肿瘤患者200万人.v 近一百年来,肿瘤治疗的5年生存率不断上升.v 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上世纪初上世纪初30年代年代60年代年代90年代年代5年生存率年生存率5%15%30%45%手术治疗手术治疗肿瘤放疗肿瘤放疗肿瘤化疗肿瘤化疗相对贡献相对贡献22%(48.9%)18%(40%)5%(11.1%)第43页/共46页肿瘤放射治疗技术经历了三个发展阶段vX 射线治疗机(keV 级)v医用直线加速器(MeV 级)v调强适形放射治疗(IMRT)第44页/共46页本章结束谢谢！第45页/共46页