医学物理学

十三、 X 射线

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• 1895 年伦琴发现了 X 射线，劳厄用晶体衍射实验，证明 X 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，它与近代科技相结合，更成为现代医学不可缺少的工具。

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一、 X 射线的基本性质：

1. 电离作用 —— 气体分子在 X 射线照射下，将电离成离子对，而成为导电体。

对有机体可诱发各种生物效应 ; 电离作用可用于测量 X 射线强度 ; 治疗某些疾病（癌细胞电离后，代谢功能差）。

2. 荧光作用 —— X 射线照射某些物质，能使其发出荧光（如： ZnSO4 、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。

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3. 光化作用 —— X 射线可使物质发生光化反应，（如照相底版感光，记录 X 射线谱强度）。

4. 贯穿本领 —— 物质对 X 射线的吸收与 X 射线波长有关，也决定于物质的原子序数或密度。人体密度不同（或 Z 不同）， X 强度有空间强弱分布，用于透视照相。

5. 生物效应 —— X 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，也正是要对 X 射线进行防护的原因。

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二、 X 射线的发射和发射谱 (X-ray emission and emission spectrum)

A- 阳极（靶） K- 阴极 K 由钨丝制成 , 当钨丝通电加热时产生热电子。热电子受 A 、 K 之间电场的作用高速撞击阳极 A ，发射出 X 射线 。 X 射线中有两类辐射，轫致辐射 ( 连续谱 ) 和标识辐射（线状谱）。

轫致辐射 高速电子受到靶的制动使运动速度变化而发射的电磁波。

X 射线管示意图

X 射线

电子

真空管

冷却液

K A

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1 、连续谱机制： 轫致辐射 —— 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 X 光子的能量辐出去。

kk EEh

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电子被高压加速所获得的动能为 K = eU

U 是阳极与阴极之间的电势差。 轫致辐射的 X 射线中包含各种波长成分，即连续谱。短波长 ( 短波极限 ) 0 与电子全部动能转变为光子能量相对应，即

00

hchK 或 eU

hc

0 0 是与 0 相对应的轫致辐射频率。

右图表示在不同加速电压下钨靶发出的 X 射线连续谱 ( 实线 ) 。 0.100.060.02

10

6

2

35 kV

50 kV

40 kV

30 kV

20 kV

Kα

Kβ

波长／ nm

相对强

度

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短波极限 随管电压增加而向短波方向移动。

min

短波极限与阳靶的物质种类无关

蓝移

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当加速电压超过某临界值时， X 射线中，还包含线状谱，即标识辐射。

标识 x 射线谱的波长取决于阳靶的材料，可以作为识别这种元素的标记。

图中点线画出了在 35 kV加速电压下 ，钼靶发出的两条标识谱线 K 和 K叠加在连续谱上的情形。0.100.060.02

10

6

2

35 kV

50 kV

40 kV

30 kV

20 kV

Kα

Kβ

波长／ nm

相对强度

2 、线状谱机制：

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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 X X 射线谱。射线谱。

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实验表明，大多数元素的标识谱都包含两个线系，即 K 线系和 L 线系，原子序数大的元素会出现更多的线系，它们是 M 线系和 N 线系。如图所示。

对 K 谱线的频率，莫塞莱（ H.G.J.Moseley ）总结出经验公式

)()( 222

2

1

1

11 ZcRK

式中 R 是里德伯常量， Z 是原子序数。这一规律称为莫塞莱定律。

莫塞莱定律提供了精确测量 Z 的方法。

n54

3

2

1

ON

M

L

K

M M

L L L

KK KK

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三、强度和硬度

• 1 、强度 —— 单位时间内垂直通过单位面积的辐射能， X 光强度正比于高速电子流的数目。

强度 表示 x 射线的量 , 它与单位时间内打在靶上的电子数成正比 , 电子数越多 , 转变为光子也就越多 .保持一定的管电压 , 通过调节管电流来控制 x 射线的强度 .

nn

n

i

hNhNhNhNNhI

3322111

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贯穿本领决定于 X 射线的波长， XX 光子光子的频率越高，的频率越高， XX 光子能量越大光子能量越大 ,, 贯穿本领贯穿本领越大越大 ,X,X 射线越硬射线越硬 . .

2 、硬度—— X 射线贯穿物质的能力。

kV

1min

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 ,X ,X 射线的硬度射线的硬度增加了增加了 . . 可通过可通过调节管电压来控制调节管电压来控制 XX 射线的硬度射线的硬度。。

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3 、滤波：

• 长波 X 射线易被物质吸收，短波 X 射线可透过，故 X

射线在贯穿过程中，越来越硬（ X 射线的硬化）。

• 常用铜、铝过滤长波 X 射线，使 X 射线频率区变窄。

• 铝可吸收铜的标识 X 射线谱，故用铜板前、铝板后方法去滤除 X 射线的长波段射线。

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四、 X 射线的吸收1. 吸收 —— X 线通过某物质后其强度的减弱过程。

deII 0

为线性吸收系数，其中

实验表明，单能 X 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：

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与与 近似地适合下式：

34= λkZμ k 是比例常数

结论：1 ）长波 X 射线比短波 X 射线更容易被吸收。在浅表治疗时，应使用低能 X 射线，在深部治疗时，则使用高能 X 射线。

2 ）原子序数越高的物质，吸收本领越大。骨的成分 Ca 、 P 的原子序数比肌肉主要成分 H 、 O 、 C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，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。铅的原子序数很高，被广泛用做 X 射线的防护材料。

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• 临床上常用质量吸收系数 μm 和质量厚度 dm ，以消除密度的影响。

质量吸收系数m

质量厚度md

mm deII 0

, m

xdm

)()( xx

于是 X射线的吸收规律可写为

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五、半价层：

1 、定义 —— 射线强度衰减一半所经过的物质厚度，

mmd

693.0

)( 21

693.02ln

)( 21 d

)21(

00

2

deI

I

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2

1

)2

1(0

d

d

II

X 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 1/4 ，通过 N 个半价层强度减为 1/2N 。

由于在物质中 X 射线的长波成分比短波成分衰减得快，当连续 X 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 X 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。

半价层与线性或质量吸收系数成反比。利用换底公式可得

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六、 X 射线的医学应用

1. 治疗应用肿瘤的 X 射线治疗是放射治疗的重要组成部分， X 射线的激发与电离作用是 X 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力，从而达到治疗肿瘤的目的。

2. 诊断1. 透视和摄影

2. 造影检查钡餐显示胃肠 、有机碘显示动脉影像、数字减影血管造影

数字 X 射线摄影技术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。

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3.软 X 射线的应用乳腺摄影，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。

4.计算机断层成像技术

CT 具有非常高的密度分辨率，可准确测量各组织的 X射线衰减系数 ，并通过各种计算进行定量分析。

μ

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普通 X射线摄影，结构互相重叠，不能观察到内部的细节。而断层摄影的二维断层图像，不存在结构影像重叠问题，同时利用图像三维重建技术，还可显示人体的三维结构。