1、貴州師范學院物理與電子科學學院論1 貴州師范學院物理與電子科學學院論文 鍵入文字 鍵入文字1 摘要x 射線的穿透能力極強，由于人體不同的組織對x 射線的吸收程度不同，均勻的 x 線速穿透人體組織后，其不均勻的分布其實就是人體組織的投影。把這種成像技術應用在醫學上，就可以得到病灶的位置信息。文章簡單介紹了x 射線技術自被發現以來的發展史和x射線成像的原理，以及現在x射線在醫學上的診斷、治療和層析攝影治療，以后x 射線技術在醫學上的應用將會無處不在。關鍵字：診斷；治療；層析攝影治療ABSTRACTstrong x-ray penetration, the different levels of d

2、ifferent body tissues absorb x-rays, the penetrating body tissue, the non-uniform distribution is actually a uniform tissue projection x line speed. The application of this imaging technique in medicine, you can get the location information of lesions. This paper briefly describes the history of the

3、 principle of x-ray technology and x-ray imaging since been discovered, and now the x-rays in medical diagnosis, treatment and tomography treatment, after x-ray technology in medicine will be no Office is not.Keywords: diagnosis ； treatment ； tomography treatment.X射線在生物醫學上的應用1. 緒論1.1 x 射線技術在醫學上應用的研究

4、背景X 射線自19世紀被倫琴在實驗室發現以來，半個世紀后，發展了超聲波成像、放射性同位素成像、核磁共振成像等，因為 X射線具有強大的穿透能力，能夠透過人體顯示骨骼和薄金屬中的缺陷，在醫療和金屬檢測上有重大的應用價值，因此引起了人們極大的興趣。許多國家都競相開展類似的試驗。一股熱潮席卷歐 美 ， 盛 況 空 前 。 X 射 線 迅速 被 醫 學 界 廣 泛 利 用 ， 成 為 透 視 人 體 、 檢 查 傷 病 的 有力工具，后來又發展到用于金屬探傷，對工業技術也有一定的促進作用。放射醫學是醫學的一個專門領域，它使用放射線照相術和其他技術產生診斷圖像，這可能是X射線技術應用最廣泛的地方。X射線的

5、用途主要是探測骨骼的病變，但對于探測軟組織的病變也相當有用。常見的例子有胸腔X射線，用來診斷肺部疾病，如肺炎、肺癌或肺氣腫；而腹腔X射線則用來檢測腸道梗塞，自由氣體（free air ，由于內臟穿孔）及自由液體（free fluid ） 。某些情況下，使用X射線診斷還存在爭議，例如結石 （對 X射線幾乎沒有阻擋效應）或腎結石 （一般可見，但并不總是可見）。因此在醫學領域、工業領域、研究領域等各方面都有廣泛應用，就X射線衍射來說, 它對近代科學（ 物理、 化學、 材料學、 生物學等等）和近代技術的發展都產生了很大的影響, 了解 X射線的性質以及產生原理，對我們的生活、學習、生產等各方面有促進作用

6、。1.2 x 射線技術在醫學上的應用的研究意義隨著社會的發展及科學技術的進步，生命科學越來越引起人們的關注，人類對于自身的奧妙探索的需求不斷增強。在這樣的趨勢下，人們對X射線影像設備的成像質量要求越來越高，同時還要求盡可能的減少X射線的照射量，這就迫使X射線技術不斷發展。數字化醫學影像的發展與應用，已經成為現代醫院診斷必不可少的設備。X射線 TOC o 1-5 h z 作為其中最普及的設備，為疾病的診斷與治療提供了有力的保證。自從X射線被發現以來，經過不斷的發展，現今已有各種各樣的X射線機為人們服務。X射線本身對人體也有一定的損傷，所以，進行X射線檢查應注意安全。傳統X射線影像設備在臨床的應用

7、范圍很廣，常用于骨與關節的疾病。胃腸疾病和呼吸系統疾病的診斷，用不同的X射線對人體病灶部位的細胞進行照射時，使被照射的細胞組織受到破壞或抑制，從而達到對某些疾病，特別是腫瘤的治療。在現代醫學中，X射線在醫學上的應用無處不顯示著它的重要性。像CT、核磁共振、介入放射等這些人們并不陌生的放射性檢查，不斷用于臨床醫學，極大地提高了疾病的診斷率。他們每天擔負的工作就是通過X射線這雙穿透的“法眼”來檢查病人體內的各種異常。目前，普通人在生活中所能接觸到的電離輻射主要來自醫療輻射， 這其中 X線檢查所釋放的輻射，是非專業人員可能接觸到的電離輻射的主要來源。孕婦需要重點防輻射，尤其是電離輻射，原因是電離輻射

8、能量大，能使人體分子產生電離，可能對還未發育成形的胎兒的細胞造成傷害，引起死胎或畸形。電離輻射對人體，尤其是對胎兒的傷害的實例可以參考曾在二戰中遭受核彈襲擊的日本廣島和長崎兩地居民的狀況。這兩個地方在美國投下原子彈之后出現的胎兒畸形情況最為駭人聽聞，該地區兒童患白血病的病例大增，就是輻射傷害健康的證明。當然，核爆炸的輻射危害遠遠高于醫療用的X射線輻射，不過兩者對孕婦腹中胎兒的傷害原理類似。X 線是一種波長很短，穿透能力很強的電磁波，如果被X 線照射過多，就可能產生放射反應，甚至受到一定程度的放射損害。用于醫療診斷的X線射照射劑量有嚴格控制，一般影響極小。但是，對準媽媽來說，如果在懷孕期間，尤其

9、是懷孕早期受X光照射，萬一超過胎兒的承受極限，則可能會導致胚胎死亡、胎兒畸形、腦部發育不良，及增加日后患癌癥的幾率等風險2.x 射線的發展及性質x 射線的發展史X 射線（ X-ray ）是由德國實驗物理學家倫琴發現的波長非常短，頻率很高的一種電磁波，又叫做艾克斯射線、倫琴射線或X光，X射線，波長范圍在0.01 納米到 10納米之間（對應頻率范圍30 PHz到30EHz） ，具有波粒二象性，X射線是19世紀末 20世紀初物理學的三大發現（ X射線 1895 年、放射線1896年、電子1897 年）之一，是由于原子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產生的。產生X射線的最簡單方法是用加速后的電子撞

10、擊金屬靶。撞擊過程中，電子突然減速， 其損失的動能會以光子形式放出，形成 X光光譜的連續部分，稱之為制動輻射。通過加大加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的內層電子撞出。于是內層形成空穴，外層電子躍遷回內層填補空穴，同時放出波長在0.1 納米左右的光子。由于外層電子躍遷放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波長也集中在某些部分， 形成了 X光譜中的特征線。X射線最初用于醫學成像診斷和X 射線結晶學。X射線也是游離輻射等這一類對人體有危害的射線。后X射線被應用于臨床醫學，首先是用于診斷骨折和異物，其后逐步應用于人體各部的診斷檢查。X 射線是波長范圍在0.01 納米到 10 納米之間（

11、對應頻率范圍30PHz到 30EHz） ） 的電磁波，具 波粒二象性。 電磁波的能量以光子（波包 ） 的形式傳遞。當X 射線光子與原子撞擊，原子可以吸收其能量，原子中電子可躍遷至較高電子軌態，單一光子能量足夠高（ 大于其電子之電離能） 時可以電離此原子。一般來說，較大之原子有較大機會吸收 X 射線光子。人體軟組織由較細之原子組成而骨頭含較多鈣離子，所以骨頭較軟組織吸引較多X射線。故此，X射線可以用作檢查人體結構。自倫琴發現X 射線后，許多物理學家都在積極地研究和探索，1905年和1909年，巴克拉曾先后發現X射線的偏振現象，但對 X射線究竟是一種電磁波還是微粒輻射，仍不清楚。1912年德國物理

12、學家勞厄發現了X射線通過晶體時產生衍射現象，證明了X射線的波動性和晶體內部結構的周期性，發表了X射線的干涉現象一文。勞厄的文章發表不久，就引起英國布拉格父子的關注，當時老 布拉格 （ WH Bragg） 已是利茲大學的物理學教授，而小布拉格（ WL Bragg）則剛從劍橋大學畢業，在卡文迪許實驗室。由于都是X射線微粒論者，兩人都試圖用X射線的微粒理論來解釋勞厄的照片，但他們的嘗試未能取得成功。年輕的小布拉格經過反復研究，成功地解釋了勞厄的實驗事實。他以更簡潔的方式，清楚地解釋了X射線晶體衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：nX=Zdsino 這一結果不僅證明了小布拉格的解釋的正確性，更重要的

13、是證明了能夠用X射線來獲取關于晶體結構的信息。1912 年 11月，年僅22歲的小布位格以晶體對短波長電磁波衍射為題向劍橋哲學學會報告了上述研究結果。老布拉格則于1913年元月設計出第一臺X射線分光計，并利用這臺儀器，發現了特征X射線。 小布拉格在用特征X射線分析了一些堿金屬鹵化物的晶體結構之后，與其父親合作，成功地測定出了金剛石的晶體結構，并用勞厄法進行了驗證。金剛石結構的測定完美地說明了化學家長期以來認為的碳原子的四個鍵按正四面體形狀排列的結論。這對尚處于新生階段的 X射線晶體學來說是一個非常重要的事件，它充分顯示了X射線衍射用于分析晶體結構的有效性，使其開始為物理學家和化學家普遍接受。x

14、 射線的性質X 射線的主要特點（ 1）特征頻率值高X 射線的特征是波長非常短，頻率很高，其波長約為（ 20 0.06） 10-8厘米之間。因此X射線必定是由于原子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產生的。所以 X射線光譜是原子中最靠內層的電子躍遷時發出來的，而光學光譜則是外層的電子躍遷時發射出來的。X射線在電場磁場中不偏轉。這說明 X射線是不帶電的粒子流，因此能產生干涉、衍射現象。（ 2）輻射同步X 射線譜由連續譜和標識譜兩部分組成，標識譜重疊在連續譜背景上，連續譜是由于高速電子受靶極阻擋而產生的軔致輻射，其短波極限0 由加速電壓V決定：0 = hc /（ ev ） h 為普朗克常數， e

15、為電子電量，c 為真空中的光速。標識譜是由一系列線狀譜組成， 它們是因靶元素內層電子的躍遷而產生，每種元素各有一套特定的標識譜，反映了原子殼層結構。同步輻射源可產生高強度的連續譜 X射線，現已成為重要的X射線源。（ 3）穿透力強X 射線具有很高的穿透本領，能透過許多對可見光不透明的物質，如墨紙、木料等。這種肉眼看不見的射線可以使很多固體材料發生可見的熒光，使照相底片感光以及空氣電離等效應，波長越短的X射線能量越大，叫做硬X射線，波長長的X射線能量較低，稱為軟X射線。 當在真空中，高速運動的電子轟擊金屬靶時，靶就放出X射線，這就是X射線管的結構原理。X 射線的基本效應：（ 1）穿透作用X 射線因

16、其波長短，能量大，照在物質上時，僅一部分被物質所吸收，大部分經由原子間隙而透過，表現出很強的穿透能力。X射線穿透物質的能力與X射線光子的能量有關，X射線的波長越短，光子的能量越大，穿透力越強。X射線的穿透力也與物質密度有關，利用差別吸收這種性質可以把密度不同的物質區分開來。（ 2）電離作用物質受 X射線照射時，可使核外電子脫離原子軌道產生電離。利用電離電荷的多少可測定X射線的照射量，根據這個原理制成了X射線測量儀器。在電離作用下，氣體能夠導電；某些物質可以發生化學反應；在有機體內可以誘發各種生物效應。（ 3）熒光作用X 射線波長很短不可見，但它照射到某些化合物如磷、鉑氰化鋇、硫化鋅鎘、鎢酸鈣等

17、時，可使物質發生熒光（可見光或紫外線），熒光的強弱與X射線量成正比。這種作用是X射線應用于透視的基礎，利用這種熒光作用可制成熒光屏，用作透視時觀察X射線通過人體組織的影像，也可制成增感屏，用作攝影時增強膠片的感光量。化學效應（ 1）感光作用X 射線同可見光一樣能使膠片感光。膠片感光的強弱與X射線量成正比，當X射線通過人體時，因人體各組織的密度不同，對X射線量的吸收不同，膠片上所獲得的感光度不同，從而獲得X射線的影像。（ 2）著色作用X 射線長期照射某些物質如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶 等，可使其結晶體脫水而改變顏色。（ 3）生物效應X 射線照射到生物機體時，可使生物細胞受到抑制、破壞甚至壞死，致使

18、機體發生不同程度的生理、病理和生化等方面的改變。不同的生物細胞，對 X射線有不同的敏感度，可用于治療人體的某些疾病，特別是腫瘤的治療。在利用 X射線的同時，人們發現了導致病人脫發、皮膚燒傷、工作人員視力障礙，白血病等射線傷害的問題，在應用X射線的同時，也應注意其對正常機體的傷害，注意采取防護措施。X 射線的主要分類（ 1）輻射分類如果被靶阻擋的電子的能量，不越過一定限度時，只發射連續光譜的輻射。這種輻射叫做軔致輻射，連續光譜的性質和靶材料無關。一種不連續的，它只有幾條特殊的線狀光譜，這種發射線狀光譜的輻射叫做特征輻射，特征光譜和靶材料有關。（ 2）波長分類X 射線波長略大于0.5 nm 的被稱

19、作軟X射線。波長短于0.1 納米貴州師范學院物理與電子科學學院論1 貴州師范學院物理與電子科學學院論的叫做硬X射線。硬X射線與波長長的（低能量）伽馬射線范圍重疊，二者的區別在于輻射源，而不是波長：X射線光子產生于高能電子 加速，伽馬射線則來源于原子核 衰變。研究X射線的性質時，還發現X射線具有標識譜線，其波長有特定值，和 X射線管陽極元素的原子內層電子的狀態有關，由此可以確定原子序數，并了解原子內層電子的分布情況。此外，X射線的性質也為波粒二象性提供了重要證據。X 射線是波長很短的電磁波，具有波動性，只要x 射線的波長與晶體中原子的間距具有相同的數量級，那么當用x 射線照射晶體時就應能觀察到干

20、涉現象。X 射線具有粒子性，x 射線在空間傳播時，可以看成是大量以光速運動的粒子流，這些粒子流稱為量子或光子。每個光子的動量為：hv每個光子的能量為：hcE hvx 射線成像x 射線成像裝置x 射線在醫學上最早和最重要的應用是使醫生能觀察到人體內部結構，這為醫生診斷提供了重要信息，目前，x 射線圖像在醫院的圖像中占了80%，產生x射線圖像的x光機由于操作簡單、費用低的優點，因此成為臨床診斷中主要成像設備。100 年來， x 射線成像技術有不少的發展，包括使用影像增強管、增感屏、 旋轉陽極x 射線管及斷層攝影等。微電子技術的發展和某些器件的改進，使新穎的x 射線成像裝置不斷問世。如 x 射線數字

21、減影血管造影系統（DSA） , 它可以減除其他圖像背景，清晰的現實感興趣的血管圖像，又如數字攝影機（ CR） , 采用涂有熒光體微結晶平板（影像板） ，來替代膠片，x 射線照射后會產生潛象，然后用激光激勵，經采樣后得到數字圖像。影像板用均勻光照射后可消除潛象，因而可重復使用1000次，成為無膠片射線機。x 射線技術在醫學上的應用診斷透視和拍片X 射線在醫學影像診斷中的基本應用：拍片和透視拍片檢查時x 射線受到被檢體的吸收和散射，穿過被檢體的x 射線經處理后投射至膠片上，經顯影處理后成為可見影像。拍片的優點：對比度和清晰度較好，能將影像永久性存留，所需x 射線劑量小。缺點：不能立即看檢查結果，不

22、能觀察器官的活動現象，投照一次只能顯示一個部位。透射檢查時，患者被置于x 射線管與熒光屏（影像增強器）之間，x 射線透過的影像呈現在熒光屏或監視器上，由醫生及時觀察分析。透視的優點是檢查范圍廣，可移動患者，從不同角度觀察，能動態觀察器官的活動，例如心臟脈搏、胃腸蠕動和膈肌運動等。缺點是透視時對病變的影像不能記錄下來，不利于對病變的復查和對比；透視的影響不太清晰，對細小的病灶和細微的結構不易觀察；x 射線劑量大，若長時間透視對身體有一定的損害。X CT檢查X-CT 層析成像是用X 線源和檢測器圍繞病人作同步旋轉運動，獲取大量投影信息后，經電子計算機將投影信息處理后重建圖像，在經終端顯示圖像，圖像

23、被照相機拍攝后成為我們看到的CT片。X-CT 圖像排除了X 線中組織間互相重迭而使診斷受到一定影響的缺點， 顯示人體斷面上一薄層組織對X線吸收值的差別，即組織密度差的圖像。它把這層組織實際上的二維密度分布顯示為三位圖像，所以便于觀察，X-CT 掃描用很細的X 線束，減少散射對圖像的質量的影響。 CT成像以斷面像為主，彌補了普通X線像所不易得到的第三觀察面，CT成像能顯示各組織間0.5 的密度差別，這使對軟組織在不同造影的情況下進行觀察已成為現實，CT 可以直接顯示臟器的內部結構，其密度分辨率大于優于普通X線像。與傳統的X線片相比CT圖像有較高的清晰度與靈敏度，具有一定數目的像素，其分布是間斷而

24、有規則的，灰色值也是不連續的。治療X 射線在臨床上的應用除診斷之外，還可用于治療。特別是對惡性腫瘤的治療，其歷史較長，效果也不錯。其治療機制是，X射線通過人體組織能產生電離作用、康普頓散射及生成電子對，由此可誘發出一系列生物效應。研究表明，X射線對生物組織有破壞作用，尤其是對分裂活動旺盛或正在分裂的細胞，其破壞能力更強。用于治療的X 射線設備有兩種，即普通X 射線治療機和“X-刀” 。普通治療機與常規 X射線機的結構基本相同，只是 X射線管采取了大焦點，常用來治療皮膚腫瘤。“ X-刀”是利用直線加速器長生的高能X射線和電子線作為放射源，圍繞等中心作270 360 度旋轉，依其垂直旋轉與操作臺

25、180 度范圍內的水平旋轉，在靶區形成多個非共面的聚焦照射弧，是照射先集中于某中心點上以獲得最大的輻射量。“ X-刀”可用于各器官、組織腫瘤的放射治療。由于X射線能引起生物效應，因此人體組織受過量的X射線照射后會引起某些疾病。治療計劃如果X射線成功地治療癌癥，需進入到正常組織的腫塊和顯微結構都能接受到足夠的放射劑量，以殺死癌細胞。同時，也需避免由于過度輻射，附近的正常組織，產生嚴重的并發癥，圖a 描述的便是這些劑量間的平衡曲線。通過殺死腫塊細胞，便可控制癌癥的概率P 腫塊 （D）。隨著輻射劑量D 而增加。可以避免由于放射損壞而引起的威脅生命的并發癥的概率P器官（D）為D的遞減函數，病人可在疾病

26、少，則腫塊有可能復發；相反，如劑量大，治療本身便有可能引起并P 病人（D）為：D和治療中幸存的概率P病人DP腫塊Da 中的曲線。如劑量發癥。在這兩個極端之間，內科醫生設法使病人能在癌癥和治療中，都最大可能的存活下來。但如果病人在放射劑量為最佳選擇的Dop在癌癥治療中，選擇放射劑量的最佳值需要仔細描繪出腫塊的邊界。這就要求有優質的醫學成像。在采用CT之前，主要由正交的X射線照片結合病人的臨床和手術中的資料，及這些癌癥的發展的一些經驗， 來進行腫塊的定位和治療安排。使用平面X射線照片有幾個缺點： 很難清楚地觀察腫塊、且很難將X射線照片上的信息改錄到用來擬定治療計劃的橫截面平面圖上。近來。 CT 核

27、磁共振成像已很大程度上克服了這些困難，許多治療中心都具備有專用來擬定治療計劃的CT裝置。圖像上不僅可以提供橫截面表示的病人內部的構造。也可以精確地表示出人體輪廓，并可清楚地看到腫塊和周圍的正常組織。由于數據為數字化的，因而可直接的輸入到安排治療的計算機中，這樣所采用的治療計劃便可直接加在CT圖像上，于是，計劃也可進入到治療機上了。為了成功地完成這一過程，用來獲取CT數據的集合圖形需與病人下一步治療的方案準確地對應。可由利用病人身上的基準標記而進行的激光校準來達到這一目的。于是， 可用治療模擬器進行周期性驗證， 以重新形成新的幾何圖形。醫學物理學家需根據層析X射線攝影的輸入數據和治療計劃，來密切地監測，以校準所傳送的放射劑量。層析X射線攝影治療多數應用于擬定放射治療計劃的X掃描儀和各種外部技術，以根據治療計劃，來校準掃描儀和加速器。但許多醫學物理學家都在模擬治療的橫動橋形臺上，設置了CT掃描儀。通常這樣的裝置通過將檢測在圖像放大器屏上成像的X射線強度的電視攝影機的輸出數字化，來匯編圖像投影。雖然這些裝置不能提供與診斷CT掃描儀相比較的分辨率， 但能復制治療幾何圖形，并產生可用于治療安排的優質的圖像。CT 裝置上的圖像為灰度讀數表示出的通過腫塊的平面剖面的衰減率數值的矩陣。如可在治療中使用的X射線能量來測量矩陣，則可校正在放射組織