医学影像物理学主讲：金家福1895 年11 月8日德国物理学家威廉　康拉德　伦琴发现X线一、我国最早有关X线知识的传播及设备引进有关X线的知识传人我国较早。19 世纪末美国传教士赫士(时在山东登州美国北长老会所办学校任教)在他编译的中文本讲义《光学揭要》第2版中已编入关于X线的知识，当时的译名“然根光”。在注释中，赫士写道：“虽名为光，亦关乎电，终难知其属何类，以其与光略近，故权名为之光”。1899 年(清光绪25 年)，美国科学家莫尔登等编著一本有关X线的专著，当年即被译成中文出版，书名《通物电光》。书中有一段文字，专门叙述“通物电光”的命名由来。原文如下，爱克司即华文代表式中所用之“天”字也，今用“天光”二字，文义太晦，故译时改名之曰“通物电光”。由此可见，中国早期并无“X 光”，更无“X 线”这个名词。因我国明清时期撰文时不用外文字母，而用10 个“天干”12 个“地支”，再加上“天”、“地”、“人”等作为代号。当时虽然对X线的性质还不了解，但“通物电光”这一名词已能形象地反映出X线的穿透特性。莫尔登在该书中还写道：“格致家尚未查得通物电光由何处发起。如有人能查得此光之性情与根源，而有一·定之根据，则可为大有名望之格致家”。与其它先进设备的引进一样，先有知识的传入而实际应用却较迟。创立于1892 年的河北省中华医院(现开滦医院)，在1911 年由英籍医生康特(H ．B．Kent) 的病人捐赠给该院一架X线机，其X线管为冷阴极式三极管；高压裸露式小型X线机；无辐射防御装置。此为在我国第一台临床应用的的劝募集资，以4369 枚银元向美国慎昌洋行购买X线机一台，1919 年在保黎医院正式启用。X线机。1917 年，浙江省甬江吴莲艇先生建议浙江省慈溪保黎医院董事会购买X线机，经过一年多国人最早接受X线检查者为近代史上权倾一时的李鸿章。当时他在德国柏林逗留，有机会进行此新方法检查，时距X线发现仅半年。放射诊断技术的发展早年从事放射诊断技术工作的除李绍棠(1930 年)外，还有姚浩然(1938 年)。姚受荣独山的指派，携带小型X线机奔赴延安抗日前线，进行工作。放射诊断技术的发展，大致可归纳为下列三个阶段；当时(一)由于历史条件的限制，早年从事技术工作的人员作为医师的助手，都以单纯的X线摄影、X线照·片冲洗等技术操作为主。由于外文水平及知识结构方面的原因，大多数技术人员尚缺乏独立进行科研及总结经验成文等能力。因此除谢志光1936 年总结实践经验，倡用“谢氏位”投照髋关节后脱位，国际上一直沿用至今外，其他就较少建树。设备的安装检修都依靠外籍工程师。人员的培养多以“带徒”方式进行。消化道影像学方面50 年代，朱大成、余亚雄等较早应用空气灌肠法诊治儿童肠套叠。1984 年顾莱莱在国外进修时，将此法介绍给国外同道，改变了他们传统应用钡剂进行灌肠的习惯。1987 年加拿大多伦多市召开的“第一届国际儿科放射学会议(1PR)”上宣读有关此内容的学术论文，获得国际同道的好评，被授予以国际著名儿科放射学家John Ceffey 命名的“卡飞奖”。胃肠道钡剂检查在70 年代初开始应用气钡双对比检查法。陈星荣、沈天真、樊军、李松年、刘赓年、张国雄、陈九如等率先开展此项检查，用以显示胃肠道粘膜的微细结构，对胃小区、胃小沟和正常或异常形态及其临床意义进行了深入的研究与探索。发现在临床诊断中，对小凹、小沟和变化应更予以重视。应用双对比检查法发现的早期微小胃癌，其直径最小的仅3毫米。我国学者在此领域中取得的成就受到国际同道的重视。第一章普通X射线影像1895 年德国物理学家伦琴发现X射线后，首先被应用到医学诊断上，第二年就提出了用于治疗的设想。在这百年当中，X射线在医学领域中发挥了巨大作用。本章重点介绍X射线产生的物理过程、X射线的辐射场、X射线在介质中的衰减、X射线透视与摄影等。第一节X 射线管的特性一、X射线管的结构见下图：二、产生定向的、实用的X射线具备的条件：1 、电子源(阴极)来发射电子；2 、要有加速电子使其增加动能的电位差(管电压)；3 、受电子轰击而辐射X射线的物体(阳极靶)；4 、高度真空的环境(玻璃外壳)，使电子在运动过程中尽可能减少能量损耗，保护灯丝不被氧化。X射线管的阴极X射线管的阳极(anode) 又称阳极靶它的功能是产生X射线，按阳极的结构分有固定式和旋转式两种类型。· 1）固定式旋转阳极特殊X射线管－栅控X射线管软X射线管二、X射线的产生 在X射线管中，从阴极发射的热电子，经阴、阳两极间的电场加速后，（加上管电压后）电子的速度已非常高。如在l00kV 管电压下，当电子抵达靶时，速度可达0．55c(c 为光速＝3X108M/S 真空条件)。此高速电子与靶物质相互作用能量损失，速度骤减。一般情况下，电子在失去它的全部能量前要经受很多次同靶原子的碰撞，其能量损失分为碰撞损失(collisionloss) 和辐射损失(radiationloss) 两种情况。碰撞损失只涉及高速电子与外层电子的作用，碰撞损失的能量将全部转化为热能。而辐射损失则涉及高速电子与内层电子和原子核的作用。因此我们可以说：凡属电子与原子核的外层电子作用而损失的能量统称为碰撞损失。当高速电子与原子核的内层电子或原子核相互作用而损失的能量统称为辐射损失。通过辐射损失的能量，大部分是以X射线的形式辐射出去，它不足电子总能量的1％。1 、连续X射线（轫致辐射）产生的物理过程轫致辐射是辐射损失的一种：原理：经典的电磁学理论指出：当一个带电体在外电场中速度变化时，带电体将向外辐射电磁波。高速电子进入到原子核附近的强电场区域，然后飞离强电场区域从而完成一次电子与原子核的相互作用时，电子的速度大小和方向必然发生变化，电子将向外辐射电磁波而损失能量ΔE ，电磁波的频率由ΔE ＝hν确定。电子的这种能量辐射叫轫致辐射(bremsstrahlung) ，这种辐射所产生的能量为hv 的电磁波称为光子。由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用对应的辐射损失也不同，因而发出的X光子频率也互不相同，大量的X光子组成了具有频率连续的X光谱。如图所示：由上图看出，连续谱的X射线强度是随波长的变化而连续变化的。每条曲线都有一个峰值；曲线在波长增加的方向上都无限延展，但强度越来越弱。在波长减小的方向上，曲线都存在一个称为短波极限波长入min 的极限值。随着管压的升高，辐射强度均相应地增强。同时，各曲线所对应的强度峰值和短波极限的位置均向短波方向移动。短波极限波长入min 对应的X光子能量最大。2、标识X射线产生的物理过程在X射线谱中，除连续X射线谱外，还有几个特别的波长，其射线强度非常大，相对于连续X射线，称为标识X射线，如图所示，钼在35kV 时激发的X射线谱，波长在0．063nm 和0．071nm 附近，强度有两次突变，为平均强度的许多倍。对于其它靶元素产生的X光谱中也有类似的现象。标识X射线原子物理学理论原子是由原子核及核外电子组成。多电子原子的核外电子分壳层围绕原子核运动，每层的每一个电子与原子核之间，存在着大小不同的结合能。越靠近原子核的电子，其结合能越大，电子所处的定态能级就越低；相反，离原子核较远的外壳层电子，由于内层电子的屏蔽作用，外层电子与原子核之间的结合能就比较小，相应所处的定态能级就比内层电子高的多。在连续X射线产生的过程中，当在X射线管的管电压U下加速的电子具有能量eU 大于内层电子的结合能时，就有一定的概率发生标识X射线的辐射损失，即高速电子将内层电子打出(离开原子)使之成为自由电子(称光电子)，使原子内电子层出现空位。这样，按能量分布最低的原则，处于高能态的外壳层电子必然要向内壳层跃迁填补内壳层电子空位，在跃迁过程中必定放出多余的能量，这个能量以X射线辐射的形式表现出来，即高速电子把原子核外内层电子击出的过程中伴随的标识X射线的电磁辐射，称标识辐射(characteristis X-radiation) 。产生标识X射线的最低激发电压U必须满足的关系：eU≥W 式中W为脱出能。当eU=W 时,U= W/e 为最低激发电压，不同的激发电压产生的标识X射线量占总的X射线量的比率是不同的。例如，对于钨靶X射线管，当管电压低69.30kV 时不能产生K系标识辐射，必须在80 ～150kV 时才产生K系标识辐射，且K系标识辐射占X射线辐射总量的10 ％～18 ％。应指出，对于给定的靶原子，各线系的最低激发电压大小按其相应的电子空位所产生的壳层内电子结合能大小顺序排列，即UK>UL>UM ，壳层越接近原子核，最低激发电压越大。因此，在产生K系标识X射线的同时必定伴随其它各系的激发和辐射，但由于L、M、N等各系的光子能量小、辐射强度弱，通常被X射线管的管壁所吸收而不能射出，所以在大多数元素的X射线谱中只有该元素的K系标识谱线。至于利用标识谱线的单色性也是利用标识X射线，它的频率非常稳定，对应每一种靶物质，都存在一个产生标识X射线的适宜管电压。三、X射线管的焦点及焦点的性能参量 1 、实际焦点灯丝发射的电子，经聚焦加速后，投射在阳极靶上的面积称为实际焦点。2 、有效焦点X 射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线方向上投影的面积，即X射线照射在胶片上的有效面积，称为有效焦点(目视焦点)。两个焦点及其关系如图所示。 上图中θ为靶角靶角越小，有效焦点的长度越小，即有效焦点的面积也越小。实际焦点的大小直接影响X射线管的散热和影像的清晰度。面积越大，对散热越有利。实际焦点越大，有效焦点的面积也将增大，必然引起在胶片上所成影像的清晰度。若用缩短灯丝长度或减小θ角来缩小有效焦点，必然影响实际焦点缩小，单位面积上的电子密度增加，实际焦点的温度快速上升，使阳极将不能承受较大的功率。因此两方面的情况都要考虑到，实际中适当选择阳极的倾角，大约取在14 。－19 。左右较好。2、X射线管焦点性能参量(1)X 射线管焦点方位特性：在X射线管的管轴垂直方向上投影得到有效焦点，实际上投影的方位不同，有效焦点的尺寸也不一样，见上图所示：一般是越靠向X射线管阴极方向所得到的焦点越大，而越靠向X射线管阳极方向所得焦点越小，这一特性被称为焦点的方位特性。(2) 焦点的X线量分布X射线的量包括两层含义，一是指X射线的X光子数目，二是指每个X光子的平均能量。因此X射线的量就是X射线能量在某一时间内的积累，单位时间的X射线的量就是X射线的强度。在X射线管中，