1、贵州师范学院物理与电子科学学院论文 键入文字 键入文字1 0摘 要x 射线的穿透能力极强，由于人体不同的组织对 x 射线的吸收程度不同，均匀的 x 线速穿透人体组织后，其不均匀的分布其实就是人体组织的投影。把这种成像技术应用在医学上，就可以得到病灶的位置信息。文章简单介绍了 x射线技术自被发现以来的发展史和 x 射线成像的原理，以及现在 x 射线在医学上的诊断、治疗和层析摄影治疗，以后 x 射线技术在医学上的应用将会无处不在。关键字：诊断；治疗；层析摄影治疗ABSTRACTstrong x-ray penetration, the different levels of different b
2、ody 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 principle
3、 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射线在生物医学上的应用1.绪论1.1 x射线技术在医学上应用的研究背景X 射线自19世纪被伦琴
4、在实验室发现以来，半个世纪后，发展了超声波成像、放射性同位素成像、核磁共振成像等， 因为 X 射线具有强大的穿透能力，能够透过人体显示骨骼和薄金属中的缺陷，在医疗和金属检测上有重大的应用价值，因此引起了人们极大的兴趣。许多国家都竞相开展类似的试验。一股热潮席卷 欧 美 ， 盛 况 空 前 。X 射 线 迅 速 被 医 学 界 广 泛 利 用 ， 成 为 透 视 人 体 、 检 查 伤 病 的有力工具，后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。贵州师范学院物理与电子科学学院论1 1放射医学是医学的一个专门领域，它使用放射线照相术和其他技术产生诊断图像，这可能是 X 射线技术应用最广
5、泛的地方。X 射线的用途主要是探测骨骼的病变，但对于探测软组织的病变也相当有用。常见的例子有胸腔 X 射线，用来诊断肺部疾病，如肺炎、肺癌或肺气肿；而腹腔 X 射线则用来检测肠道梗塞，自由气体（free air，由于内脏穿孔）及自由液体（free fluid） 。某些情况下，使用 X 射线诊断还存在争议，例如结石（对 X 射线几乎没有阻挡效应）或肾结石（一般可见，但并不总是可见） 。因此在医学领域、工业领域、研究领域等各方面都有广泛应用，就 X 射线衍射来说,它对近代科学(物理、化学、材料学、生物学等等)和近代技术的发展都产生了很大的影响,了解 X 射线的性质以及产生原理，对我们的生活、学习、
6、生产等各方面有促进作用。1.2 x射线技术在医学上的应用的研究意义随着社会的发展及科学技术的进步，生命科学越来越引起人们的关注，人类对于自身的奥妙探索的需求不断增强。在这样的趋势下，人们对 X 射线影像设备的成像质量要求越来越高，同时还要求尽可能的减少 X 射线的照射量，这就迫使 X 射线技术不断发展。数字化医学影像的发展与应用，已经成为现代医院诊断必不可少的设备。X 射线作为其中最普及的设备，为疾病的诊断与治疗提供了有力的保证。自从 X 射线被发现以来，经过不断的发展，现今已有各种各样的 X 射线机为人们服务。X 射线本身对人体也有一定的损伤，所以，进行 X 射线检查应注意安全。传统 X 射
7、线影像设备在临床的应用范围很广，常用于骨与关节的疾病。胃肠疾病和呼吸系统疾病的诊断，用不同的 X 射线对人体病灶部位的细胞进行照射时，使被照射的细胞组织受到破坏或抑制，从而达到对某些疾病，特别是肿瘤的治疗。在现代医学中，X 射线在医学上的应用无处不显示着它的重要性。像 CT、核磁共振、介入放射等这些人们并不陌生的放射性检查，不断用于临床医学，极大地提高了疾病的诊断率。他们每天担负的工作就是通过 X 射线这双穿透的“法眼”来检查病人体内的各种异常。目前，普通人在生活中所能接触到的电离辐射主要来自医疗辐射，这其中 X 线检查所释放的辐射，是非专业人员可能接触到的电2离辐射的主要来源。孕妇需要重点防
8、辐射，尤其是电离辐射，原因是电离辐射能量大，能使人体分子产生电离，可能对还未发育成形的胎儿的细胞造成伤害，引起死胎或畸形。电离辐射对人体，尤其是对胎儿的伤害的实例可以参考曾在二战中遭受核弹袭击的日本广岛和长崎两地居民的状况。这两个地方在美国投下原子弹之后出现的胎儿畸形情况最为骇人听闻，该地区儿童患白血病的病例大增，就是辐射伤害健康的证明。当然，核爆炸的辐射危害远远高于医疗用的 X 射线辐射，不过两者对孕妇腹中胎儿的伤害原理类似。X 线是一种波长很短，穿透能力很强的电磁波，如果被 X 线照射过多，就可能产生放射反应，甚至受到一定程度的放射损害。用于医疗诊断的 X 线射照射剂量有严格控制，一般影响
9、极小。但是，对准妈妈来说，如果在怀孕期间，尤其是怀孕早期受 X 光照射，万一超过胎儿的承受极限，则可能会导致胚胎死亡、胎儿畸形、脑部发育不良，及增加日后患癌症的几率等风险2.x射线的发展及性质2.1x射线的发展史X 射线（X-ray）是由德国实验物理学家伦琴发现的波长非常短，频率很高的一种电磁波，又叫做艾克斯射线、伦琴射线或 X 光，X射线，波长范围在 0.01 纳米到 10 纳米之间（对应频率范围 30 PHz到 30EHz） ，具有波粒二象性，X 射线是 19 世纪末 20 世纪初物理学的三大发现（X 射线 1895 年、放射线 1896 年、电子 1897 年）之一，是由于原子在能量相差
10、悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。产生X 射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能会以光子形式放出，形成 X 光光谱的连续部分，称之为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在 0.1 纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了 X 光谱中的特征线。X 射线最初用贵州师范学院物理与电子科学学院论1 3于医学成像诊断和 X 射线结晶学。X 射线也是游离辐射等这一类对人体有危害的射线。后 X 射线被应用
11、于临床医学，首先是用于诊断骨折和异物，其后逐步应用于人体各部的诊断检查。X 射线是波长范围在 0.01 纳米到 10 纳米之间（对应频率范围30PHz 到 30EHz） ）的电磁波，具波粒二象性。电磁波的能量以光子(波包)的形式传递。当 X 射线光子与原子撞击，原子可以吸收其能量，原子中电子可跃迁至较高电子轨态，单一光子能量足够高(大于其电子之电离能)时可以电离此原子。一般来说，较大之原子有较大机会吸收 X 射线光子。人体软组织由较细之原子组成而骨头含较多钙离子，所以骨头较软组织吸引较多 X 射线。故此，X 射线可以用作检查人体结构。自伦琴发现 X 射线后，许多物理学家都在积极地研究和探索，1
12、905年和1909年，巴克拉曾先后发现 X 射线的偏振现象，但对 X 射线究竟是一种电磁波还是微粒辐射，仍不清楚。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，发表了X 射线的干涉现象一文。劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，当时老布拉格（WHBragg）已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格（WLBragg）则刚从剑桥大学毕业，在卡文迪许实验室。由于都是X 射线微粒论者，两人都试图用 X 射线的微粒理论来解释劳厄的照片，但他们的尝试未能取得成功。年轻的小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实验事实。他以更简洁的方
13、式，清楚地解释了X 射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：nX=Zdsino 这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性，更重要的是证明了能够用 X 射线来获取关于晶体结构的信息。 1912年11月，年仅22岁的小布位格以晶体对短波长电磁波衍射为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台 X 射线分光计，并利用这台仪器，发现了特征X 射线。小布拉格在用特征 X 射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后，与其父亲合作，成功地测定出了金刚石的晶体结构，并用劳厄法进行了验证。金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。
14、这对尚处于新生阶段的 X 射线晶体学来说是一个非常重要的事件，它充分显4示了 X 射线衍射用于分析晶体结构的有效性，使其开始为物理学家和化学家普遍接受。2.2 x射线的性质2.2.1X射线的主要特点（1）特征频率值高X 射线的特征是波长非常短，频率很高，其波长约为（200.06）10-8厘米之间。因此 X 射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以 X 射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X 射线在电场磁场中不偏转。这说明 X 射线是不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象。（2）辐射同步X 射线谱由连续谱和标识谱两部
15、分组成 ，标识谱重叠在连续谱背景上，连续谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的 轫致辐射，其短波极限 0 由加速电压 V 决定： 0 = hc /( ev ) h 为普朗克常数， e 为电子电量， c 为真空中的光速。标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素内层电子的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构。同步辐射源可产生高强度的连续谱 X 射线，现已成为重要的 X 射线源。（3）穿透力强X 射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的 X 射线能量
16、越大，叫做硬 X 射线，波长长的 X 射线能量较低，称为软 X 射线。当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出 X 射线，这就是 X 射线管的结构原理。2.2.2X射线的基本效应：（1）穿透作用X 射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与 X 射线光子的能量有关，X 射线的波长越短，贵州师范学院物理与电子科学学院论1 5光子的能量越大，穿透力越强。X 射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。（2）电离作用物质受 X 射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电
17、离。利用电离电荷的多少可测定 X 射线的照射量，根据这个原理制成了X 射线测量仪器。在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。（3）荧光作用X 射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，可使物质发生荧光（可见光或紫外线） ，荧光的强弱与 X 射线量成正比。这种作用是 X 射线应用于透视的基础，利用这种荧光作用可制成荧光屏，用作透视时观察 X 射线通过人体组织的影像，也可制成增感屏，用作摄影时增强胶片的感光量。2.2.3化学效应（1）感光作用X 射线同可见光一样能使胶片感光。胶片感光的强弱与 X 射线量成正比，当 X
18、 射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对 X射线量的吸收不同，胶片上所获得的感光度不同，从而获得 X 射线的影像。（2）着色作用X 射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，可使其结晶体脱水而改变颜色。（3）生物效应X 射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞，对 X 射线有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，特别是肿瘤的治疗。在利用 X 射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等射线伤害的问题，在应用 X 射线的同时，也应注意其对正常机体的伤害，注意采取防护措施。2
19、.2.4X射线的主要分类6（1）辐射分类如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一定限度时，只发射连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射，连续光谱的性质和靶材料无关。一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射，特征光谱和靶材料有关。（2）波长分类X 射线波长略大于0.5 nm 的被称作软 X 射线。波长短于0.1纳米的叫做硬 X 射线。硬 X 射线与波长长的（低能量）伽马射线范围重叠，二者的区别在于辐射源，而不是波长：X 射线光子产生于高能电子加速，伽马射线则来源于原子核衰变。研究 X 射线的性质时，还发现 X 射线具有标识谱线，其波长有特定值，和 X 射线管阳极元素的原
20、子内层电子的状态有关，由此可以确定原子序数，并了解原子内层电子的分布情况。此外，X 射线的性质也为波粒二象性提供了重要证据。X 射线是波长很短的电磁波，具有波动性，只要 x 射线的波长与晶体中原子的间距具有相同的数量级，那么当用 x 射线照射晶体时就应能观察到干涉现象。X 射线具有粒子性，x 射线在空间传播时，可以看成是大量以光速运动的粒子流，这些粒子流称为量子或光子。每个光子的动量为：hvpmc每个光子的能量为： hcEv3.x射线成像3.1x射线成像装置x 射线在医学上最早和最重要的应用是使医生能观察到人体内部结构，这为医生诊断提供了重要信息，目前，x 射线图像在医院贵州师范学院物理与电子
21、科学学院论1 7的图像中占了 80%，产生 x 射线图像的 x 光机由于操作简单、费用低的优点，因此成为临床诊断中主要成像设备。100 年来，x 射线成像技术有不少的发展，包括使用影像增强管、增感屏、旋转阳极 x 射线管及断层摄影等。微电子技术的发展和某些器件的改进，使新颖的 x 射线成像装置不断问世。如 x 射线数字减影血管造影系统（DSA）,它可以减除其他图像背景，清晰的现实感兴趣的血管图像，又如数字摄影机 （CR）,采用涂有荧光体微结晶平板（影像板） ，来替代胶片，x 射线照射后会产生潜象，然后用激光激励，经采样后得到数字图像。影像板用均匀光照射后可消除潜象，因而可重复使用 1000 次
22、，成为无胶片射线机。4.x射线技术在医学上的应用4.1诊断4.1.1透视和拍片X 射线在医学影像诊断中的基本应用：拍片和透视拍片检查时 x 射线受到被检体的吸收和散射，穿过被检体的 x射线经处理后投射至胶片上，经显影处理后成为可见影像。拍片的优点：对比度和清晰度较好，能将影像永久性存留，所需 x 射线剂量小。缺点：不能立即看检查结果，不能观察器官的活动现象，投照一次只能显示一个部位。透射检查时，患者被置于 x 射线管与荧光屏（影像增强器）之间，x 射线透过的影像呈现在荧光屏或监视器上，由医生及时观察分析。透视的优点是检查范围广，可移动患者，从不同角度观察，能动态观察器官的活动，例如心脏脉搏、胃
23、肠蠕动和膈肌运动等。缺点是透视时对病变的影像不能记录下来，不利于对病变的复查和对比；透视的影响不太清晰，对细小的病灶和细微的结构不易观察；x 射线剂量大，若长时间透视对身体有一定的损害。4.1.2XCT检查X-CT 层析成像是用 X 线源和检测器围绕病人作同步旋转运动，获取大量投影信息后，经电子计算机将投影信息处理后重建图像，在经终端显示图像，图像被照相机拍摄后成为我们看到的 CT 片。8X-CT 图像排除了 X 线中组织间互相重迭而使诊断受到一定影响的缺点，显示人体断面上一薄层组织对 X 线吸收值的差别，即组织密度差的图像。它把这层组织实际上的二维密度分布显示为三位图像，所以便于观察，X-C
24、T 扫描用很细的 X 线束，减少散射对图像的质量的影响。CT 成像以断面像为主，弥补了普通 X 线像所不易得到的第三观察面，CT 成像能显示各组织间 0.5的密度差别，这使对软组织在不同造影的情况下进行观察已成为现实，CT 可以直接显示脏器的内部结构，其密度分辨率大于优于普通 X 线像。与传统的 X 线片相比 CT 图像有较高的清晰度与灵敏度，具有一定数目的像素，其分布是间断而有规则的，灰色值也是不连续的。4.2治疗X 射线在临床上的应用除诊断之外，还可用于治疗。特别是对恶性肿瘤的治疗，其历史较长，效果也不错。其治疗机制是，X 射线通过人体组织能产生电离作用、康普顿散射及生成电子对，由此可诱发
25、出一系列生物效应。研究表明，X 射线对生物组织有破坏作用，尤其是对分裂活动旺盛或正在分裂的细胞，其破坏能力更强。用于治疗的 X 射线设备有两种，即普通 X 射线治疗机和“X-刀” 。普通治疗机与常规 X 射线机的结构基本相同，只是 X 射线管采取了大焦点，常用来治疗皮肤肿瘤。 “X-刀”是利用直线加速器长生的高能X 射线和电子线作为放射源，围绕等中心作 270360 度旋转，依其垂直旋转与操作台 180 度范围内的水平旋转，在靶区形成多个非共面的聚焦照射弧，是照射先集中于某中心点上以获得最大的辐射量。“X-刀”可用于各器官、组织肿瘤的放射治疗。由于 X 射线能引起生物效应，因此人体组织受过量的
26、 X 射线照射后会引起某些疾病。4.3治疗计划如果 X 射线成功地治疗癌症，需进入到正常组织的肿块和显微结构都能接受到足够的放射剂量，以杀死癌细胞。同时，也需避免由于过度辐射，附近的正常组织，产生严重的并发症，图 a 描述的便是这些剂量间的平衡曲线。通过杀死肿块细胞，便可控制癌症的概率 P 肿块(D)。随着辐射剂量 D 而增加。可以避免由于放射损坏而引起的威胁生命的并发症的概率 P 器官（D）为 D 的递减函数，病人可在疾病和治疗中幸存的概率 P 病人（D）为：D病 人 器 官 肿 块贵州师范学院物理与电子科学学院论1 9作为辐射剂量函数的病人的幸存概率为图 a 中的曲线。如剂量少，则肿块有可
27、能复发；相反，如剂量大，治疗本身便有可能引起并发症。在这两个极端之间，内科医生设法使病人能在癌症和治疗中，都最大可能的存活下来。但如果病人在放射剂量为最佳选择的Dop 时，仍感到非常不舒服，内科医生则需选择较低剂量。在癌症治疗中，选择放射剂量的最佳值需要仔细描绘出肿块的边界。这就要求有优质的医学成像。在采用 CT 之前，主要由正交的X 射线照片结合病人的临床和手术中的资料，及这些癌症的发展的一些经验，来进行肿块的定位和治疗安排。使用平面 X 射线照片有几个缺点：很难清楚地观察肿块、且很难将 X 射线照片上的信息改录到用来拟定治疗计划的横截面平面图上。近来。CT 核磁共振成像已很大程度上克服了这
28、些困难，许多治疗中心都具备有专用来拟定治疗计划的 CT 装置。图像上不仅可以提供横截面表示的病人内部的构造。也可以精确地表示出人体轮廓，并可清楚地看到肿块和周围的正常组织。由于数据为数字化的，因而可直接的输入到安排治疗的计算机中，这样所采用的治疗计划便可直接加在 CT 图像上，于是，计划也可进入到治疗机上了。为了成功地完成这一过程，用来获取 CT 数据的集合图形需与病人下一步治疗的方案准确地对应。可由利用病人身上的基准标记而进行的激光校准来达到这一目的。于是，可用治疗模拟器进行周期性验证，以重新形成新的几何图形。医学物理学家需根据层析 X 射线摄影的输入数据和治疗计划，来密切地监测，以校准所传
29、送的放射剂量。4.4层析 X射线摄影治疗多数应用于拟定放射治疗计划的 X 扫描仪和各种外部技术，以根据治疗计划，来校准扫描仪和加速器。但许多医学物理学家都在模拟治疗的横动桥形台上，设置了 CT 扫描仪。通常这样的装置通过将检测在图像放大器屏上成像的 X 射线强度的电视摄影机的输出数字化，来汇编图像投影。虽然这些装置不能提供与诊断 CT 扫描仪相比较的分辨率，但能复制治疗几何图形，并产生可用于治疗安排的10优质的图像。CT 装置上的图像为灰度读数表示出的通过肿块的平面剖面的衰减率数值的矩阵。如可在治疗中使用的 X 射线能量来测量矩阵，则可校正在放射组织处的非均匀结构的剂量分布，且在治疗中，可检测
30、病人的定向性。几个团体已成功地研制出用兆伏治疗仪来实现这一目的的检测仪和计算机算法。现在，大多数辐射治疗中都采用了以下不同角度，集中于肿块上的多重固定放射场。因此，剂量便可集中于肿块上了，而只有少剂量传送至周围正常组织上。在许多病例中，在治疗过程中，通过不断旋转绕着病人的 X 射线加速器的横移桥形台，便可使剂量更好地分布起来，这样肿块便恒定处于光束轨迹中。但是，这样旋转光束的治疗，由于恶性肿块不是对称的，而变得复杂了。因此，放射场的尺寸随着通过肿块的光束方向的改变，而不断地加以改变。在旋转过程中，通过改变光束强度，也可进一步改善剂量分布。在美国和其他国家的几个医疗中心中，都在应用着这种称为保形
31、治疗的方法。它需要放射组织的结构的详细的三维资料。也需要对加速器，横移桥形台和病人床榻，进行精确地计算机化定位控制。在定角治疗中的巨大进步便是在单一横移桥形台中，将 CT 和兆伏治疗结合起来，这样在治疗过程中，图像便可不断地监测剂量分布。这种混合方法还是很先进的。虽然遇到了一些困难，但潜力还是很大的。贵州师范学院物理与电子科学学院论1 11参考文献1李美亚,张之翔.X 射线的发现及其对现代科学技术的影响纪念伦琴发现 X 射线 100 周年J.物理,1995,08:474-482.2舒业强.从 X 射线技术的应用研究近代物理实验改革D.湖南师范大学,2005.3郭可信.X 射线衍射的发现J.物理
32、,2003,07:427-433.4胡林彦,张庆军,沈毅.X 射线衍射分析的实验方法及其应用J.河北理工学院学报,2004,03:83-86+93.5 吴旻. X 射线衍射及应用J. 沈阳大学学报. 1995(04)6石春顺. X 射线在医学中的应用J. 光机电信息,1996,12:10-15.（标题下空一行，4 号仿宋体打印参考文献。行距 20） 参考文献应是公开出版物，按在论文中出现的先后用阿拉伯数字连续排序. 参考文献中外国人名书写时一律姓前，名后，姓用全称，名可缩写为首字母(大写)，不加缩写点(见例 2). 参考文献中作者为 3 人或少于 3 人应全部列出，3 人以上只列出前 3 人，后加“等”或“et al”(见例 3).12
