毕 业 论 文

题 目：X射线的临床医学应用

作 者： 陈 彤

院 系： 理学院物理系

专 业： 物理学

班 级： 2012 本科2班

学 号： 201240997

日 期： 2016年5月

指导教师： 王 晓 燕

河北北方学院教务处

摘要

自从德国科学家伦琴在1895年发现X射线后，其在医学领域、工业领域、研究领域都发挥着举足轻重的作用。一百年来，X射线在医学领域中发挥了巨大的作用。人们通过各种方法发现了X射线的特性，主要分为三类：物理特性、化学特性、生物特性。正是由于X射线的这些特性，使X射线在医学中被广泛使用。本文主要介绍了X射线在医学诊断、医学治疗、药物分析等方面的应用，如何减少X射线的危害以及对于X射线诊断机、X光成像技术的发展进行了讨论。X射线的应用领域广泛，有着广阔的发展前景。

关键词：X射线，透视，摄影，数字减影血管造影，X-CT

Abstract

Since the German scientists Roentgen discovered x-rays in 1895, after its in medicine, industry, research areas are playing an important role. One hundred years, X-ray played a huge role in the medical field. People through various methods to find the characteristics of the X-ray, mainly divided into three categories: physical properties, chemical properties and biological characteristics. It is because of these characteristics of X-ray, X-ray is widely used in medicine. This article mainly introduced the X-ray in medical diagnosis, medical treatment, pharmaceutical analysis applications, as well as how to reduce the harm of X ray for X-ray diagnostic machine, the X-ray imaging technology development are discussed. X-ray application field widely, has broad development prospects.

Key words: X ray, perspective, photography, digital subtraction angiography, X-ray computed tomography (CT)

目录

摘要 I

Abstract II

1引言 1

2 X射线的产生 2

2.1 电子的韧制辐射 2

2.2激光等离子体光源产生X射线 2

2.3同步辐射产生X射线 2

2.3受激辐射产生X射线 2

3 X射线的特性 3

3.1物理效应 3

3.1.1穿透作用 3

3.1.2电离作用 3

3.1.3荧光作用 3

3.2化学效应 3

3.2.1感光作用 3

3.3生物效应 3

4物质对单色X射线的衰减规律 4

4.1单色X射线的衰减规律 4

4.2衰减系数与波长、原子序数的关系 4

5 X射线在临床医学中的应用 5

5.1 X射线在诊断方面的应用 5

5.1.1常规透视和摄影 5

5.1.2数字减影血管造影（DSA） 6

5.1.3 X—CT 6

5.2 X射线在治疗方面的应用 6

5.2.1治疗设备 7

5.2.2 X-刀治疗 7

5.3 X射线在药物分析方面的应用 7

5.3.1 X射线单晶衍射 7

5.3.2 X射线粉末衍射 7

6 X射线的防护 8

6.1常规透视及摄片的要求 8

6.2医护人员防护 8

6.3被检查者防护 8

7总结 9

致谢 10

参考文献 11

1引言

 在1895年，伦琴博士在研究阴极射线时发现了一种特殊的射线。他确定这是一种新的射线，便把它命名为x射线。

 X射线的发现具有很重要的意义，是19世纪末20世纪初物理学革命的开端。为自然科学和医学开辟了一条崭新的道路[1]。

X射线自被发现以来，就广泛地被应用。人们利用x射线的特性做了许多事情，尤其是在医学领域中。这足以证明了它的重要性。通过认识x射线的本质和特点，使人们清楚x射线到底是怎样为人们服务的。同时在研究的过程中，会发现x射线的其他特点，这样开拓了它的应用范围，使其在更多领域得到应用，发挥其价值造福于人类。

      当然，x射线在造福于人类的同时对人体健康也产生了一些危害，因此在使用的同时也要利用一些手段来减少危害。

      本课题的主要目的是让人们深入了解认识X射线，清楚它的一些特性以及在医学中的一些应用，清楚减少x射线危害的方法，使它未来更好地为人们服务，发挥其巨大作用。

2 X射线的产生

产生X射线的方法有多种，最常用的有电子的韧制辐射、使用激光等离子体产生X射线、由同步辐射光源和受激辐射产生X射线。

2.1 电子的韧制辐射

X射线管产生X射线的原理就是利用高速电子撞击金属靶面。在1895年伦琴发现X射线时使用的就是X射线管，它是一种充气型的。随后，科学家们相继研究X射线管，又发明了真空式X射线管、在阳极和阴极间装上栅极的X射线管、双焦式X射线管、用纳米材料制成的射线管。这些射线管都可以产生X射线，且随着研究的进步，产生方法越来越方便简单，易操作。目前医学中主要采用这种方法来获得X射线。

2.2激光等离子体光源产生X射线

此光源不但价格便宜而且操作方便，这种光源常常用于x射线显微术。产生x射线的原理是：激光脉冲打在固体靶上，使靶表面形成等离子体，然后发射x射线。用气体靶材料代替固体靶材料要更好一些。气体靶材料可以避免由于溅射而引起的损伤污染光学系统的问题。

2.3同步辐射产生X射线

同步辐射就是由加速的高能带电粒子直接辐射出X射线。由于同步辐射光源具有高强度、准直光束、连续波长、很小的光束截面积、时间脉波性与偏振性的特点，因而广泛地被人们使用[2]。

2.3受激辐射产生X射线

自X射线发现以来就被引用在各个领域，科学家们研究它的强度。X射线激光比普通的激光具有更强的穿透能力。

3 X射线的特性

3.1物理效应

3.1.1穿透作用

X射线的穿透能力与X射线的波长有关，波长越短，X光子的能量就越大，则它的贯穿本领就越大。对于不同的物质来说，它的原子序数越大，吸收本领就越强，X射线的贯穿能力就越小。在医学中的X光透视和X光摄影技术都是以X射线的贯穿本领为基础的。

3.1.2电离作用

电离作用就是X射线能够使原子或分子发生电离的现象。由于电离作用会诱发一系列的生物效应，如会损伤细胞、抑制细胞生长、严重的会导致细胞死亡。医学中把电离作用作为了治疗和损伤的基础。

3.1.3荧光作用

X射线照射到某些特殊物质时，如磷、铂、硫化锌等，会使它们的原子或分子跃迁处于激发态。当它们跃迁回到基态时，就会发出荧光。在进行X射线透视时，X射线透过人体后所成的像就呈现在荧光屏上，医生通过此影像就可以分析出受检者的具体情况。

3.2化学效应

3.2.1感光作用

当X射线照射到胶片上的溴化银时，能使银离子沉淀从而使胶片产生感光作用。人体对X射线的吸收不同，导致胶片上获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。这为X射线的摄片检查提供了条件。X射线摄影技术就是应用的这个原理。

3.3生物效应

X射线照射人体时，会诱发一系列的生物效应，会破坏细胞结构，抑制细胞的生长。因为各个生物细胞都具有各自的结构特点，所以它们对X射线的敏感度就大不相同，利用这种特性可治疗人体的某些疾病，尤其是肿瘤。经研究表明，利用X射线的生物效应来进行治疗，确实取得了可观的结果 [3]。

4物质对单色X射线的衰减规律

4.1单色X射线的衰减规律

实验表明，单色平行X射线束通过物质时，沿入射方向，X射线的强度变化服从指数衰减规律，即：

式中I0是入射X射线的强度，I是通过厚度为X的物质后的射线强度，μ称为线性衰减系数。μ越大衰减越快，μ越小衰减越慢。对于同一种物质，衰减系数μ与物质密度成正比，因此物质密度越大，则单位体积中可能与光子发生作用的原子就越多，光子被吸收或散射的概率就越大。线性衰减系数μ与密度的比值称为质量衰减系数，记作，即：

质量衰减系数用来比较各种物质对X射线的吸收本领。一种物质由液态或固态转变为气态时，密度变化很大，但值都是相同的。所以有：

4.2衰减系数与波长、原子序数的关系

对于质量衰减系数近似地适合下式：

式中k是一个常数，z是吸收物质的原子序数，是射线波长。指数通常在3~4之间，与吸收物质和射线波长有关。对于水、空气和人体组织，可取3.5。所以可以得出：原子序数越大的物质，吸收本领越大。人体肌肉组织主要由C、H、O等组成，骨骼主要成分是Ca3(PO4)2，Ca和P的原子序数比肌肉组织中任何成分的原子序数都高，因此骨骼的质量衰减系数比肌肉组织的大，在X射线照片中显示出明显的阴影。在胃肠透视时服用钡餐也是因为钡的原子序数大，吸收本领大，可以显示出肠胃阴影。波长越长的X射线，越容易被吸收。也就是说，波长越短，贯穿本领越强，越容易穿过物质。

5 X射线在临床医学中的应用

5.1 X射线在诊断方面的应用

X射线在医学诊断方面的应用，主要是以X射线的穿透作用、感光作用、差别吸收以及荧光作用为基础的。

5.1.1常规透视和摄影

常规透视和摄影的基本原理相同，只不过透视技术是把像呈现在荧光屏上，摄影技术是把像呈现在胶片上，成像的工具不同，但通过这两种方法都可以看到人体内部的组织和器官，可以检查疾病。在透视和摄影时，人变得“透明”了，这为医护人员进行人体检查提供了便利条件。

这两种方法在医学中都经常使用，但是相比较之下，X光摄影技术得到的影像更加清晰，能更加清楚明了的找到病变位置，所以这种方法更适合于精细检查。对于X光透视技术来说，它就更适合于普查了。

为了解决X光摄影时乳胶吸收X射线量不足的问题，人们研制出了一种工具——增感屏。在进行X光摄影时，在底片前后各放一个增感屏，这样就大大增加了胶片吸收的X射线量，这个问题不仅解决了，而且对于病人来说，也减少了X射线的照射量，减少了X射线对人体的伤害。

由于人体各部对X射线吸收不同，在对软组织进行摄影时，要选用较软的X射线。如果选择硬X射线，它的能量非常大，穿透能力特别强，摄影时也就不能区分不同组织了。现在医院使用的钼靶X射线管可以产生较软的X射线，用于对乳腺摄影时，取得了很好的效果。

对于人体某些器官来说，在使用X光透视或X光摄影时，不能在荧光屏或胶片上显示出来，因为这些器官和组织对X射线的吸收差不多，所以人们又研制出了一种物质——造影剂，它的衰减系数较大或较小，用来增加和组织的对比。例如，在进行消化道检查时，让受检者吞服“钡餐”（硫酸钡），再进行X光透视或X光摄影时，就能把器官显示出来了。在进行关节检查时，在关节处注入空气，再进行检查，也能更好地把关节周围的结构显示出来[4]。

5.1.2数字减影血管造影（DSA）

数字减影血管造影(DSA)是通过电子计算机进行辅助成像的血管造影方法，它是应用计算机程序进行两次成像完成的。在注入造影剂之前，首先进行第一次成像，并用计算机将图像转换成数字信号储存起来。注入造影剂后，再次成像并转换成数字信号。两次数字相减，消除相同的信号，得知一个只有造影剂的血管图像。这种图像较以往所用的常规脑血管造影所显示的图像，更清晰和直观，一些精细的血管结构亦能显示出来。

DSA不但能清楚地显示颈内动脉、颅内大血管及大脑半球的血管图像，还可测定动脉的血流量，所以，被广泛应用于脑血管病检查，特别是对于动脉瘤、动静脉畸形等定性定位诊断，更是最佳的诊断手段。另外，对于缺血性脑血管病，也有较高的诊断价值。DSA可清楚地显示动脉管腔狭窄、闭塞、侧支循环建立情况等，对于脑出血可进一步查明导致出血的病因。

对于心血管造影常用的方法是同步辐射双色数字减影术。造影剂对X光的吸收有一个k吸收边（33.16kev），此处衰减系数变得很大，而骨骼和肌肉没有这种现象。在短时间内用两种波长的同步辐射X射线进行两次造影，一次使用的光子能量略低于k吸收边，此时碘的衰减系数较小。第二次使用的光子能量略高于k吸收边，此时碘的衰减系数较大。两次图像信号转变成数字信号后，两次数字相减，就把骨骼和肌肉的影像除去了，从而获得清楚的血管影像。

5.1.3 X—CT

CT的全称是“计算机断层摄影系统”。它是采取很细的X射线束高度准直以后，围绕身体某一部位，从多个方向做横断层扫描，用灵敏的探测器接收吸收透过的X射线，利用计算机计算出该层面各点的X射线吸收系数值，再由图像显示器，将不同的数据用不同的灰度等级显示出来，从而为疾病诊断提供可供参考的重要依据。

CT与X线图像相比，CT的密度分辨力高，即有高的密度分辨力。因此，人体软组织的密度差别虽小，吸收系数虽多接近于水，也能形成对比而成像。这是CT的突出优点。所以，CT可以更好地显示由软组织构成的器官，如脑、脊髓、肺、肝、胆、胰以及盆部器官等，并在良好的解剖图像背景上显示出病变的影像。

CT检查对中枢神经系统疾病的诊断价值较高，应用普遍。对颅内肿瘤、寄生虫病、外伤性血肿与脑损伤、脑梗塞与脑出血等病诊断效果好，诊断较为可靠。

5.2 X射线在治疗方面的应用

除诊断之外，X射线还可以用于治疗，尤其是对恶性肿瘤的治疗。

5.2.1治疗设备

普通X射线治疗机、电子直线加速器和“X-刀”是用来进行X射线治疗的三种设备。

5.2.2 X-刀治疗

X-刀是一种用于放射治疗的设备。X射线在照射时能够精确的按照肿瘤的形状照射，使肿瘤组织凸显出来并与正常的组织形成整齐的边缘，很容易进行切除。

      X-刀以高能X射线和电子线为放射源，将X射线集中照射在肿瘤病灶上消灭肿瘤细胞。就像是用放大镜将太阳光聚焦到火柴头能使火柴头燃烧一样，X刀就是将高剂量的X射线聚焦到肿瘤上来治疗肿瘤。其优点是：既提高了肿瘤的治疗效果，又保护了重要的正常组织和器官。

5.3 X射线在药物分析方面的应用

在中草药的研究工作中，利用X光衍射来分析中草药的有效成分的结构，寻求代用品以及在保护自然环境方面，X射线都发挥了重大作用。

5.3.1 X射线单晶衍射

应用单晶X射线衍射来分析药物结构时，只需要一个单晶体，就可以完成测定。例如在研究紫杉醇及紫杉醇的化合物时，要从植物中提取，而且提取量很少，此时就要应用单晶X射线来分析药物结构。

自然界中存在着许多不为人知的化合物结构，要探究这些化合物的结构都要通过单晶X衍射来分析。例如在分析研究龙胆草的根茎时，意外地发现了六种新的不为人知的晶体结构，这为人们进一步研究提供了更好的依据，使人们更好地利用此种药物。

5.3.2 X射线粉末衍射

每种药物都有自己的纯度，纯度包括化学纯度和晶型纯度。粉末X射线衍射就可以来鉴别药物的纯度。通过X射线衍射分析得出图像，然后就可以根据图像来计算药物的纯度，根据计算结果就可以知道该药品是否质量达标。

利用粉末X射线衍射技术还可以鉴定中药真伪。中药中含有很多的化学成分，目前都没有一套完整技术可以检测它的所有成分，因此导致中药无法走向全世界，这也制约了中药的发展。应用粉末X射线衍射技术可以在微观世界中再现中药整体结构特征。

6 X射线的防护

由于X射线的生物效应，在利用时会产生一些危害，比如：会使病人脱发，严重的造成皮肤烧伤，对于工作人员来说，可能会得白血病，视力问题等。所以为了减轻伤害，必须采取有效的防护措施。

6.1常规透视及摄片的要求

对病人的胸透和腹透要在较短时间内完成，一般为三到五分钟完成。并且辐射剂量也要控制在要求范围内，决不能超过要求的剂量。按照正确方法及要求操作，就不会对医护人员及病人造成伤害了。

6.2医护人员防护

对于从事X射线的医护人员来说，虽然有完善的防护措施，但因为长时间接触，也要在人体可以接受的摄入范围内工作，否则就会对其造成伤害。所以要定期对各种防护设备进行检查，定期更换，要根据国家有关放射防护的规定制定完善的措施，按要求正确的进行X射线的检查，佩戴各种防护用具，加强自我保护意识。

6.3被检查者防护

确保被检查者的安全，对被检查者的防护，是防护工作的首要任务。

人体吸收X射线的剂量与距离有关，越接近X射线管口，吸收的越多。所以在做胸透或腹透时要与管口保持一定距离。医护人员要运用恰当的方法，正确的检查过程，避免不必要的X射线曝射，同时，曝射次数不能过多也不要在短时间内重复检查[4]。

7总结

本文主要介绍了X射线的发现，X射线的产生，基本性质以及在医学中的主要应用。通过对这个题目的研究，要明确X射线在当今世界和当代科学中的重要地位和应用前景，了解如何去研究物理课题。当然，本文重点介绍的是X射线的性质、X射线在临床医学中的应用、以及X射线的防护，但是X射线在工业领域以及研究领域也发挥了重要作用。比如X射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。在地质研究中采用自由电子激光器的X射线全息照相术使全息技术走上了新的台阶。总而言之，X射线的应用领域非常广泛，而且有着广阔的应用前景[5]。

致谢

对于本次的毕业设计，我要感谢的人很多。能够顺利完成论文的写作，我由衷的感谢王晓燕老师的耐心指导、严格要求和督促建议，每当我有不懂得地方或者思路不清晰，老师都会认真帮我解答，对于论文的设计方向，构思以及论文模板，王老师都给了我悉心地指导与帮助，一遍一遍地帮我批改，不厌其烦。王老师学识渊博，精益求精，是我学习的榜样。能够跟着王晓燕老师学习我感到十分荣幸。

然后我要感谢四年来所有帮助我的老师，无论在生活中还是学习中，尤其是我们的导员王老师，也许这四年给您添了不少麻烦，在这里我要向您致以衷心的感谢。能够顺利地走完这四年的时光，您给予了我很多帮助与鼓励，谢谢您！

最后我要感恩千里之外的父母。因为有你们的期盼，我才有学习努力的动力。二十多年来，你们不仅养育呵护我的身心，提供我日常生活中的衣食，甚至还在学习知识的道路上给予了我无穷的支持。你们无私的爱使我在求学的道路上更加坚定了信念，感谢一路有你们的陪伴。谢谢你们这么多年的不辞辛苦，无怨无悔，在我成功时陪我分享成功的喜悦，在我失败难过时，给予我鼓励，让我不要灰心，不要轻言放弃，作为您们的女儿，我感到很开心，您们辛苦啦！在以后的岁月里我会继续努力，不辜负你们对我的期望，在未来让你们感受到健康快乐就是我最大的心愿。

参考文献

[1]Sarton，李醒民. X射线的发现[J]. 世界科学. 1995(6):36-38.

[2]苑红霞. X射线的发现及其早期研究的历史回顾[D]. 首都师范大学, 2003.

[3]郭艳莉.X射线在医学影像临床诊断中的应用价值[J]. 中国药物经济学. 2015(04).

[4]杨莹，张学军. X射线在医学诊断领域的应用机理[J]. 真空电子技术. 2015(01)：20-23.

[5]覃志英，谢萍.医用X射线诊断机的应用及其研究进展[J]. 广西医学. 2007,29(12):1896-1899.

陈彤-x射线在临床医学的应用