OCR A-Level 物理/场、粒子与物理学前沿/医学物理

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X 射线成像

X 射线产生

X 射线是通过将电子束射向钨靶而产生的。
电子束是通过加热灯丝产生的。这通过热电子发射释放电子。
由于从阴极到钨阳极的电场，电子被加速。阳极和阴极之间存在高电位差。
当电子撞击钨时，它们的动能转化为 X 射线辐射。
然而，只有极少量的能量转化为 X 射线。大部分能量转化为热量。热量会非常大，足以熔化具有高熔点的钨。
钨以（大约 3000 转/分钟）的速度旋转以避免过热。这使得钨的部分在不被击中时可以冷却下来。
X 射线作为准直光束离开管子，这是一个平行侧光束。这是通过准直器^{[检查拼写]}完成的，准直器是一种使光束平行侧的装置。

X 射线吸收

光电效应

X 射线光子进入原子并被电子吸收
电子从原子中弹出，在电子壳层中留下一个空位。这个空位由另一个电子填充，该电子发射一个光子。
入射光子的能量小于 100keV

电子对产生

X 射线光子进入原子的电场并产生正电子-电子对。
正电子与另一个电子湮灭。
光子能量大于 1.02MeV

康普顿散射

X 射线光子进入原子并被电子部分吸收
电子被弹出，光子被散射，强度、频率和能量降低，因此波长变长。
光子能量范围为 0.5 至 5.0 MeV

X 射线衰减

强度 - 每单位横截面积的功率

当 X 射线进入物质时，强度呈指数下降。
$I=I_{0}e^{-\mu x}$
其中 $I_{0}$ 是初始强度， $\mu$ 是衰减系数， $x$ 是材料的厚度。

半值层

半值层 - 使初始强度降低一半所需的厚度

如何推导半值层

${\frac {1}{2}}I_{0}=I_{0}e^{-\mu x_{\frac {1}{2}}}$

${\frac {1}{2}}=e^{-\mu x_{\frac {1}{2}}}$

$ln({\frac {1}{2}})=-\mu x_{\frac {1}{2}}$

$ln{1}-ln{2}=-\mu x_{\frac {1}{2}}$

$x_{\frac {1}{2}}=>{\frac {ln{2}}{\mu }}$

记住 Ln(1) 等于零

改善 X 射线图像

X 射线图像在屏幕上可能会显得相当模糊。那么如何才能改善它呢？一种选择是增加照射到患者身上的 X 射线的强度，但是这不利于患者，因为它使患者暴露于更多有害辐射。因此，增加强度并不是改善图像的好方法。

增感屏是产生更好图像的一种好方法。它们是由夹在两个增感屏之间的磷光材料制成的薄片。材料中的荧光粉在吸收 X 射线时会发出可见光。
在数字系统中，进入的 X 射线会照射到磷光屏上，磷光屏会释放电子，这些电子会被电场加速，从而撞击屏幕产生可见光，然后可以通过摄像机记录撞击屏幕，并在电视屏幕上显示。
造影剂是用于使软组织能够清晰显示的物质。之所以能做到这一点，是因为造影剂能够很好地吸收 X 射线，这是因为它们具有高原子序数，例如碘或钡。
- 您可能听说过钡餐。钡餐会被消化，可以显示患者的肠道。

CT 扫描

计算机断层扫描 (CAT 或 CT) 扫描使用 X 射线生成 3D 图像。

患者躺在 X 射线探测器的垂直环中。
X 射线管围绕患者旋转，使他们暴露于细薄的扇形 X 射线光子束中。
X 射线管对面的探测器检测 X 射线并将它们记录到计算机中。
可以查看患者的切片。
计算机软件可以构建患者的 3D 图像。

优点

可以区分衰减系数（密度）相似的组织。
无创（没有东西插入体内）。
可以生成 3D 图像。

缺点

使使用者暴露于有害辐射。

PET 扫描

正电子发射断层扫描
通过吞服或注射将称为放射性药物的示踪剂注入体内。
示踪剂是葡萄糖，在其上连接有氟-18。氟-18在衰变时会发射正电子。
人体在呼吸过程中会使用示踪剂，因此身体活跃的部分会释放出更多的正电子。
当发射正电子时，它会立即被电子湮灭。这会发出两个沿相反方向传播的伽马射线。
位于患者周围的所有探测器都会检测这两个伽马射线。
检测到伽马射线所需的时间差决定了体内活动的位置。
PET 扫描主要用于大脑。

MRI 扫描

必须使用伽马射线源，因为α粒子 β粒子会被身体吸收，而不是直接穿过。我们使用伽马相机来跟踪伽马射线发射源的运动。

伽马相机

伽马相机检测从患者体内源发射的伽马光子。一块带有数万个垂直孔的铅块（准直器）放置在靠近患者的位置，这些平行管线对准光束，因此只有沿准直器轴线传播的粒子才能穿过到达探测器，铅会吸收任何其他方向移动的光子。

穿过准直器后，伽马光子会照射到闪烁体上，闪烁体是由碘化钠制成的大晶体。碘化钠是一种荧光材料，当它吸收伽马光子时会发出许多可见光光子。

在碘化钠晶体后面是一组光电倍增管，以六边形排列。每个光电倍增管最初会为每个光子发射一个电子，这是通过光电效应实现的。这些管会放大效应以释放更多电子，从而为每个入射光光子提供一个电脉冲输出。添加更多光电倍增管可以提高图像清晰度。

优点

缺点

超声波

在医疗应用中，最常用的医疗用途频率范围为 1 到 15 MHz。

大多数女性在怀孕期间至少会接受两次超声波扫描：第一次扫描（8-14 周）可以确定胎儿的尺寸，以及宝宝的预产期。第二次扫描（通常在 18-21 周左右）检查结构异常，特别是宝宝的头或脊柱。它还可以帮助检测肾结石或胆囊中的胆结石。

超声波扫描使用声波而不是电磁辐射（如X射线）。超声波扫描有两个主要方面与其他成像技术不同：超声波会从表面反射而不是穿透它们。回声被用来检测组织和液体、组织和骨骼等之间的边界，这些边界会反射声波。并且超声波必须以脉冲的形式发射，在换能器向人体发出超声波脉冲后，会有一段暂停时间，以便接收反射回的回声。

超声波换能器和压电效应

换能器包含一个压电晶体，既充当超声波的发射器也充当接收器。通常，可听声是由物体以20 Hz到20 kHz之间的频率振动产生的。为了产生大约1 MHz频率的超声波，使用了称为压电效应的物理效应。

当某些晶体施加电势差时，它们会稍微收缩。当施加高频交流电势差时，晶体以信号的频率振动并发出超声波。由于该过程可以反向工作，因此相同的晶体也可以用作接收器。如果来自超声波的压缩波到达晶体，则会在其两端产生电势差。这可以通过电子方式放大。

声阻抗

超声波扫描依赖于超声波在材料边界处反射。如果在两种材料之间的第一个边界处所有超声波都被反射，那么将没有超声波可以被进一步的边界反射。能够从不同边界获得多次反射的关键在于反射超声波强度与透射强度之比。当材料密度发生变化时，超声波会发生反射，因此它无法穿过空气空间。

声阻抗Z用于确定在两种不同声阻抗材料的边界处反射信号强度的分数。声阻抗由以下公式定义：

Z = ρc

其中ρ是材料的密度，c是声波在材料中的速度。当超声波在边界处离开声阻抗为 $Z_{1}$ 的材料并进入声阻抗为 $Z_{2}$ 的另一种材料时，反射强度 $I_{r}$ 与入射强度 $I_{0}$ 之比的公式为：

${I_{r} \over \ I_{0}}={({Z_{2}-Z_{1}})^{2} \over \ (Z_{2}+Z_{1})^{2}}$

如果不使用耦合剂（如凝胶），那么大部分超声波会被反射，根本无法进入人体。为了获得良好的透射/反射值，需要匹配相似的阻抗，这称为**阻抗匹配**。

A型扫描

也称为振幅扫描，在电子束扫描阴极射线示波器屏幕的同时，向人体发送一个短脉冲的超声波。

换能器接收反射脉冲，并在示波器屏幕上产生垂直尖峰。水平或x轴显示回声被换能器检测到的时间，可用于计算人体中反射组织的深度或厚度。

不会产生照片，但可以从中获取测量数据以确定尺寸。

B型扫描

也称为亮度扫描，更为常见。

通过记录阵列中多个换能器接收到的许多回声，或通过移动换能器到患者周围的不同位置或角度，构建被扫描区域的实时二维或三维图像。

反射脉冲的幅度越大，每个点就越亮，因此在扫描中将显示一系列亮度，其中不同的骨骼、液体和软组织会反射不同比例的传输超声波束。

多普勒效应

多普勒效应对超声波的作用与对移动声源和光波的作用相同。 $f'={c \over \ (c-2\upsilon )}*f$

其中 $f'$ 是接收器检测到的反射脉冲的新频率， $c$ 是测速仪发射的电磁辐射的速度， $v$ 是运动物体的速度， $f$ 是发射波的频率。这意味着可以根据波频率的变化计算运动反射体的速度。

这也可以与超声波结合使用，以确定心脏或动脉中血流的速度。红细胞会反射超声波。为此，我们使用

${\Delta \ f \over \ f_{0}}={2vcos\theta \over \ c}$