X 光 相 關 技 術 X-ray 彭 旭 霞 助 理 教 授 國 立 清 華 大 學 生 醫 工 程 與 環 境 科 學 系 1
之 前 很 夯 的 話 題? 日 本 核 輻 射? 劑 量? 水 果 日 報 天 然 背 景 輻 射 - 來 源 : 宇 宙 射 線, 環 境 中 的 岩 石 - 年 吸 收 劑 量 : 2 msv ( 毫 西 弗 ) 2
之 前 很 夯 的 話 題 註 : 以 下 都 是 概 括 參 考 值 X-ray - 胸 部 (chest) X-ray: 0.02 msv - 頭 部 (skull) X-ray: 0.03 msv - 腹 部 (KUB) X-ray: 0.7 msv - 乳 房 攝 影 (Mammography): 0.7 msv - 大 腸 鋇 劑 攝 影 : 7 msv 電 腦 斷 層 - 胸 部 CT: 6~8 msv - 腹 部 CT: 8~10 msv 天 然 背 景 年 吸 收 劑 量 2 msv 3
Contents X-ray - plain film ( 一 般 X-ray 影 像 ) - mammography ( 乳 房 攝 影 ) - fluoroscopy ( 螢 光 透 視 影 像 ) - Angiography ( 血 管 攝 影 ) 4
什 麼 是 X 光? 波 長 : 0.01~10 nm 5
什 麼 是 X 光? X : 表 示 未 知 極 短 波 長 的 電 磁 波 (~ angstrom) - 1 angstrom = 1.0 10-10 m Angstrom (Å) : 大 約 原 子 大 小 等 級 6
X 光 的 發 現 侖 琴 (Wilhelm Conrad Röntgen): 1895 - 肉 體 透 明 但 骨 骼 不 透 明 - 首 座 諾 貝 爾 物 理 獎 得 主 (1901) 侖 琴 (1845-1923) 侖 琴 夫 人 的 手 7
為 什 麼 可 以 穿 透 多 種 物 質? 在 angstrom (Å) 尺 度 等 級 下, 物 質 的 大 部 分 是 空 的 原 子 = 原 子 核 + 環 繞 電 子 X-ray 大 部 分 都 會 穿 透, 除 非 與 物 質 作 用 8
簡 單 的 原 子 模 型 : NaCl ( 氯 化 鈉 ) Na Cl 物 質 " 的 大 部 分 都 是 空 的 9
為 什 麼 骨 骼 不 透 明? 人 體 組 織 成 分 : H C O 骨 骼 : P Ca ( 高 原 子 序 ) 原 子 序 高 : 電 子 多, 與 X 光 作 用 機 會 大, 因 此 X 光 穿 透 較 少 10
如 何 產 生 X 光? 煞 車 效 應 (Bremsstrahlung): Braking radiation - 只 要 使 高 速 電 子 瞬 間 減 速 即 可 - 動 能 損 失 以 電 磁 波 形 式 釋 出 特 性 輻 射 (characteristic radiation) 11
煞 車 效 應 (Bremsstrahlung) 由 原 子 核 正 電 吸 引 力 產 生, 能 量 損 失 以 輻 射 方 式 放 出 12
煞 車 效 應 的 X 光 頻 譜 (continuous spectrum) 能 量 稍 低 的 X 光 => 產 生 機 率 較 多 13
如 何 產 生 X 光? 煞 車 效 應 (Bremsstrahlung): Braking radiation - 只 要 使 高 速 電 子 瞬 間 減 速 即 可 - 動 能 損 失 以 電 磁 波 形 式 釋 出 特 性 輻 射 (characteristic radiation) 14
特 性 輻 射 (Characteristic radiation) - - M - L - - - - - K - - - h - - Zero N M L K L-lines Tungsten ( 74 W) K-lines E [kev] 0.5 3 K K K 11 70 通 過 加 大 加 速 電 壓 => 增 大 電 子 攜 帶 的 能 量 => 將 金 屬 原 子 的 內 層 電 子 撞 出 => 外 層 電 子 躍 遷 回 內 層 填 補 空 穴 => 產 生 固 定 能 量 的 X 光 15
Energy spectrum of X-ray 皆 可 為 醫 學 放 射 影 像 的 訊 號 來 源 16
典 型 X 光 影 像 胸 部 X 光 腹 部 X 光 ( 對 比 劑 ) 人 工 植 入 物 對 照 侖 琴 夫 人 的 手, 哪 裡 不 同? 17
如 何 產 生 X 光? 只 要 使 高 速 電 子 瞬 間 減 速 即 可 電 子 ( 陰 極 ) 撞 擊 金 屬 靶 ( 陽 極 ) 產 生 X 光 - 庫 侖 力 越 大, 煞 車 效 應 越 明 顯 - 重 金 屬 ( 白 金 鎢 ) 撞 擊 靶 不 一 定 需 要 游 離 氣 體 (Crookes tube) - 熱 陰 極 管 (Hot cathode tube) 18
如 何 產 生 X 光? x-ray tube: generates x rays primary radiation: strike the screen phosphor Film: exposed by phosphorous light 19
熱 陰 極 管 高 倍 真 空 管 高 壓 加 速 熱 電 子 - WD Coolidge (1913) - 陰 陽 極 之 間 電 位 差 增 加, 電 子 束 電 流 立 刻 達 到 最 大 值, 不 再 更 動 - 陰 極 溫 度 增 加, 熱 電 子 釋 出 亦 增 加 -X 光 能 量 與 強 度 的 獨 立 控 制 仍 舊 是 今 日 臨 床 儀 器 所 採 用 的 架 構 20
Hot Cathode X-ray Tube 21
產 生 效 能 並 不 高 電 子 動 能 轉 換 為 X 光 : < 1% 其 餘 由 熱 能 方 式 釋 出 - Target melts! - 選 擇 高 熔 點 金 屬 : 鎢 22
進 一 步 改 進 X 光 管 散 熱 : Copper mounting 陽 極 角 度 (anode angle) - Effective focal spot size 旋 轉 式 撞 擊 靶 - > 3000 rpm 23
銅 質 導 熱 與 Anode angle 現 今 固 定 靶 X 光 管 結 構 24
Anode Angle & Effective Focal Spot 大 角 度 : 視 野 寬 小 視 野 : 高 度 聚 焦 25
旋 轉 撞 擊 靶 的 結 構 26
今 日 常 見 的 X 光 管 旋 轉 陽 極 靶 陰 極 管 Philips Medical System (1989) 27
如 何 產 生 X 光? Al filter: remove low-energy x rays that would not penetrate the body aperture in the collimator : restricted x rays grid: trap scattered secondary radiation 28
其 他 進 一 步 改 進 鋁 金 屬 過 濾 功 能 (filtering) - 過 低 能 量 的 X 光 很 少 到 達 偵 測 端 - 只 會 徒 增 病 人 輻 射 劑 量 準 直 儀 (collimator) 減 低 散 射 29
Collimation 原 理 減 低 X 光 的 散 射 30
如 何 控 制 X 光 成 像? X 光 穿 透 人 體 部 分 組 織 ( 軟 組 織 ), 部 分 不 穿 透 ( 骨 骼 ) 形 成 不 同 組 織 間 的 明 暗 對 比 影 像 品 質 如 何 控 制? 31
X 光 的 能 量 與 強 度 能 量 (kvp) 決 定 影 像 對 比 - 牽 涉 到 X 光 與 物 質 的 作 用 - 主 要 : 光 電 效 應 與 康 普 吞 散 射 強 度 (mas) 決 定 影 像 亮 度 與 劑 量 32
X 光 與 物 質 (ex. 體 內 組 織 ) 的 作 用 假 設 各 位 已 經 瞭 解 x-ray 如 何 產 生 X-ray 進 入 人 體 後 會 發 生 什 麼 事? - 光 電 效 應 - Compton 散 射 - Pair production 33
Photoelectric Absorption X 光 能 量 完 全 轉 移 至 內 層 電 子, 產 生 正 離 子 與 光 電 子 主 要 發 生 於 低 能 量 X 光 X 光 全 被 吸 收, 對 比 較 高 34
Photoelectric Absorption 光 電 子 低 能 量 X-ray ( 高 衰 減 ) 中 的 主 要 效 應 35
Compton 散 射 X 光 能 量 部 分 轉 移 至 外 層, 產 生 正 離 子 電 子 與 長 波 長 輻 射 主 要 發 生 於 較 高 能 量 X 光 因 產 生 散 射 X 光, 對 比 較 低 36
Compton 散 射 高 能 量 X-ray ( 低 衰 減 ) 的 主 要 效 應 37
X-ray attenuation X 光 穿 透 距 離 越 深, 衰 減 越 多 - 線 性 衰 減 係 數 (μ, linear attenuation coefficient) - I(x) = I 0 e -μx - 與 X 光 能 量 有 關 - 與 組 織 特 性 有 關 - 不 同 組 織 特 性 => 影 像 對 比 38
Intensity of X-ray at different stages 39
X 光 與 生 物 體 的 反 應 低 能 量 X 光 : 光 電 效 應 主 導 - 高 對 比 高 能 量 X 光 : 康 普 吞 效 應 主 導 - 對 比 較 低 X 光 能 量 : 由 kvp 控 制 40
影 像 比 較 :kvp 各 位 覺 得 哪 一 張 對 比 高? 各 位 覺 得 哪 一 張 對 比 好? 60 kvp 120 kvp 41
X 光 的 能 量 與 強 度 能 量 (kvp) 決 定 影 像 對 比 強 度 (mas) 決 定 影 像 亮 度 ( 同 時 也 決 定 劑 量 ) 根 據 組 織 特 性 決 定 kvp 根 據 組 織 厚 度 決 定 mas 42
Contents X-ray - plain film ( 一 般 X-ray 影 像 ) - mammography ( 乳 房 攝 影 ) - fluoroscopy ( 螢 光 透 視 影 像 ) - Angiography ( 血 管 攝 影 ) 43
乳 房 攝 影 (Mammography) 把 X 光 拿 來 做 乳 房 攝 影 - 目 的 : 軟 組 織 ( 脂 肪 ) + 微 小 鈣 化 組 織 ( 注 意 : 與 一 般 X-ray 影 像 目 的 不 同 ) kvp 愈 高 影 像 對 比 愈 低 kvp 愈 低 輻 射 劑 量 愈 高 44
乳 房 攝 影 最 佳 X 光 源 Monoenergetic source - Characteristic X-ray 17 ~ 25 kvp - Molybdenum ( 鉬 ) 作 為 撞 擊 鈀 45
回 想 : 什 麼 是 特 性 輻 射? 電 子 束 撞 擊 金 屬 靶, 踢 除 內 層 電 子 外 層 電 子 被 capture 入 內 層 位 能 損 失 以 輻 射 形 式 釋 出 能 階 固 定, 頻 譜 呈 現 不 連 續 現 象 h - - M - L - - - - - K - - - - - 46
鉬 原 子 的 特 性 輻 射 K 1 : 17.48 KeV K 2 : 17.37 KeV 非 常 適 合 K 1 : 19.61 KeV Rhodium ( 銠 ) 也 是 選 擇 之 一 47
現 在 常 見 的 Mammography 儀 器 結 構 48
Mammogram 的 演 進 1980 左 右 兩 邊 乳 房 影 像 互 相 對 照 49
Contents X-ray - plain film ( 一 般 X-ray 影 像 ) - mammography ( 乳 房 攝 影 ) - fluoroscopy ( 螢 光 透 視 影 像 ) - Angiography ( 血 管 攝 影 ) 50
Fluoroscopy ( 螢 光 透 視 攝 影 ) 以 螢 光 屏 取 代 照 相 底 片 (plain film) - 邊 照 射 邊 監 看 - 需 有 特 殊 感 光 材 質 動 態 透 視 影 像 成 為 可 能 - Real-time X-ray imaging 51
Fluoroscopy 基 本 上 還 是 X 光 原 理 只 是 臨 床 上 的 運 用 方 式 不 必 侷 限 於 傳 統 plain film 長 時 間 照 射 ( 總 劑 量 會 累 積 ),X 光 強 度 需 低 - ~200 times lower 放 大 / 立 即 顯 像 : image intensifier - 可 將 訊 號 放 大 10 5 倍 - 一 般 光 線 下 即 可 肉 眼 看 成 像 結 果 52
檢 查 方 式 可 以 變 化 多 端 Dynamic contrast uptake - X-Ray contrast agent: 高 原 子 序 分 子 化 合 物 - 提 高 放 射 線 衰 減 量 - 喝 入 鋇 劑 (barium sulfate, BaSO 4 ) - 鋇 劑 灌 腸 (enema) 不 同 解 剖 部 位 不 同 角 度 53
鋇 劑 GI (gastrointenstinal) Fluoroscopic Exams 胃 部 大 腸 54
不同角度的 Fluoroscopy 各有不同適用場合 55
Contents X-ray - plain film ( 一 般 X-ray 影 像 ) - mammography ( 乳 房 攝 影 ) - fluoroscopy ( 螢 光 透 視 影 像 ) - Angiography ( 血 管 攝 影 ) 56
Angiography ( 血 管 攝 影 ) 基 本 上 也 是 透 視 影 像 的 一 種 同 樣 是 透 視 人 體 - 希 望 只 看 到 血 管 - 不 看 到 其 他 組 織 賦 予 血 管 極 高 的 不 透 明 度 - 血 管 內 注 射 高 原 子 序 物 質 - 常 用 : 碘 化 合 物 57
Angiography 原 理 注 射 顯 影 劑 前 先 照 一 張 影 像 含 碘 顯 影 劑 動 脈 注 射 - 導 管 置 入 血 管 內, 隨 時 監 控 與 原 始 影 像 相 減 - 需 做 相 減 : preferably digital - 病 患 最 好 不 動, 以 利 相 減 隨 時 監 控 : 基 本 上 是 fluoroscope - 放 射 科 醫 師 放 置 導 管 負 擔 亦 重 58
現 在 常 見 的 頭 部 Angiogram 頭 骨 頭 部 血 管 59
常 見 的 Angio 使 用 方 式 也 配 合 治 療 ( 反 正 已 經 放 導 管 了 ) - 血 管 支 架 (stent) - 溶 血 栓 藥 物 (thrombolytic) Interventional ( 介 入 性 ) radiology 60