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<div class="chapter" num="3">
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<h1 class="firstTitle-l mb-70 pt-70">第二章 医学影像物理学研究</h1>
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<div class="learnGoal">
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<img class="learnImg img-h" src="../../assets/images/learnGoal.png" alt="">
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<p class="center"><span class="bold">素质目标</span></p>
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<p class="content">（1）热爱祖国、拥护社会主义。</p>
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<p class="content">（2）具备良好的人文精神、职业素质和团队合作意识。</p>
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<p class="content">（3）具有奉献精神、科学思维和创新精神。</p>
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<p class="center omit">........................</p>
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<p class="center"><span class="bold">知识目标</span></p>
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<p class="content">（1）掌握：X线基本特性。</p>
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<p class="content">（2）熟悉：X线成像原理。</p>
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<p class="content">（3）了解：超声波的产生机制。</p>
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<p class="center omit">........................</p>
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<p class="center"><span class="bold">能力目标</span></p>
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<p class="content">（1）能具有终身学习和进一步深造的扎实基础。</p>
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<p class="content">（2）能探究学习、分析问题和解决问题。</p>
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</div>
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<div class="CaseStudy mb-30">
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<div class="CaseStudy-title">案例导入</div>
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<div class="CaseStudy-content">
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<p class="content"><span class="bold">【案例】</span></p>
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<p class="content">
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伦琴发现X线后，并没有把其作为个人专利，而是无偿公开了这项技术，允许任何人、任何机构用他的发现生产X线机。X线检查极大地提高了医学诊断的准确性和安全性，造福了医学界、造福了大众。他还把因此获得的诺贝尔奖奖金捐献出来。这些都体现了他博爱的科学情怀。
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</p>
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<p class="content"><span class="bold">【问题】</span></p>
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<p class="content">
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（1）X线的发现和应用是科学不断进步的缩影，虽然X线在医学成像上造福了很多人，但是早期人们对X线的不当使用也对人体产生过很大的健康损害，你如何看待这一情况？
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</p>
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<p class="content">（2）你认为这一发现是运气吗？</p>
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</div>
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</div>
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</div>
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<div class="page-bottom-right">007</div>
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<div class="header-txt">
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口腔影像学
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="center mb-20"><img class="g-pic" src="../../assets/images/0036_01.jpg" alt="" /></p>
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<p class="content">
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近些年来，由于X线、磁共振、超声等技术的迅猛发展及其在口腔各临床专业中的广泛应用，使口腔放射学正逐渐迈入一个口腔颌面医学影像学的新的阶段。为了适应这一变化，我们需要了解X线的特性、衰减规律，超声波的分类及产生机制，了解X线、超声、磁共振成像原理。
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</p>
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<p class="poemtitle-l">（一）X线的发现</p>
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<p class="content">
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1895年11月8日，德国物理学家伦琴在暗室内用阴极射线管做气体放电实验时，有意用一层黑纸把射线管包裹起来，该操作的目的是屏蔽紫外线及其他种类的可见光干扰。意想不到的是，他观察到尽管与射线管有些许距离，涂有氰化铂酸钡的荧光屏上还是散发出了微弱的荧光。经过反复的试验验证后，他确认，导致这种发光效应的是一种由阴极射线管释放出的新型物质，这种物质明显与传统的阴极射线不同。在超过一个月的不懈探索后，伦琴最终阐述了这类神秘射线的性质：它们以直线路径传播，不被磁力影响偏转，也不会发生反射或折射现象。不久后，伦琴还揭露了这类射线强大的穿透能力：足以穿过密闭的容器，例如，能够穿透容器内的秤盘进行照相。在照片中，他甚至能辨识出妻子的指骨。因为这种射线的性质神秘且未知，他将其命名为X线。他的这一重大发现立刻在全球引起了广泛关注，不少国家的实验室纷纷复制了此项实验。仅仅在X线被发现后的三个月内，维也纳的一所医院便已应用这项技术进行了X线检查。伦琴因发现X线，而获得了1901年第一届诺贝尔物理学奖的殊荣。
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</p>
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<p class="poemtitle-l">（二）X线的基本特性</p>
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<p class="content">
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X线属于电磁波的一种，具有波粒二象性。它按照特定的波长和频率进行空间传递，属于横波，并且在真空状态下传播速率等同于光速。X线与物质发生相互作用时，其粒子属性凸显无疑。X线具有与其他电磁波相同的特征，也具备若干其他的特性。
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</p>
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<p class="content"><span
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class="bold fc">1．穿透特性</span> X线因波长较短故能量较强，大部分物质对其只能有限地吸收，使其具备强大的穿透力。X线穿透物质的能力不单取决于其光子的能量，还与物质的构成、原子的特性息息相关。对于由较低原子序数元素构成的物体，如气体、书、水及肌肉等，X线能够表现出更强的穿透力。然而，对于原子序数较高的铅、铜、骨骼等，其穿透力相对减弱。故X线对人体各类组织的穿透表现各异，这也正是X线医学成像技术的理论基础。
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</p>
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<p class="content"><span
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class="bold fc">2．荧光特性</span> 特定物料在X线照射影响下，能被激发出特有的荧光效应。拥有此类光学性质的材料称为荧光物质，如钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉。荧光物质被X线照射后，其原子被激发或电离，当被激发的原子恢复到基态时，便可释放出荧光。医学中透视用的荧光屏、X线摄影用的增感屏、影像增强器中的输入屏和输出屏，均是基于其荧光特性而设计。
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</p>
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</div>
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<div class="page-bottom-left">008</div>
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<span class="header-title">第二章 医学影像物理学研究</span>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="content"><span
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class="bold fc">3．电离作用</span> X线虽然不带电，但足够能量的X线可以撞击出物质原子中的电子，使电子脱离原子而产生第一次电离。这些受到激发的电子继续与周围的原子发生互撞，产生第二次电离。测量X线的仪器的探头如电离室、正比计数管、盖革米勒计数管等，都是利用这个原理制成的。电离作用也是X线损伤和治疗的基础。
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</p>
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<p class="content"><span
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class="bold fc">4．热作用</span> 物体对X线的摄取，主要转换成热量，导致该物质温度上升。基于此理论，测量X线被吸收剂量的量热技术得以成功开发。</p>
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<p class="content"><span
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class="bold fc">5．化学效应</span> X线能使胶片乳剂感光，并可引发多种物质的光化学变化。各种感光及分辨性质不同的胶片被用于不同的X线检查。</p>
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<p class="content"><span
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class="bold fc">6．生物效应</span> X线同样能引发生物机体内部的电离及激发作用，导致生物体发生一系列生物效应。其中，细胞，尤其是那些具备高增殖能力的细胞，在接受了一定剂量的X线照射之后，可能会发生抑制、受损乃至细胞坏死。人体内的不同组织，在吸收了一定剂量的X线之后，会根据其对辐射敏感度的差异而表现出不同的反应。这一特性在恶性肿瘤的放射治疗领域得到了极大的应用，成为放射治疗的理论基础。X线对人体正常组织同样有可能带来伤害，因此，在进行检查和治疗时，对其他非目标区域的保护和屏蔽就显得十分重要。同时，那些专门从事放射工作的人员也需要注重个人的防护措施。
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</p>
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<h3 class="thirdTitle">二、X线的衰减</h3>
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<p class="content">在X线的传播过程中，其能量的递减现象被称为衰减，这种衰减既有由距离增加导致的强度降低（扩散衰减），也有由物质作用导致的能量损失（散射和吸收所造成的衰减）。</p>
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<p class="content">
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放射X线的源点在向四面八方传播时，如果忽略传播介质对其的吸收作用，其在半径不同的球形表面的射线强度与源点到该表面距离（球体半径）的平方成反比，这种现象被称为X线强度衰减的平方反比定律。这个定律仅在真空环境中严格适用。在大气环境中，由于空气对X线的吸收，该定律并非绝对有效，但是考虑到空气导致的X线强度减弱较轻微，在常规的X线成像过程中，这种减弱常常被视为可以忽略不计的。因此，在这类成像实践中，调整X线管焦点与胶片间的距离，便能够实现X线照射强度的调节。
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</p>
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<p class="content">
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物质内部接受X线照射时，其光子会与组成该物的原子产生相互作用，引发如光电效应、康普顿效应，以及电子对的生成等一系列现象。这些现象涉及散射和吸收机制，从而导致X线穿透物体时强度的不断衰减。这种X线在物质中衰减的规律，是其在放射摄影、透视成像技术，以及X线计算机断层成像上的应用依据，同时也是屏蔽防护设计的理论依据。
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</p>
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<p class="content">
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人体各种组织和器官因其质量、特定元素的排列次序、厚薄程度不同，而展现出不同的对X线的吸收水平。这种差异使X线在经过身体时产生的穿透量有所不同，进而生成载有结构信息的X线线图。医生通过观察分析影像的深浅差异，能够辅助诊断人体内各种器官的健康状况或疾病变化情况。X线摄影的医疗诊断功能就是基于这种物理现象。
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</p>
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</div>
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<div class="page-bottom-right">009</div>
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<div class="header-txt">
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口腔影像学
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<h3 class="thirdTitle">三、X线成像</h3>
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<p class="content">
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X线成像原理是利用X线的穿透性，以及人体组织对X线的吸收差异性形成影像。当X线穿过人体时，因人体内部不同器官与组织在厚度和密度等属性上的差异，有的阻射X线，有的吸收X线，剩余的X线强度分布发生改变，构成人体的结构信息图。这种包含身体结构信息的X线影像是不可被肉眼直接识别的，需要通过特殊的影像转换设备来转化为肉眼可识别的可见光影像以供观察。X线成像将三维的人体结构压缩映射成二维影像进行解读，依照成像性质的不同，主要分为透视与摄影两种基本形式。
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</p>
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<p class="content">医学影像评估标准的核心在于确保医师可以清晰地检视患者体内具有特定疾病的软组织和器官，以及它们的状态，同时医学影像的质量会对医生的诊疗判断产生直接影响。</p>
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<p class="content">
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影响医学影像清楚程度的因素包括成像方法、设备特性、操作者设定的客观与主观参数，以及患者的合作程度等。一幅医学影像是否清楚，受对比强度、清晰程度、噪声水平、伪影和失真等若干要素的共同影响。
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</p>
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<p class="content">
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为了使人体内的某组织在影像上清晰地显现，该组织与邻近组织之间必须存在足够的对比差异。以X线成像为例，仅当组织间在密度、原子序的有效值或者厚度上有明显区分时，才能从影像上辨识出该组织。具体而言，一个组织要在影像上显示区分度，其独特的组织性质需与其他部分有显著的不同。
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</p>
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<h2 class="secondTitle">第二节 超声波物理</h2>
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<p class="content">超声波具备超出人类听力上限的高频振动，其频率范围20 000～10 000 000Hz。由于人耳能够接收到的声波频率仅限于20～20
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000Hz，因而对超声波无法进行感知。医疗检查时使用的超声波频率从100万赫兹（1兆赫兹）直至1亿赫兹。这类波动因频率高、波长极短、传播路径直线且集中、能级较高而副作用较小，从而有着显著的特性。
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</p>
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<h3 class="thirdTitle">一、超声波的分类</h3>
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<p class="content">
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根据振动形式的不同，超声波可分为纵向波和横向波。在固态介质里，声波既能通过纵向波的方式进行传播，也能以横向波的形式移动。然而，在气态和液态介质中，通常因为缺乏切变弹性，声波仅能通过纵向波传播。
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</p>
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<p class="content">
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在医疗应用中，根据频率的不同，超声波被分为几种类别：频率在1.00～2.75MHz的被称为低频超声波；常规使用的中频超声波频率为3～10MHz；而频率在12～20MHz的属于高频超声波；超过20MHz的则属于超高频超声波。
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</p>
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<p class="content">根据发射方式的不同进行划分，超声波可分为连续波和脉冲波。其中连续波通常是振幅恒定的正弦波，它所产生的超声波频率与振幅在传播过程中保持恒定。</p>
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</div>
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<div class="page-bottom-left">010</div>
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</div>
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</div>
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<span class="header-title">第二章 医学影像物理学研究</span>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<h3 class="thirdTitle">二、超声波的产生机制</h3>
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<p class="content">
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超声波的产生须满足两大前提：首先存在高频率的声源，其次具备传播超声波的介质。激发超声波的手段是多元化的，包括机械振动、电声转换、激光技术等。在医疗领域，经常采用的是电声转换技术中的压电式换能法，这种手段能将高频率的电磁振动转换为机械振动（超声波），用于提供超声波的声源；也可将超声波的振动转换回电磁形式，此转换过程结合信号的处理实现了超声波的接收功能。临床上超声波发射与接收功能的装置通常被称为超声探头。
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</p>
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<h3 class="thirdTitle">三、超声成像</h3>
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<p class="content">
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在20世纪初期，法国物理学家朗之万（Langevin，1872—1946年）首次研发出石英晶体材质的超声波发射器。20世纪40年代，学术界开始深度研究超声波在医疗行业中的应用。随后的半个世纪里，超声成像发展较快，技术从早期的一维超声成像、二维超声成像，发展到动态三维成像；由黑白灰阶超声成像发展到彩色血流超声成像；超声造影、超声弹性成像等技术也已被广泛应用于临床诊断和治疗。超声成像之所以能在医学影像领域扮演不可替代的角色，得益于其不涉及电离辐射，具有高软组织分辨率、简便的操作流程，以及较低的成本等诸多优势。
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</p>
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<h2 class="secondTitle">第三节 磁共振物理</h2>
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<p class="content">
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1945年底，来自美国的物理研究专家珀塞尔（Purcell，1912—1997年）联同其研究伙伴，在石蜡试样中首次探测到了质子的磁共振现象；而在次年的1月，美籍物理学领军人物布洛赫（Bloch，1905—1983年）及团队成员，在一份水的样本中同样探测到了质子的磁共振信号。他们用的方法虽然稍有不同，但几乎同时独立地发现了磁共振现象。1952年布洛赫和珀塞尔为诺贝尔物理学奖共同获得者，该奖表彰他们通过利用精密的磁共振测量手段所取得的显著的科学成就。
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</p>
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<p class="content">磁共振成像（Magnetic Resonance
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Imaging，MRI），其原理建立在磁共振这一物理现象之上，有意省略了“核”字，用途在于突出此项技术并无电离辐射，以此明确与依赖X线的成像手段和使用放射性核素物质的核医疗技术之间的不同。
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</p>
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<h3 class="thirdTitle">一、原子核的磁性</h3>
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<p class="content">
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一切事物均由物质构成，物质则由分子组成，而分子由原子组成，原子由中心的原子核及围绕其外层的电子组成，原子核则是由带正电荷的质子和无电荷的中子组成。磁共振所探讨的是具有磁性特征的那些原子核。
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</p>
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<p class="content">在实施磁共振成像过程中，需要将人体安置于一个具备强磁场功能的装置里面，目的是激发人体内拥有一定磁性特征的原子核产生磁共振效应。</p>
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</div>
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<div class="page-bottom-right">011</div>
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</div>
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</div>
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<div class="header-txt">
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口腔影像学
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<h3 class="thirdTitle">二、原子核的自旋</h3>
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<p class="content">
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在现实世界里，任何速度非零的物体都有一定的动量。同样地，围绕一个特定的点或轴线进行圆形旋转的物体也拥有一定的角动量，这一量值是由物体的转动惯量和其转动角速度之积所确定的。</p>
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<p class="content">
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在纳米级的世界里，微观物质如电子、中子、质子与原子核等，不仅拥有体积、电性、重量等基本特性，亦有一种天然的特征——自旋。这些微观物质因自身的旋转而产生特有的自旋角动量。为了方便理解，可以把微观物质的自旋行为类比为它们自己的旋转，尽管这种比喻并不完全符合实际。
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</p>
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<p class="content">
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原子核是由质子和中子这两种次原子粒子组合而成，它们各自不但因自转而具备自旋角动量，也因绕核轨道做运动而拥有相应的轨道角动量。这些质子和中子在原子核中将自旋角动量与轨道角动量的矢量叠加，共同形成了原子核作为一个整体所具有的总角动量。通常，科学界将这种原子核的总角动量称为原子核自旋，简称核自旋。从更直观的角度来理解，核自旋可以视为原子核围绕自己的轴线旋转所表现出的角动量特性。
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</p>
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<p class="content">
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在宏观层面上，物理参数表现为不间断性，如气温、速率、动量、角动量、位移等；在微观层面上，这些物理参数则表现为间断性，即呈现量子的本质。这种情况同样适用于原子核的自旋现象。</p>
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<h3 class="thirdTitle">三、物质的磁性</h3>
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<p class="content">
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原子核与电子都具有磁性特征，电子的磁性既源自它环绕原子核运动产生的轨道磁场，也来自它自身旋转产生的自旋磁场。当电子与原子核结合时，它们各自的磁性会相互作用，共同形成原子的总磁性。对于那些拥有大量电子的原子来说，如果这些电子的磁性合计起来有剩余，则这种剩余磁性是该原子磁性的主要来源；反之，如果电子间的磁性相互抵消，原子核的磁性则成为原子磁性的决定因素。鉴于物质由大量原子或分子构成，因此我们可以直接观察到物质可能会表现出某种磁性特征，如顺磁性或抗磁性等。
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</p>
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<p class="content">多数MRI对比剂是由顺磁性或超顺磁性材料构成的，其核心成分通常为钆、铁及锰这些元素的有机大分子化合物，它们本质上并不发射信号，信号是由氢原子的质子产生的。</p>
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<p class="content">与拥有铁磁性和顺磁性的物体相比，原子核的磁性非常微弱，以至于在日常生活中我们无法觉察到它的存在，然而，借助磁共振技术，我们能够对原子核的磁性进行精密的检测。
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</p>
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<h3 class="thirdTitle">四、共振</h3>
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<p class="content">
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共振是广泛存在的一种物理现象，它的发生依赖特定的客观条件。例如，在敲击一只音叉时，该音叉将会按照一定的频率振荡，并发出一定频率的声波。这种声波能够引起另一只固有频率相同的音叉振荡，这就构成了音叉间的共振现象。音叉通过外部声波的驱动而共振，与此类似，磁共振是在外部电磁波的驱动下实现的。
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</p>
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<p class="content">人体内的水分子可以是游离的“自由水”，也可以是与蛋白质膜和其他大分子结构结合的“结合水”。水分占人体总量的比例很高，其中80%存于细胞内，另外20%位于细胞外。
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</p>
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</div>
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<div class="page-bottom-left">012</div>
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</div>
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</div>
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<div class="page-header-right">
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<span class="header-title">第二章 医学影像物理学研究</span>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="content">
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通过人体内“自由水”和“结合水”的分布对组织的影响，可深入理解病变内部的组织形态。“自由水”的质子所经历的磁场大小基本是一致的，于是所有“自由水”以相同的频率进动。反观结合在大分子附近的水分子，其氢核所遭遇的磁场强度受大分子环境影响较大。这导致不同“结合水”中的氢核以不同的频率共振。因此，MRI上的所有信号是来自“自由水”的，几乎看不到来自“结合水”的信号。
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</p>
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<div class="knowledgeExpansion">
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<img class="knowledgeExpansion-img" src="../../assets/images/knowledgeExpansion.png" alt="">
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<p class="center"><span class="bold">人工智能在医学影像中的应用</span></p>
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<p class="quotation">人工智能（AI）技术在X线检查中的应用日益广泛。AI算法能够短时间内准确地识别并评估成千上万的医学图像，揭示疾病模式和潜在的风险因素。</p>
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<p class="quotation">例如，利用AI技术可以从乳腺X线检查中提取额外的心血管健康信息，为临床医生提供了额外的工具，可以在乳腺癌筛查的同时对女性的心血管健康进行评估。</p>
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</div>
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<div class="bodyPic"><img src="../../assets/images/0033-02.jpg" style="width:80%" alt=""
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active="true" /></div>
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<p class="right-info">（邱艳芬）</p>
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</div>
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<div class="page-bottom-right">013</div>
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</div>
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</div>
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</div>
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