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医学物理学
1
进度表
周次
日期
星期
节次
理论课内容
授课教师
学时
1
2月22日
一
7,8
绪论 2.1 波的产生与传播
胡贵祥
2
2
3月1日
一
7,8
2.2 声波 2.3 多普勒效应
胡贵祥
2
3
3月8日
一
7,8
2.4 超声波 12.1 超声诊断
胡贵祥
2
4
3月15日
一
7,8
3.1 理想液体的稳定流动 3.2 伯努利方程及其应用
3.3 实际液体的流动
胡贵祥
2
5
3月22日
一
7,8
3.4 血液的流动 4.1 表面张力和表面能
4.2 弯曲液面的附加压强
胡贵祥
2
6
3月29日
一
7,8
8
4月12日
一
7,8
4.4 气体栓塞现象 4.5 肺泡的表面张力
胡贵祥
2
9
4月19日
一
7,8
5.1 电偶极子的电场 5.3 心电向量原理
5.4 心电图的描记原理
胡贵祥
2
10
4月26日
一
7,8
7.3光的偏振 7.4旋光性
胡贵祥
2
10
4月30日
五
12
7.5光的吸收 7.6光的生物效应
8.3 放大镜与显微镜
胡贵祥
2
12
5月10日
一
7,8
8.3 放大镜与显微镜 8.4 玻璃纤维内镜
胡贵祥
2
13
5月17日
一
7,8
10.1 X射线的性质 10.2 X射线的产生及强度和硬度
胡贵祥
2
14
5月24日
一
7,8
10.3 X射线的吸收 10.4 X射线在医学上的应用
胡贵祥
2
15
5月31日
一
7,8
12.2 X－CT
胡贵祥
2
17
6月14日
一
7,8
复习,考试
胡贵祥
2
.2.
绪论
物理学是一门医学生必修的基础课，是一切自然
科学与工程技术学科(包括医药学)不可缺少的基础。
一、什么是医学物理学
是用物理学的理论解释生命过程中的生理及病理现象，把
物理学的技术应用于医学实践的一门边缘学科。
二、物理学的研究对象和方法
1. 物理学的研究对象
物理学是研究自然界中物质运动最基本、最普遍的性质
与规律的一门自然科学。
提问：物质的两种基本形态是—固、液、
其中的物质有两种基本形态：实物和场。它们互有区别
气态？是运动和静止？
又有联系。
物质的运动形式是极其多样的。物理学所研究的运动形
式，普遍存在于其他高级的、复杂的物质运动形式中。 .3.
2. 物理学的研究方法
观察、实验、假说、理论
这种研究方法具有普遍意义。
“知识只有通过实践与思考才会变成力量，这就要求
要有责任感和良好的习惯与作风。”——吴阶平院士
(首医首任院长)
学习物理学，更应该培养严谨、严格的科学作风。在
科学实验时，一是一、 二是二，如实记录实验条件、环
境和结果。如果结果正确或合理，则据此得出结论；如
果结果不正确或不合理，也应该如实记录，并分析出现
这种结果的原因。物理的学习过程，就是对严谨科学作
风的训练过程。
.4.
法拉第(Michael Faraday
1671-1867年)
迈克尔·法拉第是在电学上作出了巨
大贡献的英国科学家。发现电磁感应是
他为物理学所做的一项最伟大的贡献。
麦克斯韦评价法拉第说：“他(的实验记录)既告
从1820年丹麦哥本哈根大学的奥斯特
发现电流的磁效应开始，到1831年的11
诉我们他的不成功的实验，也告诉我们他的成功的
实验，即告诉我们他的粗糙的想法，也告诉我们那
年间，法拉第为了实现“磁生电”的过程，每天做
些成熟的。归纳能力不及他的读者，感到共鸣多于
完实验后都要写实验日记，而这些日记中记得最多
敬佩，并且引起这样一个信念，如果他有这样的机
的竟是“没有效果”、“没有反应”、“不行”等
会，将也成为一个发现者。”
等否定的词汇。
法拉第的实验日记共8卷，记录了他在18201862年进行过的16041则实验。这些宝贵的经验，
不知使后来的物理学实验少走多少弯路！
.5.
三、物理学与医学的关系
物理学提供了设计、研究和使用医学仪
器的基础知识、技术和技能。科学仪器越
来越往高、精、尖发展，得出的结论结果
越来越明确。但如果操作者能够了解仪器
的测量原理和手段，就更可能充分利用它
的潜力，甚至开发出新的用途。
.6.
三、物理学与医学的关系
医学的发展历来与物理学的发展有密切
的关系，物理学发展过程中经历了三次飞
跃，都极大地促进了医学技术的发展。
十七八世纪，牛顿力学的建立和热力学、光学的发展，温度计、压强
计、显微镜等仪器的发明，极大地弥补了医学检测手段的不足。
十七八世纪，牛顿力学的建立和热力学、光学
19世纪，电磁理论的建立，X射线的发现和心脏电偶极子模型的建立，
对医学的发展有极大的促进。
的发展，温度计、压强计、显微镜等仪器的发
19世纪，电磁理论的建立，X射线的发现和心
20世纪以来，相对论和量子力学的建立，放射性、磁共振、激光、计
明，极大地弥补了医学检测手段的不足。
脏电偶极子模型的建立，对医学的发展有极大
算机技术等在医学现代化中已经成为不可缺少的诊断、治疗手段。
20世纪以来，相对论和量子力学的建立，放射
的促进。
性、磁共振、激光、计算机技术等在医学现代
化中已经成为不可缺少的诊断、治疗手段。
.7.
三、物理学与医学的关系
医学的发展历来与物理学的发展有密切
的关系，物理学发展过程中经历了三次飞跃，
都极大地促进了医学技术的发展。
十七八世纪，牛顿力学的建立和热力学、光学的发展，温度计、压强
计、显微镜等仪器的发明，极大地弥补了医学检测手段的不足。
19世纪，电磁理论的建立，X射线的发现和心脏电偶极子模型的建立，
对医学的发展有极大的促进。
物理学与医学的密切关系还表现在，许多科学
20世纪以来，相对论和量子力学的建立，放射性、磁共振、激光、计
算机技术等在医学现代化中已经成为不可缺少的诊断、治疗手段。
家运用物理学的知识和研究方法为医学做出了贡
献，同时在对医学问题的研究过程中也建立了一
些物理学的理论。
.8.
物理学技术在生命科学中的应用
生命微观机制的研究运用了量子力学方法，运
用了过去已经发展起来以及近代正在发展的各种
技术，特别是物理学技术。
现代基础医学研究、预防、临床诊断和治
疗方面的技术手段正在日新月异发展着，其
中主要是物理学技术，如 各种窥镜、
电子显微镜、微波、 超声、 激光、
核磁共振、 断层显像、核医学等技术。
.9.
四、物理学的学习要求和方法
我们要学习物理学的“观察、实验、
假说、理论“的研究方法，而严谨、严
格的科学作风的培养是什么时候都不能
中断的。
.10.
物理学的学习要求和方法
学习物理学，要认真听课、作笔记，做好预习
和复习、做习题、做实验。
要按时交作业，作业都有记录。(作业，要有
作业本，交作业时写上姓名和学号)
交作业：各班课代表收齐作业后按学号排序整理好，
交到教学楼435办公室。
答疑时间：每周四下午第七节3:30~4:30
学期成绩：
期末考试占60%，
平时成绩占40%
.11.
第二章 波动和声波
波动是振动在空间的传播。各种信息
的传播几乎都要借助于波。
机械振动在媒质中的传播称为机械波。
波除有机械波外，还有电磁波等其它种
类的波。
声波是一种机械波。
.12.
振动
在介绍波动之前，我们先来现了解振动。
振动(vibration)是自然界中最常见的运动形式。
物体在空间某一位置附近所作的来回往复运动称
简谐振动曲线
为机械振动。
简谐振动是一种最简单、
最基本的振动。
简谐振动可以用简谐振动
方程来描述：
x=Acos(ωt+φ)
其中x是振动位移，A是振幅，φ是初相位， ω是角频率，
频率f= ω /2π，周期T=1/f。
.13.
第一节 波的产生与传播
一、波(wave)的产生
机械振动在弹性媒质中传播。
产生机械波的两个条件：波源和弹性媒质。
横波和纵波。
声波通常是纵波。
超声波：f>20,000hz，
次生波：f<20hz，
通常所说的声波，f：20hz~20,000hz。
从物理上看，这三种声波并没有本质上的区别。
.14.
二、波的传播
.15.
波的传播结论：
(1) 质点并未“随波逐流”
的传播。
波的传播不是媒质质点
(2) “上游”的质点依次带动“下游”的质点振动。
(3) 某时刻某质点的振动状态将在较晚时刻 于“下游”
某处出现---波是振动状态的传播
(4)波长——波一个周期内传播的距离。
波长：在波线上相邻的两个同相点之间的距离。
相距波长的两质点的振动状态相同，它们是同相
波速：单位时间内振动状态传播的距离。
点——在波线上相位差2
周期：一个完整波通过波线上某点所需的时间。
波的频率、周期、角
(5)
波速c——波单位时间传播的距离。
频率：单位时间内通过波线上某点完整波的个数。
频率的概念分别是什
角频率：2π秒时间内通过波线上某点完整波的个数。
c=f = /T
么？
此式适用于各种波
.16.
波的几何描述
波面，波前，波线
两种波面简单的波：平面波和球面波
注意：一列波在不同媒质中传播，周期和频率
是不变的，而波速可能不同。周期和频率决定
于波源，波速决定于媒质。
由于
 = c/f=cT
则波长也可能不同。
.17.
四、惠更斯原理
在媒质中波前上的各点都可以看作新的波源
向各个方向发出子波，在其后任一时刻，这些
新波源发出的子波的包迹就是新的波前。
包迹，公切面
可以由当前的波前求出下一个时刻的波前。
.18.
惠更斯原理的应用：
解释波的衍射现象
传播到依直线传播不能到达的区域。
在解释干涉现象时也用到惠更斯原理。
.19.
第二节 声波
一、声速
声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接
收和效应的物理学分支学科。
机械波可以在固体、液体和气体中传播。固体可以
传播横波和纵波，而液体和气体只能传播纵波。
声波通常是以纵波的形式传播。固体中的声速c较
大，而液体中c较小，气体中c最小。
空气中声速c与气温有关( 经验公式)：
c=331+0.6t (m·s-1)
其中t是摄氏度(℃)。
.20.
二、声压和声强
(一) 声压
声压 声波作为纵波传播时与没有声波传播时媒质
内各相应点的瞬时压强差就是声压。声压可正可负，
质点密集处声压为正，稀疏处为负。
声压幅值：Pm= A ω ρc
单位?：kg·s-1·m-2
pm
cA
Z
则Z 
 c
vm
A
声阻抗(简称声阻)反映媒质的声学特性。
定义声阻抗Z
.21.
(二)声强
波的传播是运动状态的传播，必然也伴随着能量的
传播。媒质各点振动时有动能、也有势能，且动能
势能周期变化。
单位时间内通过垂直与传播方向上单位面积的平均
能量称为能流密度，即波的强度(声强)
E
I
声强单位是什么？
t  S
1
I  c 2 A2
2
为了计算得到声强，需要测量多
在教室里要改变我说话声音
可以通过测量声压间接得到声强。
的声强I ，可以怎么办？
少个量？
2
Pm
I
2Z
.22.
声波的透射和反射
当声波传播经过声阻不同的两种媒质交界面
时，会发生透射和反射。理论证明，当入射波
垂直界面入射时，反射系数和透射系数符合：
It
4Z1Z 2

透射系数 a i t 
Ii
(Z 2  Z1 ) 2
Ir
(Z 2  Z1 ) 2
反射系数 a ir 

Ii
(Z 2  Z1 ) 2
讨论：Z1、Z2近似相等时，有
什么情况？它们相差很大时，
又有什么情况？
入射波
强度Ii
反射波
强度Ir
Z1
Z2
界面
透射波
强度It
.23.
三、听觉区域、声强级和响度级
(一) 听阈、痛阈、听觉区域
声波要被听到，除了频率要求外，还应考虑声
提问：声波频率在20~20000Hz内一定可以被我们
强的范围。
1000Hz | 100Hz
听到吗？
听阈：10-12W·m-2 | 5×10-9W·m-2
听阈、听阈曲线
痛阈：1W·m-2 | 3W·m-2
痛阈、痛阈曲线
听觉区域
这些听阈和痛阈
都是大量正常人的统
计效果，是一个“平
均耳”的数值。
听阈曲线和痛阈曲线
.24.
(二) 声强级 L
采用声强的对数表示人耳听到声音的强度等级。
单位：贝尔(B)、分贝(dB)
L  lg
I
( B)
I0
L  10 lg
I
( dB )
I0
1000Hz的声波，
从听阈到痛阈，声
强级0dB~120dB，
有120个等级。
听阈曲线和痛阈曲线
.25.
城市区域环境噪声标准
各类标准的适用区域
0类标准适用于疗养区、高级别墅区、高级宾馆区
等特别需要安静的区域； 1类标准适用于以居住、
文教机关为主的区域。乡村居住环境可参照执行该
类标准； 2类标准适用于居住、商业、工业混杂区；
3类标准适用于工业区； 4类标准适用于城市中的道
路交通干线道路两侧区域，穿越城区的内河航道两
侧区域。
城市5类环境噪声标准值
夜间突发噪声
夜间突发的噪声，其最大
值不准超过标准值15dB。
类别
0
1
2
3
4
昼间
50
55
60
65
70
夜间
40
45
50
55
60
.26.
(三) 响度级
声波的响度以1000hz的声波为参考。单位
(phon)： 口方
声强和声强级都是反映声波的客观效果的
物理量，是一个客观量。
响度级是人耳感到声波强弱的物理量，它
反映声波的主观特性。
0 phon曲线就是听阈曲线，也称为听力曲线
.27.
等响曲线
声波传入内耳，不同频率声波能在基底膜不同区域
发生共振，产生不同音调感觉。若测定某人对特定
区域频率声波出现听力障碍(听阈曲线可能怎样变
化？)，对判断耳部疾病有帮助。
.28.
听力曲线与耳部疾病
正常听力曲线
慢性化脓性中耳炎听力曲线
曲线在低处说
明什么？
美尼尔中期听力曲线
美尼尔晚期听力曲线
.29.
第三节 多普勒效应
当波源和接收器发生相对运动时, 接收器所
测得的频率不等于波源发出频率的现象称为
多普勒效应。
一、多普勒效应的表达式
声源S发出的声波频率为f0的，相对媒质速度u，接
受器O相对媒质速度为v，u、v都在它们连线上，声波
在媒质中传播速度为c。
S
·
u
v
·0
.30.
声源静止,接受器静止
首先，若声源静止，接受器静止， u =0, v
=0，接收器t时间接收f0t个波，波长为λo
c=f0λo=λo/To
.31.
(一) 声源静止、接收器运动
u=0，v≠ 0，接受器向声源靠近，t时间内
接收器比静止时多接收了(vt/λo)个波，则接
受器接受的频率：
f 0t 
f 
t
vt
0
v
c - v
 f0 
f0 
f0
c
c
若接受器远离声源：
.32.
(二) 接受器静止、声源运动
v=0，u ≠ 0，声源向接受器靠
近。波长变小了
ct  ut c  u


f 0t
f0
接受器接受到的频率：
c
c
f  
f0
 c + u
若声源远离接受器：
.33.
(四) 波源和接收器同时运动
u ≠ 0，v ≠ 0，综合上面两种情况，有多普勒效
应公式
耳朵--上面
这个式子
接受器--分子
符号确定
:
声源S
怎么记住
和接受器O相互靠
呢？
cv
近时f 增大。
f 
f0
c u
嘴巴--下面
声源--分母
.34.
一般多普勒效应公式
上面讨论的u和v都在声源和接收器的连线
上，若不在连线上，就要取速度在连线方向
的分量：
c  v cos 
f 
f0
c  u cos 
其中α、 β是速度与连线方向
的夹角。
u
S

·
v

·0
.35.
例2-3 超声波诊断仪的发射频率为5Mhz，心脏向着超声波诊断仪方向运
动 ，速度为10cm·s-1，试求心脏接收到的频率与声源的频率相差多少？
(组织中的声速为1500m·s-1)
已知：f0=5×106Hz，c=1500m·s-1，v=0.1m·s-1，向声源方向
求：Δf=f - f0
cv
解：心脏接收到的频率为
f 
f0
c
则
v
0.1
f  f  f 0  f 0 
 5 106  333Hz
c
1500
答：心脏接收到的频率与声源的频率相差333Hz。
解题时,要按照：已知、求、
了解：电磁波也有多普勒效应
解、答的顺序，并且过程中
应该有适当的中文说明。
在天文学上：
1 v / c
f>f0，λ< λ0 ，蓝移
f  f0
f<f0， λ > λ0 ，红移
1 v / c
.36.
二、超声多普勒血流仪
这是测量血流速度的一种装置
超声波探测过程中经历了两次
发射接收。第一次是探头发射，
血细胞接收；第二次血细胞发射，
探头接收。则：
c  v cos 
f' 
f0
c
c
c  v cos 
f" 
f' 
f0
c  v cos 
c  v cos 
探头第二次接收与第一次发射的超声波频率差(频移)为：
2v cos 
f  f "  f 0 
f0
c  v cos 
.37.
超声多普勒血流仪
由于人体中超声波声速c=1500m·s-1，
c>>v，c>>vcosθ，则频移可以简化成：
2v cos 
f 
f0
c
则血细胞速度，即血流速度v为：
c
v
f
2 f 0 cos 
优点：无创伤，简易，灵敏。在二维B超基础上利
用多普勒效应反映血流速度，就成为医学中常见的
彩超。
.38.
第2章 布置习题
课本p29 习题二
2-3，2-4，2-6，2-7
2-4 :增加几个字
……另一声音比它的声强级高10dB，问其
声强为多少？若两个声音的声强级……
答疑时间地点：
周四？？下午第7节，教学楼435#
交作业时间：周一上午 大课间
.39.
再看例2-3
超声波诊断仪的发射频率为5Mhz，心脏向着
超声波诊断仪方向运动 ，速度为10cm·s-1，试求心脏接收到
的频率与声源的频率相差多少？(组织中的声速为1500m·s-1)
已知：f0=5×106Hz，c=1500m·s-1，v=0.1m·s-1，向声
源方向
求：Δf=f - f0
解题时,要按照：已知、求、解、
c

v
解：心脏接收到的频率为答的顺序，并且过程中应该有适
f 
f0
当的中文说明。 c
v
0.1
f  f  f 0  f 0 
 5 106  333Hz
c
1500
答：心脏接收到的频率与声源的频率相差333Hz。
.40.
举例：课本p29习题二
.41.
第四节 超声波
超声波是频率大于20 000hz的声波，人耳听不见。
一、超声波的产生与接收
压电效应
电致伸缩效应
高频脉冲
发生器
压电晶体
二、超声波的性质
探头
•方向性好
超声波回波探测就是基于此。
•强度大
•穿透能力强(固体和液体)
•容易受到障碍物的反射
.42.
三、超声波的生物效应
超声波在媒质中传播，对媒质产生以下四
种效应：

热效应
机械能转化成媒质内能，用于临床理疗,选择性地治疗肿瘤。

机械效应
使媒质分子产生剧烈的机械振动，加速度大、压强大

空化作用
液体内部形成瞬间闭合的空腔。空化作用增强了机械作用。

声流效应
溶液中的一些悬浮粒子会发生平动或转动，导致细胞损伤
.43.
超声波对生物体的损伤
(1) I较小时，作用时间t长－－热作用为主
I较大时，t短－－空化作用为主
I居中，t居中－－机械作用为主
(2) 频率f越低(在超声波范围)，损伤越严重
(3) f>5MHz，不会产生损伤
.44.
超声波生物效应安全区
.45.
四、超声的安全剂量
生物体对超声波都有一个能够承受的最大
剂量，即安全剂量，分为诊断剂量和治疗
剂量。
长期的动物实验和临床超声检查说明超声诊断
所用的剂量对人体是无害的。
安全剂量 
损伤阈值
安全系数
.46.
安全剂量
诊断超声剂量：
诊断过程中不能引起对人体造成伤害的生物效应，
这个阈值通常是100mW·cm-2。
治疗超声剂量：
治疗的最佳超声剂量应建立在生物效应基础上。
这个剂量比诊断剂量大得多。这个剂量通常分成
三个强度：低强度、中强度和高强度。对于一般
治疗，移动声头约为1.5W·cm-2~2.0W·cm-2，而
固定声头应在0.5W·cm-2 ~0.6W·cm-2之间。
.47.
12.1 超声诊断p147
医学影像成像是借助于某种物质与人体的
相互作用，把人体内部组织、器官的形态结构
和密度等，以影像的形式表现出来，供医生根
据影像中所提供的信息进行分析判断，从而对
病人的健康状况进行诊断的一门科学技术。其
中包括超声波成像、X射线成像、磁共振成像
(MRI)、核素成像等。
.48.
医学超声波技术
超声波技术运用于医学，是继X射线诊断技
术之后发展最迅速、推广应用和普及最快的一
门技术。超声波成像与X射线成像相比，具有
无损伤和灵敏度高的特点。
超声波、X射线及核素扫描，
是现代医学并用的三大影像诊
断系统。
.49.
超声诊断仪
.50.
超声诊断仪2
.51.
一、超声脉冲回波成像原理
(一)、超声诊断仪的组成
超声回波信号强说明：
A)界面距离体表远
B)界面两侧声阻抗差异大
C)界面运动速度快
D)界面两侧密度差异大
(二) 超声波回波成像的基本原理
超声波在人体软组织的传播速
度差别不大，约为1500m·s-1，不
同位置分界面的回波有几百微秒
的时间差。
脉冲回波成像原理
.52.
二、超声波探测的分辨本领(resolving power)
(一)空间分辨率
1. 纵向分辨率
超声束传播方向上对前后两点的分辨能力。
纵向分辨率的理论极限是超声波的半个波
长。纵向分辨率与超声脉冲的宽度有关，脉冲
宽度越小，纵向分辨率越高。超声波频率越大，
脉冲宽度可以越小。
.53.
2. 横向分辨率
表示能分辨与超声束垂直的横向面上两
点的能力。
它与超声束的横向直径有关。声束越细，
横向分辨率越好。
理论分析证明，超声波波长越小，横向分辨率
越高。 当提高超声波的频率时，纵向和横向分
辨率都能提高，对细微结构的探测是有利的。但
提高频率会增加衰减，降低穿透力，影响超声的
探测距离。
.54.
(二) 细微分辨率
只有当病灶比超声波长大数倍时，作为大
界面才能发生明显反射。
提高超声波频率可以使图像质量更好，但
是探测深度变小了。
由于超声波在人体组织中的衰减系数是随频率升
高而增大，因而在探测深部组织或较厚的脏器时不
宜使用过高的频率。
浅表处用探测用频率高的超声波，深处部
位探测用频率较低的超声波。
.55.
(三)对比分辨率
利用灰阶(从纯黑到纯白之间灰度级别)来
反映回波的强弱。
.56.
三、A型超声诊断仪原理与应用
A型(Amplitude Mode，振幅型)超声诊断仪(简称A
超)是幅度调制型，能显示一维信息。
显示屏横坐标表示时间，纵坐标表示强度。
.57.
A超在临床上的应用
A型超声波诊断仪主要适用于检查肝、胆、脾、
眼及脑等简单解剖结构，测量线度以及获得回波幅
度的大小和形状，通过分析回波幅度的分布以获得
组织的特征信息。它可用于许多科室，其中最有代
表性的应用是脑中线位置的测量。一般正常人脑中
线位置通过颅骨的几何中心，最大偏差≤0.3cm。用
双迹A型诊断仪测量若脑中线偏移＞0.3cm，则应考
虑有占位性病变。此法检查无痛苦，准确性高。
.58.
A超的特点
根据回波的强弱，可以推测病变组织的
物理性质(囊性、实质性还是含气组织)。
但还要根据临床经验和其他检查才能确诊。
A超实际上是利用超声波测量距离、确
定位置。超声测距定位技术在其他领域有
广泛应用。
.59.
(四) B型超声诊断仪的原理与应用
B型(Brightness Mode，辉度型)超声诊断仪(简
称B超)是辉度调制型，能显示二维信息(超声波传
播方向与探头移动方向所决定平面的断面影像)。
.60.
B超的特点
B超探头移动(扫描)的方式可分为机械式扫
描和电子式扫描。
B超的灰阶
决定图像的层次感和清晰度。有64、128、
256级灰阶等
B超可以直观显示脏器的大小、形状、内
部结构，并可将实质性、液性和含气组织区
分出来，并且可观察动态情况。
.61.
五、M型超声诊断仪的原理与应用
M型超声诊断仪(M超)也属于辉度调制型。
M超是将单探头固定于体表一点，探测内
部深处组织界面的运动。
M超横轴表示时间，纵轴表示深度。
.62.
M超诊断举例
.63.
M超的特点
M超特别一般用于观察的记录动态脏器的
活动情况，特别适用于检查心脏功能，称为
超声心动图。
通常超声心动图还显示心电图和心音图。
M超显示的图像缺乏解剖形态的直观性，
也不适用于静态脏器的检查。
.64.
六、超声多普勒诊断仪的原理与应用
超声多普勒技术主要有超声多普勒血流
仪和彩色多普勒血流成像仪(CDFI，简称
彩超)。
彩超是把某处的回波信号分成两路，一路
建立该处的B超图象；另一路根据频移得到
该处血流速度信息，确定该处的颜色。
彩超的颜色是伪彩色。
.65.
彩超的特点
彩超既能观察解剖部位，又能观察内部
血液流动的状态，直观形象快速，是检查诊
断心脏、血管、腹部脏器(如肝、肾)、浅表
器官(如甲状腺)等疾病的的先进技术。
.66.
第三章 液体的流动
气体和液体没有固定的形状，称为流体
(fluid)，它们具有流动性(fluidity)。流动性是
流体的最基本特征。
研究流体的学科可以根据研究对象的特点
分类：
流体静力学、流体动力学
流动的基本规律广泛运用于循环、呼吸过
程及医疗设备研究。
.67.
第一节 理想液体的稳定流动
一、理想液体
实际液体有可压缩性和粘滞性
理想液体是一个模型
理想模型：突出主要方
二、稳定流动
面，忽略次要方面
“稳定”的概念：空间各点流速(大小和方向)
不随时间而变化。
流线和流管：
.68.
a.流线不能相交；
a.流管内外的液体不能交换；
b.稳定流动时流线分布情况不变； b.稳定流动时流管形状不变；
c.稳定流动时流线与流体质元的 c.流管无限变细就成为流线.
运动轨迹重合
想象出来
的线和管
液体在稳定流动时，液体粒子是作
匀速直线运动吗？
流线和流管
.69.
三、连续性方程(Equation of
1. 流量(体积流量)Q，
Q
平均流速： v  S
V
Q
t
continuity)
单位：m3·s-1
2. 连续性方程的条件：不可压缩的液体做稳定流动
Δt时间流体流过S1截面(流入)的体积
V1=S1·v1Δt
流过S2截面(流出)的体积：
V2=S2·v2Δt
.70.
连续性方程
由于稳定流动，流管形状不变，S1S2两截面间空
间体积不变；由于流体不可压缩，则流入的体积与
流出的体积相同：V1=V2，S1v1Δt=S2v2Δt
方程结论：S1v1=S2v2
或： Sv=常量
讨论：
同一流管中：截面积S大处流速v小；
各截面处流量相同，Sv=Q。
质量流量(ρSv)也是守恒的
.71.
第二节 伯努利方程及其应用
一、伯努利方程(Bernoulli equation)
伯努利方程反映理想液体在重力场中做稳
定流动时压强、流速、和高度的关系。
结论：
1
 v 2   gh  P  恒量
2
伯努利方程是理想液体做
稳定流动时的基本规律，它
实质上是理想液体在重力场
中做稳定流动时的功能关系。
.72.
伯努利方程有两种写法：
1
1
2
 v1   gh1  P1   v2 2   gh 2  P2
2
2
1
 v 2   gh  P  常量
2
同学们考虑一下：
若分别在等高(h不变)、等压(P不变)和等速(v不变)
的三种条件下，伯努利方程变成怎样的形式？
P、ρgh、½ρv2的单位是否相同？
高度h是一个相对量，与参考位置有关。
½ρv2和½ mv2一样吗？
.73.
5Pa，水以5.0m·s-1的流速沿内半径
使用压水泵，把水加压到6.6×10
例3-2
2.0cm的地下管道向楼房供水。若进入楼房时水管半径为1.0cm，水管升
高1.0m，求进入楼房时管内水流速度和压强。
已知：P1=6.6×105Pa，v1＝5.0m·s-1，r1=2.0cm，r2=1.0cm，h2-h1=1m
求：v2和P2。
解：由连续性方程：S1v1=S2v2，
其中S1=πr12 ， S2=πr22，则进入楼房时流速v2为：


S1
 r1 
3.14  2.0 10
v1 
v

1
S2
 r2 2
3.14  1.0 10  2
2
v2 
由伯努利方程：


2 2
2
 5.0  20 (m·s-1)
1 2
1
2
P1  v1  gh1  P2  v2  gh2
2
2
解题时,要按照：已知、求、
则进入楼房时压强P2为：
解、答的顺序，并且过程中
1
2
2
P2  P1   ( v1  v2 )  g (h1  h2 ) 应该有适当的中文说明。
2
 6.6  105  0.5  1.0  103  (5.02  20.02 )  1.0  103  9.8  ( 1.0)
 4.6  105 (Pa)
答：进入楼房时管内水流速度为20 m·s-1
，压强为4.6×105Pa。
.74.
虹吸管
当水从虹吸管下端流出时，
A、B、C、D处压强、速度、
高度的关系如何？
.79.
伯努利方程应用举例
一稳定的的气流水平地流过飞机机翼,上表面气流的速率
是 80m•s-1,下表面气流的速率是 60 m•s-1。若机翼的面积为 4.0m2 ,问速率差
对机翼产生的升力为多少?空气的平均密度是l.02kg •m-3。
.80.
第三节 实际液体的流动
一、牛顿粘滞定律
我们讨论的实际液体有内摩擦力(粘性)，
但体积变化很小(可以忽略)。
(一) 层流
液体分层流动，各层流速不同，彼此
不互相混杂。
相邻层之间有内摩擦力或粘性力
.81.
(二) 牛顿粘滞定律
1. 速度梯度
v
x
提问：速度梯度越大，说明什么？
Δx应该取垂直
流层方向
η称为粘度系数或粘度，由
液体本身的特性决定，还与
温度有关。单位：Pa·s
2. 牛顿粘滞定律 F ηS v
x
.82.
4. 牛顿液体与非牛顿液体
在一定温度下，不同液体粘度可能是常量，
可能随切变率而变化。
水、血浆、血清等均质液体都是牛顿液体，
而血液等含有悬浮物或弥散物的液体多为非
牛顿液体。
.83.
二、实际液体的伯努利方程
在考虑液体粘性后，液体流动会
有能量损失，伯努利方程修正为：
1
1
v12  gh1  P1  v2 2  gh 2  P2  w12
2
2
其中w12表示单位体积液体从截面1流动到截面2时
损失的能量。
对于一个水平均匀管，v和h都一样，则有：
P1=P2+ w12
P1>P2，沿液体流动方向压强下降。粘性液体流过水平均
匀管，管两端必须要维持一定的压强差。
血液在血管中流动，也会有血压下降。
.84.
三、泊肃叶定律
1. 泊肃叶定律
液体在半径为r、长度为L的水平均匀管中做稳定
流动时，液体的流量Q与压强差ΔP成正比：
r 4 P
Q
8L
P
Q
R
8L
其中R  4
r
R称为流阻，在心血管系统研究中称为外周阻力，
单位：Pa·s · m-3。
流阻的计算也可以向电阻一样有串联和并联关系。
.85.
了解：斯托克斯定律
球形物体、层流、匀速运动
小球在粘性流体中低速(Re<1)移动，小球表
面包裹一层流体，受到流体相邻的粘性阻力：
F=6πηrv (斯托克斯公式)
球体在粘滞流体中下降的最终速度
vt

2 gr 2 (    )
9
速度vt称为终极速度或沉降速度
.86.
血沉率
通常以红细胞在一小时内下沉的距离来表示
红细胞沉降的速度,称为红细胞血沉率。
正常成年男性的血沉率约为0～15毫米/小时,
女性约为0～20毫米/小时。
一般来说，凡体内有感染或组织坏死，或疾
病向不良性进展，血沉一般会加快。血沉测定
不是某一种疾病的特异性诊断指标。
血细胞在血浆中沉降：由于ρ=1.09×103kg·m-3与σ
=1.05×103kg·m-3差距很小，导致沉降速度vt很小，
很难分离血细胞。我们可以使用高速离心机，使加
速度达到105g，以加大分离速度。
.87.
四、湍流、雷诺数
粘性液体的流动形态主
要有层流和湍流两种。
层流(laminar flow) ：液
体分层流动，各层流速
不同，彼此不互相混杂。
湍流(turbulent flow)：
流动具有混杂、紊乱的
特征时，叫做湍流。
.88.
雷诺数
液体的流动从层流变成湍流，除了与速度v
有关外，还与液体的粘度η、密度ρ和管道半
径r有关。
定义雷诺数(纯数，没有单位)Re：
 vr
Re 

当 Re<1000时，流动为层流；当 Re>1500时，流体的流
动为湍流；当1000 <Re<1500时，流体的流动可能是层流，
可能是湍流，称为过渡流。
湍流的产生不仅与管半径有关，还受管的形状及内壁光
滑程度的影响。
.89.
举例3-4
血液在主动脉中流动，血液的粘度为4.0×10-3 Pa · s，密
度为1.0 × 103kg·m-3，主动脉的半径为1.0cm，为保持层
流，最大血流速度是多少？
已知：η血=4.0×10-3 Pa · s，ρ血=1.0 × 103kg·m-3，
r=1.0cm=0.01m
求：Re=1000时，血流的速度vmax
解：为保持层流，雷诺数Re<1000，则由
 vr
Re 

可得最大血流速度 vmax为：
Re  1000  4.0  103
-1
vmax 


0
.
4
(
m

s
)
3
r
1.0  10  0.01
答：为保持层流，主动脉内血液最大速度为0.4m·s-1。
主动脉血流速度约0.22m·s，血管内的血流速度
通常比这个速度小，血液流动以层流为主。
.90.
第3章 布置习题
p45 习题三：
3-2，3-4，3-9
.91.
第四节 血液在循环系统中的流动
一、血液的粘性
血液的成分由血浆和血细胞组成的悬浊液组成，
是一种非牛顿流体。
血液的粘度变化很大。根据流动的状态，可以
是水粘度的2倍到1000倍以上。
测量血液的粘度，具有诊断价值。
血液是非牛顿流体，而血浆是牛顿流体，血液
粘度的变化是由于血细胞的特性导致的。
影响血液粘度的因素主要有血细胞比容(体积比)、红细
胞的聚集性、红细胞的变形性等。
.92.
二、心脏做功
1. 血液循环简介
2. 血液循环消耗的能量由
心脏做功来维持
3. 心脏做功
分为左心室做功和右心室做功
近似地认为心室和心房等高，
对左心室，由伯努利方程，则
1
1
v左室 2  P左室  v右房2  P右房  w左室到右房 心脏做功的物理模型
2
2
P右房≈0(计示压强)，v右房≈0，
心室做功用于克服能量损耗 AL=w左室到右房
左心室做功：
1
2
AL  P左室  v左室
2
.93.
右心室做功
右心室做功： AR  P右室  1 v右室 2
2
P左室、P右室 分别表示左右心室平均动脉压，
6P右室=P左室，v左室=v右室
则
7
6
心脏做功：A=AL+AR  P左室  v左室 2
近似计算：取P左室=1.33×104Pa，v左室=0.4m·s-1，
ρ=1.0×103kg·m-3，则A=1.57×104J·m-3。
静息时心输出量5×10-3m3·min-1，则心脏每分钟做
功78.5J。心脏的负荷还是比较大的。
.94.
三、血流速度分布
血管总截面积与血液平均
流速的关系如右图。
毛细血管的总截面积约为
主动脉的300~400倍。
毛细血管血液流速最小。
.95.
四、血流过程中血压的分布
有几个概念要了解一
下：收缩压、舒张压、
脉压、平均动脉压
测血压时要固定测量位置和体位
提问：谁没见过血压计？
有谁知道它怎样用？
它的测量原理是什么？
.96.
第四章 液体的表面现象
这个表面是指：液体与气体接触处的自由
表面，液体与固体接触处的附着层。
第一节 表面张力和表面能
一、液体的表面层
二、表面张力与表面能
液体表面层分子都有
进入液体内部的趋势。
这种趋势宏观体现就
是表面张力。
.99.
表面张力
大小：
F=αL
表面张力存在于液体的表面，
垂直于分界面。
α ：表面张力系数，单
位：N·m-1
右图装置可以测定α 。
注意：液膜有两面，F'=2 αL，则α =F'/2L
.100.
三、表面能
下面我们讨论能量的变化。
外力做功：
ΔW=F'Δx=2αLΔx=α·ΔS
等于表面能的增加量：
ΔE=ΔW=α·ΔS
E W


S S
α单位还可以是：J·m-2 。
同学们要注意，生理学中的表面张力其实是表面张
力系数。表面张力系数与物质的性质有关，还与温度
和液体所含杂质有关。
.101.
第二节 弯曲液面的附加压强
静止液体表面可以是平面，也可以是曲面。
对于弯曲的液面，由于表面张力，液体内外
压强(P0和P)将不相同。
由表面张力产生的附加压强Ps作用朝那方向呢？
.102.
球形液面的附加压强
附加压强产生的原因:液
体弯曲面上表面张力的合成
形成的。
附加压强：
F 2
PS 
S

R
球形液面的附加压强Ps的作用总是指向
球心方向。
.103.
附加压强讨论：
图中附加压强作用的方向怎样？P与P0谁
大谁小？
.104.
球形液膜的内外压强差
B A
·· ·
C
PC>PB>PA，球形液膜的内外压强差为：
4
PC  PA 
R
R1
R2
右图中两个液膜RA>RB，
当阀门打开后，两个液膜
将会发生什么变化？
.105.
第四节 气体栓塞现象
一、润湿现象
液体与固体接触时，在接触处出现润湿或
不润湿的情况。
润湿、不润湿与相互接触的
液体、固体的性质有关。
θ
接触角用θ表示
θ
.106.
微观解释
润湿、不润湿是由于分子力不对称而引起。
附着层：在固体与液体接触处的液体表面层。
内聚力：附着层内分子所受液体
分子引力之和。
附着力：附着层内分子所受固体
分子引力之和。

f附

A
f内
.107.
二、毛细现象
管径很小的管子称为毛细管。
毛细现象：润湿管壁的液体在细管里升高，不润
湿管壁的液体在细管里下降的现象。
毛细现象是由表面张力和润湿(不润湿)现象共同
引起的。
下面我讨论毛细管内液面上升或下降的高度。
.108.
我们先假设液体润湿管壁,


2
毛细管刚插入水中时，管内液面为凹液面，PC=P0 ,
PB<P0 ,B、C为等高点，但PB<PC，所以液体不能静止，
管内液面将上升h，直至PB =PC 为止，此时：
2
PA  P0 
R
2
PB  PA  gh  P0 
 gh  PC  P0
R
2
2 cos 
h

, 其中 R cos   r .
gR
gr



当液体不润湿管壁时，  
2
R


r
上式依然成立cosθ<0，h<0，液面下降。

A
h

B

C
.109.
三、气体栓塞
润湿液体在细管中流动，如果管内有气泡，
液体流动将受到阻碍，甚至发生阻塞，称为
气体栓塞。
(a)当气泡两侧压强相等时，附加压强P左=P右；
(b)当左侧加一个较小压强ΔP时，气泡发生变形，使P右-P左
=ΔP。只有当ΔP较大时，ΔP>δ，液体才流动；
(c)若管内有n个气泡，只有当ΔP>nδ时，液体才流动。
.110.
临床实例
多量空气迅速进入血循环或原已溶解于血液内的气
体迅速游离，均可形成气体栓塞。前者可见于分娩或
流产时，由于子宫强烈收缩，空气被挤入破裂的子宫
壁静脉窦；
头颈手术、胸壁和肺创伤损伤静脉时，空气也可在
吸气时因静脉腔内的负压而被吸入静脉。空气进入右
心后，由于心搏动，将空气和心腔内血液搅拌形成大
量的泡沫，泡沫状的液体有可压缩性，当心收缩时不
被排出而阻塞肺动脉出口，导致猝死。一般迅速进入
血循环的空气量在100ml左右时，即可导致心力衰竭，
尸检可见右心肺有泡沫状气体存在。
还有：病人输液；潜水员由深水上浮；从高压氧仓出来。.111.
第五节 肺泡的表面张力
一、表面活性物质
液体的表面张力系数α由液体本身的特性决定，也
受杂质的影响。溶液的α与所含的杂质成分与浓度
有关，少量杂质就能显著改变液体的α。
.112.
表面活性物质
表面活性物质：使α减小。若一种物质甲能显
著地降低另一种物质乙的表面张力，就说甲
对乙具有表面活性。
表面非活性物质：使α增大
对水来说，肥皂、磷脂、蛋黄素及某些有
机物是表面活性物质；糖类、氯化钠和某些
无机盐是表面非活性物质。
.113.
二、肺泡的表面张力
肺泡A
肺泡B
若两个肺泡连通会怎样？
PA>PB，肺泡B不会萎缩塌陷。
肺泡的表面活性物质肺可以维持正常形态！
肺泡表面活性物质(PS)以磷脂薄膜形式分布衬于肺
泡腔侧面，可使肺泡气-液界面的表面张力降低。
1
C与 2 成正比
2

r
由Ps 
，当r  浓度C    Ps  
1
r
Ps与 成正比

2
r

另外，由Ps 
，r  Ps 

 总体上，Ps.114.
r
肺泡表面活性物质(PS)的生理功能
肺泡表面活性物质不仅可以降低肺泡表面张力来维持肺泡
的稳定性，还有一个重要作用就是减小通气阻力使我们可以
正常呼吸。
2α
2  0.05
由Ps 

 2000Pa
3
r 0.05  10
肺泡内气压比泡外胸腔内压高2000Pa，气体要进入肺内，
肺泡压强必须低于大气压400Pa。
胸腔内压仅比大气压低670Pa，即使呼吸肌肉配合，也仅
比大气压低1200~1330Pa ！ 
由于肺泡有表面活性物质，使α显著减小，正常人体胸腔
的负压就足以维持呼吸！
成年人患肺炎，肺血栓等疾病时，可因PS减少而发生肺不张，
肺水肿。早产儿也可因缺乏PS 发生肺不张和肺泡内形成“透明
.115.
膜”，造成“新生儿呼吸窘迫综合症”而窒息死亡。
第4章 布置习题
课本P56 习题四
4-4、4-5、4-8
4-4 题增加两个字：
…求血液在竖直毛细管中上升的高度。
.116.
第五章 人体的生物电场和磁场
场是物质存在的一种基本形态。电磁现象普遍存
在于自然界和生命现象之中。
人们很早就认识了电现象和磁现象，但是当时还
不知道它们有什么联系。直到1820年奥斯特发现电
流的磁效应，1831年法拉第发现电磁感应，人们才
感觉到电和磁的关系是如此的密切。1873年麦克斯
韦出版了《论电和磁》，阐述了电磁场的理论，是
电磁学的集大成的成就。
.117.
电场和磁场
现在我们知道，电荷的周围存在电场，磁
场是运动的电荷产生的(磁现象的电本质)。变
化的磁场也会产生电场。
电场对处于其中的电荷有力的作用；磁场
对处于其中的运动电荷或电流都有力的作用。
.118.
第一节 电偶极子及电偶极层的电场
回忆： 库仑定律
q1q2
q1q2
F k 2 
2
r
40 r
1
12
1
其中k 
， 0  8.85 10 F  m
40
 0 称为真空介电常数或真空电容率
电场是物质，有力的特性和能的特性。想一想，力的特
电场强度，点电荷电场，场强的迭加(矢量的迭加)，
性用什么物理量描述，能的特性用什么物理量描述？
电场线。
电势，点电荷电势，电势的迭加(标量的迭加，代数
和)，等势面。
.119.
一、 电偶极子的电势
定义：等量异号点电荷相距很近时所
组成的电荷系统称为电偶极子。
_
轴线
电偶极炬(电炬，矢量) P  q L

L
电偶极子的轴线
电偶极子的电场是正负电荷分别
产生电场的矢量迭加，电势则是
代数和。
U 
1
40

q
r1
,U   
1
40

q
r2
q 1 1
q r2  r1
   
则U a  U   U  

40  r1 r2  40 r1r2
.120.
+
电偶极子电势讨论
对于电偶极子，r>>L，r2-r1≈ Lcosθ，r2r1≈Lr2，则
_
L cos
P cos
Ua 


2
40
r
40  r 2
q
+
-4V
-3V
-2V
4V
3V
2V
-1V
1V
0V
讨论:
电偶极子的电势分布
(1) 电势随距离下降得比点电荷快
(2) 电势分布与方位有关。
(3) 电偶极子在均匀电场中会受怎
样的力？
.121.
第三节 心电向量原理
一、 心肌细胞的除极与复极
心脏有规律的收缩是电信号在心肌纤维传
播的结果。心肌纤维由大量心肌细胞组成。
讨论心脏的电学特性要从心肌细胞入手。
.122.
心肌细胞的电学模型
心肌细胞处于静息状态时，膜内、外两侧分别均匀聚集着等
量的负、正离子，对外不显电性，即外部空间各点的电势为零。
医学上称为极化状态。
心肌细胞受刺激，发生除极过程，相当于一个变化电偶极子。
除极结束后，心肌细胞处于反极化状态，对外又不显电性。
心肌细胞紧接着又进行复极过程，又相当于一个变化的电偶极
子，但是电矩的方向与除极过程相反。
复极完成后，心肌细胞恢复到极化状态，对外又不显电性。
心肌细胞的电学模型
(a)极化 (b)除极 (c)除极结束 (d)复极 (e)恢复到极化状态
.123.
二、空间心电向量与平面心电向量
(一) 瞬时心电向量
在某种刺激下，一个心肌细胞会出现除极与复极。
同样，对于大量心肌细胞组成的心肌，乃至整个心
脏也出现除极与复极。
我们在研究心脏电性质时，可将其等效为一个电
偶极子，称为心电偶。它在某一时刻的电偶极矩就
是所有心肌细胞在该时电偶极矩的矢量和，称为瞬
时心电向量。


M   Ps
.124.
(二) 空间心电向量环
心肌的兴奋可以由一些细胞产生并由兴奋传导系
统在整个心脏横向、纵向传播开来。最初的兴奋通
常是由窦房结产生的，称为窦性心律。
瞬时心电向量是一个在方向、大小都随时间在周

期变化的矢量 M t 
我们把该向量箭头坐标按
时间空间的顺序加以描记、
形成轨迹，则称此轨迹为空
间心电向量环。它是瞬时心电
向量的箭头时空变动的三维空间
曲线(箭尾收在一点)，描述了瞬
时心电向量随时空变化的规律。
.125.
(三) 平面心电向量环
空间心电向量环在某一平面的投影得到一
个闭合曲线，称为平面心电向量环。
在xy面(横面)、yz面(额面)、
zx面(侧面)都有平面心电向量
环。
.126.
第四节 心电图的描记原理
由空间心电向量环可以看到，心脏在空间建立的
电场是随时间作周期变化的。任一瞬间，在空间两
点(例如人体表面不同的两点左臂和右臂)的电势差
或电压是确定且可以测量的。
人体表面瞬时电位分布
.127.
一、心电导联
通过电极引导体表电势(电位)与心电图机相连的
电路称为心电导联。
由于人体的心电向量是在空间周期摆动的矢量，
在人体不同部位测量到的电势各不相同，并且也是
周期变化的。以一定的线路连接导入体表电位差或
体表电位，并在机器上记录心脏的这种电位的变化
叫心电图(ECG)。
.128.
(一) 导联轴
从心电图机的负极(无关电极，参考电极)到正极
(探测电极)所连接部位画一条由负极指向正极的矢
线，称为导联轴。
(二) 标量心电图导联
主要有标准导联(双极肢体导联)、加压导联
(单极肢体加压导联)、胸导联(单极心前胸部
导联)。
.129.
1. 标准导联--双极肢体导联
直接取出体表两点间电压加以显示的导联称为标
准导联或双极肢体导联。
右上肢R、左上肢L、左下肢F。有RL,RF,LF三个
导联轴(分别叫做标准Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联轴)
.130.
标准导联特点
由于电压曲线取决于两点电位的变化，标准导联
所显示的心电曲线不能确定是哪一个电极的电位变
化。
为了观察体表一点电位的变化，需要在一个电位
不变的位置放置参考电极(中心电极)。这样测得的
电压曲线就只反映另一个电极(探测电极)处电位的
变化，这种导联称为单极肢体导联。
.131.
2. 加压导联--单极肢体加压导联
三个导联轴aVR、aVL、aVF夹角120o，中心通过
数学计算可得电压近似为零，称为中心电端，可作
为“无关电极”。正极为探查电极，放在需要探查
的部位(R,L,F)。
.132.
额面六轴系统
上
将6个肢体导联的导联轴，
保持各自的方向，平行移
动到加压导联的零点，组
成额面 6 轴系统。
6 个导联轴均匀分布，
左 每两个相邻的导联轴夹角
30度。
右
记录前额面（上下，左
右方位）的心电向量。
下
.133.
3. 胸导联
标准导联和加压导联探测额面心电向量环投影信
号，胸导联测量横面心电向量环的投影信号。
胸导联的各信号正
极如图所示，负极都
是参考电极(中心电
极)。
.134.
胸导联从水平面(前后、左右方位)上观察心电向量
后
右
左
前
.135.
二、心电图的形成原理与描记
由空间心电向量环经过第一次投影在额面、横面、
侧面上形成平面心电向量环，就是向量心电图；第
二次投影是把向量心电图投影到各导联轴上形成标
量心电图。
同样的平面
向量环，在不
同的探查点波
形不同。
.136.
心电图在临床上的应用
心电图能记录到其它检查无法获得的心脏电活动信息，反应心
肌传导功能是否正常，广泛用于心脏疾病的诊断，例如：
1、可显示心脏电生理、解剖、代谢和血流动力学改变，并提
供各种心脏病确诊和治疗的基本信息。
2、判断心律失常类型。
3、具有心肌梗塞可能的先兆症状如胸痛、头晕、或昏厥的病
人的首选检查。
4、诊断心绞痛。当冠状动脉供血不足引起心绞痛发作时，心
电图会发生变化。
5、危重病人的心电监测。
鉴于以上情况，心电图设备已成为各级医疗机构的基本配置。
若心电图反应心肌传导阻滞，例如窦房结信号没有传递到心室
中，埋入一个心脏起搏器可以使病人维持适当的正常生活。
.137.
第五章 布置习题
P70 习题五
5-1
.138.
自古以来神奇的光一直吸引着人们：
光是什么？是粒子、是波、是能量？光怎样
从物质中发出？又怎样成为物质的一部分？光速
为什么是宇宙物质运动的极限？……
有些科学已作了回答，有些还在争论不休。
但毕竟想方设法去了解光，已带来了物理学一场
又一场的革命！
.139.
第七章 光的波动性
人类对光本质的认识：
牛顿的微粒说==>惠更斯的波动说==>麦克斯
韦电磁波说==>爱因斯坦的光量子说
光学(optics)
几何光学(geometrical optics)
物理光学(physical optics)
波动光学(wave optics)
量子光学(quantum optics)
.140.
光的波动性
光是电磁波。
机械波传播需要媒质，电磁波在真空中也能传播。
真空光速c=2.997 924 58×108m·s-1(p162附录)。
电磁波是横波，E矢量和B矢量与传播方向都垂直。
光的波动性表现在光有干涉、衍射、偏振等现象。
.141.
可见光谱
电磁波谱
.142.
第三节 光的偏振(optical polarazation)
一、自然光和偏振光
电场强度矢量表示光振动的方向，称为光
矢量。
自然光
线偏振光(偏振光)
光振动所在平面称为振动面
部分偏振光
.143.
二、起偏和检偏
偏振片，透射轴
起偏器、检偏器
注意：自然光起偏后，光强减半
提问：起偏器转动一个角度后，出
射的偏振光有什么变化？
.144.
马吕斯定律
E0
在检偏器后：
E1=E0cosθ
θ
2
I
E1
 2  cos 2 
I 0 E0
则
I=I0cos2θ
检偏器方向
E1
马吕斯定律
注意： θ变化时，出射
光强 I 的变化。
.145.
P1  P2
I 0
？
自然光
P1
P3
P2
你能说明为什么吗？
.146.
提问：判断这束入射光是自然光、偏振光，还是部
分偏振光？
.147.
第四节 旋光性
物质的旋光性，旋光物质。
旋光角与物质厚度成正比：φ=αL
系数α称为物质的旋光率。
右旋光
左旋光
对于溶液，旋光角还与浓度c有关
φ=αcL
迎光看
左旋与右旋
溶液的旋光率除了与溶质的特性有关外，还与入
射光的波长和溶液温度有关。为了比较不同物质
(药物)的旋光率(旋光系数、比旋度)，通常在20℃ ，
钠黄光(λ=589nm,太阳光D线)入射条件下测得的。
20
可以表示成：
   D  c  L
.148.
表1 某些药物的旋光率
(单位：(o) ·L·kg-1·dm-1)
 20
药名
药名
 20
乳糖
+52.2-52.5
桂皮油
-1—+1
葡萄糖
+52.5—+53.0
蓖麻油
+50以上
樟脑（醇溶液）
+41—+43
维生素
+21—+22
蔗糖
+65.9
氯霉素
-20—-17
山道年（醇溶液）
-175—-170
薄荷脑
-50—-49
.149.
旋光仪(糖量计)
可以利用溶液的浓度与旋光角的关系来测
定溶液的浓度。
单色钠光入射器偏器P得到偏振光，透过T中的溶液
后，利用检偏器A来观察 。实验顺序：
(1)容器中装蒸馏水，确定无旋光时入射光偏振方向。
(2)容器中盛已知浓度cs的标准溶液，测量旋光角φs。
(3)容器中盛未知浓度c待测溶液，测量此时旋光角φ。
由s  cs l，  cl
 s cs
 ，

c
c
则c  s
s
P
T
φ
A
l
旋光仪的使用方法
.150.
第五节 光的吸收
物质对光具有选择吸收的特性。
e=?
表面色、透过色
一、朗伯-比尔定律
单色光通过物质后被吸收，光强度随距离的增大而
减小：
I=I0e-μx
(朗伯定律)
μ单位是什么? m-1
μ称为物质的吸收系数
对于溶液，μ与浓度c成正比，μ=βc 则
I=I0e-βcx
(朗伯-比尔定律)。
μ和β都取决于物质的性质和入射光的波长。
.151.
利用朗伯-比尔定律测量液体的浓度
让单色光通过厚度x的溶剂，出射光强
I=I0e-μx；
在同一容器中盛浓度为c的溶液，光通过溶液时被溶质
和溶液吸收，吸收系数μ+βc，出射光强：
I'=I0e-(μ+βc)x=Ie-βcx。
令
T=I'/I=e-βcx
称相对透光度或相对透射率。
D=-lnT=-ln(I'/I)=βcx
称为消光度或光密度。消光度D越大，溶液吸收
光的程度越大。D与溶液浓度c成正比，测量D
可以间接测量溶液浓度。
.152.
二、光电比色计原理
光电比色计就是利用测量溶液的消光度来测
量浓度的仪器。为了提高测量灵敏度，需要使
用溶液颜色的互补色进行测量。
互补色：两种光合在一起，形成“白
光”，这两种光互称互补色。
提问：黄色+蓝色是白光吗？
互补色
黄
绿
我们知道太阳光是真正的白光，通过三棱镜折射
橙
青
有彩色光谱。而黄光与蓝光合成的“白光”折射后
白光 青蓝
红
只有黄色和蓝色光谱。合成的“白光”只是看起来
紫
蓝
和白光相同，实质还是不同的。
.153.
光电比色计
入射比色杯T的是溶液颜色的互补色光。测量
时，将盛有纯溶剂的比色杯放入光路中，c=0，
消光度D=βcx=0，调节电路使示数为0。再放入
已知浓度cs的溶液，测得消光度Ds。又放入浓度
为c的待测溶液，测得消光度D，则
Ds=βcsx，D=βcx，故有
比较法
D
c
 cs
Ds
.154.
分光光度计
.155.
第六节 光的生物效应
可见光使我们看到色彩斑斓的世界。而红外线和
紫外线我们肉眼使看不到的，但它们依然有生物效
应。
一、紫外线
用的紫外光源是汞灯。低压汞灯发出波长253.7nm的紫外线，
用于杀菌。高压汞灯的紫外线波长在303~365之间，主要用于
治疗。
紫外线的生物效应主要是引发分子或原子的电离或激发，
产生化学反应或发出荧光。
灭菌作用、抗佝偻作用、红斑作用、对眼睛的刺激作用。
早期效应：红斑、黑化、表皮增厚、维生素D合成、免疫抑制等。
后期效应：光老化、光致癌
大气中的臭氧层吸收了大部分射向地球的紫外线。
.156.
二、红外线
红外线被组织吸收后，主要是使组织温度
升高，有热效应。
红外线对人体皮肤、皮下组织具有强烈的穿透力。外界红外线辐射人
体可以使皮肤和皮下组织的温度相应增高，促进血液的循环和新陈代谢，
促进人的健康。红外线理疗对组织产生的热作用、消炎作用及促进再生
作用已为临床所肯定，通常治疗均采用对病变部位直接照射。近红外微
量照射治疗对微循环的改善效果显著，尤以微血流状态改善明显，从而
对改善机体组织、重要脏器的营养、代谢、修复及功能有积极作用。
红外线对人体可能造成的不利影响。热辐射又称红外辐射，钢铁冶
金企业高温作业环境的主要特点是强热辐射性高温。波长0.8～1.2μm的
短波红外线可透过角膜进入眼球、房水、虹膜、晶状体和玻璃体，吸收
一部分红外线而导致白内障，称之为“红外线白内障”，国内外均首先
见于玻璃工、钢铁冶炼工人。红外线还能够增强紫外线对皮肤的损害作
用， 加速皮肤衰老过程。红外线也能促进紫外线引起的皮肤癌的发展。
.157.
布置第七章习题
p95习题七：
7-5, 7-7, 7-8
注意：
7-5增加一句：
…透射轴方向一致，自然光入射，当起偏
器旋转…
7-7 α=525 oL·kg-1·m-1改为52.5 oL·kg-1·dm-1
.158.
第八章 几何光学
第三节 放大镜与显微镜(p108)
一、放大镜
目的：增大视角。
角放大率α：



或 
tg d

tg
f
式中d=25cm是明视距离，f是放大镜焦距。焦距不
能太小，约1~10cm，约为2.5~25倍放大率。
.159.
二、光学显微镜
(一) 显微镜光学原理
显微镜也是用来增大视角的，它由物镜和目
镜两组透镜组成。物镜成的实像经目镜再次
放大，放大倍数比放大镜大得多。
(二) 显微镜的放大率
 y' d
M     m 
 y f2
y'
d
其中m  是物镜线放大率，  是目镜角放大率。
y
f2
.160.
(三) 显微镜的分辨本领
从显微镜的放大倍数公式M=mα来看，显微镜的
放大倍数可以任意大，可以看见任意细小的物体细
节。而实际上，显微镜要成清晰放大的像还受到光
衍射现象的制约。
根据圆孔衍射，点光源经圆孔后，在屏上呈衍射
环，而中央亮斑(艾里斑)占绝大部分光能。两个互
相靠近的物点成的像是两个衍射光斑。
.161.
显微镜的分辨本领
两个物点的像要能分辨，这两个光斑必须离开一
段距离。瑞利研究发现，当一个光斑中心恰在另一
光斑边缘时，两个像点恰能分辨(瑞利判据)。这时
两个物点间的距离就是(最小)分辨距离Z:
0.61 0.61
Z

n sin  N  A
其中λ是入射光波长，nsinβ记
作N·A，称为物镜孔径数。
A
B
b
a
.162.
增大显微镜分辨本领的方法：
显微镜的分辨本领(分辨距离的倒数)由物镜
决定。
1. 减小入射光的波长。
2. 增大孔径数。干物镜孔径数小于0.7，而油
浸物镜孔径数可达1.5左右。
如果显微镜的放大率很大，而分辨本领很小，虽
然成的像大了，可是不清晰， 模糊一片，依然看不
清什么。
.163.
三、电子显微镜
普通显微镜由于要用可见光，分辨本领的提高有限。
这时可以选用波长更短的电子作为照射射线。
我们知道，光具有波粒二像性。光的粒子性表现在光电效
应现象和康普顿效应现象。
德布罗意假设：实物粒子也有波动性，波长
h

(德布罗意公式)
mv
其中普朗克常数h=6.626×10-34J·s，mv是粒子动量。
电子也具有波动性。电场中加速的电子波长为
1.225

( n m)
U
高能电子的波长是很短的。100kV电压加速的电子波长为
0.0039nm，在短X射线波长范围。故可用电子作为显微镜照射
射线。
.164.
运动粒子的德布罗意波长
粒子
电子
电子
能量(eV)
1
100
质量(kg)
9.1×10-31
9.1×10-31
速度(m·s-1) 波长(nm)
1.2
5.9×105
0.12
5.9×106
0.012
5.9×107
0.0029
1.4×105
电子
氢离子
镭的α粒子
10000
100
9.1×10-31
1.67×10-27
6.6×10-27 1.5×107
6.7×10-4
.165.
电子显微镜
维基百科，显微镜
zh.wikipedia.org
电子显微镜（electron microscope），简称电镜，
是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。
高速的电子的波长比可见光的波长短，而显微镜
的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜
的分辨率（约0.1纳米）远高于光学显微镜的分辨率
（约200纳米）。
包括：
透射电子显微镜可以直接获得一个样本的投影。
扫描电子显微镜中的电子束尽量聚焦在样本的一小块地方，
然后一行一行地扫描样本。入射的电子导致样本表面散发
出电子，显微镜观察的是这些每个点散射出来的电子。
.166.
透射电子显微镜(Transmission electron microscopy,TEM)
透射电子显微镜简称透射电镜，是把
经加速和聚集的电子束投射到非常薄的
样品上，电子与样品中的原子碰撞而改
变方向，从而产生立体角散射。散射角
的大小与样品的密度、厚度相关，因此
可以形成明暗不同的影像。通常，透射
电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放
大倍数为几万～百万倍，用于观察超微
结构，即小于0.2µm、光学显微镜下无
法看清的结构，又称“亚显微结构”。
.167.
扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)
扫描电子显微镜简称扫描电镜。是一种利
用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的
电子显微镜。它能产生样品表面的高分辨率
图像，且图像呈三维，扫描电子显微镜能被
用来鉴定样品的表面结构。
场发射扫描电子显微镜
是一种比较简单的电子显微
镜，它观察样本上因强电场
导致的场发射所散发出来的
电子。
放大5000倍的硅藻
.168.
其他显微成像系统： 激光扫描共聚焦显微镜成像
激光扫描共聚焦显微镜成像原理如图1，激光束经过扩束变成
一束直径较大的平行光束，长通分色反射镜使光束偏转90度，经
过物镜会聚在物镜的焦点上，样品中的荧光物质在激光的激发下
发射沿各个方向的荧光，一部分荧光经过物镜、长通分色反射镜、
聚焦透镜，会聚在聚焦透镜的焦点处，再通过焦点处的针孔，由
检测器接收。
只有在物镜的焦平面上
发出的荧光才够到达检测
器，其它位置发出的光均
不能过针孔。由于物镜和
会聚透镜的焦点在同一光
轴上，因而称这种方式成
像的显微镜为共聚焦显微
镜。
.169.
扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)
扫描隧道显微镜亦称为扫描穿隧式显微镜，是一
种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的
仪器。
它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电
子会跳到待测物体表面上形成
穿隧电流，同时，物体表面的
高低会影响穿隧电流的大小，
针尖随着物体表面的高低上下
移动以维持稳定的电流，依此
来观测物体表面的形貌。
.170.
原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)
原子力显微镜利用微悬臂感
受和放大悬臂上尖细探针与受
测样品原子之间的作用力，从
而达到检测的目的，具有原子
级的分辨率。当探针被放置到
样品表面附近的地方时，悬臂
会因为受到探针头和表面的引
力而遵从胡克定律弯曲偏移。
通常，偏移会由射在微悬臂上
的激光束反射至光敏二极管阵
列而测量到。
.171.
第四节 玻璃纤维内镜
一、全反射
当光从光密媒质(n)进入光疏媒质(n'，n>n')时，
发生反射和折射，折射角大于入射角。当折射角等
于90o时，对应入射角称为临界角。入射角大于临界
角时发生全反射。
.172.
二、光纤
光在光学纤维内传播时，发生全反射，光
能可以从光纤一端没有损耗的传递到另一端。
利用一束光纤构成纤维束，可
以传导图像。
.173.
三、医用内镜
(一) 发展历史
早期用硬管式进行检查，痛苦大，盲点多。1958年
开始采用可弯曲的玻璃纤维束导光。
(二) 基本结构
(三) 临床应用
方便、安全，痛苦小，可获得
清晰的图像。可以配合使用活
检装置，还可以进行摄像，或
者进行各种微创的临床手术。
.174.
第八章 布置习题
P115
8-7
提示：由电子波长和最小分辨距离，可得到物镜孔径数。
.175.
第10章 X射线
X射线(x-ray)的发现：伦琴
在1896年元旦发表论文，3天之内
就引起世界轰动，特别是在医学
界，新泽西州的医生在几个星期
内就用X射线观察患者的身体内
部。
伦琴成为1901年第一个诺贝尔
物理学奖获得者。
伦琴夫人的手部x照片
X射线是波长在0.001 ~10nm
的电磁波。
.176.
第一节 X射线的性质
一、X射线的本质
X射线是一种电磁波，波长0.001 ~10nm
(10-12~ 10-8 m)之间。X射线有波粒二象性。
波长 
c

能量E  h 
动量p 
h

hc

质量m 
h
c2
普朗克常量h=6.626×10-34J·s。
.177.
二、X射线的基本性质
X射线由于能量高，具有下面的特性：
(一) 物理特性：
1. 在真空中直线传播
2. 穿透能力：物质吸收X射线的能力与X射线能量有
关，还与物质的特性(原子序数、密度等)有关。
3. 电离作用：使物质原子或分子电离。
4. 荧光效应
(二) 光化学作用：感光，照相
(三) 生物效应：机体吸收X射线后，发生一系列
物理化学变化，引起生理和病理的改变。这是X射
.178.
线放射治疗的理论基础。
第二节 X射线的产生及其强度和硬度
一、X射线的产生装置
(一) X射线的产生条件
高速电子流、阳极靶
(二) X射线的产生装置
(X射线机)
X射线管、低压电源、
高压电源
X射线管工作原理
管电流、管电压
.179.
X射线的产生效率
X射线管产生X射线的效率很低，发热量很大。
阳极靶材料的选择：
熔点高、原子序数大的
金属，如钨、钼
转靶
为降低阳极靶的温度，大功
率X射线管使用旋转阳极靶。
这是两种旋转靶的示意图。
.180.
二、X射线产生的物理机制
X射线谱描述X射线强度随波长分布的情况。分为
连续X射线谱和标识X射线谱。
(一)、连续X射线(continuous
X-rays)谱
1. 轫致辐射(bremsstrahlung)：高速电子在靶原子核附
近减速，损失能量，辐射X射线，ΔE=hν。
想一想：由于电磁作用，改
变了能量，放出电磁波(光子)；
若由于引力相互作用，改变
了能量，将以什么形式放出
能量？
引力波(引力子)
.181.
曲线峰值是什么含义？
随着管电压的增大：
最大值怎样变化？
最短波长怎样变化？
钨的X射线谱
.182.
2. 连续X射线谱的特点
最短波长：λmin
与阳极靶无关，取决于管电压。
最大频率：νmax
1 2
h max  mv  eU
2
c
hc 1
min 
 
 max
e U
min
1.242

nm
U (kV )
.183.
(二) 标识X射线谱(characteristic
X-rays)
当X射线管电压比较大时(钨靶，管电压大于
65kV)，将出现标识X射线谱(特征X射线谱)。
1. 产生机制
靶原子内层电子被电离后，外层电子向内层
跃迁，放出标识X射线。
.184.
2. 标识谱特性
线状谱
与管电压无关，取决
于靶的材料。可作为元
素的标识。
医疗上使用的X射线大都是连续谱，标识
谱常用于光谱分析。
.185.
三、X射线的强度和硬度
(一) X射线的强度
就是电磁波的强度。单位时间内通过某一
与射线方向垂直的单位面积的X射线光子数
量越多，每个光子能量越高，射线强度越大。
I=N1hν1+N2hν2+…+Nnhνn
.186.
(二) X射线的质与量
量：X射线光子数量。管电流越大，单位时间
辐射的X射线光子数量越多。 用管电流与时
间的乘积(mA·s)来表示X射线的量。
质：X射线的硬度。管电压越大，轰击靶的电
子能量越大，产生的X射线光子能量越大，穿
透本领越大，越“硬”。用管电压(kV)来表
示X射线的硬度。
.187.
X射线的不同硬度在医学上的应用
.188.
第三节 X射线的吸收
X射线在媒质中传播，与物质相互作用，被
物质吸收或散射，使原方向的X射线强度被衰
x
减。
I0
I
一、单色X射线的吸收规律
(郎伯定律)
I=I0e-μx
μ:线性吸收系数，由物质与入射 的
X射线波长共同决定。
通常x单位cm，则μ单位cm-1。
.189.
单色X射线的吸收规律
吸收系数
5
Bone
Muscle
Fat
1
0.1
10
50
100
150
500
光子能量 (keV)
.190.
二、质量吸收系数和质量厚度
对同一种物质， μ与密度有关
质量吸收系数 μm= μ/ρ
质量厚度 xm=x ρ
(其中x可以称为线性厚度)则
I  I 0e
  m  xm
.191.
半价层
半价层：X射线被衰减为原来的一半所对应的
厚度(或质量厚度)。
x1 / 2 
ln 2
xm1 / 2 


ln 2
m
x
0.693


0.693
m
xm
 1  x1 / 2
 1  xm1 / 2
则I  I 0   或I  I 0  
2
2
.192.
三、质量吸收系数与波长、原子序数的关系
医学上常用低能的X射线，各种元素的质量吸收
系数近似适合下面经验公式
 3
 m  KZ 
α常取3~4，通常可取3.5。
1. 对特定波长X射线，吸收系数与原子序数的3.5次方成
正比。若物质含有多种元素，吸收系数是各组分原子
吸收系数之和。铅板吸收系数大，常用作防护材料。
2. 对特定的吸收物质，吸收系数与X射线波长三次方成正
比。波长越长(软)，吸收越多。波长越短，穿透本领越
大，硬度越大。
.193.
X射线的“硬化”
X射线管发出的X射线包含有各种波长，可以利
用滤线板(铝板或铜板)衰减长波X射线，透过的射
线就含有较多的短波成份，变“硬”了。
X射线“硬化”通常同时使用铜板和铝板。物质
受到X射线照射都会放出标识X射线谱。铜的标志X
射线可以被铝吸收，而铝的标识X射线波长约在
0.8nm以上，很容易被空气吸收。
滤线板
X源
人体
.194.
第四节 X射线在医学上的应用
可分为诊断和治疗方面。
一、X射线诊断
processing
X-ray source
Collimator
Object
Film
Image
.195.
X射线诊断
(一) 透视
由于组织器官、骨骼等对X射线的吸收本领不同，
透过的X射线可以在荧光屏上显示出明暗不同的荧
光影像。
但由于人体器官透视影像重叠，组织密度或厚度
差别小等原因，形成影像分辨率不高，且不能记录。
(二) X射线摄影
让透过人体的X射线照在照相底片上，使胶片感
光，形成组织器官的影像。
“拍片子”是非常重要的医疗诊断手段。与透视
相比，X射线照射量小，成像分辨率高，可以长期
保存。
.196.
X射线影像的提问:
如果照射密度不同
的组织，透过的X射
线分别照在荧光屏和
胶片上，在图中荧光
屏和胶片的上、中、
下部位上亮暗是如何
分布的？
组织
X射线
照射
荧光屏
胶片
低
密
度
上
中
密
度
中
高
密
度
下
.197.
X射线影像特点
.198.
(三) 造影检查
人体某些器官组织或病灶对X射线的衰减本领与
周围的组织相差很小，可给这些脏器或组织注入吸
收系数较大或较小的物质，来增加它与周围组织的
对比度。例如消化道检查时使用“钡餐”。
(四) 数字减影技术
未注入造影剂：原像
注入造影剂：成像，利用计算机技术减去原像，使
造影血管图像保留下来—数字减影血管造影(DSA)。
.199.
二、X射线治疗
放疗：X射线对分裂旺盛的组织细胞(如恶性肿瘤)
有更大的破坏力。
X-刀：在精确定位病变部位时，利用医用直线加速
器产生高能X射线，进行大剂量窄束定向集中照射。
这是一种高效、精确、无创无血无痛的非手术治疗
方法。
介入性放射治疗：X射线与诊断相结合。在利用
X射线进行诊断时，还进行采集病理学、细胞学、
细菌学、生物化学等检查诊断资料，也可进行简易
治疗。
X射线的防护：
用μm大的物质，如铅
.200.
第十章 布置习题
p138 习题十
10-6、10-8
补充题：
X射线被衰减时，要经过几个半价层，其强度减
小为原来的1%？
.201.
12.2 X-CT(p152)
前面讲的X射线的成像技术，无论是透视、
摄影、或者计算机减影术，有一个难题始终
无法克服－－影像重叠。
这是这种成像方法本质特点决定的。除非
有成像理论上的革命，否则影像重叠是不可
避免的。
X-CT(X射线计算机辅助断层扫描成像)就是这样
一个革命的成果。
世界上第一台X-CT装置是英国EMI公司工程师
G.N.豪恩斯菲尔德和神经放射医生J．安布罗斯于
1972年联合研制成功的。
.202.
CT历史
.203.
1. X-CT的基本原理
由单色X射线吸收规律I=I0e-μx ，若一束X射线透
过n块厚度都为l的媒质，而这些媒质的吸收系数分
别为μ1、μ2、…、μn-1、μn，则透射强度为
I n  I 0e
或者：
-(μ1  μ2  μn-1  μn )l
l
In
I0
μ1
μ2
μ3
μ4
… … … … μn-1 μn
1 I0
ln  μ1  μ2    μn-1  μn
l In
透射光中包含着每一块媒质的信息。
如何分离出每一块媒质的信息呢？
.204.
X-CT原理
如果我们在媒质中切出一个薄层，并把这个
薄层分解成若干个(例如160×160个)边长为l
的方形小块(称为体素)，可以列出许多这样关
于吸收系数μ的方程。
为了得到这160×160个体素的吸收系数μ ，需要
160×160个方程的方程组。如何得到这么多方程？
平移+旋转！
I1n
I
μ11
μ12
μ13
μ14
…
…
…
…
μ1n-1 μ1n
μ21
μ22
μ23
μ24
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
μn1
μn2
μn3
μn4
…
…
…
…
μ2n-1 μ2n
μnn-1 μnn
I2n
Inn
.205.
旋转扫描
.206.
CT原理图
.207.
计算机处理
若果每1°都扫描160次，可得180×160个
方程的方程组。解此方程组，就知道每个体素
的吸收系数，以及这些体素的特征(密度情况、
质地等)。
这个理论在90年前就提出来了！但是这个大方程
组如何求解？
利用计算机来完成！
计算机可以完成从计算体素的特征值，到图像重
建的一系列过程。
有了X-CT机后，我们就可以彻底避开影像重叠
的难题，医学诊断技术又向前迈出了一大步。 .208.
3. X-CT扫描机
最早出现的X-CT机完成一次头部扫描要
5分钟，并且分辨率较低。后来对X-CT机
的改进就主要在扫描时间和分辨率上。
目前X-CT分辨率由早期的3mm×3mm提高到
0.5mm×0.5mm，体层厚度由几十mm减小到1mm以下。
扫描时间也缩短到1秒以下。
(1) 第一代：单束
直线扫描
.209.
(2) 第二代：窄角扇束扫描(张角10°-15°)
(3) 第三代：广角扇束扫描(张角30°-45°)
.210.
螺旋CT
螺旋CT在扫描分代上也属于第三代，但由
于改进了扫描系统的机械和电气结构，可实
现连续的层面扫描。
.211.
(4) 第四代：固定－旋转广角扇束扫描
(5) 第五代：动态空间扫描
.212.
(6) 第六代：电子束扫描
.213.
X-CT 的医学应用
CT 图象的特点是排除了大量重叠的信息，
具有很高的密度分辨率，可以分辨出密度差较
小的脂肪、肌肉和软骨，显示出微小的病灶。
CT检查具有无痛苦，无损伤，快速，及时等
优点。
CT还被引入放射治疗领域。
CT是一种技术，不一定用X射线。可以使用超声波、
可见光或γ光子、电子等。其中ECT就是利用体内放
射性同位素的γ光子来进行体层扫描。
.214.