A röntgensugárzás elektromágneses sugárzás
Röntgensugárzás Hullámhossz: ~3 futballpálya
Hullámhossz: ~3 m
Hullámhossz: ~3 cm
Hullámhossz: 400- 700 nm
Hullámhossz: ~30 H-atom átmérő
Hullámhossz 10 - 0.01 nm. Frekvencia 30x1015 - 30x1018 Hz. Energia 120 eV - 120 keV. (petaherz - exahertz)
A röntgensugárzás keltése
Röntgensugárzás
Fékezési vagy folytonos Rtg sugárzás
• A röntgensugárzás keltése • Spektrális tulajdonságok • A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 1: diffrakció • A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 2: abszorpció • Alkalmazások
Xsugarak Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923)
Maximális fotonenergia (εmax):
Ifűtő
eU anód = ε max = hf max Ufűtő Határhullámhossz (Duane-Hunt-törvény):
λ min =
hc 1 ⋅ e U anód
h =Planck állandó c = fénysebesség e = elektron töltése eUanód=gyorsítási munka Kisugárzott összteljesítmény (Pössz=görbe alatti terület) egyenesen arányos Uanód2-tel és Ianód-mal. Rtg-sugárzás előállítási hatékonysága <1%, a gyorsítási munka nagyrészt hővé alakul.
A röntgensugárzás (nem szokványos) keltése Tribolumineszcencia: dörzsöléssel kiváltott fényemisszió. Francis Bacon, 1605.
A röntgensugárzás keletkezési mechanizmusai Primér elektron
Primér elektron
Karakterisztikus sugárzás
Folytonos sugárzás
Szórt elektron
Ragasztószalag lehántásakor látható fotonok...
...és röntgenfotonok
Fotonenergia (keV)
Relatív intenzitás
Relatív intenzitás
Folytonos spektrum
Karakterisztikus sugárzás
A karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése
Karakterisztikus sugárzás
Fotonenergia (keV)
Hullámhossz (pm)
Fékezési sugárzás (“Bremsstrahlung”)
emittálódnak. (Nature News, October 2008)
A röntgensugárzás spektrális tulajdonságai Fékezési sugárzás
Szórt elektronok
Hullámhossz (pm)
Vonalas spektrum
Kilökött pályaelektron
1. lépés - gerjesztés: pályaelektron kilökése, instabil állapot
2. lépés - emisszió: elektronhiány pótlása magasabb energiájú pályákról: karakterisztikus fotonok keletkezése
Beeső elektron
Eltérült beeső elektron
Többszörös foton emisszió
Egyfoton emisszió
A röntgen spektrum az elemi összetételt jellemzi
Karakterisztikus röntgensugárzás detektálsa Röntgen spektroszkóp Minta
Okulár
Energiaveszteség spektrométer
X
Elektronlencse kristály
Fotólemez
Elektronnyaláb
Nh éj
Elektronlencse
Mh
j
éj
hé
éj
Lh
K
Elektronlencse
Minta
Elektronlencse Mag
Elektronágyú Elektronágyú
Elektron átmenetek Ca atomban
Energiadiszperzív röntgen fluoreszcencia spektrum
Röntgen spektroszkóp Elektron próba mikroanalizátor (Rtg energiaspektrum mérése) (energiaveszteség mérése)
A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 1: Diffrakció λ Kristály
A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 2: Abszorpció
Kristály Rtgnyaláb
Exponenciális sugárgyengítési törvény
Rtg sugárzás
x Elhajási interferencia mintázat
Belépő intenzitás
2d sin θ = nλ finomítás
Erősítő interferencia feltétele:
fázisok
Elektronsűrűség térkép
+1
J0
J = J 0e − μ x
J x
μ = μm ρ
illesztés
0
μ = gyengítési együttható μm = tömeggyengítési együttható (cm2/g) ρ = sűrűség (g/cm3)
Atomi model
-1
J0
J Kilépő intenzitás
abszorbens
Mérés
3D szerkezet
Kölcsönhatás mechanizmus I: Röntgen fotoeffektus
Kilépő elektron
(további röntgen foton keltésében vehet részt)
A fotoefektus függ a fotonenergiától és a rendszámtól τ m = const ⋅
A diagnosztikai röntgenben fellépő legfontosabb hatás
Z3 3 3 3 = C ⋅λ ⋅ Z ε
C = 5,5-6,5 cm2/g nm3
Többkomponensű rendszerben: “effektív rendszám” (Zeff) n
Beeső röntgen foton (hf)
Z eff = 3
Fotoeffektus gyengítési együttható:
i
3 i
i=1
ε=fotonenergia Z=rendszám w=móltört n=komponensek száma
τ = τmρ
Közeg
τm=fotoeffektus tömeggyengítési együttható ρ=sűrűség
Kölcsönhatás mechanizmus II: Compton szórás
∑w Z
Zeff
Levegő
7.3
Víz
7.7
Lágy szövet
7.4
Csontszövet
13.8
Kölcsönhatás mechanizmus III: Párkeltés beeső foton
párkeltés
Energiamérleg:
Arthur Holly Compton (1892-1962)
hf = 2me c 2 + 2E kin me=elektron tömege c=fénysebesség
Energiamérleg:
hf = A + hf scatt + E kin Párkeltés gyengítési együttható:
A=kötési energia hfscatt=szórt foton energiája Ekin=Compton-elektron mozgási energiája
Compton-effektus gyengítési együttható:
σ = σ mρ
beeső foton
κ = κ mρ A párkeltés a nagyenergiájú (terápiás) röntgensugárzás és a γ-sugárzás esetében jelentős.
Sugárcsillapítási mechanizmusok
Sugárgyengítési mechanizmusok
Fotonenergia és közeg hatása Ólom
Víz (lágyrészek) Mechanizmus
μ = τ + σ +κ μm=tömeggyengítési együttható
σm=Compton-szórás tömeggyengítési együttható
τm=fotoefektus tömeggyengítési együttható κm=párkeltés tömeggyengítési együttható
A röntgensugárzás alkalmazásai
μm változása
μm változása a
fotonenergiával (ε) rendszámmal (Z)
Releváns fotonenergiatartomány lágyszövetben
fotoeffektus
~1 / ε3
~Z3
10 - 30 keV
Comptonszórás
ε növelésével lassan csökken
~Z/A
30 keV - 20 MeV
(A = tömegszám)
párkeltés
ε növelésével lassan nő
> 20 MeV
~ Z2
Diagnosztikai röntgen: 1. lágyrész-csont közötti kontrasztmechanizmus: fotoeffektus (~Z3) 2. lágyrészen belüli kontrasztmechanizmus: Compton-szórás (~ρ)
A röntgen képalkotás elve Röntgen sugárforrás
Röntgensugárzás Gyengítés (emberi test) Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923)
Hand mit Ringen (“Kéz gyűrűvel”): Wilhelm Röntgen első "orvosi" röntgenfelvétele felesége kezéről (1895 december 22).
Detektor (film, szenzor, képernyő)
Röntgensugárzás keltése - gyakorlat
Orvosi röntgenfelvétel készítése
Röntgencső (Coolidge, 1900-as évek eleje).
Ifűtő Ufűtő
1940
Forgóanódos röntgencső
A röntgen kép x1
x2
x3
abszorbens 1 (μ3)
abszorbens 1 (μ2)
Kilépő intenzitás abszorbens 1 (μ1)
Belépő intenzitás
J0
Röntgen kontraszt
Bélrendszer kontrasztanyaggal feltöltve (pozitív kontraszt)
J
Levegő az agykamrában (negatív kontraszt)
J = J 0e −( μ1 x1 + μ 2 x 2 + μ 3 x 3 +...)
lg
J0 = (μ1 x1 + μ 2 x 2 + μ 3 x 3 + ...) ⋅ lge J
Vastagbél (dupla kontraszt) A röntgenkép szummációs kép.
μn = n-edik abszorbens gyengítési együtthatója xn = n-edik abszorbens vastagsága
(“röntgen felvétel”, “radiográfiás kép”, “röntgenogram”)
Kontraszt a térben különböző gyengítési együttható miatt lép fel.
Vékonybél (dupla kontraszt)
Röntgen képalkotás javítása I. Fluoroszkópia
•
Wilhelm Konrad Röntgen (1895): Bárium-platinocianát röntgen megvilágításra fluoreszkál
•
Papírtölcsér fluoroszkópok
•
Thomas Edison: kálcium-volfrámsavas képernyő
•
Cipész fluoroszkópok (1930-1950)
•
1950-es évek: Röntgen képerősítők
Cipész fluoroszkóp (1930-50)
Papírtölcsér radioszkóp
Röntgen képerősítő Röntgen nyaláb
Fotoelektronok
Lumineszcens Foto-katód ernyő 1
Lumineszcens ernyő 2
“C-kar”
Elektródák
A kép digitalizálására nyílik lehetőség.
Röntgen képalkotás javítása II. Háttérlevonás
Röntgen képalkotás javítása III. Térbeli információ
“Digital Subtraction Angiography” (DSA)
Kétirányú röntgenfelvétel
Kép 1 natív
Kép 2 kontrasztanyag
Számszeríjjal elkövetett suicid kísérlet. Kétirányú koponyafelvétel.
DSA kép kontrasztanyag-natív
Röntgen képalkotás javítása IV. Tomográfia
Pásztázás a CT-ben detektorgyűrű
Egy komplex testről sokirányú felvételt kell készíteni: pásztázás
Sugárforrás Godfrey Hounsfield
μx: lineáris gyengítési együttható
legyező alakú röntgen nyaláb
zárt mérőüreg Allan Cormack 1979 Orvosi Nobel-díj
forrás
detektor
Forgásirány
nyitott mérőüreg
CT lehetőségek Spirális CT
Virtuális endoszkópia
3D rekonstrukció
Angiográfia
