A röntgensugárzás természete, forrása és biológiai hatásai Rajzolják fel egy színes oldat elképzelt abszorpciós spektrumát
Kitekintés: γ-sugárzás
Eddig: fény Következik: röntgensugárzás fény Fotonenergia
1.5 – 3 eV
Primér hatás
e- gerjesztés
Elnyelődés diszkrét fotonenergiáknál valószínűsége
röntgensugárzás (rtg. cső) 20 – 200 keV e- ionizáció energia folytonos függvénye
Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923)
Fény – X-rays
elekromágneses hullámok
Logaritmikus skála
10 −9 m = 1 nanometer
Röntgensugárzás keltése röntgencsővel Rtg. Sug. keletkezik, ha nagy sebességű elektronok nagy rendszámú anyagban lefékeződnek.
fotonenergia=hf (eV)
X-rays 10 eV
150keV Rtg.-cső
103pm 10pm
η = Az anódban nagy a hőfejlődés
Röntgencsövek
- forgó anód - hűtés
Psug < 1% Pel
A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai Emissziós spektrumok növekvő gyorsító feszültség mellett Wolfram anód
- Nagy feszültség (U) mellett a spektrum vonalassá válik - Az össz-teljesítmény erősen nő a feszültséggel - A spektrum a rövid hullámhosszú oldalon élesen végződik, λhat csökken, ha U nő
qeU = 1 me v 2 = hf h = h c 2 λh
λh = h ∗ c 1
qe U
Határoló hullámhossz λhat
A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai
A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai
Kétféle mechanizmus
Kétféle mechanizmus
1.Fékezési röntgensugárzás (Brehmstrahlung)
2. Karakterisztikus röntgensugárzás - csak elég nagy U felett - spektruma vonalas, az anód anyagára jellemző
- minden (nagy) U-nál - spektruma folytonos - teljes kisugárzott teljesítmény:
λh = h ∗ c 1
qe U
Cu-atom
Prtg = konst ∗ U 2 ∗ I ∗ Z 1.1*10-9V-1
Anód anyaga
1.Ionizáció
2. üres állapot betöltése
- ezen alapul a röntgendiagnosztika
A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai 2. Karakterisztikus röntgensugárzás
Karakterisztikus röntgensugárzás alkalmazásai 1. Kémiai analízis - igen kis mennyiségből elemzés - a minta az anód szerepében
Cu-anód
hf
K vonalak L vonalak
Kvalitatív analízis: Spektrum vonalak energiáiÆ target rendszáma
Alkalmazások: - Molibdén anód vonalai emlődiagnosztikában - vonalak fotonenergiája alapján kémiai elemzés
Kriminológia Z
Röntgendiagnosztikai alkalmazások
2. Mo anód karakterisztikus röntgensugárzása Mammográfia ~17.5 keV monokromatikus sugárzás
(fékezési sugárzás)
A diagnosztikai alkalmazások a rtg sugárzás szöveti elnyelődésén alapulnak Érvényes az exponenciális abszorpció-törvény
J = J 0 e − μx = J 0 e − μ m ρx Abszorpciós együttható
Tömeggyengítési együttható
MINŐSÉGI JELLEMZŐ Abszorbens anyaga Sugárzás fotonenergiája
diagnosztika
Röntgendiagnosztika alapjai
terápia
A rtg sugárzás elnyelődése
„Ionizáló” sugárzás: az elnyelt foton ionizál
A fotoeffektus karakterisztikus vonalai
Kétféle mechanizmus a fotonenergiától függő súllyal.
Abszorpciós együttható Tömeggyengítési együttható
fotoeffektus
J = J oe
− μx
= J o e − μ m ρx
Compton szórás Ólom abszorbens fotoeffektusra jellemző abszorpciós spektruma:
μ = μm ρ μm = τ m + σ m
Az elnyelés valószínűsége megnő, ha a fotonenergia egyenlő egy alhéj ionizációs energiájával Æ K-él, L-héj vonalai
τm erősen függ Z-től és a fotonenergiától ABSZORPCIÓS FOLYAMAT
rugalmas szórás fotoeffektus Comptonszórás
μm függése a Z rendszámtól μm ~Z
2
μm függése az E fotonenergiától μm ~ 1/E
2~λ2
μm ~Z 3
μm ~1/E 3~λ3
közel független
enyhén csökkenő
egy adott (al-)héj ionizációs energiája
hf = A + 1 mv 2 + hf ∗ 2
Karakterisztikus energiák a rendszámmal jelentősen nőnek
A röntgensugárzás alkalmazásai Röntgendiagnosztika alapjai
Rtg-diagnosztikai szempontok - kontrasztanyagok
τ m = konst ∗ λ3 Z 3
Lágy szövetek
J = J o e − μx = J o e −(τ m +σ m )∗ρ ∗ x τ m = konst ∗ λ3 Z 3 J = J o e − μx = J o e −(τ m +σ m )∗ρ ∗ x Z eff = 3
Röntgen-kép kontrasztja függ - sűrüségkülönbségektől - rendszám-különbségektől
Példa kontrasztanyag használatára
n
∑w Z i =1
közeg
Zeff
levegô víz lágy szövet csontszövet
7,3 7,7 7,4 13,8
i
Rtg-kép kontrasztja függ a
3 i
móltört
ρ (g/cm3) 1,3·10–3 1 1 1,7-2
- Sűrüségkülönbségektől -> negatív kontrasztanyagok - rendszám-különbségektől -> pozitív kontrasztanyagok
Rtg-diagnosztikai szempontok – lágy sugárzási komponensek kiszűrése
Lágy komponensek
Vastagbél felvétel negatív és pozitív kontrasztanyag használatával Ablakozás
τ m ≈ λ3 Jól elnyelődnek!
Szűrők: rtg cső sugárzásából a hosszú λ kompononsek kiszűrése Æ Z!
Al(13)
A rtg-csőből széles hullámhossztartományú (fotonenergia-tartományú) sugárzás lép ki
τm ≈ Z3
Rtg-diagnosztikai szempontok – a sugárterhelés csökkentése, digitalizálás Rtg-kép erősítő -optikai kép, de kicsinyített -sugárterhelés csökken
Rtg-diagnosztikai szempontok – a digitalizálás jelentősége: DSA DSA:
C-karos készülék rtg.-kép erősítővel
Digital Subtraction Angiography
Menete: 1. Hagyományos rtg felvétel -> digitalizálás, tárolás 2. Kontrasztanyag beadása (beteg nem mozdul) 3. Második felvétel kontrasztanyaggal -> digitalizálás, tárolás 4. Pixelenként a két kép különbsége -> megjelenítés
Lézer-szkenner Új lumineszkáló anyagok fejlesztése
Rtg-diagnosztikai szempontok – az átvilágításban „szummációs” kép keletkezik
D = lg
J0 J
Megoldás: egy testszelet többirányú átvilágítása Æ minden képelem több kombinációban Æ Röntgen- CT (gyakorlaton)
Autó vezető szummációs röntgenképe
Röntgen-CT
Röntgen-CT Hounsfield-skála - ablakozás
Mérési adatgyűjtés: -jól definiált sok irány mentén, egy síkban
G.H.Hounsfield A.M.Cormack Nobel díj 1979
Nagy sugárterhelés ~ 500x hagyományos
-minden képelem legalább két független irány mentén -kiértékelés: számítással Æ μi képelemenként Æ metszeti eloszlások vizualizálása
A röntgensugárzás alkalmazásai A röntgenkrisztallográfia alapjai
HU =
μ − μ víz ∗1000 μ víz
Tömör csont Szivacsos csont Máj Izom Vese Koagulált vér Vér Plazma Zsírszövet Tüdő
250-1000 130-100 65 45 30 80 55 27 -65 -500, -800
Ablakozás: egy adott tartomány széthúzása a teljes szürke-skálán
A röntgensugárzás alkalmazásai A röntgenkrisztallográfia alapjai
A biológiai makromolekulák atomi felbontású szerkezetének meghatározása a röntgensugárzás diffrakcióján alapul. A mérést a makromolekulák egykristályain végzik.
A diffrakció felhasználása: monokromatikus nyalábok előállítása spektroszkópiai célokra
Diffrakció és interferencia az erősítés feltétele:
2d sin θ = nλ d ≈λ d ~ atomi kötéstávolságok d ~ 150 pm Æ Bragg-egyenletek
λ röntgentartományú
E ( keV ) = 1 . 24 λ ( nm )
Lizozim enzim – kristály diffrakciós képe
A gamma-sugárzás alkalmazásai
Fény – rtg.sugárzás – γ-sugárzás Logaritmikus skála
10 −9 m = 1 nanometer
az abszorpció mechanizmusain alapulnak – „ionizáló” sugárzás
Érvényes az exponenciális abszorpció-törvény
fotonenergia=hf (eV) Rtg. sugárzás 10 eV
150keV Rtg.-cső
J = J 0 e − μx = J 0 e − μ m ρx
μm = τ m + σ m + κ m Harmadik mechanizmus ha hf > 0,511 MeV
párképzés
2 2 hf = 2me c 2 + 1 me ve + 1 m p v p 2 2
Pozitron-elektron annihiláció Æ 2 gamma foton ellentétes irányban 0,511 MeV energiával
gamma-sugárzásról eredete: magátalakulás, fotonenergia ~ MeV elnyelési valószínűség: << rtg. sug. - 1 Mev körül minimuma lehet
Vége – 2014.03.05
Köszönöm a figyelmet
γ - Diagnosztikai alkalmazás alapja: Kis elnyelési valószínűség Æ Izotópos nyomjelzés
Röntgen diagnosztika :
kisebb energiák nagyobb elnyelődés
