A röntgensugárzás természete, forrásai és biológiai hatásai „X-rays”
emlékeztető
Elektromágneses sugárzások Foton‐koncepció az anyagi kölcsönhatásokban Foton partnere az elektron A foton‐energiát gyakran eV‐egységekben fejezik ki
E foton = hf Dr. Fidy Judit egyetemi tanár 2012 Febr.29
1 eV = 1.6 x 10-19 Joule
Fény – X-rays emlékeztető
Elektromágneses sugárzások Foton‐koncepció az anyagi kölcsönhatásokban Foton partnere az elektron A foton‐energiát gyakran eV‐egységekben fejezik ki
elekromágneses hullámok
Logaritmikus skála
10 −9 m = 1 nanometer
fotonenergia=hf (eV)
X-rays 10 eV
150keV
E foton = hf 1 eV = 1.6 x 10-19 Joule 102pm 10pm
EM hullámok fontos tulajdonságai
emlékeztető T t x
H B
Elektromágneses sugárzások
Foton‐koncepció az anyagi kölcsönhatásokban Foton partnere az elektron A foton‐energiát gyakran eV‐egységekben fejezik ki
E foton = hf 1 eV = 1.6 x 10-19 Joule
c = λ / T , f = 1/T, c = f λ(m/s) c = 299,792,458 m/s vákuumban
c= E B
emlékeztető
emlékeztető
Elektromágneses sugárzások Foton‐koncepció az anyagi kölcsönhatásokban
Elektromágneses sugárzások Foton‐koncepció az anyagi kölcsönhatásokban Foton partnere az elektron
Foton partnere az elektron A foton‐energiát gyakran eV‐egységekben fejezik ki
A foton‐energiát gyakran eV‐egységekben fejezik ki
E foton = hf
E foton = hf
1 eV = 1.6 x 10-19 Joule
1 eV = 1.6 x 10-19 Joule
h = 6.6 ∗10−34 J ∗ s
fényfoton energiája: ~1.5 -3 eV
Fény – X-rays
elekromágneses hullámok
Logaritmikus skála
10 −9 m = 1 nanometer
fotonenergia=hf (eV)
X-rays 10 eV
Sugárzások és biológiai rendszerek ? Ionizáló és nem-ionizáló sugárzások
Látható fény (nem ionizáló)
hatása: elektrongerjesztés
150keV(rtg. cső)
Röntgensugárzás
(Röntgen-cső, szerkezetvizsgálat,diagnosztika) primer hatása: ionizáció 102pm 10pm
Sok-elektronos rendszerek elektron-energiái Egyszerű példa: Cu atom FOTON
fény
röntgensugárzás
ELEKTRON
pályaenergiák
fény Optikai foton-energia (~2-3 eV) elnyelése - emissziója a legkülső – leglazábban kötött elektronokat érinti
EKα∼8 keV (L->K átmenet) Röntgen-tartomány!
Fotonenergia
1.5 – 3 eV
Primér hatás
e- gerjesztés
Elnyelődés diszkrét fotonenergiáknál valószínűsége
Abszorpciós spektrum
röntgensugárzás (rtg. cső) 20 – 150 keV e- ionizáció energia folytonos (!) függvénye
1896 Jan.23
The „Golden Years” of physics 1895: 1896: 1897: 1898:
Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923)
X-rays – Röntgen rádioaktivitás – Becquerel elektron – J. J. Thomson Radium – Pierre and Mme Curie
Wilhelm Conrad Roentgen Felfedezés 1895 November -> publikáció Decemberben -> -> 1896 Január: Orvosi alkalmazások Magyarország: Műegyetemen orvosi diagnosztikai berendezés, 1896
Első fizikai Nobel-díj 1901
Röntgensugárzás keltése röntgencsővel Rtg. Sug. keletkezik, ha nagy sebességű töltött részecskék nagy rendszámú anyagban lefékeződnek.
η = Az anódban nagy a hőfejlődés
Psug < 1% Pel
Röntgencsövek
- forgó anód - hűtés
A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai Emissziós spektrumok növekvő gyorsító feszültség mellett c =λ∗ f
E foton = h ∗ f foton energia
foton energia
- Nagy feszültség (U) mellett a spektrum vonalassá válik
Kétféle mechanizmus 1.Fékezési röntgensugárzás (Bremsstrahlung) - minden (nagy) U-nál - spektruma folytonos - teljes kisugárzott teljesítmény:
Prtg = konst ∗ U 2 ∗ I ∗ Z
- Az össz-teljesítmény erősen nő a feszültséggel - A spektrum a rövid hullámhosszú oldalon élesen végződik, λhat csökken, ha U nő
Anód anyaga
1.1*10-9V-1
-spektruma
λ- ban alulról határolt λh = h ∗ c 1
qeU = 1 me v 2 = hf h = h c 2 λh
qe U
Duane-Hunt törv. hullámhossz
hullámhossz
ezen alapul a röntgendiagnosztika
Határoló hullámhossz λhat
2. Karakterisztikus röntgensugárzás
A karekterisztkus röntgensugárzás alkalmazásai
- csak elég nagy U felett - spektruma vonalas, az anód anyagára jellemző
- Igen érzékeny és pontos kémiai analízis
Cu-anód
hf
anód=vizsgálandó anyag röntgenfluoreszcencia
K vonalak L vonalak
Cu-atom
Minőségi analízis: A spektrumvonalak fotonenergiái alapján a rendszám azonosítható
Z 1.Ionizáció
2. üres állapot betöltése
Kriminológia!
A karekterisztkus röntgensugárzás alkalmazásai
- Igen érzékeny és pontos kémiai analízis
Auger-elektron-spektroszkópia
A karekterisztkus röntgensugárázás alkalmazásai
-
A teljes kisugárzott rtg. intenzitásban kis járulék általában elhanyagolható
De: Molibdén anódos röntgencső Lágy szövetekben igen jól elnyelődő monokromatikus sugárzás
Ekin. Auger Mérésével az átmeneti energiákat lehet meghatározni Æ Felületek kémiai analízise vákuumban
Mammográfia
Kis rendszámú anyagoknál valószínű Versenyez a karakterisztikus rtg sugárzással
Röntgendiagnosztikai alkalmazások (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
A diagnosztikai alkalmazások a rtg sugárzás szöveti elnyelődésén alapulnak Az elnyelt fotonenergia ionizáló mechanizmusai a rtg cső energiatartományában (< 200 keV)
Tömeggyengítési együttható
Abszorpciós együttható
J = J o e − μx = J o e − μ m ρx
MINŐSÉGI JELLEMZŐ Abszorbens anyaga
μ = μm ρ μm = τ m + σ m
Sugárzás fotonenergiája fotoeffektus
diagnosztika
terápia
Tömeggyengítési együttható
τm erősen függ Z-től és a fotonenergiától hf = A + 1 mv 2 + hf ∗ 2
A rtg sugárzás elnyelődésének függése az energiától és az anyagi minőségtől abszorpciós spektrumok ABSZORPCIÓS FOLYAMAT
μm függése a Z rendszámtól
μm függése az E fotonenergiától
rugalmas szórás fotoeffektus
μm ~Z 2
μm ~ 1/E 2~λ2
μm ~Z 3
μm ~1/E 3~λ3
Comptonszórás
közel független
enyhén csökkenő
Rtg-diagnosztikai szempontok - kontrasztanyagok
dominál az effektusokban
τ m = konst ∗ λ3 Z 3
μ m (hf ) ≈ τ m (hf )
J = J o e − μx = J o e −(τ m +σ m )∗ρ ∗ x
Lágy szövetek
Pb
Z eff = 3
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 sugárterhelés csökkentése, digitalizálás
C-karos készülék rtg.-kép erősítővel
Lézer-szkenner Új lumineszkáló anyagok fejlesztése
Rtg-diagnosztikai szempontok – a digitalizálás jelentősége: DSA DSA:
Rtg-diagnosztikai szempontok – az átvilágításban „szummációs” kép keletkezik
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
D = lg
J0 J
Megoldás: egy testszelet többirányú átvilágítása Æ minden képelem több kombinációban Æ Röntgen- CT (gyakorlaton)
Röntgen-CT
Mérési adatgyűjtés: -jól definiált sok irány mentén, egy síkban
G.H.Hounsfield A.M.Cormack Nobel díj 1979
Eddig hangzott el + röntgenkrisztallográfia röviden Nagy sugárterhelés ~ 500x hagyományos -minden képelem legalább két független irány mentén -kiértékelés: számítással Æ
Röntgen-CT
Röntgen-CT
Testtengelyre merőleges metszeti képek:
μ-eloszlások
CAT-SCAN Æ 3D adathalmaz Axiális metszetek
μi képelemenként Æ vizualizálás
CAT-SCAN --- a készülék
Röntgen-CT legmodernebb adatgyűjtés: SRIRÁL-CT
Röntgen-CT Hounsfield-skála - ablakozás
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 szerkezetkutatásban Biológiai makromolekulák „szerkezete”
A röntgensugárzás alkalmazásai a szerkezetkutatásban A biológiai makromolekulák atomi felbontású szerkezetének meghatározása a röntgensugárzás diffrakcióján alapul. Diffrakció és interferencia az erősítés feltétele:
H-hidak Van der Waals kölcsönhatások d~ 0. 3 nm
Fehérje d ~ 4-6 nm
elsődleges kötések
d~0.153 nm
Δ = d ∗ sin α = k ∗ λ
d ≈λ d≥λ 2
A tárgy periodikusan ismétlődő részletének jellemző mérete, ami diffrakciót okoz Makromolekula kristályos állapotban: Æ periodikusan ismétlődő szerkezeti paraméterek d ~ atomi kötéstávolságok d ~ 150 pm Æ λ röntgentartományú
Szerkezeti paraméterek: d ~ 0.1 – néhány nm
A röntgensugárzás alkalmazásai a szerkezetkutatásban
Röntgenkrisztallográfia
Röntgenkrisztallográfia
Reflexióban
A diffrakció felhasználása: monokromatikus nyalábok előállítása spektroszkópiai célokra
alapja: diffrakciós kép létrehozása makromolekula-kristályokon Æ kiértékelés Æ elektronsűrűség-eloszlások Æ atomi részletességű molekulaszerkezet
Egykristály forgatva Bragg-egyenletek
Mikroskristályos porminta
Lizozim enzim – kristály diffrakciós képe
Laue-egyenletek
Nagyobb részletek kis szögeknél Æ kis-szögű röntgen-szórás
Nagyenergiájú röntgensugárzás terápiás célokra részecskegyorsítókkal
Lineáris részecskegyorsító (elektron, proton, deuteron)
Röntgensugárzás keletkezik, ha nagy sebességű, elektromosan töltött részecskék nagy rendszámú anyagban lefékeződnek. Nagyobb kinetikus energiaÆ nagyobb emittált rtg foton-energia
Részecskegyorsítás lineáris pályán Æ terápiás rtg sugárzás körkörös pályán ~ 1 MeV ciklotron (l. magsugárzások)
Gyorsítás az elektródák közötti réseken Egyre hosszabb hengeres elektródák AC feszültség Æ félperiodusonkénti gyorsítás
Megjegyzések gamma-sugárzásról fotonenergia ~ MeV elnyelési valószínűség: << rtg. sug. - 1 Mev körül minimuma lehet
A fény és a rtg. sugárzás hatásainak értelmezésénél mind a hullám- mind a fotonleírást használjuk Kettős természet - hullám Huygens elv, diffrakció, interferencia - részecske: foton (energia-kvantum) energiaátadás anyagoknak kvantált energiaadagokban, kölcsönhatásokban
partnere az elektron
Röntgen sugárzás
Autóvezető szummációs röntgenképe Vége
Köszönöm a figyelmet
