Orvosi biofizika II Orvosi Biofizika II
Röntgensugárzás előállítása és tulajdonságai Röntgendiagnosztikai alapok Az elektromosság orvosi alkalmazásai Termodinamika - egyensúly, változás, főtételek Diffúzió, Brown-mozgás, Ozmózis Folyadékok és gázok áramlása. A véráramlás biofizikája Bioelektromos jelenségek Hang, ultrahang Érzékszervek biofizikája, látás, hallás Az élő anyag építőkövei: víz, makromolekulák, szupramolekuláris rendszerek A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Biomechanika, biomolekuláris és szöveti rugalmasság • A biomolekuláris szerkezetet és dinamika vizsgálómódszerei. Az MRI alapjai • A biomolekuláris szerkezetet és dinamika vizsgálómódszerei. Rtg diffrakció, spektroszkópiák. • A légzés és a szívműködés biofizikája. Fizikális vizsgálat • • • • • • • • • • •
Az X-sugár Röntgen- sugárzás Előállítás, tulajdonságok
Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923) Nobel-díj, 1901 Hand mit Ringen (“Kéz gyűrűvel”): Wilhelm Röntgen első "orvosi" röntgenfelvétele felesége kezéről (1895 december 22).
Papírtölcsér radioszkóp
1890-es évek vége
I. világháború
Cipész fluoroszkóp (1930-50)
Orvosi röntgenfelvétel
1940
1950
ma
A röntgensugárzás: elektromágneses sugárzás
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)
Röntgensugárzás
A röntgensugárzás (nem szokványos) keltése Tribolumineszcencia: dörzsöléssel kiváltott fényemisszió. Francis Bacon, 1605.
•
A röntgensugárzás keltése
•
Spektrális tulajdonságok
•
A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 1: diffrakció
•
A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 2: abszorpció Ragasztószalag lehántásakor látható fotonok...
Röntgensugárzás keltése gyakorlat
...és röntgenfotonok emittálódnak. (Nature News, October 2008)
Fékezési röntgensugárzás A felgyorsított elektronok lelassulnak (“lefékeződnek”) — és ezért mozgási energiát veszítenek — az anód atomjainak elektromos terében
! Röntgencső (Coolidge, 1900-as évek eleje).
Ifűtő
!
Ufűtő Forgóanódos röntgencső (anód forgás hűtés végett)
!
“Bremsstrahlung”
A fékezési röntgensugárzás spektruma eU anód = ε max = hf max
λ min =
Maximális fotonenergia (εmax) h =Planck állandó; c = fénysebesség; e = elektron töltése; eUanód = gyorsítási munka
hc 1 ⋅ e U anód
ΔP = c'⋅ Z ⋅ (ε max − ε ) Δε
Folytonos spektrum
Határhullámhossz (λmin) (Duane-Hunt-törvény)
Energiaspektrum (teljesítmény energia-függése)
1 2 2 Ptot = c'⋅ Z ⋅ ε max = c ⋅ Z ⋅U anód ⋅ e2 2 2 Ptot = CRtg ⋅ I anód ⋅U anód ⋅Z
η=
Karakterisztikus röntgensugárzás
2 Ptot CRtg ⋅ I anód ⋅U anód ⋅ Z = = CRtg ⋅U anód ⋅ Z Pin I anód ⋅U anód
A belső pályáról kilökött elektron nagyenergiájú pályáról pótlódik Összteljesítmény (háromszög területe alapján)
Összteljesítmény
Elektronátmenet energiája külső héji elektron kiszabadulására fordítódhat: Auger elektron
Hatékonyság <1%
Karakterisztikus röntgensugárzás spektruma !
A röntgen spektrum az elemi összetételt jellemzi Mivel a belső pálya-elektronok vesznek része a jelenség létrejöttében, a spektrum az elemi (és nem molekuláris) tulajdonságokat jellemzi
Nh éj Mh
j
éj
hé
éj
Lh
K
Mag
! !
Vonalas spektrum
Elektron átmenetek Ca atomban
Energiadiszperzív röntgen fluoreszcencia spektrum
Karakterisztikus röntgensugárzás detektálása
A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 1: Diffrakció λ
Okulár
Minta
Energiaveszteség spektrométer
Kristály
Kristály
Röntgen spektroszkóp X
Rtgnyaláb
Rtg sugárzás
Elektronlencse kristály
Fotólemez
Elektronnyaláb
N.B.: elektronmikroszkóp!
Erősítő interferencia feltétele:
Elektronlencse
fázisok
Elhajási interferencia mintázat
2d sin θ = nλ finomítás
Elektronlencse
Minta
Mérés
Elektronlencse
Elektronsűrűség térkép
+1 illesztés
Elektronágyú
0 Elektronágyú
Elektron próba mikroanalizátor (energiaveszteség mérése)
Atomi model
Röntgen spektroszkóp (Rtg energiaspektrum mérése)
A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 2: Abszorpció
-1
3D szerkezet
Kölcsönhatás mechanizmus I: Röntgen fotoeffektus
Exponenciális sugárgyengítési törvény x
J0
Kilépő intenzitás abszorben s
Belépő intenzitás
Kilépő elektron
J J0
J = J 0e − μ x
J x
μ = μm ρ μ = gyengítési együttható μm = tömeggyengítési együttható (cm2/g) ρ = sűrűség (g/cm3)
(további röntgen foton keltésében vehet részt)
Beeső röntgen foton (hf)
A diagnosztikai röntgenben fellépő legfontosabb hatás Fotoeffektus gyengítési együttható:
τ = τmρ τm=fotoeffektus tömeggyengítési együttható ρ=sűrűség
A fotoeffektus függ a fotonenergiától és a rendszámtól τ m = const ⋅
Z3 3 3 3 = C ⋅λ ⋅ Z ε
C = 5,5-6,5 cm2/g nm3
Kölcsönhatás mechanizmus II: Compton szórás Arthur Holly Compton (1892-1962)
Többkomponensű rendszerben: “effektív rendszám” (Zeff) n
Z eff = 3
∑w Z i
3 i
i=1
ε=fotonenergia Z=rendszám w=móltört n=komponensek száma Közeg
Zeff
Levegő
7.3
Víz
7.7
Lágy szövet
7.4
Csontszövet
13.8
Kölcsönhatás mechanizmus III: Párkeltés beeső foton
párkeltés
(csak a terápiás röntgensugárzás esetében releváns)
Energiamérleg:
Energiamérleg:
hf = A + hf scatt + E kin A=kötési energia hfscatt=szórt foton energiája Ekin=Compton-elektron mozgási energiája
Compton-effektus gyengítési együttható:
beeső foton
σ = σ mρ
Sugárgyengítési mechanizmusok Fotonenergia és közeg hatása Ólom
Víz (lágyrészek)
hf = 2me c 2 + 2E kin me=elektron tömege c=fénysebesség
Párkeltés gyengítési együttható:
κ = κ mρ A párkeltés a nagyenergiájú (terápiás) röntgensugárzás és a γ-sugárzás esetében jelentős.
μ = τ + σ +κ μm=tömeggyengítési együttható τm=fotoefektus tömeggyengítési együttható σm=Compton-szórás tömeggyengítési együttható κm=párkeltés tömeggyengítési együttható
Rtg-sugárzás mai orvosi alkalmazásai
Sugárgyengítési mechanizmusok Mechanizmus
μm változása fotonenergiával (ε)
μm változása a rendszámmal (Z)
Releváns fotonenergiatartomány lágyszövetben
fotoeffektus
~1 / ε3
~Z3
10 - 30 keV
Compton-szórás
ε növelésével lassan csökken
~Z/A
30 keV - 20 MeV
párkeltés
ε növelésével lassan nő
(A = tömegszám)
~ Z2
Spirális CT
Virtuális endoszkópia
> 20 MeV
Diagnosztikai röntgen: 1. lágyrész-csont közötti kontrasztmechanizmus: fotoeffektus (~Z3) 2. lágyrészen belüli kontrasztmechanizmus: Compton-szórás (~ρ)
3D rekonstrukció
Angiográfia
