MASARYKOVA UNIVERZITA Přírodovědecká fakulta Ustav fyziky kondenzovaných látek
BAKALÁŘSKÁ P R Á C E Rentgenová radiografie
Erik Starla
Vedoucí bakalářské práce: RNDr. Petr Mikulík, Ph.D.
2008
Tímto bych chtěl poděkovat panu RNDr. Petru Mikulíkovi, Ph.D. za odborné rady, bo haté zkušenosti a výbornou spolupráci při vedení bakalářské práce. Dále Petru Šafárikovi za softwarovou spolupráci a celému týmu kolegů rtg laboratoře na UFKL za jejich připomínky, rady a nápady.
Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci napsal samostatně a výhradně s použitím citovaných pramenů. Souhlasím se zapůjčováním práce a jejím zveřejňováním. V Brně dne 21.5.2008
Abstrakt: Předložená bakalářská práce se zabývá problematikou zobrazení objektů pomocí rentgen ového záření a tudíž patří do oboru rentgenové radiografie. Cílem bakalářské práce bylo vytvoření několika demonstračních objektů, nasníniání sérií transmisních obrázků na fluorescenční stínítko a na film a tyto snímky kvalitativně vyhodnotit. Experimenty byly prováděny na rtg zařízení s divergentním zářením (kónický svazek). Klíčová slova: rentgenové záření, měděná a molybdenová rentgenová trubice, absorpce záření, detekce a zobrazování, neostrost a kontrast obrazu, radiografie, výpočetní to mografie (CT)
Abstract: In the present work we deal with x-ray radiography, which studies imaging of objects by x-rays. Objectives of this work was to prepare a few demonstrational objects, scan series of transmissions pictures on the fluorescent screen and analyse them qualitatively. Experiments were performe on an x-ray school diffractometer. Keywords: x-rays, copper and molybdenum x-ray tubes, absorption of radiation, detec tion and imaging, unsharpness and picture contrast, radiography, computed tomography (CT)
Obsah 1
Úvod
5
2
Historické a s p e k t y 2.1 Historie 2.2 Wilhelm Conrad Röntgen
6 6 7
3
Charakteristika r e n t g e n o v é h o záření 3.1 Elektromagnetické záření 3.2 Vznik rentgenového záření 3.3 Rentgenka 3.3.1 Brzdné záření 3.3.2 Charakteristické záření 3.4 Vlastnosti rentgenového záření 3.5 Detekce 3.6 Vznik, tvorba a kvalita obrazu 3.7 Veličiny spojené s rentgenovým zářením 3.7.1 Expozice X 3.7.2 Dávka D 3.7.3 Dávkový ekvivalent H 3.7.4 Ekvivalentní a efektivní dávka
8 8 9 9 10 11 12 14 14 16 16 16 16 16
4
Využití r e n t g e n o v ý c h paprsků 4.1 Radiační defektoskopie 4.2 Výpočetní tomografie 4.2.1 Historie 4.2.2 Princip výpočetní tomografie 4.2.3 Generace výpočetních tomografů
18 18 18 18 19 20
5
Praktická část 5.1 Popis měřící aparatury 5.1.1 Rentgenka, detektor a spuštění přístroje 5.1.2 Goniometr - ovládání 5.2 Výsledky měření spekter rentgenek 5.2.1 Rentgenky molybdenová a měděná a jejich spektra
22 22 23 23 23 23
3
5.3
6
5.2.2 Měděná rentgenka a odlišné expoziční doby 5.2.3 Molybdenová rentgenka a rozdílný proud Výsledky radiografického zobrazení 5.3.1 Výpočet velikosti ohniska molybdenové rentgenky 5.3.2 Série snímků - laboratorní myš 5.3.3 Série snímků - akvarijní ryba
Závěr
25 26 27 27 30 35 38
Literatura
39
4
Kapitola 1 Úvod Člověk, aniž by si to uvědomoval, se potýká s množstvím záření v každodenním životě prakticky nepřetržitě. Ať už jde o kosmické záření, radiové vlny nebo i obyčejné světlo. I když jde ve většině případů o okem neviditelné záření, tak nám postupný rozvoj vědy a technických vymožeností umožnil podrobné prozkoumání každého z nich. Právě jedné oblasti spektra elektromagnetického záření se budu věnovat a to rentgenovému záření. Bakalářská práce popisuje vědní obor radiografii, zabývající se projekcí vnitřních struktur objektů pomocí ionizujícího záření. Pole působnosti radiografie není rozšířeno pouze do fyzikální sekce, ale také do medicíny, kam z velké části zasahuje i můj studijní obor Lékařská fyzika. Rentgenové paprsky v případě medicíny hrají významnou roli v určení pacientovy diagnózy a je zřejmé, že by se dnes bez jejich použití neobešla. Cílem bakalářské práce je vytvoření několika demonstračních objektů, které následně zobrazím rentgenovými paprsky na luminiscenční stínítko. Vzniklé projekce zaznamenám a okomentuji. Samozřejmostí je objasnění všech základních principů, ale i problémů a nevýhod s tím spojených. K difraktometru, na kterém budou probíhat experimenty, je k dispozici goniometr s detektorem komunikujícím s PC. Rád bych využil i těchto možností a provedl experimenty se spektry dodávaných rentgenek. Bakalářská práce je rozdělena do šesti kapitol. Ve druhé kapitole se dozvíme o his torii objevení rentgenového záření W. K. Röntgenem a přiblížíme si jeho životopis. Třetí kapitola popisuje rentgenové záření, jeho vznik, rozdělení a rizika se zářením spojená. Obsahem čtvrté kapitoly je praktické využití rentgenového záření jak u výpočetní to mografie v medicíně, tak v defektoskopii v průmyslu. Pátá kapitola je výsledkem mého studia radiografie, pojednává o provedených experimentech a mé práci. Poslední šestá kapitola shrne poznatky získané během práce.
5
Kapitola 2 Historické aspekty 2.1
Historie
Objevení rentgenového záření, uskutečněné 8. listopadu 1895, se přisuzuje německému vědci W. K. Röntgenovi. V té době si W. K. Röntgen již uvědomoval důležitost a dopad svého objevu pro celé lidstvo. K objevu došlo v zatemněné místnosti při pokusech s katodovým zářením ve skleněné (Crookesově) trubici. Pro zamezení přístupu světla byla tato trubice uzavřená v černé papírové krabici. Ve stejnou dobu ležel náhodou opodál kus papíru pokrytého fluorescenční látkou, který při každém výboji v trubici za čal světélkovat. Tento jev si Röntgen vysvětlil jako průchod neviditelných pronikavých paprsků, které vyvolávají fluorescenci. Zjistil, že fluorescence nastává tehdy, jakmile svazek elektronů letící z katody narazí na kovový terč. Následovaly další řady experi mentů, při kterých se mu podařilo prokázat různou propustnost paprsků pro materiály s rozdílnou tloušťkou. Tento objev Röntgen shrnul v devítistránkové publikaci „O novém druhu záření", kde jej pro svou neznámou podstatu nazval jako paprsky X. Již v této publikaci podotknul jeho nejdůležitější fyzikální vlastnosti a především také význam pro lékařství, kde se velice rychle začaly aplikovat na člověka. Pro lidstvo to byl obrovský objev, protože mohli poprvé „vidět do lidského organismu". Již v roce 1896, tj. rok po objevení, byla publikována první kniha o metodách diagnostiky pomocí paprsků X. O další rok později v roce 1897 se s jejich pomocí léčila rakovina kůže. Po Rontgenově přednášce v lednu 1896 v Berlíně navrhuje vědec Kölliker, aby bylo neznámé záření X pojmenováno po svém objeviteli. Do konce první světové války byla zjištěna vlnová délka rentgenového záření. Původní rentgenka byla nahrazena za vakuovou rentgenku se žhaveným vláknem. Byla stanovena pravidla vyšetření plic, srdce a vyšetření trávicí trubice. Mezi světovými válkami byla zavedena rotační anoda rentgenky, její vzduchové chlazení a zároveň i objevení kla sické tomografie. Dále pak rozšíření rtg diagnostiky v lékařství o řadu kontrastních vyšetřovacích metod. A v poslední řadě jako další největší objev po objevu rentgenky, výpočetní tomografie, kterou v roce 1963 publikoval A. Cormack [5]. Objev záření nezůstal pouze v medicíně, ale rozšířil se i do dalších oblastí jako jsou 6
atomistika, fyzika kondenzovaných látek, krystalografie, zkoumání hornin a historických objektů, technická rentgenologie i kriminalistika. Všechna tato odvětví spadají do oboru radiografie.
2.2
Wilhelm Conrad Röntgen
(27. března 1845 - 10. února 1923) Narodil se v kupecké rodině. Vystudoval Konfederální vysokou školu technickou v Zůrichu, kde roku 1866 získal diplom inženýra a o rok později hodnost doktora filozofie. Od roku 1874 působil jako vynikající fyzik - experimentátor na vysokých školách, od roku 1876 jako profesor univerzity ve Štrasburku, od roku 1888 na univerzitě ve Wůrzburgu, od roku 1900 na univerzitě v Mnichově. Röntgen zasáhl do mnoha oblastí fyziky a publikoval celkem 58 vědeckých prací. Nejvýznamnějších výsledků dosáhl při studiu katodových paprsků, kterými se zabýval od devadesátých let. 8. listopadu roku 1895 vešel do dějin lidstva. Röntgen toho dne zjistil, že v blízkosti aparatury začalo světélkovat několik krystalů, ačkoli katodová trubice byla zabalená do černého papíru. Dlouho mu trvalo, než uvěřil, že objevil nové záření, a fotografie prozářené ruky jeho manželky, která byla 22. 12. 1895 publikovaná ve francouzském časopise Ľlllustration, vzbudila úžas a nadšení celé veřejnosti. Röntgen byl zahrnut poctami, nový objev se okamžitě uplatnil v medicíně, paprsky X byly nazvány Röntgenovy paprsky a 10. 12. 1901 obdržel Röntgen, jako první, Nobelovu cenu za fyziku. Celou částku 50 000 švédských korun, která byla součástí ceny, věnoval univerzitě ve Wůrzbuku a ani si svůj objev nedal patentovat, protože, jak prohlásil, chtěl svoje ob jevy přenechat lidstvu. Tyto peníze, stejně jako Rontgenův osobní majetek byly však znehodnoceny válečnou inflací [16]. Ve stínu historického Röntgenova objevu zůstávají jeho práce z matematiky, kapi larity apod. Studoval vlastnosti kapalin, plynů, krystalů, elektromagnetické jevy, ob jevil spojitosti mezi elektrickými a optickými jevy v krystalech. Rentgen byl velmi skromný člověk, dokonce odmítl i společensky a ekonomicky výhodné členství v berlín ské Akademii věd. Jeho jméno však patří k nejslavnějším a provází každého z nás po celý život v názvech rentgenových přístrojů, fyzikálních metod i jako název jednotky ozáření [14].
7
Kapitola 3 Charakteristika rentgenového záření 3.1
Elektromagnetické záření
Průkopníkem v oblasti elektromagnetického záření byl James Clerk Maxwell. Zjistil, že světelný paprsek je postupná vlna, tvořená elektrickým a magnetickým polem. V polo vině 19. století bylo tedy známo pouze viditelné světlo, infračervené a ultrafialové jako druh elektromagnetického záření. Toto spektrum později rozšířil Heinrich Hertz o ra diové vlny a samozřejmě již zmiňovaný W. K. Röntgen o své záření X [4]. Každé ze zmiňovaných druhů záření spadá do oblastí tříděných podle vlnové délky a frekvence. V elektromagnetickém spektru nejsou žádné mezery a veškeré vlny se ve vakuu šíří stej nou rychlostí c. V případě, že budeme dělit elektromagnetické spektrum podle vlnových délek, tak pro člověka nejdůležitější, viditelné spektrum, má rozsah od 4,3-10~ 7 m 6,9-10 - 7 m. Oblast radiových vln se nachází v rozsahu 103 m - 105 m, těsně na viditelné spektrum naléhá infračervené světlo s vlnovou délkou v rozmezí 10~ 4 m - 10~ 6 m a ultrafialové světlo s délkou 10~ 7 m - 10~ 9 m. U V záření přechází přes rentgenové záření do radioaktivního gamma záření. Spektrum je ukončeno elektromagnetickými vlnami, které jsou obsaženy v kosmickém záření.
0,1MHz 1 MHz 10 MHz 0,1GHz 1 GHz lOGHz O.ITHz 1 THz lOTHz O.lPHz 1 PHz 10 PHz O.lEHz 1 EHz 10 EHz
Oblast Vlnová délka
Radiové vlny 1 km
I
Mikrovlny
100 m
10 m
Im
1 dm
10 mm
I
I
I
I
I
IČ
Viditel. UV
1 mm 0,1 mm 10 |im
I
I
I
1 fan
I
RTG
100 nm 10 nm
I
I
1 nm
I
O b r á z e k 3.1: O b l a s t e l e k t r o m a g n e t i c k é h o s p e k t r a .
8
O.lZHz
gama 0,1 nm 10 pm
I
I
3.2
Vznik rentgenového záření
Rentgenové záření je elektromagnetické vlnění, jehož vlnová délka se pohybuje kolem 10~ 9 m. Prochází hmotou i vakuem, jeho intenzita slábne se čtvercem vzdálenosti od bodového zdroje záření a šíří se přímočaře [1]. Přirozeným zdrojem záření jsou hlavně hvězdy, na Zemi v malé míře úder blesku. Člověk toto záření ovšem dokáže vytvořit uměle a to především pomocí rentgenky nebo synchrotronu, viz obr. 3.2.
Obrázek 3.2: Rentgenka a synchrotron.
3.3
Rentgenka
Je to skleněná, vysoce vakuovaná trubice, ve které je zabudována žhavená katoda a anoda. Obě tyto části jsou zhotoveny z wolframu, kovu, který odolává teplotám až do 3000 °C. Katoda, která je žhavena samostatným elektrickým obvodem, uvolňuje termoemisí různě hustý mrak elektronů. Přiložíme-li mezi katodu a anodu napětí (používají se desítky až stovky kV), mrak elektronů vylétne a prudce dopadne na ohnisko anody. 99 procent kinetické energie se přemění na teplo a pouze 1 procento na rtg záření.
C
v
|v, w\\ (
A
' lv -
Obrázek 3.3: Rez rentgenkou. A - anoda, K - katoda, VI - žhavené vlákno katody, U uchycení katody, Va - vakuum, W - wolframová destička, S - skleněná stěna rentgenky.
9
Při tomto uspořádání má ploška, na niž dopadají elektrony, tvar úzkého obdél níku (termické ohnisko) a sklon způsobuje, že je termické ohnisko menší než ohnisko dopadové. Optické ohnisko je projekcí termického ohniska ve směru centrálního rentgen ového paprsku, je to ploška, ze které vystupuje rtg záření podílející se na vzniku rtg obrazu (s jeho velikostí klesá ostrost obrazu, tedy rozlišení). Mělo by být proto co nej menší. Zmenšování ohniska však omezuje tepelná zatížitelnost anody rentgenky. Zvýšení této zatížitelnosti umožňují tzv. rotační anody, které se při svém provozu zahřívají po celém povrchu. Ovšem i tyto anody je nutné ochlazovat (vzduchem, olejem). Intenzita rentgenových paprsků je závislá na množství elektronů, tj. na kvalitě katody a jejím žhaveni [5]. Rentgenové trubice mají nejčastěji válcovitý tvar s délkou kolem 10 cm, avšak vysky tují se i trubice s velikostí až 5 m. Při dopadu elektronů na anodu vzniká rentgenové záření dvěma procesy, jedním jako brzdné, druhým jako charakteristické.
3.3.1
Brzdné záření
Vzniká interakcí elektronu a jádra atomů anody, ale také náhlou změnou rychlosti elek tronu. Část kinetické energie, kterou elektron ztratil se mění na foton rtg záření o určité energii. Spektrum těchto fotonů je spojité, protože mají různé vlnové délky. Brzdné záření vytváří spojité spektrum s ostrým zakončením na krátkovlnné straně a s maximem, které lze měnit regulací vysokého napětí na rentgence. Za předpokladu, že se celá kinetická energie elektronu, daná součinem jeho náboje a urychlovacího napětí (e-U), přemění v rentgenové záření, můžeme maximální frekvenci (nejkratší vlnovou délku) tohoto záření vyjádřit výrazem: hvmax = ell ,
(3.1)
kde h je Planckova konstanta, v je kmitočet v Hz, e je náboj elektronu v coulombech, U je napětí rentgenky ve voltech. Z toho pro kmitočet vyplývá: -
ef/
Vmax
~~;
(3.2)
h Cím je větší energie elektronu, tím větší bude kmitočet vzniklého rentgenového záření. Protože vlnová délka každého typu elektromagnetického záření je dána vztahem:
c (3.3) -,
x= v bude vlnová délka rentgenových paprsků: hc Amin
77 >
eu 10
(3.4)
kde c je rychlost světla ve vakuu. Ze vztahu je zřejmé, že čím větší je energie fotonu, tím kratší máme vlnovou délku \min • Veličiny h, c, e jsou konstanty a po dosazení a úpravě dostáváme vztah: 1 24 Xmin = - ý ( n m ; kV).
(3.5)
Tento vztah se označuje jako Dauneův-Hunteův vztah. Při brzdném záření nezávisí na materiálu anody oproti charakteristickému záření, ale pouze na anodovém napětí [3].
3.3.2
Charakteristické záření
Tvoří pouze některé vlnové délky a anodové napětí má vliv pouze na intenzitu. Toto záření vzniká tak, že dopadající elektrony na anodu vyrazí ze slupek blízkých jádru atomu anody elektron a na toto místo přeskočí elektron ze vzdálené slupky. Vzhledem k rozdílné kinetické energii elektronů na slupkách, nastává uvolnění energie ve formě záření X (rtg paprsků).
(69,1 keV)
energie fotonů rentgenového zářeni (keV)
Obrázek 3.4: Energetické spektrum. Brzdné záření představuje spojitou část spektra, charakteristické záření je čárové. V tomto případě použita wolframová anoda [2].
Energetické spektrum je graf vyjadřující závislost relativního podílu emitované inten zity záření AI připadajícího na jednotkový interval energií emitovaných fotonů óE. V obrázku 3.4 jsou vyznačeny energie některých spektrálních čar (složek charakteri stického záření) odpovídající přeskokům z různých energetických hladin elektronového obalu. Hlavní část emitované energie je nesena brzdným zářením, odpovídající průběh křivky (tzv. pozadí) je spojitý do určité maximální hodnoty energie, které odpovídá nej menší možná vlnová délka záření \mín. Tato část křivky je shodná pro různé materiály 11
anody, zatímco maxima emise charakteristického záření jsou charakteristická pro us pořádání elektronového obalu, tj. pro materiál anody[2]. V lékařské fyzice můžeme rozlišit záření již přímo podle typu aplikované rentgenky, což je částečně i konstrukční záležitostí. Záření rozdělujeme na primární, též označo vané jako užitečný svazek záření, které vznikají nárazem elektronů na ohnisko ano dy. Záření vznikající mimo ohnisko se nazývá extrafokální (mimoohniskové). Užitečný svazek záření vystupující z ohniska má tvar kužele. Ozáření hmoty primárním svazkem je doprovázeno vznikem sekundárního záření, které se ovšem šíří do stran i zpět. Tento typ záření například ohrožuje objekty (popř. osoby) nacházející se i vedle vyšetřovaného objektu (popř. pacienta). Sekundární záření má negativní vliv na kvalitu obrazu. Vznik sekundárního napětí je přímo úměrný se zvyšováním napětí. Primární záření obsahuje paprsky s různými vlnovými délkami. Krátké vlnové délky, které se podílí na tvorbě rtg obrazu, ale i dlouhé, které jsou například pro snímky člověka nepotřebné. Tyto „dlouhé" paprsky se filtrují již za rentgenkou pomocí hliníkových filtrů. K určení kvality rentgenového záření slouží tzv. polotloušťky (vrstvy), což představuje vrstvu hliníku, popř. mědi, která se postupně vkládá do dráhy rtg záření a snižuje tak v pozorovaném místě intenzitu až na polovinu. Penetrantnější záření, tzn. čím více ob sahuje krátké vlnové délky, tím je polotloušťka ze stejného materiálu tlustší. Podobně se stanoví i druhá polotloušťka, která záření opět sníží na polovinu. Poměr těchto dvou polovrstev udává stupeň homogenity záření. Ideálně homogenní záření by mělo stupeň 1. Intenzity záření ubývá se čtvercem vzdálenosti od zdroje.
3.4
Vlastnosti rentgenového záření
• pronikání hmotou — Tvorba elektronových párů (pozitronu a elektronu) - vzniká pouze při použití velmi silného záření (až tisíce kV). Záření je zeslabeno průchodem hmotou, kdy závisí především na tloušťce, ale i na složení této hmoty. — Absorpce - princip fotoefektu. Při tomto procesu foton (kvantum energie) mizí a dojde k vyražení elektronu z některé vrstvy elektronového obalu atomu - typicky z vrstvy nejbližší k atomovému jádru. Absorpce látek se řídí vztahem (viz obr. 3.5):
l = h-e~d^
(3.6)
kde IQ je intenzita dopadajícího elektromagnetického záření, / je intenzita elektromagnetického záření po průchodu absorbujícím prostředím, e je základ přirozených logaritmů, d je tloušťka absorbujícího prostředí, \i je absorpční 12
koeficient, který závisí na efektivním protonovém čísle absorbujícího prostředí (u živého organismu je jím aritmetický průměr atomových čísel přítomných prvků, přičemž se počítá s jejich relativním zastoupením) a na vlnové délce rentgenového záření. Lineární absorpční koeficient můžeme vyjádřit vzta hem: fJL =
3
^4
(3.7)
Q • Xá • Z
Množství pohlceného záření závisí na hustotě Q absorbujícího materiálu, protonovém čísle Z materiálu a výrazně též na vlnové délce A rtg záření.
Dopadající záření
• á t ka
I Prošlé záření
—
•
Io
P,Z
*d
I*.
Obrázek 3.5: Zákonitosti absorpce ionizujícího záření v látce hustoty g, protonového čísla Z a tloušťky d.
• luminiscenční efekt rtg záření — dopad záření na některé látky vyvolává světélkování (fluorescence a fosforescence) • fotochemický efekt rtg záření — záření působí na halogenidy stříbra (AgBr a AgJ), po dopadu uvolňuje jejich vzájemnou vazbu, čili se mění iont stříbra a iont bromu v neutrální atom stříbra a bromu. • ionizace při ionizaci dochází k vyražení elektronu dopadem rentgenového záření. Čím je záření intenzivnější, tím je i větší ionizace.
13
• biologický efekt — ionizující záření je schopné ionizovat atomy a molekuly v organismu a tím dávají za vznik vysoce reaktivních chemických látek radikálové povahy. Tato skutečnost vede k poškození ozářeného organismu, což se postupně projevuje funkčními i morfologickými změnami. Konečný účinek záření závisí přede vším na dávce záření, ale i na použitém druhu záření [10].
3.5
Detekce
Podle principu detekce můžeme rozeznávat tři skupiny detektorů. Jako první z nich bych rád uvedl fotografické detektory. Tyto detektory jsou založeny na fotochemic kých účincích záření. Patří mezi ně například filmové dozimetry, rtg filmy nebo scintilační stínítka. Dále pak mlžné komory, které využívají fotografické zobrazení stop částic v určitém látkovém prostředí [15]. Jiným typem detektorů jsou elektronické, v nichž se absorbovaná energie převádí na elektrické proudy popř. impulsy. Do této skupiny detektorů patří ionizační komory, které jsou součástí G-M detektorů, polovodičové detektory nebo scintilační detektory. Detektory, které využívají dlouhodobějších změn vlastností určitých látek pomocí záření označujeme jako materiálové. Ty jsou ovšem z důvodů nízké citlivosti užitečné pouze pro vysoké intenzity záření.
3.6
Vznik, tvorba a kvalita obrazu
Rtg obraz můžeme definovat jako dvourozměrný obraz třírozměrného objektu a ke vzniku tohoto obrazu je zapotřebí zdroje rtg záření, vyšetřovaného objektu a plochy, na kterou se obraz promítne a zviditelní (tj. film, luminiscenční plocha, aj.). Skialogie 1 rozlišuje dva typy projekcí. Projekce paralerní, pro kterou je zdrojem například synchrotron, ale příkladem může být i Slunce, jakožto zdroj v nekonečnu. Druhým, pro nás důležitým příkladem, je projekce centrální. Paprsky vystupující ze zdroje, v našem případě z rentgenky, tvoří komolý kužel nebo jehlan a osu svazku tvoří centrální paprsek. Následkem rozbíhavosti primárního svazku se nám na stínítku zobrazí zvětšený obraz. Zvětšení je tím větší, čím je ohnisko blíže k objektu nebo čím je větší vzdálenost objekt - film. Kontrastem obrazu se rozumí rozdíl ve stupni zčernání mezi dvěma sousedními místy, nebo rozdíl mezi nejtmavšími a nejsvětlejšími místy celého snímku. Uvádí se dva typy kontrastu - objektivní a subjektivní (fyziologický).
nauka o projekcích
14
Objektivní kontrast ovlivňují tyto faktory: • Tloušťka objektu - čím je tloušťka objektu větší, tím menší kontrast. Je to proto, že vzniká více sekundárního záření. To se šíří v nejrůznějších směrech a po dopadu na detektor rozmazává hranici mezi černou a bílou.
• Složení objektu - skládá-li se objekt z částí různě absorbujících rtg záření, má tím
pádem dobrý vnitřní kontrast a vzniká i dobrý „kontrast záření". Tento kontrast se projeví až po dopadu na detektor (film, stínítko), t a m kde je více záření, je detektor „černější".
• Kvalita primárního záření - použitím většího napětí zmenšíme rozdíl v absorpci
mezi objekty o velké a malé hustotě. Výsledný kontrast je tím větší, čím menší napětí použijeme.
• Množstvím a kvalitou sekundárního záření - sekundární záření snižuje kontrast. Tohoto záření vzniká tím více, čím je záření tvrdší (více kV), objekt silnější a snímkovací pole větší. Vznik sekundárního záření omezíme vyclonením užitečného svazku jen na snímkovanou oblast. Subjektivním (fyziologickým) kontrastem se rozumí v jaké míře objektivně poznáme existující kontrast. Roli v tomto případě hrají okamžitý stav zrakového aparátu, os větlení snímku, ale i velikost detailu, který pozorujeme. Dalším faktorem ovlivňující kvalitu obrazu je šum, jakož to rušivý signál, se kterým se setkáváme v řadě odvětvích (elektronika, optika, fotografie). Nelze předem určit, kdy se objeví a projeví se snížením rozlišovací schopnosti. Posledním faktorem je ostrost obrazu, určená především velikostí ohniska, ohniskovou vzdáleností a vzdáleností ob jekt - stínítko [5].
15
3.7 3.7.1
Veličiny spojené s rentgenovým zářením Expozice X
Vyjadřuje ionizační účinky fotonů ve vzduchu. Je definována jako podíl absolutní hod noty celkového elektrického náboje dQ iontů jednoho znaménka, vzniklých ve vzduchu při úplném zabrždění všech elektronů a pozitronů, které byly uvolněny fotony ve vzdu chu o hmotnosti dm, a této hmotnosti:
X =M
(3.8)
dm Jednotkou expozice v soustavě SI je coulomb na kilogram [C-kg~ ].
3.7.2
Dávka D
Je veličinou, která charakterizuje absorpci energie v daném elementárním objemu. Je definována jako podíl střední sdělené energie dE, předané ionizujícím zářením látce a hmotnosti dm této látky. dm Jednotkou dávky v soustavě SI je gray (Gy), rozměr této jednotky je [J-kg~ ].
3.7.3
Dávkový ekvivalent H
Je veličina, která charakterizuje významnější škodlivé účinky ozáření některými druhy záření na zdraví. Jedná se o dávku přepočtenou na efektivní absorpci v daném materiálu. Je definován jako součin dávky D v uvažovaném bodě tkáně, jakostního činitele Q v tomto bodě a popřípadě též součinu ostatních modifikujících činitelů N. H = D-Q-N
(3.10)
Jednotkou dávkového ekvivalentu v soustavě SI je sievert (Sv) o rozměru [J-kg -1 ] [6].
3.7.4
Ekvivalentní a efektivní dávka
Pro výpočet biologického účinku se zavádějí jednak radiační váhové faktory (viz obr. 3.6), které se liší pro různé druhy záření, jednak tkáňové váhové faktory (viz obr. 3.7), které se liší pro různé tkáně. Faktorem se násobí dávka jako fyzikálně změřená veličina a výsledná veličina se pak nazývá ekvivalentní resp. efektivní dávka. Tyto dva postupy lze také kombinovat [81.
16
20 1
a-zárení
p-záření V a X-paprsky
1
neutrony, termální, rychlé těžké ionty
2.5 (10-20) 10-20)
Obrázek 3.6: Radiační váhové faktory pro stanovení ekvivalentní dávky.
močový měchyr kost kostní dřeň prso
0.05
pohlavní orgány
0.20
0.01
játra
0,05
0,12
plíce
0.12
0.05
kůže
0.01
tlusté střevo
0.12
žaludek
0.12
jícen
0.05
všechno ostatní
0.05
stitna zlaza
o.os
celé tělo
1.00
Obrázek 3.7: Tkáňové váhové faktory pro stanovení efektivní dávky. Můžeme vyčíst, že nejvíce náchylné orgány k ozáření jsou pohlavní orgány, proto by měla připadnout ochrana především na tato místa.
17
Kapitola 4 Využití rentgenových paprsků 4.1
Radiační defektoskopie
Metoda založená na rozdílech v absorpci pronikavého záření v látkách. Při odlévání, chladnutí, svařování, obrábění i provozu součástí strojů a zařízení může docházet ke vzniku nehomogenit, dutin, prasklin a podobných vnitřních defektů, které zhoršují me chanické vlastnosti součástky a mohou vést k poruchám strojních zařízení. Radiační defektoskopie umožňuje nedestruktivní analýzou nehomogenit v konstruk čních materiálech odhalit případné praskliny a jiné anomálie. Základní schéma defektoskopického měření je stejné jako u rentgenového snímkování v medicíně. Analyzo vaný předmět se ozáří kolimovaným svazkem záření X, přičemž prošlé záření je zob razováno na fotografickém filmu. Zeslabení ionizujícího záření je závislé na tloušťce a hustotě materiálu (viz. kap. 3.4 - absorpce), takže zeslabená místa se projeví větším zčernáním filmu. Případná nehomogenita či prasklina se po vyvolání zobrazí na filmu jako lokální defekt v jinak homogenním zčernání emulze. Používají se filmy a vývojky zajišťující co nejvyšší strmost křivky zčernání, aby se dostatečně kontrastně zobrazily i malé nehomogenity prošlého záření. Zčernání filmu se hodnotí většinou vizuálně po mocí speciálních prozařovacích lamp, příp. je lze vyhodnocovat fotometrický. Pro de fektoskopii ocelových předmětů se používá X-záření o energii cca 60 keV - 200 keV z technického rentgenu [13].
4.2 4.2.1
Výpočetní tomografie Historie
Objev výpočetní tomografie (computed tomography, CT) bývá vzhledem k medicín skému významu často srovnáván s objevem rtg paprsků a to především v rychlosti rozšíření do všech medicínských odvětví. Autorem teorie snímkování jednotlivých vrstev těla a následné rekonstrukce obrazu je Allan M. L. Cormack, základy CT položil již
18
v roce 1963. Až roku 1972 zkonstruoval na těchto základech Godfrey N. Hounsfield první klinicky použitelný tomograf, za který pak obdržel Nobelovu cenu [7].
4.2.2
Princip výpočetní tomografie
Výpočetní tomografie vznikla na podkladě možnosti počítačového zpracování dat, získa ných při tomografickém vyšetření. Je to zobrazovací metoda využívající digitální zpraco vaní dat o průchodu rentgenového záření v mnoha průmětech vyšetřovanou vrstvou [11]. C T přístroje jsou rozděleny do čtyř generací. 1. až 3. generace využívají k získání tomografického řezu koordinovaný pohyb dvou ze tří prvků systému, tj. rentgenky a detektorů záření, které rotují kolem vyšetřované oblasti. Na rozdíl od sumačních snímků, kdy se překrývají jednotlivé orgány a tkáňové struktury, jimiž záření prošlo, podává CT vrstvový obraz. V něm každá složka záznamu odpovídá reálnému detailu ve vyšetřované vrstvě. Při klasické tomografii pořizujeme vrstvové snímky - tomogramy [toraeo - z řečtiny řezat). Rentgenka a kazety s filmem vykonávají během expozice protichůdný sdružený pohyb kolem osy otáčení. U klasické analogové tomografie určuje šířku (tloušťku vrstvy) délka dráhy pohybu rentgenky při expozici. U speciálních tomo grafů vykonává rentgenka kruhový, resp. elipsoidní, resp. hypocykloidní pohyb. Narozdíl od klasické (analogové) tomografie, která využívá pro dokumentaci záz namu filmový materiál, výpočetní tomografie je založena na detekování pomocí scintilačních nebo plynových detektorů. CT tedy pracuje na denzitometrickém principu. Vlastní záznam se skládá z celé řady dílčích registrací prošlého rentgenového záření v odlišných polohách rentgenky a detektorů. Na základě získaných údajů se rekonstru uje číselná síť (matice). Číselné údaje jednotlivých bodů matice odpovídají prošlému záření zachycenému detektory. Nazýváme je Hounsfieldovým absorpčním koeficientem, který je srovnatelný s klasickým absorpčním koeficientem (viz. vzorec 3.6). Jednotlivým absolutním hodnotám je ve dvourozměrném obraze přiřazen různý stupeň odstínů šedi. Absorbující materiály tvoří v CT obraze světlé až bílé plošky, málo absorbující části vidíme jako tmavá políčka. Obraz se skládá z dvourozměrné sítě čtverečků - z matice. Velikost matice udává velikost pixelu a počet pixelů pak rozlišení obrazu (první CT přístroj pracoval s 80x80 bodů, nyní běžné 512x512 bodů) [12]. Ve skutečnosti ovšem nevyšetřujeme plochu, nýbrž objem. Výsledný C T obraz se tedy skládá z drobných kvádrů - prvek objemu je voxel (= volume matrix element). Lze si tedy představit, že výpočetní tomograf si rozdělí vyšetřovaný objekt na tisíce drobných „kvádrů" a v každém z nich rekonstruuje absorpci. Výsledná absorpce (denzita) je potom zobrazena ve stupních šedi vyjádřené denzitními jednotkami (Hounsfiled unit HU, CT číslo). Hod nota denzity vyjadřuje stupeň absorpce v jednotlivých tkáních, vztaženou k absorpci rentgenového záření ve vodě:
19
denzita(i/ŕ7) = ^ m a t
^ v o d y -1000
(4.1)
/•tmat - absorpční koeficient oslabení tkáně, /xVody ~~ absorpční koeficient oslabení vody. Ze vzorce 4.1 logicky vyplývá, že voda má denzitu rovnou nule, a že denzitu vyšší než nula mají struktury s absorpcí větší než voda. Běžné denzity tkání jsou uvedeny na obrázku [7].
Objekt
Denzita HL)
vzduch
-1000
tuk
-40 až -120
voda
0
cysta Žluč
OažlS
otok mozku bílá hmatá mozková
13 až 26
5 až 10
nádory ledviny
25 až 32 20 až 50 30 až 37
játra
50 až 68
kompaktní'kost
1000 a více
Obrázek 4.1: Běžné denzity tkání.
4.2.3
Generace výpočetních tomografů
P r v n í generace C T přístrojů je dnes již historická. Tyto přístroje pracovaly na principu rotačně translačního. Expoziční doby byly několikaminutové a tudíž i vysoká zátěž zářením pro pacienta. K získání údajů pro jeden tomogram provedly přístroje cca 25000 primárních měření během šesti minut.
D r u h á generace C T přístrojů zachovala translačně rotační systém pohybů. Během expozice provedly přístroje až 54000 primárních měření a potřebný čas se zkrátil na 50 s až 10 s.
T ř e t í generace C T přístrojů je dnes nejpoužívanějším typem. Dokáže provést až 180000 měření během několika vteřin. Pracuje způsobem rotačně rotačních pohybů. Počet detektorů dosahuje až 1000 a jsou rozloženy na kruhové výseči, která rotuje kolem pacienta synchronně s rentgenkou v plném kruhu. 20
Č t v r t á generace C T je rotačně stacionární a dokáže provést až miliony měření v čase 1 až 3 sekundy. Během expozice rotuje již pouze rentgenka. Čidla jsou pevná a jsou rozmístěna v celém obvodu tunelu. Nevýhodou je mnohem vyšší pořizovací cena oproti přístrojům třetí generace [7].
I.QtneracD
2_ G í
rtfrri-ůfc
3.
fimiflrac«
4 Gcii-crjľí
Obrázek 4.2: Čtyři generace C T přístrojů.
Fifts generation
Type Principle
Secnod generation
Translation-rotation
Detectors Active detector rows Detector el e men ts\ row Scan time
Single 2 1 135-30ÜS
Third generation
Fourth generation
Electron beam scanning
Electron beam deflection Ring (360°) Semicircular (210°) 1 4 600 - 4000 432/S64 1-5 s >50ms
Rotation
Series 1-2 3-52 5-150:
Arc (30"-60*) 1-16 256 - 1000 0.4-10s
Obrázek 4.3: Comparison of CT scanner generations and types [9].
21
Kapitola 5 Praktická část 5.1
Popis měřící aparatury
Veškeré měření probíhalo na školním difraktometru firmy Phywe (obr. 5.1). Je to malý stolní difraktometr, který obsahuje 35 W rentgenku. Tento přístroj je zkonstruován výhradně pro školní účely. Do přístroje je možné zleva zasunout dodávané rentgenky (v našem případě máme k dispozici měděnou a molybdenovou rentgenku) a do prostoru vyhrazeného pro experimenty například gonionietr, který umožňuje rotaci vzorku a ramena se scintilačním detektorem. Celní spodní panel přístroje obsahuje ovládací prvky a sériový port pro spojení s počítačem. Přístroj je možné ovládat jak manuálně, tak automaticky. V horní části boxu je displej pro zobrazení dat, aktuální polohy goniometru a měřené intenzity.
Obrázek 5.1: Difraktometr (s oddělávatelným goniometrem), na kterém probíhaly ex perimenty. 22
5.1.1
Rentgenka, detektor a spuštění přístroje
Jak již bylo zmíněno, k dispozici máme dva typy rentgenky (Cu a Mo). Maximální možné napětí, které můžeme nastavit je v obou případech 35 kV a maximální proud 1 mA. Detektorem záření je samovyčerpávající halogenová trubice (Geiger-Můllerův detek tor), která počítá jak a, ß i 7 záření. Detektor je citlivé zařízení, proto je nutné nevys tavovat jej delší dobu místům nejvyšší intenzity (tj. přímo naproti výstupu z rentgenky). Přístroj Phywe je vybaven i luminiscečním stínítkem pro isnpekci zobrazení. Samotné ovládání přístroje je triviální. Před měřením je nutné mít správně uzavřená dvířka boxu. Nastavení určitého napětí a proudu se provádí pomocí otočného ciferníku a jednotlivá hodnota přepíná tlačítkem Enter. Záření se spouští a vypíná tlačítkem HV ON.
5.1.2
Goniometr — ovládání
Goniometr umožňuje rotovat vzorkem a detektorem. Rotace je možná jak nezávisle, tak současně v poměru rychlostí 1:2. Ovládat goniometr je možné manuálně otáčením ciferníku nebo počítačem, kde nastavíme potřebné hodnoty, což provede automatickou křivku.
5.2 5.2.1
Výsledky měření spekter rentgenek Rentgenky molybdenová a měděná a jejich spektra
Naměřené hodnoty jsou znázorněny v grafech na následující straně. Graf 5.2 vlevo zobrazuje maxima (píky Kß a Ka), které jsou způsobeny charakteristickým zářením. Brzdné záření odpovídá průběhu křivky. Při měření byla použita měděná rentgenka a pracovní napětí 35 kV. Difrakce rtg záření proběhla přes štěrbinu o průměru 2 mm na LiF monokrystalu (mřížková konstanta 4,028 A, rovina povrchu (001) - povolená difrakce (002)). V grafech jsou patrná i maxima vyšších řádů difrakce, ty ovšem nejsou tak výrazná. Použitím filtru charakteristického pro danou rentgenku částečně odfiltru jeme charakteristické píky Kß . Platí pravidlo, že pro anodu z daného prvku je vhodné použít filtr z prvku o nižším atomovém čísle než má prvek anody. Další měření vyobrazeno na grafu vpravo, které proběhlo se stejným nastavením ovšem s použitím Ni filtru, což výrazně potlačilo charakteristické píky Kß. Obrázek 5.3 znázorňuje hodnoty naměřené pro molybdenovou anodu. Měření proběhlo za stejných podmínek, s rozdílem použití Zr filtru, který opět výrazně ovlivnil naměřené hodnoty (viz. obrázek 5.2 vpravo)
23
Z naměřených a daných hodnot je pak možné pomocí Braggovy difrakční podmínky (pro kubické krystaly s mřížkovou konstantou a) vypočítat například vlnovou délku A. 2a sin (
XV N,
N = h2 + k2 + V
Í5.r
Závislost difraktované intenzity na úhlu 9 naměřená otáčením krystalu se dá převést na závislost intenzity záření na vlnové délce. Přitom je třeba uvážit vliv superpozice vyšších řádů difrakce na analyzátoru, určených indexy h, k, l.
Cu anoda
Cu anoda + Ni filtr
8000 -,
K 7000600050004000-
Kp 3000200010000-
.—-—~Ju L_
A 30
40
I II
20
thetafi
30
thetafi
Obrázek 5.2: Spektrum rtg záření Cu anody.
Mo anoda+ Zr filtr
800600-
2000-
theta[°]
thetafi
Obrázek 5.3: Spektrum rtg záření Mo anody.
24
Výpočet: Vlnová délka prvního píku Kß měděné rentgenky podle vzorce (5.1). Z dat v grafu na obr. 5.2 odečtená hodnota úhlu pro první pík je 20,3°. 2-4,028 Á-sin 20, 3 = A-V^ A = 1,39 Á Vlnová délka druhého píku molybdenové rentgenky podle vzorce (5.1). Z dat v grafu na obr. 5.3 odečtená hodnota úhlu pro druhý pík je 10,0°. 2-4, 028 Á-sin 10 = A = 0,70 Á
5.2.2
\-^l
M ě d ě n á rentgenka a odlišné expoziční doby
Prodloužením expoziční doby získáme přesnější křivku měření, čili docílíme snížení šumu, jak je vidět na obrázku 5.4. To má praktický vliv například na kvalitu obrazu. Tyto podmínky se ovšem neuplatňují v lékařství. Zde se naopak usiluje o zkrácení expoziční doby. Důvodem je v první řadě zdraví a bezpečnost pacienta, ale i ostrost pořízeného snímku, kterou by ovlivňovaly pohyby pacienta.
10
12
14
16
18
20
thetan
10
12
14
16
thetaH
Obrázek 5.4: Různé expoziční časy měření vedou k potlačení šumu. Použita Cu anoda při napětí 30 kV spolu s 2 mm štěrbinou. Dole pro přehlednost odděleno.
25
18
5.2.3
Molybdenová rentgenka a rozdílný proud
Při změnách proudu můžeme na obrázku 5.5 vidět různé počty impulsů detekované za sekundu. Největší hodnoty jsme získali při použití maximálního proudu a to 1 m A.
33003000270024002100«> 1800Q.
E
1500-
1200900600300
0
0
10
15
~i— 20
25
theta[°]
Obrázek 5.5: Molybdenová anoda, rozdílný proud.
26
5.3
Výsledky radiografického zobrazení
Tato část bakalářské práce radiograficky zobrazuje demonstrační objekty. Pro zobrazení jsem připravil části těla laboratorní myši (zadní část hradního koše s obrat ly a pravou dolní končetinu) a akvarijní rybu (obr. 5.6). U snímků je hodnocena kvalita, přede vším ostrost a kontrast, čím jsou ovlivněny a jak je můžeme zdokonalovat. Dále pak zvětšení obrazu a vhodné použití rentgenky. Demonstrační objekty jsou přímo foceny
Obrázek 5.6: Objekty připravené pro radiografické zobrazení. na scintilačním stínítku v zatemněné místnosti. Všechny snímky byly pořízeny digitál ním fotoaparátem FujiFilm S9600. Vzhledem k velkému nedostatku světla pro focení musel být fotoaparát umístěn na stativ, prodloužena expoziční doba každé fotografie na 25 s, clona fotoaparátu nastavena na F9 a pro redukci šumu použita citlivost 200 iso. Pro všechny experimenty byl detektor (tj. stínítko) v konstantní vzdálenosti 42,5 cm od zdroje, měnili jsme pouze polohu vzorku.
5.3.1
Výpočet velikosti ohniska molybdenové rentgenky
V kapitole 3.6 je uvedeno, že jedním z faktorů, který ovlivňuje kvalitu a ostrost pořízených snímků je nejen poměr vzdáleností zdroj-objekt-stínítko, ale i velikost ohniska rent genky. Neostrost těmito faktory způsobená je označována za geometrickou neostrost (viz. obr. 5.7), pro niž platí: (5.2) Ng:F = b:a Nn
b F-a
Nn = F-
27
b
Í5.31
kde Ng = geometrická neostrost, F = ohnisko, a = vzdálenost ohnisko - předmět, b = vzdálenost předmět - obraz, c = vzdálenost ohnisko - film (stínítko)
/M //
y // ii
u
n
P
w
/
p
//
W \ \
\ \
w
/ / •éu. Ng / /
'
•
\
// / f f
Ng
tóNg
Obrázek 5.7: Příčiny neostrosti obrazu. Neostrost je tím menší, čím je vzdálenost před mětu od obrazu menší (a), čím je ohnisková vzdálenost větší (b) a čím je velikost ohniska menší (c) [5].
Ohnisko rentgenky jsme experimentálně zjistili za použití olověného plíšku (viz obr. 5.9 na následující straně). Ten byl umístěn v různých vzdálenostech od zdroje a jeho obraz na fluorescenčním stínítku zaznamenán pomocí CCD snímače (fotoaparátu). Z fo tografií (případně stínítka) lze potom přímo změřit velikost geometrické neostrosti a dosazením do vzorce 5.3 vypočítat ohnisko rentgenky. Uspořádání experimentu na obr. 5.8. Šířka plíšku je ve všech případech 0,47 cm, vzdálenost c = 42,5 cm.
Obrázek 5.8: Uspořádání pro měření ohniska Mo rentgenky pomocí olověného plíšku.
28
Snímky z obr. 5.9 jsou pro lepší rozlišení softwarově upraveny, rozměry jsou se skutečnými hodnotami shodné pouze poměrově.
Obrázek 5.9: Experimentální zjištění ohniska rentgenky pomocí olověného plíšku. S n í m e k 1. vzdálenost předmět - obraz b = 35, 2 cm geometrická neostrost Ng = 0, 77 cm
Nn
=
F
=
F
=
b c—b
r
(c-b)-
•Ng
b ( 4 2 , 5 - 35, 2)' •o, 77 35,2
= 1, 5969 mm
S n í m e k 2. vzdálenost předmět - obraz b = 32, 2 cm geometrická neostrost iVfl = 0, 5 cm
77
Nn
r
b C -b
F
=
( c - -b)b
F
=
(42., 5 - 32, 2)' •o, 5 = 1,5994 mm 32,2
•Ng
29
S n í m e k 3. vzdálenost předmět - obraz b = 27, 2 cm geometrická neostrost Ng = 0,3 cm
Ng
=
F
=
F
=
(c-b)-Ng b
(42,5-27, 2)-0,3 = 1, 6875 mm 27,2
Z výpočtů můžeme říci, že velikost ohniska Mo rentgenky, pomocí které budou probíhat experimenty činí 1,6 mm. Odlišnost výsledku u třetího výpočtu je pravděpodobně způ sobena chybným odečtením hodnot z malého snímku.
5.3.2
Série snímků — laboratorní myš
Tato část obsahuje radiograncké projekce připravených objektů. Následující snímky zobrazují část hradního koše, poukazují na závislost mezi velikostí obrazu a vzdáleností objektu od zdroje resp. stínítka. Snímky jsou pro lepší rozlišení softwarově upraveny.
Obrázek 5.10: Uspořádání pro radiograncké zobrazení hradního koše. 30
Obrázek 5.11: Hrudní koš laboratorní myši - zvětšení. Snímek č. 8 byl umístěn v polovině vzdálenosti zdroj - stínítko. Velikost obrazu v tomto případě odpovídá 2:1 velikosti ob jektu. Na zbývajících snímcích vidíme, že zvětšení obrazu je tedy závislé na vzdálenosti objektu od zdroje nebo stínítka. Použita Mo rentgenka při napětí 35 kV a proudu 1 mA.
Dále můžeme sledovat rozlišení a ostrost jednotlivých snímků. Pro lepší kvalifikaci uveden obrázek 5.12 na další straně.
31
Obrázek 5.12: Zvětšené snímky č. 1. a č. 8. z obrázku 5.11. Obrázek 5.12 znázorňuje srovnání výřezu ze snímků části hradního koše laboratorní myši. Snímek č. 1 pořízen ve vzdálenosti 7,25 cm od zdroje, snímek č. 2 ve vzdálenosti 35,25 cm od zdroje. Oba snímky pořízeny pomocí Mo rentgenky při napětí 35 kV a proudu 1 m A. Vzdálenost objektu od zdroje výrazně ovlivňuje ostrost obrazu. Při blížením objektu ke stínítku (snímek č. 2) snížíme velikost geometrické neostrosti. Tento obrázek potvrzuje teorii v kapitole 3.6. Dalším experimentem bylo pořízení snímků za použití Cu rentgenky a srovnání se snímky vytvořených pomocí Mo rentgenky. Obrázek 5.13 opět srovnává výřezy části hradního koše laboratorní myši. Snímek č. 1 pořízen pomocí Mo rentgenky, č. 2 pomocí Cu rentgenky. Použito pracovní napětí 35 kV, proud 1 mA a pro oba snímky stejná expoziční doba fotoaparátu. Oba objekty umístěny 15,25 cm od zdroje. Na první pohled je patrné, že Cu rentgenka má mnohem menší propustnost oproti molybdenové. Ani softwarová úprava nepotlačila vzniklý šum u snímku č. 2.
Obrázek 5.13: Detailní výřezy snímků pořízených Mo (1.) a Cu (2.) rentgenkou.
32
Komentář k obrázku 5.14: Snímky la a 16 byly pořízeny Mo rentgenkou pro objekty ve vzdálenosti 16,45 cm od stínítka a 3,65 cm od stínítka. Snímky 2a a 26 pořízeny Cu rentgenkou, stejné vzdálenosti jako při Mo projekci, tj. 16,45 cm a 3,65 cm od stínítka. Stínítko v konstantní vzdálenosti 42,5 cm od zdroje. Uspořádání experimentu na obrázku 5.15 Snímky 6 jsou zvětšené výřezy, proto příslušný šum. Kvalitativně můžeme snímky a s b zhodnotit jako téměř totožné, jelikož se jedná o vodorovnou polohu objektu. To je možné vysvětlit pohledem na obrázek 5.17, kde je jasně vidět projev geometrické neostrosti.
Obrázek 5.14: Dolní končetina laboratorní myši. Použita Cu (1.) a Mo (2.) rentgenka, objekt ve vzdálenosti 16,45 cm (a) a 3,65 cm (6) od stínítka.
33
Obrázek 5.15: Uspořádání pro radiografii dolní končetiny laboratorní myši. Na obrázku 5.16 jsou vyobrazeny snímky dolní končetiny - 1. (použita Cu rent genka) a 2. (použita Mo rentgenka). Pozorovaný objekt v obou případech umístěn ve vzdálenosti 32 cm od stínítka. Zvolena blízká vzdálenost ke zdroji z důvodů zdůraznění geometrické neostrosti. Snímek č. 1 se jeví jako kvalitnější (menší geometrická neostrost) než snímek č.2, jde ovšem pouze o optickou nesrovnalost, proto byl pro důkladnější srovnání proveden experiment s olověným plíškem (viz. obr. 5.17 z následující strany).
Obrázek 5.16: Dolní končetina myši - svislá poloha.
34
Následující obrázek znázorňuje projekci olověného plíšku umístěného ve vzdálenosti 34,6 cm od stínítka, použity obě dostupné rentgenky (snímek 1. měděná, snímek 2. mo lybdenová), skutečná šířka plíšku ve spodní části 0,47 cm. Geometrická neostrost je v obou případech srovnatelná, což dokazuje komentáře k obrázku 5.16. Nesrovnalosti ohledně menší geometrické neostrosti při použití Cu rentgenky způsobila pravděpodobně lepší pronikavost materiálem Mo rentgenky, což má za následek plynulý přechod obrysů objektu při zobrazení na stínítku. Dále můžeme vidět, že geometrická neostrost se v obou případech projevuje pouze ve vodorovných částech („jakoby v ose x").
Obrázek 5.17: Olověný plíšek na stínítku.
5.3.3
Série snímků — akvarijní ryba
V této kapitole jsou zobrazeny další připravené objekty. Přiložené obrázky 5.18 a 5.20 na další straně poukazují na ostrost obrazu v závislosti na vzdálenosti objektu od stínítka. Kvalita obrázků není i přes softwarovou úpravu příliš dobrá, ovšem pro srovnání velikostí zobrazených objektů postačuje.
35
r, ~ - •.
27 cm od stínítka
23 cm od stínítka
15,4 cm od stínítka
Á
>
5.
6.
11 cm od stínítka
4 cm od stínítka
Obrázek 5.18: Poloha objektu uvedena v obrázcích, stínítko v konstantní vzdálenosti 42,5 cm od zdroje. Celková kvalita obrazu se opět zvyšuje s přiblížením objektu ke stínítku. Použita Mo rentgenka při napětí 35 kV a proudu 1 mA.
36
Obrázek 5.19: Uspořádání experimentu pro radiografii akvarijní ryby.
Obrázek 5.20: Pro lepší kvalifikaci výřez snímků 3. a 6. z obrázku 5.18, i přes nekvalitní zobrazení jsou patrné rozdíly v kontrastu a ostrosti. Na snímku č. 2 jsme schopni rozlišit strukturu.
37
Kapitola 6 ry * v Zaver
Úkolem bakalářské práce bylo studium radiografie. Bakalářská práce je rozdělena do šesti kapitol. První až čtvrtá kapitola popisuje historii, základní principy a využití rentgenového záření. Pátá kapitola vypovídá o mé experimentální práci. Ta je rozdělena na dvě části. V první části jsou experimenty s rentgenkami používanými ve druhé části práce. S využitím goniometru a detektoru jsem změřil a pomocí Braggova zákona ob jasnil základní energiová spektra molybdenové a měděné rentgenky. Provedl jsem různé varianty měření jak s použitím spektrálních filtrů, tak s nastavením pro různá napětí a proudy. Filtry částečně odstranily charakteristické píky Kß, pro molybdenovou rentgenku jsem použil Zr filtr, pro měděnou Ni filtr. Dále jsem zjistil, že delší doba měření snížila šum výsledných hodnot. Pro úspěšné provedení druhé experimentální části věnované radiografii bylo nutné vytvoření několika objektů. Vzhledem k mému oboru Lékařská fyzika jsem zvolil biolo gické objekty. Vypreparoval jsem části laboratorní myši a připravil tělo akvarijní ryby. Tyto objekty jsem následně zobrazoval pomocí rentgenových paprsků na fluorescenční stínítko a na polaroidový film. Stínítko jsem poté zaznamenal pomocí fotoaparátu a výsledné snímky kvalitativně vyhodnotil. Základem bylo určení ostrostí a velikostí obrazů. Příslušné komentáře a výsledky jsou uvedeny u obrázků. Experimentálně jsem ověřil, jak radiograficky docílit co nejkvalitnějšího snímku, jakým způsobem a kam je vhodné umístit pozorované objekty a jaký typ rentgenky je optimální pro zobrazování pomocí rtg záření. Zjistil jsem, že nejostřejších snímků docílíme umístěním demon stračních objektů co nejblíže ke stínítku a použitím molybdenové rentgenky dosáhneme obrazově výraznějších projekcí. Napsáním bakalářské práce jsem si objasnil několik základních principů, ale i dozvě děl řadu nových poznatků a faktů. Práce v rtg laboratoři mě obohatila o nové zkušenosti a seznámila s novými lidmi.
38
Literatura [1] NAVRÁTIL L., ROSINA J. a kol.: Medicínská biofyzika. Praha: Grada, 2005. ISBN 80-247-1152-4. [2] HRAZDÍRA L, MORNSTEIN V.: Lékařská biofyzika a přístrojová technika. Brno: Neptun, 2001. ISBN 80-902896-1-4. [3] NAVRÁTIL L., ROSINA J. a kol.: Medicínská biofyzika str. 311-312. Praha: Grada Publishing, 2005. ISBN 80-247-1152-4. [4] HALLIDAY D., RESNICK R. WALKER J..: Fyzika. Brno: VUTIUM, 2000. ISBN 80-214-1868-0. [5] CHUDÁČEK Z. Radiodiagnoštika I. část. Brno: Institut pro další vzdělávání pra covníků ve zdravotnictví, 1995. ISBN 80-7013-114-4. [6] HOBST L.: Zkušebnictví v Brně, 2004.
a technologie - Radiační defektoskopie. Brno: FAST VUT
[7] ELIÁŠ P., MÁCA P., NEUWIRTH J., VÁLEK V.: Moderní diagnostické metody II.díl. Brno: Institut pro další vzdělávání pracovníků ve zdravotnictví, 1998. ISBN 80-7013-294-9. [8] KOZUBEK S.: Radiační biologie. Brno: Masarykova univerzita, 2000. [9] P R O K O P M., GALANSKI M., MOLEN A.J., SCHAEFER-PROKOP C : Spiral and Multislice Computed Tomography of the Body. Stuttgart: Thieme 2003. ISBN 3-13-116481-6. [10] SNOBL O., CHOLT M.: Základy radiodiagnostiky - I. Rentgenové vyšetřovací metody. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1987. ISBN 17-407-86. [11] NEKULA J., HEŘMAN M., VOMÁČKA J., KÖCHER M.: Radiologie. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2001. ISBN 80-244-0259-9. [12] FERDA J., NOVÁK M., KREUZBERG B.: Výpočetní tomografie. Praha: Galén, Karolinum 2002. ISBN 80-7262-172-6 (Galén), ISBN 80-246-0567-8 (Karolinum). [13]
http://astronuklfyzika.cz/JadRadMetody.htm#3 39
[14] http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1901/ rontgen-bio.html [15] http://astronuklfyzika.cz/DetekceSpektrometrie.htm [16] http://www.bl.uk/learning/artimages/bodies/xray/roentgen.html
40
