MASARYKOVA UNIVERZITA Přírodovědecká fakulta Ústav fyziky kondenzovaných látek
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Rentgenová radiografie
Barbora Hývlová
Vedoucí bakalářské práce: doc. RNDr. Petr Mikulík, Ph.D.
2010
Ráda bych poděkovala panu Petru Mikulíkovi za podporu, užitečné připomínky a trpělivost při vedení této bakalářské práce.
Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci napsala samostatně a výhradně s použitím citovaných pramenů. Souhlasím se zapůjčováním práce a jejím zveřejňováním. V Brně dne 4. 3. 2010
..................................................
2
Abstrakt: Předložená bakalářská práce se zabývá využitím rentgenového záření pro zobrazování biologických objektů. Jejím cílem byla příprava zobrazovaných objektů (částí kostry pískomila), zaznamenání série obrazů a jejich kvalitativní zhodnocení, dále zkoumání vlastností rentgenky. Experimenty byly prováděny na školním RTG difraktometru. Klíčová slova: rentgenové záření, vlastnosti RTG obrazu, radiografie, využití RTG záření
Abstract: The subject of the presented bachelor thesis is application of X-rays in imaging of biological objects. Our goal was to prepare several experimental objects (parts of a gerbil skeleton), create series of images and evaluate them qualitatively. We also examined the properties of used X-ray tube. The experiments were conducted using a school X-ray diffractometer. Key words: X-ray radiation, properties of an X-ray image, radiography, application of X-rays
3
Obsah ÚVOD A TEORIE ....................................................................................................... 5 1.1 Úvod ................................................................................................................................................................. 5 1.2
Elektromagnetické záření ...................................................................................................................... 5
1.3 Wilhelm Konrad Röntgen .............................................................................................................................. 6 1.4 Vznik záření v rentgence ................................................................................................................................ 8 1.5 Rentgenové spektrum ..................................................................................................................................... 9 1.5.1 Brzdné záření............................................................................................................................................. 9 1.5.2 Charakteristické záření .............................................................................................................................. 9 1.6 Detekce a vznik obrazu ................................................................................................................................. 10 1.7 Veličiny spojené s rentgenovým zářením .................................................................................................... 10 1.8 Interakce rentgenového záření s hmotou .................................................................................................... 11 1.8.1 Fotoelektrický jev.................................................................................................................................... 11 1.8.2 Comptonův jev ........................................................................................................................................ 11 1.8.3 Vznik elektronového páru ....................................................................................................................... 12 1.8.4 Biologické účinky.................................................................................................................................... 12
KAPITOLA 2 ............................................................................................................ 13 VYUŽITÍ RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ ...................................................................... 13 2.1 Využití v lékařství ......................................................................................................................................... 13 2.1.1 Zobrazovací metody ................................................................................................................................ 13 2.1.2 Radioterapie ............................................................................................................................................ 14 2.2 Difrakční analýza .......................................................................................................................................... 15 2.3 Kontrola materiálu (defektoskopie)............................................................................................................. 16
KAPITOLA 3 ............................................................................................................ 17 PRAKTICKÁ ČÁST.................................................................................................. 17 3.1 Aparatura ...................................................................................................................................................... 17 3.2 Monochromatizace........................................................................................................................................ 17 3.3 Zobrazování................................................................................................................................................... 21
ZÁVĚR ..................................................................................................................... 26 LITERATURA........................................................................................................... 27
4
Kapitola 1 Úvod a teorie 1.1 Úvod Rentgenové záření, které je předmětem této bakalářské práce, se za více než sto let, co nám je známo, stalo nepostradatelným nástrojem pro činnost vědců, lékařů a pracovníků mnoha dalších odvětví. Už od jeho objevu bylo jasné, že jeho schopnost umožnit nám nahlédnutí do vnitřku věcí, aniž bychom je museli rozbít, z něj dělá mocného spojence. Až později se ukázala i druhá strana mince, a to že rentgenové záření způsobuje ionizaci a tím negativně působí na živou hmotu, kterou prochází. Ač je už možné riziko ozáření zmenšit, zcela vyloučit ho nelze, ovšem i tak je přínos využívání paprsků X značný. Cílem této bakalářské práce je shromáždit informace o rentgenovém záření, v praktické části pak alespoň některé z nich experimentálně ověřit a vyzkoušet si zobrazování speciálně připraveného biologického vzorku. Práce bude rozdělena do tří kapitol. V první se budu soustředit na historické a teoretické základy, v druhé na využití v praxi a ve třetí se pokusím předvést a okomentovat výsledky svých experimentů.
1.2 Elektromagnetické záření Elektromagnetické záření, jehož spektra je rentgenové záření součástí, je příčné vlnění, které se může šířit i vakuem, tedy i bez přítomnosti prostředí. Je charakterizováno svou vlnovou délkou, frekvencí a ve vakuu se vždy šíří rychlostí 3.108 m.s-1, tedy rychlostí světla.
5
Zkoumáním spektra elektromagnetického záření se zabýval James Clerk Maxwell a zjistil, že je mnohem širší než jen oblast viditelného, ultrafialového a infračerveného světla, které bylo v jeho době, tj. v polovině devatenáctého století, známo. Nezdá se, že by existovala nejmenší či největší možná vlnová délka elektromagnetického záření, pouze největší a nejmenší, kterou se nám dosud podařilo změřit. Vlnové délky nám známého elektromagnetického spektra se pohybují od stovek kilometrů po pikometry a spektrum nemá žádné mezery (je spojité). Dosud známou část dělíme od nejmenších vlnových délek na gama záření, rentgenové záření, ultrafialové záření, viditelné světlo, infračervené záření, mikrovlny a rádiové vlny.
Energie elektromagnetického záření se přenáší kvantově prostřednictvím částic – fotonů. Fotony jsou elementární částice s nulovou klidovou hmotností, které se pohybují rychlostí světla. Nenesou elektrický náboj, jsou totožné se svými antičásticemi – antifotony. Jejich spin je 1, což je řadí mezi bosony. Vznikají vyzářením energie, stejně jako zanikají jejím pohlcením. Fotony se vyznačují vlnově-částicovým dualismem. Znamená to, že přestože o nich uvažujeme jako o částicích, mají vlastnosti jako je frekvence, vlnová délka nebo amplituda. Nemůžeme říct, že by se fotony chovali někdy jako částice a někdy jako vlna. Chovají se neustále jako obojí. Rentgenové záření objevil v roce 1895 Wilhelm Konrad Röntgen.
1.3 Wilhelm Konrad Röntgen Wilhelm Konrad Röntgen se narodil 27. března 1945 v Lenepe v dnešním severozápadním Německu v rodině obchodníka. Jako student gymnázia v Utrechtu příliš 6
nevynikal, dokonce byl za nějaký kázeňský přestupek ze školy vyloučen. Ve studiu pokračoval externě, maturitu však přesto úspěšně nesložil. Protože nemohl nastoupit na univerzitu, přihlásil se ke studiu na polytechniku v Zurichu, kde se z něj roku 1868 stal strojní inženýr. Tato kariéra ho však nelákala, projevoval větší zájem o fyzikální než o technické problémy, stal se tedy asistentem uznávaného fyzika experimentátora Kundta. Brzo se sám vypracoval na důsledného experimentátora a začal se připravovat na dráhu univerzitního profesora, ač mu neúspěšná maturita tento záměr stále komplikovala. Pracoval na univerzitě ve Strassburgua zemědělské akademii v Hohenheimu, kde vydal několik vědeckých prací ohledně vlastností kapalin, elektrických jevech v dielektricích a dvojlomu v krystalech a některých kapalinách v elektrickém poli. Roku 1885 se stal profesorem fyziky ve Wurzburgu, kde byl jmenován dokonce rektorem a kde také učinil neobvyklý objev, který vzbudil velký rozruch. Stalo se tak 8. listopadu 1895, když prováděl pokusy s katodovým zářením. Všiml si, že z místa, kam dopadají katodové paprsky, se šíří nové záření s dosud nepozorovanými vlastnostmi. Nazval ho záření X a čím více pokusů prováděl, tím více se ujišťoval o tom, že se nejedná o běžné katodové záření. Pokusy prováděl pomocí skleněné trubice naplněné plynem a obalené černým papírem a fluorescenčního stínítka. Zjistil, že se šíří přímočaře, elektrické ani magnetické pole ho nevychyluje, ve vzduchu se pohlcuje jen málo, v hranolu se neláme, působí na fotografický materiál. Nejzvláštnější však bylo, že záření pronikalo skrz materiály, kterými světlo neprojde – čím menší hustota a tloušťka materiálu, tím lépe. Na stínítku se rozdíly v hustotě jevily jako různě tmavé stíny. Podle jeho slov to bylo podobné, jako když se světlo šíří místností naplněnou kouřem. 28. prosince 1895 uveřejnil první práci o tomto novém druhu paprsků, následovaly ještě dvě s dalšími vlastnostmi, které prozkoumal během pozdějšího experimentování – záření X ionizuje vzduch, neodráží se, vydává ho každá látka, na kterou dopadají katodové paprsky, i když ne všechny stejně. Jeho pronikavost roste s rychlostí dopadajících elektronů katodového záření. Ač tyto práce nebyly příliš rozsáhlé, čítaly dohromady jen devatenáct stran, byly natolik vyčerpávající a přesné, že v následujícím desetiletí nebylo možné k poznatkům o záření X cokoli dodat. Na zasedání přírodovědců a lékařů v lednu 1896 padl návrh nazývat tyto nové paprsky Röntgenovými, což se setkalo s velkým nadšením, a nový název byl jednohlasně přijat. Všichni si uvědomovali, jak velký význam tento objev má, zvláště pro medicínu, kde se Röntgenovy paprsky začaly využívat téměř okamžitě. Nebyla to ale jediná oblast, kde byly prospěšné, hrály velkou roli i v rozvoji fyziky – při studiu atomu, vývoji jaderné fyziky a fyziky elementárních částic. V průmyslu se uplatnily například v defektoskopii. Nevědělo se však, jaká je podstata těchto nových paprsků. Pokud to byly částice, musely být bez náboje, ovšem analogicky k teorii, že světlo jsou příčné kmity světelného éteru, se vědci domnívali, že paprsky X jsou též kmity éteru. V roce 1912 dokázal Max von Laue pomocí interference na krystalové mřížce, že se jedná o elektromagnetické vlnění. Roku 1900 se Röntgen přestěhoval do Mnichova, kde žil se svou ženou a osiřelou neteří. Rok nato, 1901, jako první v historii získal za svůj objev Nobelovu cenu za fyziku. Nikdy si však tento nález nedal patentovat, odmítl čestné a vysoce placené místo jak v berlínské Akademii věd, tak na berlínské univerzitě. Považoval za svou povinnost pokračovat ve zkoumání přírody a fyzikálních jevů, ať už s jeho zlomovým objevem nových paprsků souvisely, nebo ne. Zemřel v Mnichově 10. února roku 1923.
7
1.4 Vznik záření v rentgence
Schéma rentgenky
Primární rentgenové záření vzniká v rentgence, což je vakuovaná trubice v olověném krytu, která obsahuje anodu a katodu. Když na rentgenku přivedeme napětí, katoda se rozžhaví a začnou z ní vyletovat elektrony, které jsou urychlovány napětím mezi anodou a katodou (od desítek po stovky kV). Dopadají na ohnisko anody, kde se většina jejich kinetické energie – 99 % – změní na teplo a zbylé 1 % na rentgenové záření, které potom vychází ven z rentgenky výstupním okénkem a kuželovitě se rozbíhá. Ohnisko anody by mělo být co nejmenší – pokud používáme rentgenové záření k zobrazování, bude tak obraz ostřejší. Kvůli množství energie, která se změní na teplo, existuje nebezpečí, že se anoda bude přehřívat, vyrábějí se proto rotační anody, jejichž ohnisko se stále mění. Záření vycházející z rentgenky není homogenní, protože napětí přiváděné na katodu se může měnit, a proto z ní vyletují elektrony s různou kinetickou energií. Tím vzniká svazek paprsků s různou vlnovou délkou neboli tvrdostí – záření s malou vlnovou délkou je tvrdší, s větší vlnovou délkou je měkké. Podle tvrdosti rozdělujeme rentgenové záření na velmi měkké (méně než 20 kV), měkké (20 – 60 kV), středně tvrdé (60 – 140 kV), tvrdé (140 – 250 kV) a velmi tvrdé (250 kV a více). Střídavé napětí (až 150 kV) musíme usměrňovat pomocí usměrňovače, dnes se používají polovodičové (Se, Si). Usměrnění ovlivní výkonnost rentgenky tak, že pokud propouští pouze jednu půlvlnu střídavého napětí (jednopulzní), rentgenka pracuje přerušovaně, má malý výkon. Dvoupulzní usměrňovače propustí obě půlvlny, rentgenka pracuje bez přerušení, přichází na ni pulzující proud. Nejvýkonnější jsou šesti nebo dvanáctipulzní přístroje, které propustí všechny fáze třífázového proudu, rentgenka pracuje bez přerušení a bez výkyvů. Intenzita vzniklého záření naopak závisí na počtu elektronů, tj. na proudu tekoucím mezi katodou a anodou. Sekundární záření vzniká rozptylem primárního a je nežádoucí, protože zhoršuje ostrost a kontrast. Proto se používají sekundární clony – jemné mřížky z olověných lamel, jejichž štěrbinami projdou jen paprsky ve směru primárního záření, zbytek je absorbován. Mřížka se pohybuje, aby nenarušovala obraz. Existují i nepohyblivé, ty mají velmi jemné lamely.
8
1.5 Rentgenové spektrum Pokud zkoumáme rentgenové spektrum, všimneme si, že se skládá ze spojitého spektra a několika píků, které spojité spektrum více či méně výrazně převyšují.
1.5.1 Brzdné záření Spojité spektrum je způsobeno tzv. brzdným zářením, které vzniká srážkami urychlených elektronů s elektrony prvku anody. Urychlený elektron předá elektronu v atomu část své kinetické energie, čímž ho excituje na vyšší energetickou hladinu. Když potom elektron v atomu deexcituje, vyzáří foton, který dopadne na detektor. Minimální vlnová délka zastoupená ve spojitém spektru je pro materiál specifická hodnota prahové vlnové délky – odpovídá jediné srážce elektronu s atomem, při které ztratí elektron veškerou svou energii.
1.5.2 Charakteristické záření Píky vznikají působením charakteristického záření, které vzniká v případě, že urychlený elektron vyrazí některý z elektronů poblíž jádra atomu z jeho místa v elektronovém obalu. Elektron z jiné slupky obalu zastoupí jeho místo a tím vyzáří foton, který detektor zachytí. Slupka nejblíže atomovému jádru se nazývá K, druhá nejbližší je L, další M atd., proto pokud vznikne pík vyzářením energie elektronu ze slupky L při přechodu do K, nazýváme vzniklý pík Kα, pokud elektron přechází ze slupky M na K, pík se nazývá Kβ atd. Analogicky při přechodu z M do L se jedná o pík Lα. Čím blíže jádru se vyražený elektron nacházel, tím menší vlnovou délku má výsledné záření. Umístění a velikost píků je pro každý prvek, který ozařujeme, odlišný, proto se toto záření nazývá charakteristické.
9
Energetické spektrum
1.6 Detekce a vznik obrazu Rentgenové záření vyvolává v určitých materiálech luminiscenci, čehož se využívá při tvorbě rentgenových obrazů. Poté co záření projde hmotou, kde se částečně absorbuje, dopadne na kazetu s filmem. Kazeta je světlotěsné pouzdro, které obsahuje zesilovací fólie a rentgenový film. Radiografický film je průhledný nosič obsahující emulzi s drobnými krystaly bromidu stříbrného. Záření vyvolá v emulzi ve fólii luminiscenční efekt a vzniklé světlo pak dopadne na film. Takto vznikne latentní obraz, který je potřeba vyvolat. Ozářená místa zčernají tím více, čím intenzivnější světlo na ně dopadlo, což odpovídá menší absorpci rentgenového záření ve hmotě. Proto jsou na snímku místa s větší hustotou světlejší, nazýváme je zastínění. Více ozářená a tedy tmavší místa nazýváme projasnění. Měkké rentgenové záření (záření s větší vlnovou délkou) se na vzniku obrazu nepodílí a představuje při využití v lékařství nadbytečnou radiační zátěž, proto je snaha ho různými filtry odstínit. Využití fotochemických vlastností rentgenového záření není samozřejmě jediný způsob jeho detekce. Dalšími typy detektorů jsou elektronické, kdy se energie dopadlých fotonů převaděčem mění na elektrické impulzy, a materiálové, které zaznamenávají změny vlastností určitých materiálů vystavených záření.
1.7 Veličiny spojené s rentgenovým zářením Expozice X je podíl velikosti náboje iontů jednoho znaménka vzniklých ve vzduchu zbržděním všech elektronů uvolněných fotony v objemovém elementu vzduchu o hmotnosti dm a této hmotnosti. Její jednotka je C.kg-1.
10
Dávka D je střední energie předaná ionizujícím zářením elementu objemu látky o hmotnosti dm. Její jednotkou je gray Gy. LET (linear energy transfer) udává rozložení dávkové energie. Je to podíl střední ztráty energie způsobené srážkami s elektrony, při kterých dochází k přenosu energie, a vzdálenosti, kterou částice ve hmotě urazila. Jednotka je J.m-1, často také keV.µm. Pro účely ochrany se používá jednotka sievert (Sv). Kolik sievertů jsme obdrželi, zjistíme, když vzájemně vynásobíme absorbovanou dávku D a radiační váhový faktor WR, což je faktor závažnosti absorbované dávky v závislosti na relativní biologické účinnosti RBE. Radiační váhový faktor pro rentgenové záření je 1.
1.8 Interakce rentgenového záření s hmotou Ionizující, a tedy i rentgenové, záření interaguje s hmotou, do které pronikne, třemi způsoby – fotoelektrický jev, Comptonův jev, vznik elektron-pozitronového páru. Obor zabývající se stanovením dávky jakožto míry fyzikálních účinků záření a stanovením distribuce dávky v objektu se nazývá ionizační dozimetrie.
1.8.1 Fotoelektrický jev Pokud na materiál (kovové i nekovové pevné látky, tekutiny) dopadne záření dostatečně krátké vlnové délky, dojde v materiálu k emitování elektronů. V závislosti na atomovém čísle materiálu může k tomuto efektu docházet při dopadu fotonů o energii několika elektronvoltů až po 1 MeV. Jev se vysvětluje tak, že pokud do elektronu v atomovém obalu narazí foton s energií vyšší než pracovní energie daného elektronu, „vyrazí“ ho z jeho místa v obalu a elektron se uvolní.
1.8.2 Comptonův jev Když rentgenové záření pronikne do hmoty, jeho fotony se mohou rozptýlit na elektronech – předají elektronu část své energie, čímž naruší jeho stabilitu v elektronovém obalu, a pokračují dál s nižší energií a jiným směrem. Pokud má foton i po srážce dostatek energie, proces se může opakovat. Tyto srážky fotonů s elektrony jsou srážkami nepružnými.
11
1.8.3 Vznik elektronového páru Pokud záření o energii 1,022 MeV interaguje v blízkosti jádra, může dojít ke vzniku elektronové dvojice, tedy materializaci elektronu a pozitronu. Energie minimálně 1,022 MeV je nutná proto, že daný foton musí mít energii odpovídající minimálně dvojnásobku klidové hmotnosti elektronu, aby z něho mohly elektron a pozitron vzniknout. Blízkost mnohem hmotnějšího atomového jádra zajistí zachování hybnosti systému. Energie, která musí být též zachována, se rovnoměrně rozdělí mezi vzniklý elektron a pozitron.
1.8.4 Biologické účinky Rentgenové záření se ve tkáni, kterou prochází, částečně absorbuje a způsobí excitaci atomů a tím ionizaci, z čehož vyvstávají komplikace při jeho využití v lékařství, protože ionizace je pro zdravou tkáň negativním činitelem. Poškozuje molekulu DNA a nejcitlivější jsou vůči ní buňky, které se právě dělí. Fotony záření nejen že poškozují buňky přímo, navíc při jejich působení v tkání vznikají volné radikály, které dále poškozují buňky v okolí zasažených – tzv. sekundární ionizace. Buňky dokáží tyto negativní změny samy opravovat, ale tato schopnost je pouze omezená. Pokud změny DNA v buňce přesahují její schopnost je opravit, může dojít k apoptóze – vynucené buněčné smrti, aby se poškození neprojevilo ve větším měřítku. Pokud změny DNA nejsou smrtelné, může dojít k jejich šíření z jádra buňky do další tkáně. Neopravitelné poškození DNA způsobuje chyby replikace a transkripce, což vede ke stárnutí buňky a tvorbě karcinomu. V dnešní době už bylo prokázáno, že ionizační záření nepoškozuje pouze buňky, které přímo zasáhne nebo které zasáhne vzniklý radikál, nýbrž i buňky, které zasaženy nebyly – tzv. bystander efekt, dochází k tomu však pouze tehdy, když se mezi buňkami uskutečňuje komunikace, nebo skrz médium, ovšem dosud se neví, jak tento přenos probíhá. Účinky záření se dělí na stochastické a deterministické. Deterministické (nestochastické) účinky mají prahový charakter, projeví se, teprve když je překročena určitá hraniční dávka záření. Stochastické nejsou prahové, mohou nastat po jakkoli malé dávce záření a mohou se projevit kdykoli po ozáření, proto se označují také jako pozdní účinky. Jedná se např. o karcinomy a změny genetické informace. Po obdržení dávky vyšší než 0,7 Sv se u člověka projeví tzv. nemoc z ozáření. Podle příznaků rozlišujeme několik forem nemoci z ozáření: dřeňová forma (dochází k narušení krvetvorby v kostní dřeni), gastrointestinální forma (dochází k narušení střevního epitelu) a neurovaskulární forma (poškození cév a mozku). Kvůli těmto negativním účinkům je ozáření ionizujícím zářením, kterým záření X je, povoleno pouze na základě lékařské indikace.
12
Kapitola 2 Využití rentgenového záření 2.1 Využití v lékařství Jak obrovský význam má záření X pro medicínu si lidé uvědomili hned po jeho objevení. Vidět alespoň částečně do lidského těla, aniž bychom ho museli rozřezat, to je pro určování diagnózy a zkoumání nemocí velká výhoda. V radiodiagnostice využíváme rentgenového záření k zobrazování patologických stavů a procesů, zkoumání jejich rozsahu, charakteru, umístění a vztahu k ostatním orgánům. Tento způsob umožňuje rychlé stanovení stavu a také sledování průběhu onemocnění. Až později bylo zjištěno, že tento druh vyšetření není bez negativních účinků, ovšem i jich lze využít k dobru pacienta – v radioterapii. Při zobrazování je samozřejmě snaha radiační zátěž minimalizovat – primární clonou se ohraničí oblast, na kterou mají paprsky dopadnout, také se odfiltrovává měkké záření, které se na vzniku rentgenového obrazu nepodílí. Doba ozařování musí být co nejmenší, používají se zesilovače dopadnutého záření.
2.1.1 Zobrazovací metody Skiagrafie neboli snímkování je základní rentgenovou zobrazovací metodou. Svazek paprsků prochází vyšetřovaným objektem, kde se částečně absorbuje, a potom dopadá na rentgenový film. Touto metodou vzniká sumační (stínový) obraz ozařovaného objektu – 13
obsahuje informace o všech vrstvách (tkáních), kterými záření prošlo, bez ohledu na pořadí. Často se proto zhotovují snímky ve více projekcích. Hodnocení je relativní, porovnáváme obraz s normálem. Snímky se prohlížejí na negatoskopu, což je přístroj poskytující homogenní, přiměřeně intenzivní podsvícení. Indikací skiagrafie je hlavně poranění skeletu, relativní kontraindikací je těhotenství, zvláště první čtyři měsíce. Digitální (výpočetní) radiografie je technika, která používá místo rentgenového filmu fluorescenční stínítko s CCD detektorem fosforovou fólii. Dopad záření stimuluje fosforovou vrstvu a fólie je pak skenována laserem. Obraz se prohlíží na počítači, což umožňuje vyšší kvalitu, možnost úprav a uchování snímků v elektronické podobě, zároveň je také možné použít menší dávku záření. Nevýhodou je vysoká pořizovací cena. Další metodou je skiaskopie neboli prosvěcování. Princip je stejný jako u skiagrafie, ale měření je kontinuální a obraz se promítá na skiaskopický štít, který obsahuje luminiscenční látku, odkud pokračuje televizním řetězcem na monitor, kde se digitalizuje. Tato technika představuje větší radiační zátěž pro pacienta, má menší rozlišení a kontrast než skiagrafie, ale umožňuje pozorovat procesy probíhající v těle. Indikací jsou problémy gastrointestinálního traktu či zavádění katetrů. Angiografie je metoda umožňující zobrazování cévního systému. Může být neinvazivní, jako např. CT angiografie, nebo invazivní. V tomto případě se do cévy zavádí katetr (plastová trubička), kterým dovnitř vpravíme kontrastní látku. Potom snímkujeme pomocí rentgenky a zesilovače na pohyblivém rameni, takže je možné provádět zobrazování v různých projekcích. Katetr se většinou zavádí do těla na paži nebo v třísle. Při digitálním zobrazení lze vytvořit snímek oblasti před a po nástřiku látky a ty pak od sebe odečíst. Takto nám zůstane pouze struktura obsahující kontrastní látku. Podle toho, jestli zkoumáme tepny či cévy, můžeme angiografii rozdělit na arteriografii a flebografii. Indikací je onemocnění cév a intervenční zákroky, kontraindikace je stejná jako u všech rentgenových metod (absolutní není), spolu s alergií na kontrastní látku a poruchami hemokoagulace. V mnoha případech stále nenahraditelnou zobrazovací metodou je výpočetní tomografie. Slovo tomografie je spojením řeckého „tomos“ (řez) a „graphein“ (psát) – skenování touto metodou umožňuje zobrazit řez pacientovým tělem. Tuto metodu navrhl už na počátku dvacátého století Ital Alessandro Vallebona, první modely se objevily v sedmdesátých letech téhož století v Anglii. Při zobrazování touto technikou se používá řada detektorů umístěných naproti zdroji rentgenového záření, které se pohybují okolo zobrazovaného objektu (pacienta) a vzniknou tak zobrazení z různých úhlů, které zpracuje počítač a vytvoří z nich výsledný obraz řezu požadované oblasti. Výsledný obraz se skládá z plošných elementů, tzv. pixelů, jejichž vzhled určují výsledky řešení soustavy lineárních rovnic. Existují dva základní typy CT přístrojů – s vějířovým uspořádáním a s kruhovým uspořádáním. Při vějířovém se otáčí okolo pacienta rentgenka i soustava detektorů, při kruhovém pouze rentgenka a detektory jsou umístěny po celém obvodu vyšetřovací soustavy.
2.1.2 Radioterapie Radioterapie je proces, při kterém je snaha zničit pomocí ionizujícího záření nádor a zároveň co nejméně poškodit okolní tkáň. Samozřejmě není možné, aby ionizující záření
14
nechalo zdravou tkáň zcela netknutou, musí však být splněno pravidlo, že přínos pro pacientův život a jeho kvalitu musí být vyšší než škody, které může léčba způsobit. Rentgenové paprsky nepatří mezi nejefektivnější v radioterapii, protože způsobuje až sekundární ionizaci, nicméně i tak se používají. Účinek terapie závisí na dávce záření, která je limitována tolerancí zdravých tkání v ozařované oblasti. Komplikace mohou nastat během léčby nebo až po ní, kdykoli do konce života pacienta. Proto je snaha dávku zaměřit pouze na postiženou část. Cílem radioterapie je aplikace letální dávky do klinicky makroskopického nádoru a také do míst, kde předpokládáme mikroskopický rozsev. Po podání letální dávky mohou nastat změny v okolní tkáni. Je natolik vysoká, že je možné ji aplikovat pouze jednou, takže vyžaduje ideální ozařovací podmínky. Pokud by následky aplikace letální nádorové dávky pro pacienta nebyly přijatelné, používá se paliativní léčba. Ta neslouží pouze k prodloužení života pacienta, ale také ke zvýšení kvality jeho života, např. ke zmírnění bolesti. Při ozařování se používá různého počtu ozařovacích polí, od jednoho do pěti a více, která mohou a nemusí představovat stejné zatížení pro organismus. Je několik možností vzájemného umístění polí, podle toho, co je v daném případě výhodnější (např. konvergentní či protilehlé umístění). Dále se používají různé doplňky jako mřížka, která slouží ke zvýšení tolerance kůže při ozařování. Polotělové a celotělové ozařování se používá spíše při paliativní terapii nebo např. před transplantací kostní dřeně. Ověřit si ozařovací podmínky a simulovat ozařování umožňuje RTG simulátor, který funguje na principu skiaskopie a skiagrafie. Pomocí něho je možné označit ozařovací pole a reprodukovatelnou polohu pacienta v nich. Můžeme na něm změřit průměry pacienta, sejmout obrysy jeho těla v rovině centrálního paprsku, ověřit navržený izodozní plán a na základě měření zhotovit fixační pomůcky a vykrývací bloky, což jsou pro ozařování nesmírně důležité věci. Dále na RTG simulátoru provádíme verifikační a simulační snímkování a určujeme cílový objem, který na snímcích označíme třeba drátkem nebo kontrastními svorkami. Dále lze provést CT plánovací vyšetření. Pacient leží v poloze pro ozařování se všemi pomůckami, takže můžeme finálně označit body jeho přesné polohy. K tomuto vyšetření se používá plánovací CT přístroj, neboli CT simulátor, což je upravený CT přístroj, který obsahuje speciální software a plánovací konzolu, které snižují možnost vzniku chyb při přenášení značek z kůže pacienta přes plánovací scan k izodoznímu plánu a označení vstupů ozařovacích polí. Rentgenová terapie se dělí podle intenzity použitého záření: hraniční X terapie (do 20 kV), kontaktní terapie (40 – 100 kV), kdy vzdálenost od povrchu těla pacienta činí maximálně 5 cm, lze ji tedy použít pouze na povrchové nádory, povrchová (středovoltážní) terapie (120 – 150 kV), zářič je vzdálený 15-20 cm, záření pronikne do hloubky asi 5 cm, hloubková terapie (150 – 400 kV), zářič je vzdálen 40 – 50 cm, tolerance kůže se musí zvýšit pomocí vícepolového ozařování. Megavoltážní terapie používá záření X o energii větší než 1 MV, což je však maximální energie fotonů ve svazku, takže většina jich má energii poloviční. Používá se záření z lineárních urychlovačů, betatronů, kobaltových ozařovačů.
2.2 Difrakční analýza Způsob, jakým se rentgenové záření na materiálu pružně (tj. bez změny energie) rozptyluje, umožňuje nedestrukčně určovat vlastnosti materiálu – jeho strukturu i
15
mikrostrukturu, rozložení jeho hmoty v prostoru, jeho geometrii. Primární paprsek necháme dopadat na zkoumaný objekt pod určitým úhlem a úhel a intenzitu rozptýleného svazku měříme detektorem. Vzniklý difrakční obraz potom analyzujeme. Takováto strukturní analýza nalézá uplatnění v mnoha oblastech výzkumu, např. v mineralogii, kde umožňuje charakterizovat strukturu a složení krystalů, ve farmaceutickém výzkumu, kde analýza proteinů a malých molekul umožňuje určit tvar a složení aktivních složek nově vyvíjených léků, i v lékařství, kde pomocí této metody můžeme zkoumat složení a strukturu žlučových a močových kamenů. Další využití difrakční analýzy je měření mechanických napětí – když v materiálu působí mechanické napětí, změní se vzdálenosti mezi atomy a rentgenové záření se na něm potom rozptyluje jinak, než kdyby napětí nepůsobilo.
2.3 Kontrola materiálu (defektoskopie) Jedná se o nedestruktivní metodu umožňující objevit povrchové nebo vnitřní nedokonalosti, např. praskliny, materiálů a výrobků. Záření, které prošlo objektem, se zachytí na fluorescenční stínítko, film nebo ionizační detektor. Vada se ve výsledku zobrazí jako místo s menší hustotou než okolí, např. po vyvolání filmu jako tmavší oblast. Při kontrole se používají zdroje tvrdého záření, které vzniká při napětí od 30 až do 450 kV. Defektoskopie nalézá uplatnění při kontrole kvality materiálu a spojů, např. plynovody, lopatky turbín, písty motorů... Nejdokonalejší metodou kontroly materiálu je analýza materiálovým tomografem. Funguje stejně jako lékařský tomograf, jen v tomto případě se neotáčí rentgenka a detektory po obvodu přístroje, nýbrž samotný objekt.
To zdaleka nejsou veškeré způsoby využití rentgenového záření, setkáváme se s ním i v běžném životě, třeba na letišti při kontrole zavazadel. V tomto případě nejde o zkoumání detailů, stačí rozlišit různé materiály. K tomuto účelu se používá pseudobarevné zobrazení – různým stupňům šedi jsou přiřazeny různé barvy. Tak lze snadno na monitoru identifikovat nebezpečné, zejména kovové, předměty. Některé skenery mají dokonce zabudovaný alarm, který se v případě zaznamenání takového objektu spustí. Dále rentgenové záření umožňuje odhalovat padělky obrazů, metody a pracovní postupy při tvorbě uměleckých děl, zkoumat archeologické nálezů nebo získávat poznatky z oblasti astronomie.
16
Kapitola 3 Praktická část 3.1 Aparatura Měření bylo prováděno na difraktometru firmy Phywe pro školní účely. Na levé straně do něj lze vkládat rentgenky, buď molybdenovou nebo měděnou. Prostor pro pokusy obsahuje detektor a goniometr umožňující rotaci vzorku. Dole na přístroji je panel, který umožňuje např. nastavení přiváděného napětí a proudu, přičemž maximální možný proud je 1 mA a maximální napětí 35 kV. Ovládat difraktometr můžeme ručně na tomto panelu nebo přímo pomocí počítače, na který je připojen a do kterého ukládáme naměřená data. Jako detektor slouží halogenová trubice, kterou není radno vystavovat dlouhodobě větší intenzitě záření (přímo naproti výstupu z rentgenky), protože by se mohla poškodit. Obraz můžeme sledovat na luminiscenčním stínítku na pravé straně přístroje. Při našem měření jsme při ovládání goniometru zvolili možnost „coupling mode“ – současný pohyb vzorku a detektoru v poměru 1:2, ale lze s nimi hýbat i samostatně.
3.2 Monochromatizace Monochromatizace rentgenového záření je děj, při kterém dochází k vymezení jedné vlnové délky ze spektra dopadajícího záření, resp. intervalu vlnových délek v okolí dané vlnové délky. Schopnost takto určit, jakou vlnovou délku bude dopadající záření mít, se využívá pro výzkum, dále je užitečná pro snížení dávky radiace při vyšetření a terapii rentgenovým zářením. Pro dosažení monochromatizace se používají monochromátory – v našem případě monokrystal LiF, na kterém dochází k Braggově difrakci. Krystalové monochromátory pracují na principu Braggova zákona:
2d sinθ = nλ, n = 1, 2,... kde d je vzdálenost difraktujících rovin, θ je úhel, pod kterým dopadá paprsek na krystal (úhel, který svírá s difraktujícími rovinami), n je stupeň difrakce a λ je vlnová délka záření, které se od krystalu odrazí. Provedli jsme energiovou analýzu polychromatických rentgenových paprsků pomocí monokrystalu LiF. Měřili jsme závislost intenzity záření Cu rentgenky na dvojnásobku úhlu θ, pod kterým záření dopadalo na krystal. Podmínky měření byly následující: použit auto coupling mode 17
průměr štěrbiny, kterou záření vycházelo z rentgenky, byl d = 1 mm rozsah měření 39° – 47° krok 0,2° doba měření jednotlivých údajů 5 s Nejprve jsme nastavili konstantní anodový proud 1 mA a napětí jsme postupně nastavovali na 5 kV (na celém spektru jsme naměřili intenzitu 0 Imp/s), 10 kV, 15 kV, 20 kV, 25 kV, 30 kV a 35 kV. Potom jsme nechali konstantní anodové napětí U = 35 kV a měnili jsme proud: 0,2 mA, 0,4 mA, 0,6 mA a 0,8 mA
18
Dále jsme detailněji proměřili větší část spektra (8° – 90°) s krokem 0,1° a dobou měření jednoho údaje 25 s.
Dosud byly ve spektrech patrné dva hlavní píky způsobené charakteristickým zářením – větší Kα, menší Kβ. Za okénko rentgenky jsme tedy vložili Ni filtr, který měl potlačit nechtěný menší pík. Ve výsledném spektru zůstal jasný pouze hlavní pík.
19
Sledováním intenzity největšího píku jsme zjistili, že intenzita záření je závislá na žhavícím napětí. Závislá je i na protékajícím proudu, zde se dokonce jedná o přímou úměru. Naším cílem bylo získat monochromatické záření pomocí odrazu na krystalu. Toto nastane, pokud je splněna Braggova rovnice. Ze vztahu
potom můžeme vypočítat kinetickou energii fotonů monochromatického záření. Výsledky: n 1 1
θ 22°36’ 20°18’
d 2,014.10-10 m 2,014.10-10 m
20
výsledná E 8,02 keV 8,88 keV
3.3 Zobrazování V další části měření jsme zkoumali, jaké možnosti zobrazování difraktometr nabízí a jak můžeme ovlivnit různé vlastnosti obrazu. Objektem zobrazování byly části těla mrtvého pískomila – hlava, hrudní koš s jednou přední končetinou, zadní končetina a ocas. K zobrazování jsme použili molybdenovou rentgenku při konstantním napětí 35 kV a proudu 1 mA. Obraz na stínítku jsme zaznamenávali v zatemněné místnosti digitálním fotoaparátem E-300 firmy Olympus umístěným na stativu. Velikost snímků byla 3264x2448 bodů.
Nejprve jsme vyzkoušeli různé expoziční doby fotoaparátu při focení zobrazeného objektu. To sice nesouvisí příliš s vlastnostmi difraktometru, ale pro pořizování dokumentace o měření je to užitečné. Jako zobrazovaný objekt jsme použili hrudní koš. Expoziční doby jsme zvolili 30 s (A), 20 s (B), 15 s (C), 10 s (D), 6 s (E).
21
Obrázek A je příliš světlý, E zase až moc tmavý, nejlépe se jeví obrázky B a C. Jako ideální expoziční dobu pro další focení jsme tedy zvolili 13 s. Nejprve jsme zobrazili všechny objekty bez použití filtrů či štěrbin v různých vzdálenostech od zdroje. Hrudní koš – vzdálenosti od zdroje: 7 cm (A), 14 cm (B), 29 cm (C)
22
Hlava – vzdálenosti od zdroje: 5 cm (A), 14 cm (B)
Noha – vzdálenosti od zdroje: 17 cm (A), 25 cm (B)
Vidíme, že i při zobrazování poměrně slabou rentgenkou záření dobře proniká tkání. Je na obrázcích sice patrná, ale skutečnost, že kost má větší hustotu, je jasně patrná. Díky tomu vidíme na obrázcích dobře detaily, např. frakturu na zadní noze, rozlišení jednotlivých obratlů atd. Tímto měřením jsme si také ověřili triviální poznatek, že velikost obrazu závisí na vzdálenostech rentgenka – předmět – obraz. Mezi obrazem a rentgenkou jsme sice měli vzdálenost konstantní, ale obraz byl tím větší, čím byl předmět blíže ke zdroji.
23
Pokusili jsme se také zjistit, jaký vliv na kvalitu obrazu bude mít použití štěrbin a filtrů. Hrudní koš jsme umístili 35 cm od zdroje a postupně ho zobrazili bez štěrbiny (A), se štěrbinou o průměru 2 mm (B) a 5 mm (C). Zkusili jsme i štěrbinu o průměru 1 mm, ale výsledek nebyl hodný zaznamenání, ani po prodloužení expoziční doby.
Záměr byl takový, že s použitím štěrbin zobrazíme žebra ve větším detailu, ale jak je z obrázků patrné, tato snaha byla neúspěšná. Patrně by přineslo lepší výsledky, kdybychom ještě prodloužili expoziční dobu. Bez použití štěrbiny by to způsobilo velkou světlost obrázku, ale vzhledem k tomu, že štěrbina většinu záření nepropouští, jas by detaily nepřehlušil.
Po nevalném výsledku se štěrbinami jsme zkusili použít Zr filtr. Dole vidíme zobrazení nejprve pomocí štěrbiny bez filtru (A), a potom s filtrem (B).
Zde už nějaké zlepšení kvality pozorujeme. Zatímco na obrázku pořízeném bez filtru nerozlišujeme mnoho detailů, při zobrazení s filtrem už můžeme mnohem lépe rozlišit jednotlivá žebra.
24
Nakonec jsme si vybrali jeden ze vzorků (hlavu), umístili ho 10 cm od zdroje a pořídili jsme obrázky ze všech stran, vždy pootočeného o 45 stupňů.
Jak vidíme, z obrazů skutečně nepoznáme, na kterou stranu jsme hlavu otáčeli. Pokud by nebyla nesymetrická, ani bychom nemohli říct, jestli jsme ji zobrazovali z různých stran nebo dvakrát ze strany stejné (3. a 7. obrázek).
25
Závěr V úvodní části této práce jsem nastínila okolnosti objevení rentgenového záření, uvedla jsem jeho základní vlastnosti a zmínila jsem se o několika oblastech, ve kterých se využívá. V praktické části jsem zkoumala nejprve vlastnosti rentgenky a záření. Proměřila jsem spektrum jedné z rentgenek a ověřila, že použitím filtru lze potlačit existenci píku Kβ a získat spektrum s jediným výrazným píkem Kα. Na základě těchto měření jsem vypočítala energii fotonů monochromatického záření vzniklého odrazem na krystalu. Také jsem zjistila, že intenzita záření přímoúměrně závisí na změnách proudu tekoucím mezi katodou a anodou, je závislá i na změnách napětí na katodě, ale to už se nejedná o přímou úměru. Dále jsem připravila tři vzorky – části těla pískomila, abych si jakožto student lékařské fyziky alespoň symbolicky vyzkoušela zobrazování biologického objektu pomocí rentgenového záření. Při zobrazování jsem měnila vzdálenost vzorku od zdroje, jeho polohu, zkusila jsem zobrazení i se štěrbinami a filtrem a ověřila si několik triviálních vlastností rentgenového obrazu. Zpracování této bakalářské práce pro mě bylo přínosné. Doplnila jsem si a uvedla do souvislostí své znalosti týkající se rentgenového záření, vyzkoušela jsem si práci v RTG laboratoři, naučila jsem se pracovat s novým softwarem, poprvé jsem byla nucena sama vytvořit biologický vzorek pro experimenty. Také jsem si vyzkoušela pořizování fotografií obrazu na fluorescenčním stínítku.
26
Literatura 1. NEKULA J., HEŘMAN M., VOMÁČKA J., KÖCHER M.: Radiologie. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2001. ISBN 8024402599 2. SPURNÝ V., ŠLAMPA P.: Moderní radioterapeutické metody. Brno: IDVPZ, 1999. ISBN 8070132671 3. ŠNOBL O., CHOLT O.: Základy radiodiagnostiky 1. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1988 4. BALÁŽ P.: Význační fyzici. Bratislava: Slovenské pedagogické nakladateľstvo, 1966 5. http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl?Type=TOC 6. http://www.xray.cz/krystalografie/str15a.htm 7. http://www.cez.cz/edee/content/microsites/rtg/obsah.htm 8. http://www.vscht.cz/anl/matejka/RTG-difrakce-09.pdf 9. http://www.xray.cz/kryst/difrakce/hrdy/monochromatizace.htm 10. http://www.answers.com/topic/electromagnetic-spectrum 11. http://www.answers.com/topic/x-ray-tube
27
28
