A RÖNTGENSUGÁRZÁS Elektromágneses sugárzás, jellemzően λ = nm E = 120 ev kev ν = 3x x10 19 Hz Terápiás célokra nagyobb energi

Átírás

1 A RÖNTGENSUGÁRZÁS Talián Csaba Gábor PTE ÁOK, Biofizikai Intézet,

2 A RÖNTGENSUGÁRZÁS Elektromágneses sugárzás, jellemzően λ = nm E = 120 ev kev ν = 3x x10 19 Hz Terápiás célokra nagyobb energiájú sugárzást is előállítanak, ez átfed a gamma-sugárzási tartománnyal

3 TÖRTÉNET Johann Wilhelm Hittorf (GER, ) Kisülési csövek közelében a fotolemezeken árnyékfoltok képződnek, 1869 Ivan Puljuj (UKR-AUT, ) Nagyfeszültségű kisülési cső (Crookes cső) sugárzásába helyezett becsomagolt fotolemezek megfeketednek, 1886 Nicola Tesla (SRB-USA, ) Fékezési sugárzással működő röntgencső kifejlesztése, láthatatlan sugárzó energia Röntgensugárzás biológiai veszélyeinek felismerése Philipp Lenard (AUT-HUN-GER, , Nobel-díj, 1905) Alumínium-ablakos kisülési cső, röntgensugárzás elkülönítése, áthatolóképesség vizsgálata, 1888-

4 TÖRTÉNET Wilhelm Conrad Röntgen ( , GER, Nobel-díj, 1901) Vastag üvegfalú kisülési cső (Crookes cső), Al-ablakkal Fekete kartonpapírral borította a csövet fényt elzárja Ba-platinocianiddal bevont képernyő halvány derengés az elsötétített szobában Láthatalan, ismeretlen új sugárzás: X-sugarak november 22. az első felvétel emberi testről december 28. publikálja az eredményeit

5 TÖRTÉNET Thomas Edison ( , USA) CaWO 4 fluoreszkál legintezívebben az X-sugarak hatására Első működő fluoroszkóp (röntgen-készülék) feltalálása, 1896 Sugárvédelem hiánya égési sérülések Clarence Madison Dally (Edison asszisztense) a röntgensugárzás első áldozata Charles Barkla ( , GBR, Nobel-díj, 1917) Röntgenszóródás, röntgenspektroszkópia Max von Laue ( , GER, Nobel-díj, 1914), William Henr y Brag g ( , GBR, Nobel-díj, 1915), William Laurence Brag g ( , GBR, Nobel-díj, 1915) röntgenkrisztallográfia

6 Elektromágneses sugárzás: λ = v/f E = h*f (h = 4,1356*10-15 ev s, Planck-állandó) Pontszerű forrásból egyenes vonalban, minden irányban, fénysebességgel terjed Elektromos és mágneses tér nem téríti el Alkalmas anyagokból lumineszcenciát (fénykibocsátás) vált ki Fotoemulziós anyagokra a fényhez hasonlóan hat Ionizáló hatás Biológiai hatások; embert érő összsugárzás ~10%-a (USA)

7 SUGÁRZÁSI EGYSÉGEK Expozíció, besugárzási dózis 1 kg anyagban 1-1 coulomb töltés keltéséhez szükséges sugárzás; C/kg 1cm 3 száraz levegőben 1 elektrosztatikus egység (franklin) keltéséhez szükséges sugárzás; 1 roentgen = 2,58x10-4 C/kg Elnyelt dózis Az a sugárzás, amelyből 1 kg anyag 1 joule-t nyel el; gray (Gy; J/kg) Eg yenértékdózis Az egyes sugárzásfajtákra súlyozott dózis (röntgen súlyfaktora = 1); sievert (sv; J/kg) Hatásos dózis Az egyes szövetekre (eltérő érzékenységük szerint) súlyozott egyenértékdózis; sievert

8 A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE A röntgenspektr um kétféle füg getlen mechanizmus összetett spektr um vonalas és folytonos is λ min

9 A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE K arakterisztikus röntgensugárzás (röntgenfluoreszcencia) ΔE = E1 E2 - E3

10 A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE Fékezési röntgensugárzás (Bremsstrahlung) az atommag közelében erős elektromos mező eltéríti az elektron pályáját iránygyorsulás lassuló szabad töltés energiát ad le röntgensugárzás formájában távozik Az intenzitás lineárisan csökken a kisebb frekvencia (nagyobb hullámhossz) felé a gyorsítófeszültség energiájánál nulla (határfrekvencia; Duane-Hunt szabály) William Duane ( , USA) h = Planck-állandó c = fénysebesség e = elemi töltés ó

11 A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE Minél közelebb kerül az elektron a maghoz, annál jobban lassul A maghoz közelebbi állapotok valószínűsége kisebb Nag yobb rendszám nag yobb fékezést jelent Hendrik Kramers ( , NED)

12 A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE A g yorsítófeszültséggel arányos az E kin, íg y a kisugárzott teljesítmény: ö ó A becsapódó elektronok számával arányos a kisugárzott teljesítmény: ö ó ó 1,1 10 ó

13 A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE A röntgensugárzás fő karakterisztikus csúcsainak frekvenciája arányos az elem rendszámával (1913) Első összefüggés az atomszám és egy mérhető fizikai mennyiség között Jelentős kísérletes támogatást nyújtott a Bohr-atommodell számára 1 1 A = 2, J σ= K-héj: 1 L-héj: ~8 Henr y Moseley ( , GBR)

14 A RÖNTGENSUGÁRZÁS ELŐÁLLÍTÁSA Nag yfeszültségű vákuum kisülési csövek Crookes-cső hideg, kisnyomású gáz Coolidge-cső meleg, vákuum William Crookes ( , GBR) William Coolidge ( , USA)

15 A RÖNTGENSUGÁRZÁS ELŐÁLLÍTÁSA η 1, Z U (%) pl. wolfram (Z = 74) és 100kV esetén kb. 0,8%; 2MeV esetén is alig 10% Az energia többi része hővé alakul, ezért a rendszert hűteni kell! Forgó anód mindig csak egy kis részét éri az elektronsugárzás Folyékony gallium kenőanyagú csapágy Anód anyaga: W magas olvadáspont (üzemi hőmérséklet 2500 C-ot is elérheti) Re nagyobb vezetőképesség és ellenállás az elektronok hatásának Mo jól elvezeti a hőt Grafit hőtárolás, csökkenti az anód tömegét

16 A RÖNTGENSUGÁRZÁS ELŐÁLLÍTÁSA Lágy röntgen: ~ 120 ev 12 kev kis áthatolóképesség (600 ev rtg. felezési rétegvastagsága vízben < 1µm) főleg diagnosztikai célokra Kemény röntgen: ~ 120 kev 10 MeV nagy áthatolóképesség diagnosztika, terápia, röntgen-krisztallográfia Lág y sugarak általában elnyelődnek a szövetekben Nem hasznos, de növeli a dózist Alumíniumfólián bocsájtják át a sugárzást (röntgenfilter) A nagy energiájú komponensek jutnak át (keményítés)

17 A RÖNTGENSUGÁRZÁS DETEKTÁLÁSA Sötéthez adaptált szem kékesszürke derengés Képreceptorok: fotolemez, fotofilm, ritkaföldfém képernyő Geiger-Müller cső Szcintillációs számláló (NaI) Félvezető detektorok (Si[Li], Ge[Li], CdZnTe, Se) A sugárzás elnyelt energiája elektron- lyuk párrá alakul A töltésszétválás feszültségjelet eredményez Alacsony hőmérsékleten a sugárzás energiája (spektrum) is mérhető Számítógépes képfeldolg ozás, digitalizáció Röntgenkép erősítő (1948-) Gyenge röntgenintenzitás átalakítása látható fénnyé ~10 5 erősítés; összekapcsolás video vagy CCD kamerával, mozgóképek 10-20% dózis, jobb kontraszt, de: kisebb kép, csökkent térbeli felbontás

18 RÖNTGEN KÉPALKOTÁS A terjedési irányban egymás mögött elhelyezkedő elemek abszorpciójának összeadódása révén 2D szummációs leképezés nem tartalmaz mélységi infor mációt A nag yobb kontrasztú elem kitakarja a kisebbet A szóródó röntgensugárzás is exponálja a képet (szürke háttér)

19 RÖNTGEN KÉPALKOTÁS A vizsgált testrészt a sugárforrás és a detektor közé helyezik Az egyes szövetek/anatómiai struktúrák abszorpciója eltérő Ahol jobban áthatol, ott a fotolemez is jobban megfeketedik Csontokban nagyobb rendszámú elemek: Mg Z=12, P Z=15, K Z=19, Ca Z=20 Lágy szövetekben túlnyomórészt: H Z=1, C Z=6, O Z=7, N Z=8 A csont jobban elnyeli a sugárzást, mint pl. az izom (nagyobb elektronsűrűség), ezáltal a fotolemezt kisebb mértékben feketíti meg.

20 RÖNTGEN KÉPALKOTÁS Üreges, kis abszorpciójú szervek kontrasztanyagokkal megjelölhetők Nagy atomtömegű elemek: Ba, I, Ce, Gd, Au, Pb, Bi, Tb, Yb Nagy stabilitás Hatékony kontrasztnövelő hatás Teljes kiürülés, nincs metabolizáció Nehézfémeknél kelátkomplexeket vagy oldhatatlan sókat alkalmaznak kisebb toxicitás, jobb ür ülés A test megfelelő részébe evéssel, beöntéssel, intravénás injekcióval juttathatók

21 RÖNTGEN KÉPALKOTÁS Digitális szubsztrakciós angiog ráfia (DSA) erek, húg yutak

22 RÖNTGEN KÉPALKOTÁS A röntgensugárzás alkalmazása megfelelő védekezés nélkül: sugársérülések, pl. bőrgyulladás, hajhullás, szemfájdalmak, fehérvérűség, rosszindulatú daganatok (USA ~0,4%) stb. Egy mellkasi CT 2-3 évnyi háttérsugárzás A röntgencsöveket ólomburkolattal veszik körül, a röntgenberendezéseket ólomfalakkal árnyékolják. A test védelmére ólomkesztyűk, ólomkötény, ólomszemüveg Sugárnyaláb fölösleges részeinek kiszűrése Minimális dózis/maximális sugártávolság alkalmazása Minimális besugárzási ter ület Erősítés Minimális ismétlésszám Alkalmazottak sugárterhelésének folyamatos ellenőrzése

23 ALKALMAZÁSOK Radiog ráfia 2010: 5 milliárd felvétel világszerte Csontvázrendszer vizsgálata Fogröntgen Mammográfia Angiográfia Mellkasi röntgen (tüdőgyulladás, tüdőrák, ödéma, tuberkulózis stb.) Hasi röntgen (bélelzáródás, levegő- vagy folyadékfelgyülemlés) Vese- és epekövek Röntgenterápia (daganatok ellen kis dózisban) CT

24 ALKALMAZÁSOK Röntgen-krisztallográfia Röntgen-asztronómia Röntgen-mikroszkópia Röntgen-fluoreszcencia Ipari radiográfia (fémek anyaghibái), röntgenhegesztés Műtárg yak, festmények eredetiségvizsgálata Repülőtéri csomagvizsgálók, határállomásokon kamionscanner Művészi röntgenfotog ráfia

25