Orvosi biofizika II. Orvosi Biofizika II. Az X-sugár. Röntgen- sugárzás Előállítás, tulajdonságok

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Orvosi biofizika II. Orvosi Biofizika II. Az X-sugár. Röntgen- sugárzás Előállítás, tulajdonságok"

Ákos Horváth
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Orvosi biofizika II Orvosi Biofizika II Röntgensugárzás előállítása és tulajdonságai Röntgendiagnosztikai alapok Az elektromosság orvosi alkalmazásai Termodinamika - egyensúly, változás, főtételek Diffúzió, Brown-mozgás, Ozmózis Folyadékok és gázok áramlása. A véráramlás biofizikája Bioelektromos jelenségek Hang, ultrahang Érzékszervek biofizikája, látás, hallás Az élő anyag építőkövei: víz, makromolekulák, szupramolekuláris rendszerek A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Biomechanika, biomolekuláris és szöveti rugalmasság A biomolekuláris szerkezetet és dinamika vizsgálómódszerei. Az MRI alapjai A biomolekuláris szerkezetet és dinamika vizsgálómódszerei. Rtg diffrakció, spektroszkópiák. A légzés és a szívműködés biofizikája. Fizikális vizsgálat Az X-sugár Röntgen- sugárzás Előállítás, tulajdonságok Wilhelm Konrad Röntgen ( ) Nobel-díj, 1901 Hand mit Ringen ( Kéz gyűrűvel ): Wilhelm Röntgen első "orvosi" röntgenfelvétele felesége kezéről (1895 december 22).

2 Papírtölcsér radioszkóp Orvosi röntgenfelvétel 1890-es évek vége I. világháború ma Cipész fluoroszkóp ( ) A röntgensugárzás: elektromágneses sugárzás ~3 futballpálya ~3 m ~3 cm nm ~30 H-atom átmérő Hullámhossz nm. Frekvencia 30x x10 18 Hz. Energia 120 ev kev. (petaherz - exahertz)

3 Röntgensugárzás A röntgensugárzás keltése A röntgensugárzás (nem szokványos) keltése Tribolumineszcencia: dörzsöléssel kiváltott fényemisszió. Francis Bacon, Spektrális tulajdonságok A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 1: diffrakció A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 2: abszorpció Ragasztószalag lehántásakor látható fotonok......és röntgenfotonok emittálódnak. (Nature News, October 2008) Röntgensugárzás keltése - gyakorlat Fékezési röntgensugárzás A felgyorsított elektronok lelassulnak ( lefékeződnek ) és ezért mozgási energiát veszítenek az anód atomjainak elektromos terében Röntgencső (Coolidge, 1900-as évek eleje). Ifűtő Ufűtő Forgóanódos röntgencső (anód forgás hűtés végett) Bremsstrahlung

4 A fékezési röntgensugárzás spektruma eu anód = ε max = hf max λ min = hc e 1 U anód Maximális fotonenergia (εmax) h =Planck állandó; c = fénysebesség; e = elektron töltése; euanód = gyorsítási munka Határhullámhossz (λmin) (Duane-Hunt-törvény) Karakterisztikus röntgensugárzás Folytonos spektrum ΔP Δε = c' Z ε max ε ( ) Energiaspektrum (teljesítmény energia-függése) A belső pályáról kilökött elektron nagyenergiájú pályáról pótlódik P tot = 1 2 c' Z ε 2 max 2 = c Z U anód e 2 Összteljesítmény (háromszög területe alapján) 2 P tot = C Rtg I anód U anód η = P tot P in Z Összteljesítmény = C I U 2 Rtg anód anód Z = C Rtg U anód Z Hatékonyság <1% I anód U anód Elektronátmenet energiája külső héji elektron kiszabadulására fordítódhat: Auger elektron Karakterisztikus röntgensugárzás spektruma A röntgen spektrum az elemi összetételt jellemzi Mivel a belső pálya-elektronok vesznek része a jelenség létrejöttében, a spektrum az elemi (és nem molekuláris) tulajdonságokat jellemzi N héj L héj M héj K héj Mag Vonalas spektrum Elektron átmenetek Ca atomban Energiadiszperzív röntgen fluoreszcencia spektrum

5 Karakterisztikus röntgensugárzás detektálása Okulár Minta X Röntgen spektroszkóp A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 1: Diffrakció λ Kristály Rtg sugárzás Rtgnyaláb Kristály Energiaveszteség spektrométer kristály Fotólemez Elektronnyaláb Mérés Minta Erősítő interferencia feltétele: 2dsinθ = nλ +1 finomítás fázisok Elhajási interferencia mintázat N.B.: elektronmikroszkóp Elektronsűrűség térkép illesztés Elektronágyú Elektron próba mikroanalizátor (energiaveszteség mérése) Elektronágyú Röntgen spektroszkóp (Rtg energiaspektrum mérése) 0-1 Atomi model 3D szerkezet A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal 2: Abszorpció Kölcsönhatás mechanizmus I: Röntgen fotoeffektus Belépő intenzitás J0 x abszorben s Kilépő intenzitás J Exponenciális sugárgyengítési törvény J J0 J = J 0 e μx x μ = μ m Beeső röntgen foton (hf) Kilépő elektron (további röntgen foton keltésében vehet részt) A diagnosztikai röntgenben fellépő legfontosabb hatás Fotoeffektus gyengítési együttható: τ = τ m μ = gyengítési együttható μm = tömeggyengítési együttható (cm 2 /g) = sűrűség (g/cm 3 ) τm=fotoeffektus tömeggyengítési együttható =sűrűség

6 A fotoeffektus függ a fotonenergiától és a rendszámtól τ m = const Z 3 ε 3 = C λ3 Z 3 C = 5,5-6,5 cm 2 /g nm 3 Többkomponensű rendszerben: effektív rendszám (Zeff) Z eff = 3 3 w i Z i n i=1 Kölcsönhatás mechanizmus II: Compton szórás Arthur Holly Compton ( ) Energiamérleg: hf = A + hf scatt + E kin Közeg ε=fotonenergia Z=rendszám w=móltört n=komponensek száma Zeff Levegő 7.3 Víz 7.7 Lágy szövet 7.4 Csontszövet 13.8 A=kötési energia hfscatt=szórt foton energiája Ekin=Compton-elektron mozgási energiája Compton-effektus gyengítési együttható: σ = σ m beeső foton Kölcsönhatás mechanizmus III: Párkeltés beeső foton párkeltés (csak a terápiás röntgensugárzás esetében releváns) Energiamérleg: Sugárgyengítési mechanizmusok Fotonenergia és közeg hatása Ólom Víz (lágyrészek) hf = 2m e c 2 + 2E kin me=elektron tömege c=fénysebesség Párkeltés gyengítési együttható: κ = κ m A párkeltés a nagyenergiájú (terápiás) röntgensugárzás és a γ-sugárzás esetében jelentős. μ = τ + σ +κ μm=tömeggyengítési együttható τm=fotoefektus tömeggyengítési együttható σm=compton-szórás tömeggyengítési együttható κm=párkeltés tömeggyengítési együttható

7 Sugárgyengítési mechanizmusok Rtg-sugárzás mai orvosi alkalmazásai Mechanizmus μ m változása fotonenergiával (ε) μ m változása a rendszámmal (Z) Releváns fotonenergiatartomány lágyszövetben Spirális CT fotoeffektus ~1 / ε 3 ~Z kev Compton-szórás párkeltés ε növelésével lassan csökken ε növelésével lassan nő ~Z/A (A = tömegszám) 30 kev - 20 MeV ~ Z2 > 20 MeV Virtuális endoszkópia Diagnosztikai röntgen: 1. lágyrész-csont közötti kontrasztmechanizmus: fotoeffektus (~Z 3 ) 2. lágyrészen belüli kontrasztmechanizmus: Compton-szórás (~) 3D rekonstrukció Angiográfia

Hasonló dokumentumok

A röntgensugárzás keltése Fékezési vagy folytonos Rtg sugárzás. Röntgensugárzás. A röntgensugárzás elektromágneses sugárzás

A röntgensugárzás keltése Fékezési vagy folytonos Rtg sugárzás. Röntgensugárzás. A röntgensugárzás elektromágneses sugárzás A röntgensugárzás elektromágneses sugárzás Röntgensugárzás ~3 futballpálya ~3 m ~3 cm 400-700 nm ~30 H-atom átmérő Hullámhossz 10-0.01 nm. Frekvencia 30x10 15-30x10 18 Hz. Energia 120 ev - 120 kev. (petaherz