A RÖNTGENSUGÁRZÁS Talián Csaba Gábor PTE ÁOK, Biofizikai Intézet, 2011.09.27.
A RÖNTGENSUGÁRZÁS Elektromágneses sugárzás, jellemzően λ = 10-11 - 10-8 nm E = 120 ev - 120 kev ν = 3x10 16 3x10 19 Hz Terápiás célokra nagyobb energiájú sugárzást is előállítanak, ez átfed a gamma-sugárzási tartománnyal
TÖRTÉNET Johann Wilhelm Hittorf (GER, 1824-1914) Kisülési csövek közelében a fotolemezeken árnyékfoltok képződnek, 1869 Ivan Puljuj (UKR-AUT, 1845-1918) Nagyfeszültségű kisülési cső (Crookes cső) sugárzásába helyezett becsomagolt fotolemezek megfeketednek, 1886 Nicola Tesla (SRB-USA, 1856-1943) Fékezési sugárzással működő röntgencső kifejlesztése, 1887- láthatatlan sugárzó energia Röntgensugárzás biológiai veszélyeinek felismerése Philipp Lenard (AUT-HUN-GER, 1862-1947, Nobel-díj, 1905) Alumínium-ablakos kisülési cső, röntgensugárzás elkülönítése, áthatolóképesség vizsgálata, 1888-
TÖRTÉNET Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923, 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 1895. november 22. az első felvétel emberi testről 1895. december 28. publikálja az eredményeit
TÖRTÉNET Thomas Edison (1847-1931, 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 (1877-1944, GBR, Nobel-díj, 1917) Röntgenszóródás, röntgenspektroszkópia Max von Laue (1879-1960, GER, Nobel-díj, 1914), William Henr y Brag g (1862-1942, GBR, Nobel-díj, 1915), William Laurence Brag g (1890-1971, GBR, Nobel-díj, 1915) röntgenkrisztallográfia
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)
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
A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE A röntgenspektr um kétféle füg getlen mechanizmus összetett spektr um vonalas és folytonos is λ min
A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE K arakterisztikus röntgensugárzás (röntgenfluoreszcencia) ΔE = E1 E2 - E3
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 (1872-1935, USA) h = Planck-állandó c = fénysebesség e = elemi töltés ó
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 (1894-1952, NED)
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
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 = 2,19 10-18 J σ= K-héj: 1 L-héj: ~8 Henr y Moseley (1887-1915, GBR)
A RÖNTGENSUGÁRZÁS ELŐÁLLÍTÁSA Nag yfeszültségű vákuum kisülési csövek Crookes-cső hideg, kisnyomású gáz Coolidge-cső meleg, vákuum William Crookes (1832-1919, GBR) William Coolidge (1873-1975, USA)
A RÖNTGENSUGÁRZÁS ELŐÁLLÍTÁSA η 1,1 10-9 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
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)
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
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)
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.
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
RÖNTGEN KÉPALKOTÁS Digitális szubsztrakciós angiog ráfia (DSA) erek, húg yutak
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
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
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