Röntgendiagnosztika és CT 2013.04.08. Röntgensugárzás Elektromágneses sugárzás (f=10 16 10 19 Hz, E=120eV 120keV (1.9*10-17 10-14 J), λ<10-11 10-8 m) 0.12-12keV: lágy; 12-120keV: kemény Elektronátmenetek által kiváltott sugárzás (!) ionizáló sugárzás Wilhelm Conrad Röntgen, német fizikus 1895 November 8 X-ray (ismeretlen sugárzás) 1901 Fizikai Nobel-díj elektronátmenetek által kiváltott sugárzás gamma sugárzás: atommag által kibocsátott sugárzás 1
Történeti háttér Wilhelm Conrad Röntgen 1895 november 8: egy ismeretlen sugárzás előállítása és detektálása( X-rays vagy Röntgen sugárzás) 1895 decemer 28: Az eredmények leközlése Röntgen W.: Ueber eine neue Art von Strahlen. Sitzungsberichte der Wuerzburger Physik.-medic. Gesellschaft, Wuerzburg, 1895. Első fizikai Nobel Díj 1901-ben Röntgen sugárzás előállítása (rtg csövek) vákum Hűtött anód 1 ma -1 A hot cathode: source of electrons 30-150 kv Rtg sugárzás ~ 1%-a az elektornok energiájának. Hő ~ 99%. Gyorsító feszültség (30-150kV) ~ az emittált fotonok energiája ~ áthatolóképesség ~ kontraszt a rtg képeken. Áramerősség (1mA-1A) ~ kibocsátott elektronok száma (dózis) ~ a rtg képek sötétsége. 2
Rtg sugárzás elleni védelem: Pb(82) - ólom Miért jó? Összetett, és nagy sűrűségű anyag A beeső fotonok nagy valószínűséggel találkoznak elektronnal. olcsó ( arany, ezüst) Kevésbbé toxikus mint a tallium vagy a bizmut Nagymennyiségben áll rendelkezésre Rtg sugárzás típusai Karakterisztikus rtg sugárzás fékezési röntgensugárzás( Bremsstrahlung ) 3
Röntgensugárzás keletkezése karakterisztikus röntgensugárzás vonalas spektrum(anód anyagától függ) Charles Glover Barkla - Fizikai Nobel díj 1917-ben a karakterisztikus rtg sugárzás felfedezéséért Barkla felvetette, hogy a rtg sugárzás elektromágneses hullám fékezési röntgensugárzás( Bremsstrahlung ) folyamatos spektrum Karakterisztikus rtg sugárzás vonalas spektrum(anód anyagától függ) Charles Glover Barkla - Fizikai Nobel díj 1917-ben a karakterisztikus rtg sugárzás felfedezéséért Barkla felvetette, hogy a rtg sugárzás elektromágneses hullám Egy beérkező nagy energiájú elektron az anódban lévő K héjról kiüt egy elektront üresedés Külső elektron ugrik a helyébe Karakterisztikus rtg sugárzás keletkezik (E=héjak közötti energia különbség) 4
Fékezési rtg sugárzás Fékezési rtg sugárzás = Bremsstrahlung folyamatos spektrum A rtg csőben a felgyorsított elektron lelassul az anódban lévő atomok magjainak elektromos erőterében. Az energiaveszteség rtg fotonok kibocsátására fordítódik. Széles, folyamatos spektrumú sugárzás keletkezik. Röntgensugárzás létrejötte M kilökődött elektron L becsapódó elektronok K ütközés az atommaggal (maximális energia) Közeli kölcsönhatás (közepes energia) Karakterisztikus rtg sugárzás (diszkrét energia átmenetek) Távoli kölcsönhatás (alacsony energia) 5
Wolfram röntgensugárzási spektruma Kα x-ray: L-shell to K-shell jump Kβ x-ray: M-shell to K-shell jump Fékezési és karakterisztikus rtg sugárzás spektruma (80, 100, 120, 140 kv gyorsítófeszültség és azonos áramerősség). Wolfram elektron-szerkezete K L M N O P 6
Rtg sugárzás kölcsönhatása az anyaggal Kölcsönhatás típusa Compton szóródás Foto-elektromos hatás Pár képződés Fotodestrukció Koherens szóródás Kölcsönhatás fontossága Diagnosztikus radiológia Diagnosztikus radiológia Terápiás radiológia Terápiás radiológia Nem túl jelentős Abszorpciós folyamatok előfordulásának valószínüsége vízben Rtg sugárzás energiája Fotoelektromoshatás Compton-szóródás Párképződés 10 kev 95% 5% 0% 25 kev (mammográfia) 60 kev (diagnosztika) 50% 50% 0% 7% 93% 0% 150 kev 0% 100% 0% 4 MeV 0% 94% 6% 10 MeV (terápia) 0% 77% 23% 24 MeV 0% 50% 50% 7
Foto-elektromos hatás Belső héjat érintő ionizációs folyamat A foton energiája teljesen elnyelődik Foto-elektronhagyjaelazatomot(E=E beesőfoton E e-kötésienergiája ). Üresedés a belső elektron-héjon. Felsőbb héjról elektron tölti be az üres pozíciót. Alacsonyabb energiájú rtg sugárzás keletkezhet (később teljesen elnyelődik) P~Z 3 /E 3 Nagyobb valószínüséggel fordul elő alacsonyag energiájú rtg sugárzás esetén (10-500keV) magas rendszámú elemek esetében (pl. csont ( 20 Ca), kontraszt anyag ( 55 Ba). Növeli a beteget ért dózist. Nagymértékben felelős a rtg képen kialakuló kontraszt mértékéért. Compton szóródás A rtg foton egy atom külső héjáról elektront lök ki (rugalmatlan ütközés). A rtg foton irányt változtat miközben energiája csökkent (frekvencia csökken, hullámhossz nő). Compton e - szabadul ki az atomból. A Compton effektus bármely szövetben előfordulhat. P ~ elektron sűrűség (nagyjából azonos elemenként nem függ a rendszámtól) Nagyobb valószínüséggel fordul elő magas energiájú rtg sugárzás esetén (100 kev - 10 MeV) A szórt foton nem hordoz hasznos információt. Csökkenti a rtg képen a kontraszt mértékét. 8
Párképződés e - atommag foton e + Párképződés előfeltétele, hogy a foton energiája legalább 1.022 MeV legyen (0.511MeV az elektron nyugalmi tömegéhez rendelhető energiamennyiség.) rtg sugárzás nagy energiájú fotonok(e>100 kev). Koherens(Rayleigh, Thomson) szóródás Klasszikus szóródás(rugalmas ütközés). A hullámhossza a szóródott sugárzásnak nem változik sem az energiája. Egyedül a sugárzás iránya változik meg. Energiában nincs változás. 9
Fotodestrukció Egy atommag szétesése nagy energiájú foton energiájának abszorpcióját követően. Főleg nagy eenrgiájú sugárzás esetén(>8mev) (neutron, α-részecske) Rtgsugárzásfontoskölcsönhatásai Foto-elektromos hatás Felelős a kontraszt kialakulásáért a képen Compton szóródás Nincs hasznos információ belőle: a kontrasztot csökkenti Pár képződés(nem túl jelentős) 10
Képalkotásban fontos tényezők Áthaladt rtg sugárzás (sötét területeket hoz létre a képen) Foto-elektromos hatás (világos területeket hoz létre a képen) Compton szóródás(nincs hasznos információ) Rtg sugárzás felhasználása Radiográfia (képalkotás) Repülőtéri szkenner Radioterápia (sugárterápia) malignus sejtek elpusztítása Ipari felhasználás Rtg-krisztallográfia 11
Rtg sugárzás veszélye Ionizáló sugárzás! ionizáció: az a folyamat melynek során egy atom vagy molekula ionos formába alakul át azáltal, hogy egy töltött egységet felvesz vagy tőle megszabadul (pl. elektron) reaktív végtermék Káros (e.g. sugárzási betegség, daganatos elváltozások) Rtg-felvétel Rtg sugárzás objektum rtgszenzitív film v. digitális detektor 2D-s leképezés Negatív kép sokrtgfoton sötét részek kevésrtgfoton világos rész 12
Röntgenabszorpciós CT Élettani és Orvostudományi Nobel díj- 1979 Allan M. Cormack, Godfrey N. Hounsfield Godfrey N. Hounsfield Born: 28 August 1919, Newark, United Kingdom Died: 12 August 2004, Kingston upon Thames, United Kingdom Az első CT készülék építése 1971-ben. Allan M. Cormack Born: 23 February 1924, Johannesburg, South Africa Died: 7 May 1998, Winchester, MA, USA A CT elméleti hátterének kidolgozása(1963-64). http://www.nobelprize.org 13
Alapelvek A rtg-cső forog a beteg körül. A detektorok a sugárzás gyengülését mérik különböző szögekből. A detektorok egy számítógéphez csatlakoznak. Az adatfeldolgozás megfelelő algoritmus szerint történik. Az egyedi abszorpciós együtthatókat tükröző térbeli eloszlás ábrázolódik. Rtg-kép: szummációs kép = az egyedi térfogatelemek összességének eloszlását megjelenítő felvétel. CT kép: az egyedi térfogatelemek sugárzást elnyelő képességének (µ: abszorpciós együttható) egyedi eloszlását megjelenítő felvétel. Intenzitás gyengülés I 0 I I 0 I 14
Intenzitás gyengülés = ( ) = Az i-ik térfogatelem gyengítési képessége µ = abszorpciós együttható = azegyedi térfogatelemekszélessége Intenzitás gyengülés A=8 B=6 C=2 D=4 u 1 =14 u 2 =6 u 6 =8 u 5 =10 u 4 =10 u 3 =12 u 1 = A+B u 2 = C+D u 3 = A+D u 4 = B+D u 5 = A+C u 6 = B+C u 4 u 3 = B+D-A-D = B-A u 1 = A+B u 1 = A+(u 4 u 3 +A)= u 4 u 3 +2A 1 4 + 3 = A = 14 10+12 =8 2 15
A CT készülékek fejlődése A legújabb készülékek az V. generációs Spirál CT készülékek. A rtg- cső 360 fokban forog a beteg körül míg az asztal mozog a felvétel készítése alatt. Nagyszámú detektor együttes használata (akár 14,600 detektor 1.25mm szélességgel) egy szkenneléshez tartozó szeletek száma nő. Csökkent a felvételek elkészítésének ideje (50ms 5min.). III. generációs CT készülék A rtg-cső és a detektor is forog. Legyező alakú nyaláb (30-60 ) a beteg teljes lefedésére. 1 szekundumos szkennelési idő. Kitűnő rekonstrukciós és felbontó képesség. 16
Jó kontraszt 3D-s információ Előnyök és hátrányok Rosszabb képminőség a hagyományos rtg képpel összevetve. Magas sugárterhelés (akár 500-600X) a hagyományos rtg felvételekkel összevetve. Vége! 17