A röntgensugárzás terészete, forrásai és biológiai hatásai X-rays elékeztető Elektroágneses sugárzások Foton koncepció az anyagi kölcsönhatásokban Foton partnere az elektron A foton energiát gyakran ev egységekben fejezik ki E foton = hf Dr. Fidy Judit egyetei tanár 2012 Febr.29 1 ev = 1.6 x 10-19 Joule elékeztető Fény X-rays Logaritikus skála elekroágneses hulláok 10 9 = 1nanoeter Elektroágneses sugárzások Foton koncepció az anyagi kölcsönhatásokban Foton partnere az elektron A foton energiát gyakran ev egységekben fejezik ki E foton = hf 1 ev = 1.6 x 10-19 Joule fotonenergia=hf (ev) X-rays 10 ev 150keV 10 2 p 10p
EM hulláok fontos tulajdonságai T elékeztető H B t x Elektroágneses sugárzások Foton koncepció az anyagi kölcsönhatásokban Foton partnere az elektron A foton energiát gyakran ev egységekben fejezik ki E foton = hf c = λ / T, f = 1/T, c = f λ(/s) c = 299,792,458 /s vákuuban c = E B 1 ev = 1.6 x 10-19 Joule elékeztető elékeztető Elektroágneses sugárzások Foton koncepció az anyagi kölcsönhatásokban Foton partnere az elektron A foton energiát gyakran ev egységekben fejezik ki Elektroágneses sugárzások Foton koncepció az anyagi kölcsönhatásokban Foton partnere az elektron A foton energiát gyakran ev egységekben fejezik ki E foton = hf E foton = hf h = 6.6 10 34 J s 1 ev = 1.6 x 10-19 Joule 1 ev = 1.6 x 10-19 Joule fényfoton energiája: ~1.5-3 ev
Fény X-rays Logaritikus skála elekroágneses hulláok 10 9 = 1nanoeter Sugárzások és biológiai rendszerek? Ionizáló és ne-ionizáló sugárzások fotonenergia=hf (ev) X-rays 10 ev 150keV(rtg. cső) Látható fény (ne ionizáló) hatása: elektrongerjesztés Röntgensugárzás (Röntgen-cső, szerkezetvizsgálat,diagnosztika) prier hatása: ionizáció 10 2 p 10p Sok-elektronos rendszerek elektron-energiái Egyszerű példa: Cu ato fény röntgensugárzás FOTON ELEKTRON pályaenergiák Optikai foton-energia (~2-3 ev) elnyelése - eissziója a legkülső leglazábban kötött elektronokat érinti fény röntgensugárzás (rtg. cső) Fotonenergia 1.5 3 ev 20 150 kev Priér hatás e - gerjesztés e - ionizáció E Kα 8 kev (L->K átenet) Röntgen-tartoány! Elnyelődés diszkrét fotonenergiáknál energia folytonos (!) valószínűsége függvénye Abszorpciós spektru
1896 Jan.23 The Golden Years of physics 1895: X-rays Röntgen 1896: rádioaktivitás Becquerel 1897: elektron J. J. Thoson 1898: Radiu Pierre and Me Curie Wilhel Konrad Röntgen (1845-1923) Wilhel Conrad Roentgen Felfedezés 1895 Noveber -> publikáció Deceberben -> -> 1896 Január: Orvosi alkalazások Magyarország: Műegyeteen orvosi diagnosztikai berendezés, 1896 Első fizikai Nobel-díj 1901 Röntgensugárzás keltése röntgencsővel Rtg. Sug. keletkezik, ha nagy sebességű töltött részecskék nagy rendszáú anyagban lefékeződnek. Röntgencsövek - forgó anód - hűtés Az anódban nagy a hőfejlődés η = P P sug el < 1 %
A röntgensugárzás keletkezésének echanizusai Eissziós spektruok növekvő gyorsító feszültség ellett c = λ f E foton = h f foton energia foton energia - Nagy feszültség (U) ellett a spektru vonalassá válik - Az össz-teljesítény erősen nő a feszültséggel Kétféle echanizus 1.Fékezési röntgensugárzás (Bresstrahlung) - inden (nagy) U-nál - spektrua folytonos - teljes kisugárzott teljesítény: P rtg = konst U 2 I Z - A spektru a rövid hulláhosszú oldalon élesen végződik, λ hat csökken, ha U nő 1.1*10-9 V -1 Anód anyaga hulláhossz Határoló hulláhossz λ hat hulláhossz -spektrua λ- ban alulról határolt qeu = 1 2 c ev = hfh = h 2 λ h λ h c h = 1 q U Duane-Hunt törv. ezen alapul a röntgendiagnosztika e 2. Karakterisztikus röntgensugárzás - csak elég nagy U felett - spektrua vonalas, az anód anyagára jellező A karekterisztkus röntgensugárzás alkalazásai Cu-anód - Igen érzékeny és pontos kéiai analízis hf K vonalak anód=vizsgálandó anyag röntgenfluoreszcencia Cu-ato L vonalak Minőségi analízis: A spektruvonalak fotonenergiái alapján a rendszá azonosítható Z Kriinológia! 1.Ionizáció 2. üres állapot betöltése
A karekterisztkus röntgensugárzás alkalazásai A karekterisztkus röntgensugárázás alkalazásai - Igen érzékeny és pontos kéiai analízis Auger-elektron-spektroszkópia E kin. Auger - A teljes kisugárzott rtg. intenzitásban kis járulék általában elhanyagolható De: Molibdén anódos röntgencső Lágy szövetekben igen jól elnyelődő onokroatikus sugárzás Mérésével az áteneti energiákat lehet eghatározni Felületek kéiai analízise vákuuban Maográfia Kis rendszáú anyagoknál valószínű Versenyez a karakterisztikus rtg sugárzással Röntgendiagnosztikai alkalazások (fékezési sugárzás) A diagnosztikai alkalazások a rtg sugárzás szöveti elnyelődésén alapulnak A diagnosztikai alkalazások a rtg sugárzás szöveti elnyelődésén alapulnak μx μρx Érvényes az exponenciális abszorpció-törvény J J e = J e = 0 0 Abszorpciós együttható Töeggyengítési együttható MINŐSÉGI JELLEMZŐ Abszorbens anyaga Sugárzás fotonenergiája Az elnyelt fotonenergia ionizáló echanizusai a rtg cső energiatartoányában (< 200 kev) fotoeffektus J = J e Abszorpciós együttható o μ = μ μx ρ = J μ = τ + σ o e τ erősen függ Z-től és a fotonenergiától Töeggyengítési együttható μ ρx diagnosztika terápia hf = A + 1 2 v + hf 2
A rtg sugárzás elnyelődésének függése az energiától és az anyagi inőségtől abszorpciós spektruok Rtg-diagnosztikai szepontok - kontrasztanyagok ABSZORPCIÓS FOLYAMAT μ függése a Z rendszától μ függése az E fotonenergiától rugalas μ ~Z 2 μ ~ 1/E 2 ~λ 2 szórás fotoeffektus μ ~Z 3 μ ~1/E 3 ~λ 3 Coptonszórás közel független enyhén csökkenő μ ( hf ) τ ( hf ) doinál az effektusokban 3 τ = konst λ Z J = J e μx o = J e 3 ( τ + σ ) ρ x o Pb Lágy szövetek Z eff = n 3 i= 1 közeg Z eff w Z 3 i i óltört ρ (g/c3) Rtg-kép kontrasztja függ a - Sűrüségkülönbségektől -> negatív kontrasztanyagok levegô 7,3 1,3 10 3 víz 7,7 1 lágy szövet 7,4 1 csontszövet 13,8 1,7-2 - rendszá-különbségektől -> pozitív kontrasztanyagok Példa kontrasztanyag használatára Rtg-diagnosztikai szepontok lágy sugárzási koponensek kiszűrése Vastagbél felvétel negatív és pozitív kontrasztanyag használatával Ablakozás Lágy koponensek τ 3 λ Jól elnyelődnek! Szűrők: rtg cső sugárzásából a hosszú λ kopononsek kiszűrése Z! Al(13) τ Z 3 A rtg-csőből széles hulláhossztartoányú (fotonenergia-tartoányú) sugárzás lép ki
Rtg-diagnosztikai szepontok a sugárterhelés csökkentése, digitalizálás Rtg-diagnosztikai szepontok a sugárterhelés csökkentése, digitalizálás Rtg-kép erősítő -optikai kép, de kicsinyített -sugárterhelés csökken C-karos készülék rtg.-kép erősítővel Lézer-szkenner Új luineszkáló anyagok fejlesztése Rtg-diagnosztikai szepontok a digitalizálás jelentősége: DSA Rtg-diagnosztikai szepontok az átvilágításban szuációs kép keletkezik DSA: Digital Subtraction Angiography Menete: 1. Hagyoányos rtg felvétel -> digitalizálás, tárolás 2. Kontrasztanyag beadása (beteg ne ozdul) 3. Második felvétel kontrasztanyaggal -> digitalizálás, tárolás 4. Pixelenként a két kép különbsége -> egjelenítés J = lg J D 0 Megoldás: egy testszelet többirányú átvilágítása inden képele több kobinációban Röntgen- CT (gyakorlaton)
Röntgen-CT Mérési adatgyűjtés: -jól definiált sok irány entén, egy síkban G.H.Hounsfield A.M.Corack Nobel díj 1979 Eddig hangzott el + röntgenkrisztallográfia röviden Nagy sugárterhelés ~ 500x hagyoányos -inden képele legalább két független irány entén -kiértékelés: száítással μ i képeleenként vizualizálás Röntgen-CT Röntgen-CT CAT-SCAN --- a készülék Testtengelyre erőleges etszeti képek: μ-eloszlások CAT-SCAN 3D adathalaz Axiális etszetek
Röntgen-CT legodernebb adatgyűjtés: SRIRÁL-CT Röntgen-CT Hounsfield-skála - ablakozás HU μ μ = μ víz víz 1000 Töör csont 250-1000 Szivacsos csont 130-100 Máj 65 Izo 45 Vese 30 Koagulált vér 80 Vér 55 Plaza 27 Zsírszövet -65 Tüdő -500, -800 Ablakozás: egy adott tartoány széthúzása a teljes szürke-skálán A röntgensugárzás alkalazásai a szerkezetkutatásban A röntgensugárzás alkalazásai a szerkezetkutatásban Biológiai akroolekulák szerkezete A biológiai akroolekulák atoi felbontású szerkezetének eghatározása a röntgensugárzás diffrakcióján alapul. Fehérje d ~ 4-6 n elsődleges kötések d~0.153 n Szerkezeti paraéterek: d ~ 0.1 néhány n H-hidak Van der Waals kölcsönhatások d~ 0. 3 n Diffrakció és interferencia - az erősítés feltétele: Δ = d sinα = k λ d λ d λ 2 A tárgy periodikusan isétlődő részletének jellező érete, ai diffrakciót okoz Makroolekula kristályos állapotban: periodikusan isétlődő szerkezeti paraéterek d ~ atoi kötéstávolságok d ~ 150 p λ röntgentartoányú
A röntgensugárzás alkalazásai a szerkezetkutatásban Röntgenkrisztallográfia Röntgenkrisztallográfia alapja: diffrakciós kép létrehozása akroolekula-kristályokon kiértékelés elektronsűrűség-eloszlások atoi részletességű olekulaszerkezet Reflexióban A diffrakció felhasználása: onokroatikus nyalábok előállítása spektroszkópiai célokra Egykristály forgatva Mikroskristályos porinta Lizozi enzi kristály diffrakciós képe Bragg-egyenletek Laue-egyenletek Nagyobb részletek kis szögeknél kis-szögű röntgen-szórás Nagyenergiájú röntgensugárzás terápiás célokra részecskegyorsítókkal Lineáris részecskegyorsító (elektron, proton, deuteron) Röntgensugárzás keletkezik, ha nagy sebességű, elektroosan töltött részecskék nagy rendszáú anyagban lefékeződnek. Nagyobb kinetikus energia nagyobb eittált rtg foton-energia Részecskegyorsítás lineáris pályán terápiás rtg sugárzás körkörös pályán ~ 1 MeV ciklotron (l. agsugárzások) Gyorsítás az elektródák közötti réseken Egyre hosszabb hengeres elektródák AC feszültség félperiodusonkénti gyorsítás
Megjegyzések gaa-sugárzásról fotonenergia ~ MeV elnyelési valószínűség: << rtg. sug. - 1 Mev körül iniua lehet A fény és a rtg. sugárzás hatásainak értelezésénél ind a hullá- ind a fotonleírást használjuk Kettős terészet - hullá Huygens elv, diffrakció, interferencia -részecske: foton (energia-kvantu) energiaátadás anyagoknak kvantált energiaadagokban, kölcsönhatásokban partnere az elektron Röntgen sugárzás Autóvezető szuációs röntgenképe Vége Köszönö a figyelet