Talián Csaba GáborPTE ÁOK, Biofiz ikai Intézet ,

2011.09.27.

A RÖNTGENSUGÁRZÁS

� Elektromágneses sugárzás, jellemzően� λ = 10-11 - 10-8 nm

� E = 120 eV - 120 keV

� ν = 3x1016 – 3x1019 Hz

� Terápiás célokra nagyobb energiájú sugárzást is előáll ítanak, ez átfed a gamma-sugárzási tar tománnyal

A RÖNTGENSUGÁRZÁS

� 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) sugárzásábahelyezett 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 azelsötétített 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)� CaWO4 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), Will iam Henry Bragg (1862-1942, GBR, Nobel-díj , 1915),Will iam Laurence Bragg (1890-1971, GBR, Nobel-díj , 1915)röntgenkrisztallográfia

TÖRTÉNET

� 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)

� Expozíció, besugárzási dózis� 1 kg anyagban 1-1 coulomb töltés keltéséhez szükséges sugárzás; C/kg

� 1cm3 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)

� Egyenértékdózis� Az egyes sugárzásfajtákra súlyozott dózis (röntgen súlyfaktora = 1);

sievert (sv; J/kg)

� Hatásos dózis� Az egyes szövetekre (eltérő érzékenységük szerint) súlyozott egyenértékdózis; sievert

SUGÁRZÁSI EGYSÉGEK

� A röntgenspektrum

kétféle független mechanizmus → összetett spektrum

vonalas és folytonos is

A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE

λmin

� Karakterisztikus röntgensugárzás (röntgenf luoreszcencia)

A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE

ΔE = E1 – E2 - E3

� 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)

A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE

���� �� ∙

∙ �

h = Planck-állandóc = fénysebessége = elemi töltés

Wil l iam Duane (1872-1935, USA)

�� � � ∙ � �ó� � � ∙ �� � �� ∙

����

� Minél közelebb kerül az elektron a maghoz, annál jobban lassul

� A maghoz közelebbi állapotok valószínűsége kisebb

� Nagyobb rendszám nagyobb fékezést jelent

A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE

� � ����� ∙ � ∙ ����� � ��

Hendrik Kramers(1894-1952, NED)

� A gyorsítófeszültséggel arányos az Ekin, íg y a kisugárzott tel jes ítmény:

ö""#$" � ����� ∙ � ∙ %�&ó'( ∙ ) (

� A becsapódó elektronok számával arányos a kisugárzott tel jes ítmény:

ö""#$" � *+,- ∙ %�&ó'( ∙ � ∙ ��&ó'

*+,- � 1,1 ∙ 1012314

5 � *+,- ∙ %�&ó' ∙ �

A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE

� A röntgensugárzás fő karakterisztikus csúcsainak frekvenciája arányos azelem rendszámával (1913)

� Első összefüggés az atomszám és egymérhető fizikai mennyiség között

� Jelentős kísérletes támogatást nyújtott a Bohr-atommodell számára

� � 6 ∙ 7 � 8 ∙ �� � 9�( ∙ �1

�4( �

1

�((�

A = 2,19·10 -18 J σ= K-héj: 1 L-héj: ~8

� Henry Moseley (1887-1915, GBR)

A RÖNTGENSUGÁRZÁS KELETKEZÉSE

�

Crookes-cső

„hideg”, kisnyomású gáz

Coolidge-cső

„meleg”, vákuum

A RÖNTGENSUGÁRZÁS ELŐÁLLÍTÁSA

Nagyfeszültségű vákuum kisülési csövek

Will iam Crookes (1832-1919, GBR) Will iam Coolidge (1873-1975, USA)

� η ≈ 1,1·10 -9 ·Z·U (%)

pl. wolfram (Z = 74) és 100kV esetén kb. 0,8%; 2MeV esetén is a l ig 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

� Lágy 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 ELŐÁLLÍTÁSA

� Sötéthez adaptált szem – kékesszürke derengés

� Képreceptorok: fotolemez, fotofilm, ritkaföldfém képernyő

� Geiger-Müller cső

� Szcintil lációs 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 képfeldolgozás, digitalizáció

� Röntgenkép erősítő (1948-)� Gyenge röntgenintenzitás átalakítása látható fénnyé

� ~105 erősítés; összekapcsolás video vagy CCD kamerával, mozgóképek

� 10-20% dózis, jobb kontraszt, de: kisebb kép, csökkent térbeli felbontás

A RÖNTGENSUGÁRZÁS DETEKTÁLÁSA

� A ter jedési irányban egymás mögött elhelyezkedő elemek abszorpciójának összeadódása révén

� 2D szummációs leképezés

� nem tar talmaz mélységi információt

� A nagyobb kontrasztú elem kitakar ja a kisebbet

� A szóródó röntgensugárzás is exponálja aképet (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 feketít i 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 ürülés

� A test megfelelő részébe evéssel, beöntéssel, intravénás injekcióval juttathatók

RÖNTGEN KÉPALKOTÁS

� Digitális szubsztrakciós angiográfia (DSA) – erek, húgyutak

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 terület

� Erősítés

� Minimális ismétlésszám

� Alkalmazottak sugárterhelésénekfolyamatos ellenőrzése

RÖNTGEN KÉPALKOTÁS

� Radiográfia 2010: 5 mill iárd 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-f luoreszcencia

� Ipari radiográfia (fémek anyaghibái), röntgenhegesztés

� Műtárgyak, festmények eredetiségvizsgálata

� Repülőtéri csomagvizsgálók, határállomásokon kamionscanner

� Művészi röntgenfotográfia

ALKALMAZÁSOK