A röntgensugár és anyag kölcsönhatása
A RadiWiki wikiből
Tartalomjegyzék |
BEVEZETŐ
Ha a röntgensugár anyagon halad át, intenzitása folyamatosan gyengül, mely folyamatot gyengítésnek, attenuációnak is hívnak. A gyengítés során a sugárnyalábban csökken a röntgen fotonok száma, ezáltal a sugárzás intenzitása is folyamatosan csökken (4l. ábra). A gyengítés tehát a röntgen fotonok és az anyag kölcsönhatásából ered. Bizonyos fotonok az anyagon kölcsönhatás nélkül áthaladhatnak, a kölcsönhatásba lépő fotonok ugyanakkor a foton energiájától függően a teljes atommal, héj-elektronnal vagy az atommaggal léphetnek kölcsönhatásba. Az alacsonyabb energiájú fotonok általában a teljes atommal, közepes energiájú fotonok a héj-elektronnal, míg a nagyenergiájú fotonok (amilyeneket a sugárterápiánál alkalmazunk) az atommaggal lépnek kölcsönhatásba. A diagnosztikai fotonenergia tartományban a legáltalánosabb a héj-elektronokkal történő interakció. Ahhoz, hogy a röntgensugár és annak kölcsönhatását jól értsük, idézzük fel az atom szerkezetét.
Az atom pozitív töltésű atommagja protonokból és neutronokból áll. A negatív töltésű elektronok az atommag körüli elektronhéjakon helyezkednek el. Az elektront az adott elektronhéjról a kötési energia legyőzésével távolíthatjuk el. A legnagyobb kötési energiával a K-héjon elhelyezkedő elektronok rendelkeznek, és ahogy a külső elektronhéjak felé haladunk, ez az energia egyre csökken. A kötési energia nemcsak az elektronhéjra, hanem az atom fajtájára is jellemző. A K-héjon elhelyezkedő elektronok nagyobb kötési energiával rendelkeznek a nagy rendszámú atomokban, így például a wolframban (Z = 74) ez az érték 70 keV, míg kalciumban (Z = 20) a K héj-elektronok kötési energiája kb. 4 keV. Az emberi testben a lágyrészeket felépítő atomok K héj-energiája átlagosan csupán 0,5 keV. A fentiek alapján egyértelmű, hogy a nagyobb rendszámú atomokban a K héj-elektronok eltávolításához nagyobb energia szükséges. A röntgensugárzás és az anyag kölcsönhatása tehát a röntgen fotonok energiájától függ, de alapvetően a következő kölcsönhatásokat kell ismernünk:
1. fotoelektromos abszorpció,
2. koherens szóródás,
3. Compton szóródás,
4. párkeltés,
5. fotodezintegráció.
A fenti kölcsönhatások során tehát két jellemző folyamat zajlik: az abszorpció és a szóródás. Az abszorpció során a röntgen foton az adott kölcsönhatásba a teljes energiáját átadja az anyagnak és elnyelődik. A szóródás részleges energiaátadást jelent, mely során a röntgen foton haladási iránya megváltozik. Ez esetben a szóródott foton alacsonyabb energiával ugyan, de folytatja útját amíg újabb kölcsönhatásba nem lép. Egy foton több kölcsönhatási folyamatban is részt vehet, mielőtt teljesen elnyelődik. A különböző kölcsönhatások valószínűsége azonban nemcsak a foton energiától, hanem az anyagot felépítő atomok rendszámától is függ. Bizonyos interakciók csak nagyon nagy energiájú fotonoknál jönnek létre (pl. párkeltés és fotodezintegráció), míg az alacsonyabb energiájú fotonoknál koherens szóródás a legvalószínűbb kölcsönhatási forma.
Fotoelektromos abszorpció (fotoeffektus)
Fotoelektromos abszorpció akkor jön létre, ha a röntgen foton egy belső héj-elektronnal találkozik. Ez a kölcsönhatás akkor a legvalószínűbb, ha a beeső röntgen foton energiája egy kevéssel nagyobb a belső héj (K vagy L) elektron kötési energiájánál. Ez esetben a beeső foton az elektront kilöki az elektronhéjról és a foton energiáját teljes mértékben kilökött elektron kapja, azaz a röntgen foton elnyelődik (42. ábra). E folyamat eredménye egy ionizált atom, valamint az ionizáció során kilökött elektron lesz, mely elektront fotoelektronnak hívunk.
A fotoelektron kinetikus energiával rendelkezik, mely energia a beeső röntgen foton és a belső héj-elektron kötési energiájának különbsége:
Ef = Ehe + Eke ahol: Ef = beeső foton energiája, Ehe = belső héj-elektron kötési energiája, Eke = fotoelektron kinetikus energiája.
A fenti képletből is következik, hogy a beeső röntgen foton energiája nagyobb kell hogy legyen, mint a kötési energia. Mivel az emberi testben a legtöbb atom kis rendszámú, a K-héj elektronok kötési energiája alacsony, például a szén esetében ez 0,28, az oxigén esetén 0,53 keV. A diagnosztikai képalkotás szempontjából fontos atomok K-héj energiáit az 3. táblázatban soroltuk fel. Az emberi testben létrejött fotoelektromos kölcsönhatások során a fotonenergia egy része a fotoelektron kinetikus energiájává alakul. A fotoelektron azonban nem jut túl messze, lágyrészekben általában 1-2 mm-en belül elnyelődik. A viszonylag közeli elnyelődés ellenére a röntgensugárzás okozta biológiai hatásokért ez a folyamat felelős.
3. táblázat
Atom Rendszám K-héj kötési energia (KeV) Hidrogén 1 0,016 Szén 6 0,284 Oxigén 8 0,53 Alumínium 13 1,56 Kalcium 20 4,04 Molibdén 42 20,0 Jód 53 33,2 Bárium 56 37,4 Wolfram 74 69,5 Ólom 82 88,0
Fotoelektromos abszorpció során egy ionizált atom jön létre, és a belső elektron héjon kialakult lyukat a következő külső héjakról származó (L, M) vagy egy szabad elektron tölti be. Az esetek döntő többségében a külső héjról beugró elektron tölti be a lyukat, melynek következtében energia szabadul fel egy foton kibocsátásával, melyet karakterisztikus fotonnak vagy másodlagos sugárzásnak hívunk (43. ábra). Ez a másodlagos sugárzás tehát ugyanúgy keletkezik, mint a röntgensugárzás során a karakterisztikus sugárzás (elsődleges sugárzás). A fotoelektromos abszorpció során is kialakulhat a karakterisztikus kaszkád, de az ebben a folyamatban jelentkező fotonok energiája lényegesen alacsonyabb lesz, mint az anódban létrejövő karakterisztikus kaszkád esetén.
Ugyanakkor a kontrasztanyagként használt jód és bárium atomokban a másodlagos sugárzás energiája lényegesen magasabb lesz.
Összefoglalva: a fotoelektromos kölcsönhatást három alapvető szabály határozza meg:
1. a beeső röntgen foton energiája nagyobb kell, hogy legyen mint a belső héj elektron kötési energiája, pl.: egy 30 keV-os foton nem tudja a jód (33,2 keV) vagy a bárium (37,4 keV) K-héj elektronját elmozdítani.
2. A fotoelektromos kölcsönhatás annál valószínűbb, minél közelebb van egymáshoz a beeső röntgen foton és a belső héj elektron kötési energiája. Ez azt jelenti, hogy egy 40 keV-os foton nagyobb valószínűséggel lép fotoelektromos kölcsönhatásba a jód vagy bárium atommal, mint egy 100 keV-os foton. Ahogy a foton energia nő, a fotoelektromos kölcsönhatás valószínűsége jelentősen csökken. A foton energia és a kölcsönhatás valószínűsége fordítottan arányos a foton energiájának 3. hatványával (fotoelektromos hatás ~ 1/E3). A fotonenergia növelésével tehát a fotoelektromos kölcsönhatás esélye egyre kisebb, míg 50 kVp esetén a röntgen fotonok kölcsönhatása kb. 50%-ban a fotoelektromos abszorpció, addig 130 kVp esetén már csak 25%.
3. A fotoelektromos kölcsönhatás nagyobb kötési energia esetén gyakoribb. Az atomban nagyobb kötési energiát nagyobb rendszámú elemekben találunk és az elektron az atommaghoz minél közelebbi pályán helyezkedik el, annál nagyobb a kötési energiája. Alacsony rendszámú elemekben tehát a fotoeffektus csak a K-héj elektronokkal jön létre, de nagyobb rendszámú elemekben az L és M-héjak elektronjaival is lehetséges. A nagy rendszámú elemekben a röntgenfoton energiája gyakran nem is elegendő a K-héj elektronnal való interakcióra. A fotoelektromos kölcsönhatás valószínűsége az atomszámmal egyenesen arányos, méghozzá annak 3. hatványával (fotoelektromos hatás valószínűsége ~ Z3). Az emberi szervezetben a csontok effektív rendszáma nagyobb, mint a lágyrészeké, ezért a fotoelektromos kölcsönhatás nagyobb valószínűséggel fordul elő a csontokban. Ez az oka annak, hogy a radiográfia különösen alkalmas csontos struktúrák leképezésére.
Koherens szóródás
Alacsony energiájú röntgenfotonok és az anyag kölcsönhatásból jön létre a koherens szóródás, melyet neveznek még klasszikus szóródásnak is. Valójában a koherens szóródásnak két típusát különböztetjük meg, Thomson és a Rayleigh szóródást. A Thomson szóródás az atom egyetlen elektronjával, míg a Rayleigh szóródás az atom összes elektronjával való kölcsönhatást jelenti, de a kölcsönhatás jellege mindkét esetben azonos. Amikor egy alacsony energiájú röntgenfoton – 10 keV-nál kisebb – az elektron(ok)-kal kölcsönhatásba lép, az elektron a beeső foton frekvenciájával rezgésbe kezdhet. A rezgő vagy gerjesztett atomból a gerjesztő energia szinte azonnal felszabadul, melynek következtében az elsődleges fotonokkal megegyező energiájú és hullámhosszú másodlagos fotonok keletkeznek, melyek haladási iránya azonban eltér az elsődleges foton haladási irányától. Mivel ebben a kölcsönhatásban energiaátadás nem történik, az atom nem ionizálódik ebben a folyamatban. A koherens szóródás leginkább alacsony fotonenergia tartományban jön létre, mely tartomány általában a diagnosztikus fotonenergia tartományon kívül esik.
Compton-szóródás
Compton-szóródás akkor jön létre, ha a beeső röntgenfoton egy gyengébben kötött külső héj-elektronnal lép kölcsönhatásba: a külső héjról a foton eltávolítja az elektront, és egy megváltozott haladási irányú és energiájú szórt röntgenfoton jön létre (44. ábra). Ezt a kölcsönhatást leírójáról, a Nobel díjas amerikai fizikusról, Arthur H. Comptonról (1892-1962) nevezték el. A beeső foton energiájának egy része a külső héjelektron eltávolítására fordítódik, valamint az eltávolított elektron kinetikus energiát is nyer. Ezt a kilökött elektront Compton (ütközési)-elektronnak hívjuk. A fotont, mely az ütközés után eltérítve továbbhalad, Compton-fotonnak hívják. A Compton-foton energiája értelemszerűen kisebb, mint a beeső fotoné, ezért kisebb frekvenciával és hosszabb hullámhosszal rendelkezik. A Compton kölcsönhatás energia kicserélődése matematikailag is leírható, azaz: Ef = Ecf + Ehe+Eke ahol: Ef = beeső foton energiája, Ecf = Compton-foton energiája, Ehe = külső héj-elektron kötési energiája, Eke = fotoelektron kinetikus energiája.
A beeső foton energiája tehát megoszlik a kilökött elektron és a szórt foton között. A szórt foton ugyanakkor megtartja a beeső fotonenergia nagy részét, mivel a külső héjelektron eltávolításához az alacsony kötési energia miatt nincs szükség nagy energiaátadásra. A szórt foton további atomokkal kerül kölcsönhatásba, míg a foton a fotoelektromos kölcsönhatás révén abszorbeálódik. A kilökött (ütközési) elektron mindaddig szabadon mozog, amíg nem talál egy „lyukat”, mely egy másik ionizáló kölcsönhatás miatt alakult ki. A szórt Compton-foton energiája függ: 1. a beeső foton energiájától, 2. a szóródás szögétől (45. ábra). Minél nagyobb a beeső foton energiája, annál nagyobb lesz a szórt foton energiája is.
A szórt foton bármilyen szögben szóródhat az elektronnal való kölcsönhatásban csakúgy, mint egy biliárdgolyó, amikor egy másikkal ütközik. Ha az eltérítés szöge 0, ezesetben nincs energiaátadás és a beeső foton az eredeti irányában folytatja útját. Ha az eltérítés szöge 180o, akkor a legnagyobb az energiaátadás és a szórt foton ez esetben fog a legkisebb energiával bírni. A 180º-os szóródás esetén a szórt foton a beeső fotonnal pontosan ellenkezőleg halad és ezek a fotonok alkotják az úgynevezett visszavert sugárzást. A legtöbb foton azonban inkább előrefele szóródik, különösen akkor, ha nagy a beeső foton energiája.
Az 45. ábrán a legbelső gyűrű reprezentálja a legnagyobb energiaszintet és ezesetben a szórt fotonok minden esetben a beeső fotonnal azonos irányba szóródnak. A harmadik belső gyűrű reprezentál egy tipikus diagnosztikus 50 keV-os fotonenergiát. Ezesetben a fotonok kis része visszaverődik, de a nagy többség szintén előrefele szóródik a képalkotást lehetővé tévő receptor (pl. film) irányába. Ez az oka annak, hogy a Compton-szóródás jelentős hatással van a képminőségre.
A szórt Compton-fotonok megfelelően nagy energiával rendelkeznek ahhoz, hogy sugárveszélyt és képminőség romlást okozzanak. A szórt sugárzás, mely a vizsgált páciensben keletkezik, az elsődleges oka a vizsgáló személyzetet érő fokozott sugárterhelésnek, melyet kiküszöbölendő kell védekezni védőfelszereléssel, úgy mint ólomkötény, kesztyű, szemüveg stb. használatával. A szóródás nem-kívánatos denzitásfokozást okoz a filmen, melyet „sugárzási köd”-nek (homálynak) is neveznek. Mivel a szórt sugárzás minden irányból érkezik, a filmbe csapódó fotonok a páciens anatómiájával nem összefüggő denzitáserősödést hozhatnak létre. A szórt sugárzás kiküszöbölésére, illetve a képminőség javítása érdekében úgynevezett rácsokat alkalmazunk.
Párképződés
A párképződés során a röntgen foton energiája anyaggá alakul két elektron formájában. Ehhez a kölcsönhatáshoz nagyon nagy energiájú röntgen fotonokra van szükség, melyek energiája legalább 1,02 MeV. Ennek oka, hogy az elektron tömege 0,51 MeV-vel ekvivalens. A párképződés során a nagyenergiájú beeső foton az atommag erőteréhez igen közel kerül, melynek következtében teljes energiáját elveszíti. Az energia elvesztésével egy pár elektron keletkezik, egy negatív töltésű (negatron) és egy pozitív töltésű (pozitron). Mivel a negatív elektron a természetben is előforduló forma, ezért ez gyorsan abszorbeálódik valamely szomszédos atom által. A pozitron különleges konfigurációja miatt rendkívül instabil. Ennek következtében szinte azonnal egyesül egy elektronnal, melynek következtében a két korpuszkulum eltűnik, megsemmisül és két egymással ellenkező irányban mozgó, de azonos energiájú (0,51 MeV) foton keletkezik. Ezt a folyamatot megsemmisülési reakciónak (annihiláció) is nevezik, mivel az anyag energiává alakul (46. ábra). Bár a párképződés minimum 1,02 MeV beeső fotonenergiát követel, számottevő mértékben 10 MeV alatt nem igen fordul elő. Ebből következik, hogy a diagnosztikai képalkotásban nincs jelentősége.
Fotodezintegráció
A fotodezintegráció rendkívül nagyenergiájú (10 MeV fölötti) fotonok és az atommag kölcsönhatásából származik. A kölcsönhatás során a nagyenergiájú foton az atommagba ütközik és a foton teljes energiáját az atommag abszorbeálja, melynek következtében az gerjesztett állapotba kerül. A gerjesztett atommagból bizonyos alkotórészek emittálódnak.
A technikai beállítások hatása
A fent tárgyalt röntgensugár-anyag kölcsönhatásokból igazából kettőnek van szerepe a diagnosztikai képalkotás szempontjából. Ez a kettő a fotoelektromos abszorpció és a Compton-szóródás, melyet a vizsgálati beállításokkal módosítani lehet, ezért ezeket a diagnosztikai képalkotó szakembernek mérlegelni kell. Nem szabad elfelejteni, hogy a diagnosztikai képalkotás során a röntgensugár nagy része elnyelődik és a fotonok csupán kis százaléka vesz részt röntgenkép keletkezésében. 10 cm lágyrész esetén 50 kV csőfeszültséget alkalmazva a röntgenfotonok 99,27%-a elnyelődik és csupán az elsődleges sugárnyaláb 0,73%-a halad át a szöveten és érkezik a receptorfelülethez.
130 kV csőfeszültséget alkalmazva ugyanezen a 10 cm vastag lágyrész esetén az elsődleges sugár 94,4%-a nyelődik el és 5,6% halad át a szöveten. Nyilvánvaló, hogy ha a kimenő dózis szintjét fenn akarjuk tartani, akkor a csőfeszültség emelése esetén a mAs értéket, azaz a fotonszámot csökkenteni kell.
Ha tehát a csőfeszültséget növeljük, a kölcsönhatás nélkül áthaladó fotonok száma nőni fog. Ez azt jelenti, hogy a csőfeszültség emelésével a fotoelektromos és Compton-kölcsönhatások valószínűsége is csökken. Ugyanakkor a csőfeszültség növelése a Compton- és fotoelektromos kölcsönhatások arányát is befolyásolják: a fotoelektromos kölcsönhatás aránya csökken, a Compton-szóródás aránya pedig növekszik. Következésképpen, ha a kVp-t emeljük, nőni fog a szóródás és csökkenni a fotonok abszorpciója. Például egy 5 cm vastag lágyrész vizsgálata esetén 50 kV-nál 91,45% elnyelődik és 8,55% halad át. 130 kV esetén ez az arány 76,34% és 23,66%. Az 50 kV-nál az elnyelődött 91,45% fotonból 50,45% vesz részt fotoelektromos kölcsönhatásban, 49,55% pedig Compton-szóródásban. A 130 kV csőfeszültségnél a sugárzás elnyelődése jelentősen csökken és ezesetben a domináns kölcsönhatás a Compton-szóródás (75,22%), nem pedig a fotoelektro-mos abszorpció (24,78%).
Az emberi testben jónéhány diagnosztikai röntgenvizsgálat alkalmával a Compton-szóródás a jellemző kölcsönhatási forma (47. ábra). A lágyrészekben a kétféle kölcsönhatás, azaz a fotoelektromos abszorpció és a Compton-szóródás, 30 keV-os fotonenergia esetén 50-50%-ban van jelen. Magasabb fotonenergiáknál tehát a Compton-szóródás lesz a domináns kölcsönhatási forma, márpedig a diagnosztikai képalkotásban a vizsgálatok jelentős része történik a fentinél magasabb fotonenergia tartományban (ne felejtsük el, hogy itt az átlagos fotonenergiára kell gondolnunk, mely a keménysugár technikában, valamint a CT vizsgálatoknál bizonyosan magasabb, mint 30 keV.
Fotoelektromos abszorpció két esetben dominál: 1. alacsony fotonenergia tartományban (40-70 kVp esetén), 2. ha nagyobb rendszámú elemek vannak jelen, úgymint jód és báriumtartalmú kontrasztanyagok formájában. A jód és bárium azért jó kontrasztanyag, mert sokkal nagyobb arányban abszorbeálja a fotonokat a fotoeffektus révén. A kontrasztanyagok és lágyrészek abszorpciós tulajdonságainak eltérése az oka annak, hogy a röntgenképen eltérő módon ábrázolódnak. A 48. ábra a fotoelektromos abszorpció és Compton-szóródás arányát demonstrálja különböző szövetekben a fotonenergia függvényében. A diagnosztikai tartományban a fotoelektromos abszorpció mind csont, mind lágyrészek esetén az alacsony fotonenergiákra jellemző, majd a fotonenergia növekedésével már a Compton-szóródás dominál. A nagy rendszámú anyagokra, úgymint jód, bárium, ólom, a diagnosztikus fotonenergia tartományban kizárólag fotoelektromos abszorpció a jellemző kölcsönhatási forma (47. ábra). Ez az oka annak, hogy a jód és bárium vegyületeket kontrasztanyagként tudjuk használni és az ólmot pedig sugárvédelemre.
Amennyiben a fotoelektromos kölcsönhatás dominál, a keletkező röntgenképre magas kontraszt lesz jellemző. A magas kontrasztú képeken a kevés szürkeárnyalat mellett a denzitások nagymértékben eltérnek egymástól. A magas kontrasztot a beeső fotonok teljes abszorpciója okozza, és a szóródásból származó sugárzási homály (köd) sem zavar. Ilyen magas kontrasztú képeket alacsony kVp/magas mAs beállításokkal, valamint kontrasztanyagok alkalmazásával érhetünk el. Nem szabad elfelejtenünk, hogy a fotoelektromos kölcsönhatás arányának emelkedésével a fotonabszorpció, így a vizsgált személy sugárterhelése is növekszik. Következésképpen magas kontrasztú felvételek nagyobb dózist jelentenek.
Ha a Compton-szóródás érvényesül jobban, a keletkező röntgenképek alacsony kontrasztúak lesznek. Alacsony kontrasztú képeken a jelenlévő denzitások között kisebb különbség lesz, mely nagyobb számú szürkeárnyalatot jelent. Alacsony kontrasztú képeket magas kVp/alacsony mAs beállításokkal kaphatunk, mivel Compton-kölcsönhatás magasabb csőfeszültségértéknél dominál. Az alacsony kontrasztú, illetve magas kVp/alacsony mAs beállításokkal készült felvételek egyben kisebb sugárterhelést jelentenek a vizsgált személy számára.
vissza a tartalomhoz: KÉPALKOTÁS ESZKÖZEI - avagy az orvosi képalkotás fizikája
