Sugárzás penetráció
A RadiWiki wikiből
A röntgen- és gammasugárzás egyik legfontosabb tulajdonsága, mely ezeket felhasználhatóvá teszi az orvosi képalkotásban, az emberi testen való áthatoló képességük (penetrációjuk). Ahogy a röntgensugárzás egy tárgyon áthalad, a sugárzást alkotó fotonok egy része elnyelődik (abszorbeálódik) vagy szóródik, de bizonyos fotonok teljes mértékben áthatolnak a tárgyon. A penetráció definiálható úgy, mint a sugárzás azon része, mely az adott tárgyon áthalad, azaz a penetráció a gyengítés inverze (fordítottja). A penetráció mennyisége függ a sugárzást felépítő fotonok energiájától, illetve a fotonok egyedi energiájától és a tárgy sűrűségétől, vastagságától, valamint a tárgyat felépítő atomok rendszámától (67. ábra).
A foton-anyag kölcsönhatás valószínűsége, különösen fotoelektromos hatásnál, a fotonenergiától függ. Ha nő a fotonenergia, akkor általánosságban csökken a foton-anyag kölcsönhatás (attenuáció) valószínűsége, következésképpen nő a penetrációja. Általánosságban azt mondhatjuk, hogy a nagyenergiájú fotonok nagyobb áthatoló képességgel rendelkeznek, mint az alacsony energiájú fotonok, bár vannak bizonyos kivételek.
Tartalomjegyzék |
HATÓTÁVOLSÁG
A sugárzás penetrációjának jellemzése szempontjából az egyik legfontosabb jellemző a hatótávolság, mely azt a távolságot jelenti, amit egy egyedi foton abszorpciója vagy szóródása előtt az adott szövetben megtesz. Amikor egy foton belép egy szövetbe (tárgyba), akkor egy bizonyos távolságot megtesz, mielőtt az anyaggal kölcsönhatásba lépne. Ezt a távolságot tekinthetjük az egyedi foton hatótávolságának.
A sugárzás egyik jellemzője, hogy a sugárzást felépítő fotonok hatótávolsága nem egyforma, még akkor sem, ha ezek a fotonok azonos energiával rendelkeznek. Valójában egy adott foton hatótávolságát megjósolni lehetetlen.
Vegyünk egy példát, ahol az azonos energiájú fotonok egy csoportja belép egy tárgyba (68. ábra). Bizonyos fotonok viszonylag rövid utat tesznek meg, mielőtt kölcsönhatásba lépnének, más fotonok viszont áthatolnak a tárgyon. Ha megszámolnánk a penetráló fotonokat a tárgy minden egyes rétegében, akkor a foton penetráció egyik alapvető tulajdonságát sikerülne leírni: egy adott pontot elérő fotonok száma és az ehhez a ponthoz tartozó anyag vastagságának összefüggése egymással exponenciális. Az exponenciális összefüggés természetéből fakadóan minden egyes réteghez azonos arányú foton gyengítés tartozik. Ez azt jelenti, hogy az első rétegben sokkal több foton attenuálódik, mint a következő rétegekben.
Egy adott szituációban a sugárzást felépítő fotonoknak, bár különböző az egyedi hatótávolságuk, jellemezhetők egy átlagos hatótávolsággal. Az átlagos hatótávolság azt az átlagos távolságot jelenti, míg a fotonok nem lépnek kölcsönhatásba az anyaggal. A fotonok átlagos hatótávolsága fordítottan arányos az attenuációval. Ha nő az attenuáció, például a fotonenergia megváltozása miatt, akkor csökkenni fog a fotonok átlagos hatótávolsága. Tulajdonképpen az átlagos fotonenergia a gyengítési együttható reciprokával egyenlő: átlagos hatótávolság (cm) = 1/gyengítési együttható (cm-1)
Ebből következik, hogy a fotonok átlagos hatótávolságát ugyanazok a tényezők határozzák meg, mint az attenuációét, azaz a fotonenergia, a penetrálandó anyagot felépítő atomok rendszáma és az anyag denzitása. Az átlagos hatótávolság a sugárzás penetrációs tulajdonságát jól szemlélteti, ugyanakkor a sugárzás penetrációjának jellemzésére nem túl praktikus.
FELEZÉSI RÉTEGVASTAGSÁG (FRV)
Mind a sugárzás penetrációs képességének, mind pedig egy adott anyag jellemzésére a felezési rétegvastagság a leggyakrabban használt fogalom, illetve fizikai jellemző. A felezési rétegvastagság az anyagnak azon vastagsága, amelynél a sugárzás intenzitása felére csökken, mértékegysége pedig az anyag vastagságának jellemzésére használt távolság (mm vagy cm).
Ha növekszik a sugárzás penetrációs képessége, akkor nő a felezőréteg vastagság is. A felezőréteg vastagság összefügg, de nem azonos az átlagos hatótávolsággal. A kettő közötti különbség a sugárzás gyengítésének és penetrációjának exponenciális tulajdonságában rejlik, úgy mint FRV = 0.693 • átlagos hatótávolság = 0.693/
A FRV tehát fordítottan arányos az attenuációs együtthatóval, a 0,693 pedig az az exponenciális érték, mely 50%-os penetrációt ad (e-0.693 = 0,5). Bármely tényező, amely az attenuációs együtthatót megváltoztatja, az FRV-t szintén befolyásolja. A 69. ábrán az attenuációs együttható és az FRV viszonyát mutatja alumínium esetén. Az alumíniumnak két fontos alkalmazása is van a röntgenkészülékekben, egyrészt a röntgensugárzás szűrésére használják, másrészt pedig a sugárzás penetrációs képességének mérésekor, mint referencia anyagot alkalmazzák. Az attenuációs együttható értéke gyorsan csökken a fotonenergia növekedésével, mely egyben a penetrációs képesség emelkedését is jelenti. A 70. ábrán a FRV és sugárzás penetráció egy fontos aspektusát demonstrálja. Ha a sugárzás penetrációja 1 FRV-nyi anyagon 0,5 (50%), akkor 2 FRV vastagságnál a penetráció 0,5 ∙ 0,5, azaz 25%. Minden további FRV vastagság további 0,5-es faktorral csökkenti a fotonok számát. A penetráció és az n felezési rétegvastagságú anyag közti összefüggés: P = (0,5)n
Nézzünk egy példát, mely a sugárzás penetrációját demonstrálja egy ólom védőfelszerelésen át. A 60 keV energiájú fotonok felezési rétegvastagsága ólomban 0,125 mm. Határozzuk meg, hogy milyen a sugárzás penetrációja 0,5 mm vastag ólom esetén. Az adott fotonenergiánál a 0.5 mm 4 FRV-nek felel meg, így a sugárzás penetrációja:
n = vastagság/FRV = 0,5/0,125 = 4 P = (0,5)4 = 0,0625
Ez tehát azt jelenti, hogy a belépő sugárzásnak alig több, mint 6%-a jut át a 05 mm vastag ólomrétegen. Az 71. ábra a felezési rétegvastagság két fontos tulajdonságát mutatja be. Egyrészt egy adott anyagban a felezési rétegvastagságot a fotonenergia befolyásolja, másrészt egy adott fotonenergia esetén a felezési rétegvastagság az adott anyag sűrűségével és/vagy atomi összetételével függ össze. Az FRV meghatározásának általános elvét a 72. ábra mutatja be, melyhez két eszköz szükséges: 1. a sugárzásexpozíciót mérő eszköz, 2. az alumíniumszűrők. Először egy kontrollmérést végzünk – természetesen az alumíniumszűrők nélkül. Ezután az alumíniumszűrőket egyenként a sugár útjába helyezzük, általában 0,5-1 mm lépésekben és az expozíció(ka)t újra megmérjük. A szűrőkkel készült expozíciós értéket elosztva a kontrollértékkel, megkapjuk az adott szűrőre jellemző penetrációt. A penetrációs értékeket ezután ábrázolni kell az alumíniumszűrők vastagságának függvényében és a 0,5 penetrációértéket adó vastagság fogja megadni a felezőréteg vastagságot. Ezt az értéket nevezik első felezőréteg vastagságnak is. A második FRV érték a 0,25 penetrációhoz szükséges alumíniumréteg vastagságot jelenti, melyhez általában az első FRV értéknél vastagabb alumíniumréteg szükséges. Ennek az az oka, hogy az első alumínium réteg(ek) szűrőként működik és ezáltal a penetráló sugárzás átlagos fotonenergiája valamelyest megnő.
A RÖNTGENSUGÁRZÁS MINŐSÉGE
A röntgensugárzás minőségén annak áthatoló képességét értjük. Ahogy azt korábban tárgyaltuk, egy adott anyag esetén a röntgensugárzás áthatoló képessége a fotonenergia függvénye. A fentiekben eddig egy adott fotonenergiát hoztunk példának, ugyanakkor a diagnosztikában használt röntgensugárzás nem egyetlen fotonenergiával jellemezhető, hanem egy energiaspektrummal jellemezhető. Ebben az esetben a sugárzás átlagos penetrációja a spektrumban lévő minimum és maximum fotonenergiák penetrációja között helyezkedik el. Ezt az átlagos penetrációt jellemző energiát a spektrum effektív energiájának hívjuk (73. ábra). Egy röntgenspektrum effektív energiája megfelel annak a monokromatikus (azonos energiájú) sugárzás fotonenergiájának, mely felezési rétegvastagsága megegyezik a spektrum felezési rétegvastagságával. Egy spektrum effektív energiája általában a maximális energia (kVp) 30-40%-a, de pontos értéke függ a spektrum alakjától is. Egy adott kVp esetén a spektrumot két tényező befolyásolhatja, egyrészt az alkalmazott filtráció (szűrés - lásd alább) és a feszültség hullámformája.
FILTRÁCIÓ (SZŰRÉS)
Mivel a röntgensugárzás különböző energiájú fotonokból épül fel, bizonyos fotonok könnyebben áthatolnak egy adott anyagon, mint mások. A fotonok ezen szelektív attenuációját – mely energiájuktól függ – filtrációnak nevezzük. A 74. ábra két különböző anyag, egy 1 cm vastag izom és egy 1 mm vastag alumíniumréteg penetrációját mutatja be. Az izom esetén a 10 keV-nél kisebb energiájú fotonok nem penetrálnak, az összes ilyen foton a szövetben elnyelődik.
Az alacsony energiájú fotonok kis penetrációját a magas attenuációs érték is jelzi. A magas attenuációs együttható érték a fotoelektromos kölcsönhatásra jellemző, melynek valószínűsége ebben az energiatartományban rendkívül nagy. A 10-25 keV tartományban a penetráció az energia függvényében gyorsan nő. 40 keV fölött a sugárzás penetrációja tovább nő, de sokkal lassabb mértékben emelkedik. A 20 keV alatti fotonok gyenge penetrációs képessége külön figyelmet érdemel. Ennél az energiánál az 1 cm szöveten át történő penetráció értéke 0,45, mely azt jelenti, hogy 15 cm vastag szöveten a sugárzás penetrációja: P = (0,45)15 = 0,0000063
Ugyanakkor egy 50 keV energiájú foton penetrációja az 1 cm vastag izomszöveten kb. 0,8, így a 15 cm vastag izmon: P = (0,8)15 = 0,035
Ez azt jelenti, hogy 50 keV energiájú fotonok egy része (3,5%) penetrál a 15 cm vastag lágyrészen, míg a 20 keV energiájú fotonok gyakorlatilag egyáltalán nem hatolnak át. Ebből következik, hogy az energiaspektrum alacsony tartományát reprezentáló fotonok nem vesznek részt a röntgenkép kialakításában, ugyanakkor növelik a páciens sugárterhelését. Az emberi szövetek tehát az alacsony energiájú fotonokat szelektív módon kiszűrik. Ennek a problémának egy egyszerű megoldása az lehet, ha a röntgensugár útjába egy olyan anyagot helyezünk, mely a betegbe való belépés előtt kiszűri a röntgensugárzásból az alacsony energiájú fotonokat. A diagnosztikai röntgenkészülékekben erre a célra alumíniumot használnak.
A 75. ábrán egy 1 mm vastag alumíniumon való sugárzáspenetráció látható. Jellemző, hogy a legtöbb röntgenkészülék több mm alumíniumnak megfelelő szűrőt tartalmaz. A szűrés nem mindig alumíniumszűrőkkel történik, mivel számos „tárgy” hozzájárul a kilépő röntgensugárzás szűréséhez: például a röntgencső ablaka, a kollimátor tükör, fluoroszkópiás készüléknél az asztallap, stb. Egy adott röntgenkészüléknél a szűrés teljes mennyiségét alumínium-vastagság ekvivalensben adják meg. A szűrés jelentősen befolyásolja a spektrum alakját (9. ábra). Mivel a szűrés szelektíven abszorbeálja az alacsony energiájú fotonokat, a röntgensugárzás effektív energiáját eltolja (jobbra tolja). Az ábrán összehasonlíthatjuk a filtráció nélküli, valamint 1 és 3 mm alumíniumszűrő esetén kapott spektrumokat. Látható, ahogyan a filtrációt emeljük, a röntgen fotonok száma jelentősen csökken. Ez a csökkenés ugyanakkor leginkább a 40 keV alatti fotonok mennyiségére igaz, melyek a röntgenkép keletkezése szempontjából alig kapnak szerepet, de a beteg sugárterhelését jelentősen növelnék. A filtráció tehát növeli a röntgensugárzás penetrációját (FRV) az alacsony energiájú fotonok szűrése, illetve eltávolítása révén. Az FRV értéket a szűrés megfelelőségének jellemzésére is használják. Az FRV érték a röntgenkészülék minőségi mutatója is egyben, melyet a minőségbiztosításban és a hatósági előírásokban is felhasználnak.
PENETRÁCIÓ ÉS SZÓRÓDÁS
Az eddigiekben olyan röntgen fotonok penetrációját vizsgáltuk, melyek nem kerültek az anyaggal sem fotoelektromos, sem Compton-kölcsönhatásba. Azokban az esetekben, ahol a Compton-szóródás nagymértékben jelen van, a leírt elvek kissé megváltoznak, mert az elsődleges sugárnyalábból Compton-szóródás által „eltávolított” fotonok előrefelé szóródnak, mely fokozott penetráció megjelenéséhez vezet. Egy ilyen esetet mutat be a 76. ábra, ahol egy vastag testrészen viszonylag jelentős Compton-szóródás következik be. Ha az előrefelé szóródott fotonok kombinálódnak az elsődleges sugárnyalábban penetráló fotonokkal, akkor az effektív penetráció (Pe): Pe = P • S,
mely összefüggésben S a szóródási faktort jelenti. A szóródási faktor értéke 1-6 tartományban változhat a különböző vizsgálatok során. S = 1 esetben nincs szóródás. Az előre szóródott sugárzás mennyiségének meghatározásában számos tényező szerepet játszik, melyek tehát az S értékét is befolyásolják. Az egyik legfontosabb tényező a besugárzott terület, azaz a mező nagysága. Mivel a szórt sugárzás valójában a betegből, illetve abból a térfogatból származik, melyen a sugárzás keresztülhalad, a szórt sugárzás ennek nagyságával arányos lesz. Bizonyos korlátokkal az S értéke 1-től a mezőnagyság arányában növekszik. Egy másik fontos tényező a szövetvastagság, a harmadik pedig a kVp. A kVp emelésével több változás is bekövetkezik: nőni fog a Compton-kölcsönhatásban résztvevő fotonok aránya és a Compton-fotonok nagyobb részben fognak előrefelé szóródni. Még egy fontos szempont az lenne, hogy a magasabb kVp értéknél szóródott sugárzás penetrációja is nagyobb. Ha a szórt sugárzás penetrációja nagyobb, akkor a „sugárforrás” (a vizsgált testrész, illetve szövetek) is hatékonyabb.
Alacsony kVp értékeknél, ahol a szórt sugárzás nagy része a belépési felület közelében keletkezik, a szórt fotonok penetrációja kicsi és gyakorlatilag nem hagyják el a vizsgált testrészt; ugyanakkor magasabb kVp értékeknél a szórt sugárzás jelentős mértékben hozzájárul a testen áthaladó, illetve áthatoló sugárzás mennyiségéhez.
PENETRÁCIÓS ÉRTÉKEK
Ahogy a fentiekben tárgyaltuk, egy adott vastagságú anyagon áthatoló sugárzás mennyiségét az egyedi fotonenergia és az anyag jellemzői (sűrűség és rendszám) határozzák meg. Az FRV értékek hasznos információt adnak egy adott sugárzás adott anyagon való penetrációjára vonatkozóan. Ha az FRV értéket ismerjük, akkor bármely vastagságú anyagon való penetráció könnyen meghatározható. Az 5. táblázat néhány diagnosztikailag fontos anyagra vonatkozó FRV értéket mutat be. 5. táblázat
Anyag FRV (mm) 30 keV 60 keV 120 keV Lágyrész 20,0 35,0 45,0 Alumínium 2,3 9,3 16,6 Ólom 0,02 0,13 0,15
vissza a tartalomhoz: KÉPALKOTÁS ESZKÖZEI - avagy az orvosi képalkotás fizikája
