Transcript Röntgen cihazları ve fizik prensipleri 8

RÖNTGEN CİHAZLARI ve
FİZİK PRENSİPLERİ 8
Dr. Gülçin Dilmen
X-IŞINI MADDE ETKİLEŞİMİ
X-IŞINI MADDE ETKİLEŞİMİ 1
 Elektromanyetik enerjiler kendi dalga boylarına
yakın maddeler ile etkileşime girerler.
 Metrelerle ölçülen dalga boylarına sahip radyo ve
televizyon dalgaları anten denilen metal çubuklarla
daha kolay etkileşime girerken, santimetreler
civarında dalga boyuna sahip mikrodalgalar
hamburger ve köfteleri kolayca etkiler.
 Görünür ışık mikrometre boyuyla görme hücreleri
olan rod ve konları etkilerken, x-ışınları 10-9-10-10
m boyları ile atom ve subatomik partiküllerle
X-IŞINI MADDE ETKİLEŞİMİ 2
 Düşük enerjili fotonlar atomun tümüyle, orta
enerjililer yörünge elektronları ile, yüksek enerjililer
ise nukleus ile etkileşirler.
 Bu etkileşmeler sonucu x-ışını fotonları bazen
emilerek tamamen kaybolurken, bazen ise yönleri
değişerek saçılmaya uğrarlar.
 Saçılan radyasyon hasta hakkında yararlı bilgi
taşımayan ve filmde bulanıklığa yolaçan
istenmeyen radyasyondur.
X-IŞINI MADDE ETKİLEŞİMİ 3
X-ışını ve madde arasında 5 temel
etkileşim şekli mevcuttur:
A. Klasik saçılma (Koheran saçılma)
B. Kompton saçılma
C. Fotoelektrik etki
D. Çift oluşumu
E.Fotodisintegrasyon (fotoayrışma)
Bunlardan kompton saçılma ve fotoelektrik etki
diagnostik radyolojide önem taşırlar.
KLASİK SAÇILMA 1
(Koheran Saçılma)
 10 keV altındaki düşük enerjili x-ışınları
madde ile klasik saçılma şekilde etkileşirler.
 Gelen foton target atomunu uyarır ve
elektronlarını vibrasyona uğratır.
 Uyarılan elektron fazla enerjisini aynı dalga
boyu ve enerjide foton olarak salar.
KLASİK SAÇILMA 2 (Koheran
Saçılma)
 Sonuçta herhangibir enerji transferi veya
iyonizasyon gözlenmez, sadece radyasyonun
yönü değişmiş olur.
 Koheran saçılmaya uğrayan radyasyon oranı
%5 civarında olup diagnostik radyolojide
önem taşımaz.
 Film bulanıklığına minimum katkıda bulunur.
KOMPTON SAÇILMA 1
 Diagnostik radyolojide saçılan radyasyonun
hemen tamamı Kompton saçılma ile ortaya
çıkar.
 Diagnostik sınırlardaki enerjili foton dış
yörünge
elektronuna
çarparak
onu
yörüngesinden fırlatır.
 Atomdan
sökülen
elektrona
kompton
elektronu denir.
KOMPTON SAÇILMA 2
 Elektronun boşalan yeri dış yörüngedeki bir
başka elektron tarafından doldurulurken
karakteristik radyasyon ortaya çıkar.
 Başlangıç fotonu elektron tarafından saptırılır
ve başka bir yöne saçılan radyasyon olarak
yoluna devam eder.
 Etkileşim iyon çifti oluşturur.
KOMPTON SAÇILMA 3
 Matematik olarak bu etkileşimde enerji
transferi şöyle ifade edilebilir:
 Eİ=ES+Eb+EKE
Ei: gelen x-ışını foton enerjisi,
ES: Saçılan x-ışını enerjisi,
Eb: Elektron bağlama enerjisi,
EKE: Fırlatılan elektronun kazandığı kinetik
enerji
KOMPTON SAÇILMA 3
ÖRNEK
 30 keV enerjili x ışını baryum atomunu iyonize
ediyor. O yörüngesindeki elektron 12 keV enerji ile
fırlıyor. Saçılan fotonun enerjisi ne kadardır (O
yörüngesindeki baryumun elektron bağlama
enerjisi 0,04 keV’dur)?
Eİ= ES+Eb+EKE
30= ES +0,04+12
ES= 17,96 keV
KOMPTON SAÇILMA 4
 Fotonda kalan enerjiyi iki faktör belirler: biri
başlangıç enerjisi, diğeri ise sapma açısı.
 Dar açılı sapmada foton başlangıç enerjisini
hemen tamamen korur.
 Diğer durumda da enerjinin büyük kısmını
kaybetmez.
KOMPTON SAÇILMA 5
 Dar açılı sapma diagnostik radyolojide
ciddi
sorun
yaratır
çünkü
filtre
edilemiyecek kadar enerjisi yüksektir ve
açıları dar olduğu için gridler tarafından
tutulmaları da zordur.
 Filme ulaşarak istenmeyen bulanıklığa
yolaçarlar.
 Ayrıca 900 sapmada bile enerjilerini önemli
ölçüde korudukları için floroskopide
hastadan oluşan saçılan radyasyon
radyoloğun önemli miktarda ışınlanmasına
Kompton Saçılmanın Oluşma
Olasılığı
Kompton saçılmanın targetin atomik
numarası ile ilişkisi mevcut değildir.
Bu etkileşim targetin yoğunluğu ve
radyasyonun enerjisi ile ilgilidir.
Foton enerjisi arttıkça Kompton saçılma
ihtimali azalmaktadır.
FOTOELEKTRİK ETKİ 1
 Bu etkileşimde x-ışını fotonları target atomlarının
iç yörünge elektronları ile etkileşime girer ve
enerjileri bağlama enerjilerinden yüksekse
yörüngeden elektron fırlatır.
 Foton kaybolarak enerjisinin tamamını elektrona
verir. Enerji dönüşümü denklemi:
 Eİ = Eb+ EKE
 (Eİ: başlangıç foton enerjisi, Eb: bağlama enerjisi,
EKE: fotoelektronun kinetik enerjisi) şeklindedir.
FOTOELEKTRİK ETKİ 2
Yörüngeden ayrılan elektron yüklü olduğu
için kısa bir mesafe içinde absorbe edilir.
K
yörüngesindeki
boşluk
dış
yörüngelerden doldurulur.
Bu arada yörüngelerin bağlama enerjisi
arasındaki fark kadar enerjiye sahip x-ışını
fotonu salınır.
FOTOELEKTRİK ETKİ OLUŞMA
OLASILIĞI 1
 Fotoelektrik etki oluşması için:
1. Başlangıç fotonun enerjisi bağlama enerjisinden
yüksek olmalıdır.
2. Fotoelektrik etkinin en fazla oluşması, foton enerjisi
ve bağlama enerjisinin birbirine yakın düzeyde
olmaları ancak foton enerjisinin bir miktar fazla olduğu
durumda gözlenir.
Fotoelektrik etki ihtimali enerjinin küpü ile ters
orantılıdır.
Fotoelektrik etki  1/(Enerji)3
Enerji daha yüksek düzeylere çıktıkça etki ihtimali
FOTOELEKTRİK ETKİ OLUŞMA
OLASILIĞI 2
3. Elektronun bağlama enerjisi ne kadar
yüksekse fotoelektrik etki ihtimali o kadar
fazladır. Fotoelektrik etki targetin atomik
numarasının kübü ile doğru orantılıdır.
Fotoelektrik etki  (Atomik numara)3
FOTOELEKTRİK ETKİ OLUŞMA
OLASILIĞI 3
 Fotoelektrik etkinin klinik uygulamada iyi
ve kötü özellikleri mevcuttur.
 İyi yönü; fotoelektrik etkide saçılan
radyasyon oluşmaması ve doğal doku
kontrastının arttırılmasıdır.
 X-ışını görüntüsünün kontrastı bazı
dokuların diğerlerine göre daha fazla xışını absorbe etmesi esasına dayanır.
FOTOELEKTRİK ETKİ OLUŞMA
OLASILIĞI 4
 Absorpsiyon farkı ne kadar fazla ise kontrast o
kadar yükselir.
 Fotoelektrik etki atomik numaranın küpü ile orantılı
olduğu için dokular arasındaki yapı farklılıklarını
magnifiye eder.
 Fotoelektirk etkinin kötü özelliği ise hastanın aldığı
ışın nedeniyledir.
 X-ışını fotonun bütün enerjisi fotoelektrik etkide
hasta tarafından absorbe edilmektedir.
 Fotoelektrik etkiyi azaltmak için yüksek enerjili xışını kullanmak gerekir.
ÇİFT OLUŞUMU
Diagnostik radyolojide önemi yoktur.
Yüksek enerjili foton target nukleusu ile
etkileşime girerek biri negatif diğeri pozitif
iki elektron oluşturur.
İki elektron oluşması için başlangıç foton
enerjisinin 1.02 meV olması gerekir.
Diagnostik sınırlarda bu yükseklikte enerji
kullanılmaz.
FOTODİSİNTEGRASYON
(FOTOAYRIŞMA)
7-15 meV enerjili x-ışınları
nukleusu
parçalayarak
nukleustan
subatomik
partikül salınmasına yolaçarlar.
TEMEL ETKİLEŞİMLERİN DOKULARDA
OLUŞMA YÜZDELERİ
Vücutta hava, yağ, adale gibi düşük atomik
numaralı dokuların etkileşme yüzdeleri suya
yakındır.
Kemikte fazla miktarda kalsiyum bulunur.
İyod ve baryum ise indirekt incelemelerde
kullanılan kontrast maddelerdir.
Bu üç madde de farklı enerjilerde etkileşme
yüzdeleri farklıdır.
TEMEL ETKİLEŞİMLERİN DOKULARDA
OLUŞMA YÜZDELERİ
 Koheran saçılma total etkileşimin %5’i ile
önemsiz bir kısmını oluşturur.
 Su da 20-30 keV gibi düşük enerji haricinde
Kompton saçılma dominant etkileşimdir.
 Kontrast maddelerde yüksek atomik numara
nedeniyle esas olarak fotoelektrik etki gözlenir.
 Kemik ikisi arasında yer alır.
 Düşük enerjide fotoelektrik etki fazla yüksek
enerjide ise Kompton etki belirgindir.