Fizyczne podstawy obrazowania

Promieniowanie

emisja lub emisja i przenoszenie energii
w postaci cząstek lub fal

Promieniowanie jonizujące

promieniowanie o energii
wystarczającej do jonizacji atomu

Interakcja promieniowania z atomem = przyczyny osłabienia
promieniowania

Osłabienie promieniowania (attenuation) wynika z interakcji między
promieniowaniem a materią, przez które przechodzi. Pojedyncza interakcja
fotonu promieniowania X zwykle nie prowadzi do zamiany fotonu w inną
formę energii i „znikania” jego energii. Całkowite osłabienie promieniowania
przy przejściu przez materię jest wypadkową wielu różnych form interakcji.

Podstawowe formy oddziaływania to:
• efekt fotoelektryczny
• rozpraszanie (komptonowskie)
• tworzenie par



Efekt fotoelektryczny:

absorpcja fotonu promieniowania, powodująca

wyrzucenie elektronu poza zewnętrzną powłokę atomu (jonizację atomu).
Następnie atom wraca do stanu obojętnego emitując foton
promieniowania X, charakterystyczny dla odpowiedniej powłoki
elektronowej. Wyemitowany foton jest niskoenergetyczny i zazwyczaj jest
pochłaniany przez materię. Ostatecznie taki foton nie uczestniczy w
tworzeniu obrazu rentgenowskiego lub obniża jego jakość. Zjawisko
fotoelektryczne jest głównym typem interakcji dla fotonów o energii do 500
KeV i dla atomow o wysokich liczbach atomowych.

Efekt fotoelektryczny jest
zjawiskiem niskoenergetycznym
i jest najistotniejsze dla tworzenia
obrazu rentgenowskiego i ochrony
radiologicznej.



Rozpraszanie Comptona:

foton promieniowania jest odbity na skutek

uderzenia w elektron. Elektron otrzymuje porcję energii i wypada z orbity,
powodując jonizację atomu. W związku z tym foton traci energię i zmienia
kierunek. Zwiększa się też długość jego fali. Zjawisko nosi tez nazwę
rozpraszania niespójnego, ponieważ kierunek fotonu i jego energia są
niestałe.

Rozpraszanie Comptona jest
najbardziej prawdopodobne dla
promieniowania gamma i
wysokoenergetycznego prom. X.
Zjawisko jest odpowiedzialne za
szum obrazu i efekty biologiczne
obrazowania.



Rozpraszanie spójne

(Thomsona, Rayleigha, klasyczne): foton wchodzi w

interakcję z całym atomem, nie zmienia energii ani stanu atomu, zmienia
jedynie kierunek.
Rozpraszanie spójne jest niewielką częścią interakcji (5-10%), powoduje
szum obrazu i osłabienie promieniowania. Przebieg promieni jest zazwyczaj
podobny do kierunku pierwotnego promieniowania (odchylenie do 30º).



Tworzenie par:

zachodzi w przypadku, kiedy energia fotonu przekracza

1.02 MeV, ale staje się istotna przy energii około 10 MeV. Anihilacja fotonu
powoduje powstanie pary elektron-pozyton. Pozytony ulegają anihilacji
tworząc dwa fotony o energii 0.51 MeV i przeciwnym kierunku. Zjawisko
jest istotne w przypadku wysokoenergetycznych fotonów i wysokiej liczby
atomowej materii. Ma zastosowanie w obrazowaniu PET.

Tworzenie promieni X



źródło elektronów – katoda



celel ektronów – anoda



źródło energii – generator

Promieniowanie X powstaje przy uderzeniu strumienia elektronów w metalową anodę.
Lampa rentgenowska składa się z próżniowej szklanej bańki zawierającej katodę (źródło
elektronów) i wirującą anodę. Promieniowanie X stanowi około 1% promieniowania
emitowanego przez lampę.

Interakcja elektronów z anodą tworzy:

Ciepło (~99%)

Promieniowanie X:



Bremsstrahlung
– ciągłe spektrum promieniowania



promieniowanie charakterystyczne

Każdy element lampy decyduje o jakości promieniowania:



ciągłego (Bremsstrahlung)



charakterystycznego

W diagnostyce ilość i jakość fotonów promieniowania możemy
regulować za pomocą:



różnicy potencjałów (kVp)



prądu lampy (mA)



czasu ekspozycji (s).

Filtracja lampy:



składa się z filtracji własnej lampy (szkła) i dodatkowych filtrów (Al, Cu,
plastic, Mo, Rh)



pochłania promieniowanie niskoenergetyczne



zmniejsza dawkę pacjenta



poprawia jakość obrazu

Kolimacja lampy:



dostosowuje wielkość i kształt
wiązki



zmniejsza dawkę pacjenta



poprawia kontrast

Inne elementy lampy:



generator HF – zwiększa napięcie i prostuje
prąd



konsola operatora



system AEC



kratka przeciwrozproszeniowa (Bucky grid)



stół pacjenta



detektor

Inne elementy lampy:



generator HF – zwiększa napięcie i prostuje
prąd



konsola operatora



system AEC



kratka przeciwrozproszeniowa (Bucky grid)



stół pacjenta



detektor

Inne elementy lampy:



generator HF – zwiększa napięcie i prostuje
prąd



konsola operatora



system AEC



kratka przeciwrozproszeniowa (Bucky grid)



stół pacjenta



detektor

Ograniczenia klasycznej radiografii:



słaba dynamika obrazu (dwa rzędy
wielkości)



utrudnione powielanie obrazu



czas oczekiwania na zdjęcie



brak możliwości obróbki obrazu



dodatkowy personel i sprzęt



skażenie środowiska



utrudniona kontrola jakości

Radiografia cyfrowa:

Computed Radiography (CR) - pośrednia



fosforowa płyta obrazowa



chemiczne przechowywanie danych (utlenianie)



skanowanie laserowe, czyszczenie światłem

Digital Radiography (DR) - bezpośrednia



płaskie detektory cyfrowe



scyntylatory cezowe i fotodiody



lepsza dynamika obrazu i efektywność fotonowa

Charge Coupled Device (CCD)



ekran fosforowy, sensor CCD, światłowody



umiarkowana czułość i szum obrazu