Joniserande strålnings växelverkan Hur alstras röntgenstrålning och vad händer när den når och passerar människa?

Transkript

1 Joniserande strålnings växelverkan Hur alstras röntgenstrålning och vad händer när den når och passerar människa? Eva Lund

2 Lärandemål Kunna beskriva hur ett röntgenrör skapar röntgenstrålning Veta skillnaden på röntgen- och gammastrålning Känna till begreppet halvvärdestjocklek och hur detta mått varierar med röntgenstrålningens energi Känna till de olika sätt röntgenstrålning växelverkar i vävnad och i material med högt atomnummer Ha förståelse för hur röntgenstrålningen dämpas i vävnad Veta hur de sekundära (foto- och Compton) elektronerna skapas och hur de absorberas lokalt i vävnad 2

3 Strålning Är transport av energi utan medverkan av mediet Strålningen kan bestå av antingen partiklar: a-, b-strålning, neutroner, protoner etc eller elektromagnetiska vågor: röntgenstrålning, g-strålning, ljus etc 3

4 Jonisation och excitation 4

5 The electromagnetic spectrum non-ionizing radiation ionizing radiation 1 Hz 300 Mm 1 khz km 1 MHz 1 GHz 1 THz 1 PHz 1 AHz m 0.3 m 0.3 mm 300 nm 0.3 nm electric power supply radio cellular phone radar 750 nm 400 nm x-rays g-rays Röntgenstrålning bildas vid övergångar utanför atom kärnan och gammastrålning vid övergångar inuti kärnan (t ex radioaktiva sönderfall) 5

6 Kedjan i diagnostisk röntgen Cathode e Tungsten anode X rays Filter Light f ield X-ray field Collimators X-ray tube Filter Collimators X-ray field Patient Grid Image receptor Lead strips Interspace Front screen Film Back screen Grid Image receptor Energy absorptions w ith light flashes 6

7 Principen för ett röntgenrör 7

8 The X-ray tube Avdelningen för Radiofysik, Röntgensektionen 8

9 Kollision med banelektron 9

10 Atomskal och energinivåer i wolfram, generering av karakteristisk röntgen strålning 10

11 Bromsstrålning 11

12 Kollisioner eller strålning? Sannolikheten för bromsstrålning ökar med högre energi på elektronerna och i ämnen med högre atomnummer Vid 100keV orsakar elektronerna 1% röntgenstrålning och 99% kollisioner som orsakar värme i ett röntgenrör. 12

13 Elektronernas färd genom materia 13

14 Röntgenspektrum Energin på fotonerna bestäms av spänningsskillnaden mellan anod och katod, kv. Strålningens intensitet bestäms av strömmen, ma 14

15 Mammografi spektra; olika anodmaterial, rörspänning och filtrering 15

16 Röntgenspektra för olika kv 16

17 Röntgenspektra, 100 kv och olika filtrering 17

18 Kedjan i diagnostisk röntgen Cathode e Tungsten anode X rays Filter Light f ield X-ray field Collimators X-ray tube Filter Collimators X-ray field Patient Grid Image receptor Lead strips Interspace Front screen Film Back screen Grid Image receptor 18 Energy absorptions w ith light flashes

19 Växelverkansprocesser mellan röntgenstrålning och mediet Koherent spridning Fotoelektrisk absorption Inkoherent spridning, Compton effekt Parbildning 19

20 Koherent spridning 20

21 Fotoelektrisk absorption 21

22 Linjära attenueringskoefficienten för fotoabsorption 22

23 Compton spridning 23

24 Var händer vad? I vävnad dominerar spridning; Comptoneffekten mellan 30 kev och 3 MeV. (eff. atomnummer ca 8) I tunga ämnen som bly dominerar absorption, fotoelektrisk effekt till 800 kev 24

25 Fotonernas dämpning vid passage genom materia med tjockleken x sannolikheten för växelverkan 25

26 Halvvärdestjocklek Halvvärdestjockleken är den tjocklek på ett material som dämpar hälften av strålningen. Vi hade att N N e - x 0 HVT beror av materialets förmåga att dämpa strålningen som varierar med energin på strålningen N ½N 0 ½N N e x - x ln½ -ln 2 lne - x ln 2 x 26

27 Dämpning av röntgenstrålningen i kroppen skapar bilden Luft dämpar röntgen strålningen lite Mjukvävnad dämpar mycket mer Ben dämpar mest Lungorna blir svarta grå ben blir vitt eftersom färre fotoner når och svärtar filmen 27

28 Linjära attenueringskoefficienten för fett, mjukvävnad, ben och kontrastmedel 28

29 Kontrasten i bilden beror på kv Bilderna tagna med bildförstärkare 50 kv 70 kv 100 kv 29

30 Hur man kan matcha röntgenspektret med absorptionsegenskaperna hos ett kontrastmedel. a c 30 b Genom att sänka kv och använda lämplig filtrering kan man få de flesta fotonerna att hamna i ett energiområde där absorptionen i kontrastmedlet är som högst, och alltså erhålla bästa kontrasten.

31 Röntgenstrålningens påverkan på celler och organ

32 Strålningens skadeverkningar Vatten utgör 70% av innehållet i cellerna Vid vattnets radiolys bildas I olika reaktioner nedanstående fria radikaler. I närvaro av syre bildas peroxylradikalen som är ganska långlivad (syreeffekten vid strålbehandling) H O 2 H ochoh H O O OH ochho

33 Reparation av skador på DNA ESB DSB Basskada under reparation. Glykosylas skär bort den skadade basen. Endonukleas upptäcker luckan och slutligen är det ligas som fäster ihop den lagade strängen. Bildidé Gunnar Ahnström 33

34 När den strålskadade cellen delar sig A. Normal cell B. Utbyte mellan två kromosomer, men normal celldelning C. Så stor kromosomstörning att cellen inte är livsduglig 34

35 Två typer av effekter Deterministiska Cell- död Mutationer/cancer Dos Sv Stokastiska 35 Dos msv

36 Frågor!