RADIOLOKA FIZIKA ZA STUDENTE MEDICINE

Prof. Goran NikoliMedicinski fakultet Univerzitet u Crnoj Gori

UvodX zrak (rendgenski zrak) elektromagnetski talas visoke emergije. X zrak ima sve fizike osobine elektromagnetskog zraenja od kojih su dve sa stanovita dijagnostike radiologije najvanije.

Slika 1 1. Mogunost prolaska kroz materiju (ljudsko telo) i deliminu ili potpunu absorbciju u njemu to se koristi za dobijanje rendgenske slike dela tela kroz koji je proao X zrak. X zrak se stvara u rendgenskoj cevi. Podeavanjem parametara potrebnih za njegovo stvaranje moe se dobiti X zrak tano planiranje energije koja je potrebna za eljeni rendgenski pregled. X zrak se filtrira i usmerava prema eljenom delu tela ija se slika oekuje. Zrak prolazi kroz deo tela i stupa u interreakcije na svom putu sa atomima tkiva na koje nailazi. U tim intereakcijama dolazi do deliminog ili potpunog slabljenja (absorbcije) X zraka tokom prolaska kroz organizam. 2. Energija zraka na izlasku iz organizma izaziva promene na fluoroscentnim ekranima (rendgenska skopija) ili filmu (rendgenska grafija) na osnovu fizike osobine fluorescencije. Fluorescencija je osobina pojedinih jedinjenja da pod uticajem primljene energije emituju svetlost. Kiloina emitovane svetlosti je direktno proporcionalna koliini primljene energije.

Stvaranje i osobine X zrakaKada brzi elektroni udaraju u metalni objekt (velike atomske teine) nastaju rendgenski ili X zraci. Fiziki se kinetika energija elektrona koji kompletno biva zaustavljen (originalno se prema radu Willhema Conrada Rendgena ovo zraenje i danas u Nemakoj litereturi naziva zakono zraenje Bremsstrahlung) transformie u elektromagnetsku energiju. Osnovni zadatak rendgenskog uredjaja je da obezbedi dovoljnu kinetiku energiju elektrona od katode prema anodi za proizvodnju rendgenskih zraka. Energija elektrona zavisi od njegove brzine. Svaki objekat koji se kree ima kinetiku energiju proporcionalnu svojoj masi i brzini kretanja prema formuli. KE = 1/2 mv2 U formuli je m masa u kilogramima, V je brzina u metrima u sekundi a KE je kinetika energija u Julima. Brzina poveava na kvadrat kinetiku energiju. Zato je kinetika energija koju postiu elektroni u rendgenskoj cevi (dostiu do polovine brzine svetlosti) vea nego kod projektila iz vatrenog oruja jer je brzina elektrona u rendgenskoj cevi mnogo vea od

2

brzine projektila u cevi vatrenog oruja. Ubrzani elektron u rendgenskoj cevi se esto naziva projektil elektron. Sa katode se tokom njenog zagrevanja, termoemisijom, emituje 6 x 1017 elektrona svake sekunde. Svi oni bivaju pod uticajem elektrinog polja izmeu anode i katode, usmereni prema anodi koja je pozitivno naelektrisana. Udaljenost izmedju anode i katode je 1 do 3 cm. Predpostavite koja sila ubzanja na toj distanci ubrzava elektrone od brzine nula do polovine brzine svetlosti. Elektroni se strujom zagrevanja (struja u katodnom kolu) termoemisijom isijavaju iz katode. Kada se ukljui napon izmeu anode i katode (50-150 KV) elektroni bivaju ubrzani do anode. Kada dospeju do anode elektroni predaju svoju energiju atomima anode koja se pravi od tekog metala velikog atomskog broja (tungstrem). Elektroni dolaze u kontakt (sudare) sa elektronima orbite atoma anode. U toj interreakciji nastaje toplota (99% energije sudara se transformie u toplotnu energiju) i elekrtomagnetsko zraenje (X zraci) na koje otpada manje od 1% ukupne energije elektrona dospelih do anode. Samo elektroni koji svoju energiju kompletno predaju niim putanjama elekrona atoma anode proizvode X zrake. Ostale inerereakcije sa spoljanjim putanjama proizvode toplotu. Karakteristino zraenje Projektil elektron jonizuje atom anode izbijanjem elekrtona sa prve putanje K-putanje (putanje elektrona se obeleavaju od jezgra prema periferiji na sledei nain prva putanja je K, zatim L, M, N, O..) Tako nastaje rupa u K-putanji koja uvek ima samo dva elketrona. Ovako nastalo privremeno nestabilno stanje koje se reava tako to elektron sa vie putanje pada i popunjava prazno mesto. Prelazei sa vie na niu putanju elektron emituje razliku u energiji koja je tano definisana razlikama u energiji elektronskih putanja tog atoma kao elektomagnetski talas definisane enegije u ovom sluaju X zrak. Primer: Kada se projektil electron izbaci elektron K-putanja atoma tungstena od koga je napravljena anoda taj elektron zamenjuje elektron koji pada sa L-putanje. Koja energija se emituje?. Odgovor: Za tungsten, K-elektron ima energiju od 69.5 keV, a L-elektron je na energiji od 12.1 keV. Prema tome karakteristino zraenje koje se emituje prilikom prelaska elektrona sa L na K putanju je: 69.5 - 12.1 = 57.4 keV Znai kada se elekrtonima bombarduje tungsten i dodje do izbijanja K elektrona moe se emitovati samo energija od 57.4 keV i ni jedna druga. Tako da se ta energija smatra karakeristina za tungsten. Svaki teaka atom ima svoje karakteristino zraene.

3

Diskretni spektar X-zraka Diskretni spektar podrazumeva energetsku razliku izmeu nivoa putanja jednog atoma koji se dobija kada se bombarduje projektil elektronima. Izbacivanje elekrtona je sluajni proces sudara meu njima. Za tungsten postoji mogunost emisije 15 razliitih energija jer je toliko teoretskih prelaza sa jedne vie putanje na niu mogue. Sve se one zajedno emituju u spektru. Energije koje nastaju razlikama na viim atomskim putanjama nisu dovoljne za emisuju X zraka nego se emutuju infracrveni talasi koji samo zagrevaju anodu. Zakono zraenje Bremsstrahlung Proizvodnja toplote i X zraka nije jedina interreakcija projektil elektrona i anode. Trei nain interreakcije je kada projektil elektron kompletno ili delimino izgubi energiju. To se deava kada projektil elekrton prolazi vrlo blizu jezgru atoma anode. Tada on trpi snaan uticaj jezgra koji se manifestuje gubitkom njegove kinetike energije. Ovaj gubitak energije se prezentuje kao elektromagnetno zraenje i naziva se zakono ili Bremsstrahlung x-zraenje. U intereakciji sa jezgrom projektil elektron moe izgubiti kopletnu energiju ili bilo koji njen do i da nastavi put kao elekrton manje kinetike energije. Ako projektil elektron ima energiju od 70 keV u sluaju zakonog zraenja moe biti emitovana bilo koja energija od 0 do 70 keV. To je osnovna razlika karekteristinog i zakonog zraenja. Kontinuirani spektar X-zraka Nastaje posle spajanjem svih teoretski moguih vidova intereakcija prijektil elekrtona i atoma anode. On je kontinuiran od najmanjih do naveih energija X- zraka u zavisnosti od energije projektil elektrona. Maksimalna vrednost mu je oko maksimalne energije elektrona koji biva zakoen od jezgra a minimalna mu je najmanja mogua u emisisji X zraka.

Delovi rendgenskog aparataStvaranje X zraka, njegova kontrola, usmeravanje prema pacijentu, kontrola rasipnog zraenja koje se dogaa posle prolaska zraka kroz telo i njegove intereakcije sa atomima tkiva, usmeravanje prema medijumu za detekciju ove interreakcije (rendgenski film, fluorescentni ekran), su potrebne funkcije rendgenskog aparata. Postoje rendgenski aparati za razliite namene, za preglede skeleta i plua, pokretni rendgeni za snimanja pored kreveta nepokretnog bolesnika, rendgeni za angiografije i intreventnu radiologiju, rendgeni za preglede digestivnog trakta. Svi oni imaju iste osnovne delove a to su (slika 2):

Slika 2 ema rensgenskog aparata

4

1.Komandni stoKomadni sto slui za kontrolu prodornosti proizvedenog X zraka kroz organizam. Prodornost X zraka kao elektromagnetskog talasa zavisi od njegove energije. X zrak vee energije ima veu prodornost kroz organizam a manje energije manju. Energija X zraka se regulie naponom struje u rendgenskoj cevi izmeu anode i katode zbog koga dolazi do ubrzanja elektrona. Vei napon u rendgeskoj cevi preko 100 KV kilovolti (10.000 Volti) znai i stvaranje X zraka vee energije za preglede andomena ili lumbosakralne kime. Manji napon u rendgenskoj cevi izmedju anode i katode 20 KV je predevien za preglede stopala i aka kada je potreban X zrak manje energije-prodornosti. Napon izmeu anode i katode rendgenske cevi se regulie na komandnom stolu. Time se dobija dijagnostiki X zrak potrebne energije. Ovo je osnova funkcija komandnog stola, dobijanje x zraka potrebne energije. Osim nje postoje i druge funkcije komandnog stola. To su kontrola blendi, pomeranja pacijent stola, snimanje (ekspozicija) se izvodi pomou tastera na komandnom stolu. Komadni sto slui za kompletnu kontrolu rendgenskog aparata i akvizicije rendgenske slike.

2.Visokonaponski transformatorVisokonaponski transformator snabdeva rendgensku cev strujom visokog napona. Sastoji se, kao svaki transformator od primarnog kalema koji je ukljuen na gradsku mreu snabdevanja elektrinom strujom koja je 220 V napona. Sekundarni kalem je povezan sa anodom i katodom rendgenske cevi. Kada se kroz primarni kalem propusti naizmenina struja elekrtomagnetskom indukcijom se stvara struja u sekundarnom kalemu iji je napon u odnosu na napon u primarnom kalemu proporcionalan odnosu broja namotaja provodnika primarnog i sekundarnog kalema. Iz sekundarnog kalema se dobija eljeni napon od 15-150 KV koji se regulie sa komandnog stola. U sekundarnom kalemu se indukuje naizmenina struja. To znai da ona menja pravac kretanja mnogu puta u sekundi to ini rendgensku cev neupotrebljivom jer bi isto toliko puta elektroni promenili pravac kretanja. Zato postoje ispravljai u transormatoru koji ine da je katoda konstatno negativno naelektrisana a anoda pozitivno.

3.Rendgenska cevIzvor X zraka za dijagnostiku upotrebu je rendgenska cev. Osnovni delovi rendgenske cevi su: (Slika 3) Katoda rendgenske cevi Katoda rendgenske cevi je spirala koja se sastoji se od namotaja volframa. Volfram je odabran zbog svoje osobine termoemisije elektrona. Kada se katoda zagreje ona emituje snop elektrona koji biva privuen od pozitivno naelekrtisane anode. Anoda rendgenske cevi Predstavlja disk od tugstena (tekog metala sa velikim atomskim brojem) koji rotira. Rotacijom se omoguana da elektroni udaraju na razliita mesta i time rasporedjuju svoju energiju na jednu putanju a ne na jednu taku to produava vek trajanja anode. Snop

5

elektrona, koji se emituju sa katode ubrzava pod uticajem razlike u naponu izmeu anode i katode tako da elektroni velikom brzinom pogaaju anodu. Tranformacijom kinetike energije projektil elekrtona koji "bombarduju" anodu, emituje se sa anode X zrak. Mesto sa koga se emituje X zrak naziva se focus rendgenske cevi

Slika 3 Rendgenska cev 4. Pacijent sto.Slui za udoban smetaj pacijenta, motorna pomeranja sa rotacijama i uspravljanjem da bi se stvorili potrebni uslovi za dobijanje dobrih rezulatata rendgenskog pregleda.

5. Uredjaji za formiranje rendgenske slikeNjihova namena je registrovanje interreakcija zraka i atoma tkiva i prenoenje te interreakcije na potrebni medijum za prikazivanje rendgenske slike. Postoje dva osnovna zahteva koji se postavljaju kada se formira rendgenska slika. Za organe u pokretu (srce) treba imati dinaminu, pokretnu sliku koja se kao film odvija pred nama (rendgen skopiju). Za pregled drugih, statinih organa (kosti) ili procesa dinamina-pokretna rendgenska slika nije potrebna nego statina rendgenska slika (rendgen grafija). Rendgen grafija I rendgen skopija se dobijaju kada se upotrebljavaju razliiti naini detekcije absorbovanog snopa X zraka. Rendgen skopija Analiza rendgenske slike u realnom vremenu omoguena je upotrebom fluorescentnih ekrana i TV kamera koji tu sliku prikazuju na monitorima. Posmatranje pokretnih organa u realnom vremenu rendgenska skopija je bila mogua jo pre jednog veka 1895 posle otkria rendgenskih zraka. Fiziki uslov za to je osobina fluorescencije X zraka.

6

Fluorescencija je osobina emitovanja svetlosti podloga od soli fosfora izloene dejstvu elekrtomagnetskih talasa. Tokom prolaska kroz deo tela svaki X zrak gubi deo svoje energije. Na izlasku iz tela ako pogodi fluorescentni ekran ostavlja na njemu sliku. Zbir svih promena energije na ekranu daju rendgensku sliku. Emitovana svetlost flourescentnog ekrana je mala. Ona se moe videti na ekranu samo ako se ekran posmatra u mraku posle adaptacije oka posmatraa u mraku 15 minuta. ezdesetih godina prolog veka slika fluorescentnih ekrana je elektronski umanjena i pojana nekoliko hiljada puta tako da je bila na izlazu iz ovog procesa (Pojaiva Elekrtonskog Sjaja PES) prepoznatljiva za upotrebu TV kamere. Preko TV kamere se prebacije u dnevnoj svetlosti na bilo koji monior gde se moe pratiti (slika 4). Krajem prolog veka upotrebljava se u svrhu formirana rendgenske slike nova tehnika takozvanih flat pannela). X foton pada na ravnu plou u kojoj se nalaze kristali. Svaki kristal je povezan nezavisno od ostalih sa raunarom. Zavisno od energije X fotona koji pogodi kristal proizvede se slaba struja.1. ULAZNI X FOTON 2. FOTOELEKRTINI EKRAN 3. SNOP ELEKRTONA 4. ELEKRTINO POLJE 5. EKRAN

Slika 4 Pojaiva elektronskog sjaja PES Prepoznavanjem razlika u jaini struje svakog od kristala u raunaru se posle formira primarna digitalna slika na osnovu absorbcije emitovanog X zraka u tkivu kroz koji je proputen Rendgen grafija Rendgenska grafija predstavlja detekciju absorbcije X zraka u organizmu na filmu. Jo je Wilhem Konrad Rendgen u svom prvom radu u kome je opisao postojanje nepoznatih X zraka uoio njihovu fotografsku sposobnost izazivanja pronena na fotoemulziji i prloio sliku ake svoje ene. Rendgeska grafija se primenjuje za prikazivanje promena organa i procesa koji nisu dinamini na rendgenskom filmu. Folije Efikasnost rendgenskih zraka u eksponiranju fotografske emulzije filma je mala pa se ona poveava (i do 100 puta) ulaganjem filma izmeu dve fluorescentne folije u kaseti. Uloga folija je da bude aktivirana X zrakom principom fluorescencije i mnogo jaom svetlosnom energijom osvetli film nego to bi se to dobilo direktmo dejstvom X zraka na film. Time se dobija na efikasnosti jer potrebna viestruko manja energija X zraka da izazove neophodni fotografski efekat na filmu preko folije nego direktno. Ekpozicija ake bez upotrebe folija je oko 30 minuta. Kvalitetnija slika se danas dobijas preko folija uz ekspoziciju koja traje deo

7

sekunde. Osnovna funkcija folija je smanjenje potrebne ukupne energije rendgeskog zraka to smanjuje ukupnu dozu primljenog zraenja. Kasete Folije su smetene u kaseti za rendgeski film. Film kao foto osetljiv stalno van uticaja svetlosti. Zato se za snimanja priprema u kaseti za rendgenski film. Kaseta je tanka kutija od rendgenski transparentnog materijala ija jedna strana se kompletno otvara i u nju ulae rendgenski film. Sa jedne u druge strane filama umetnute su folije u obliku listova koje pojaavaju svetlosni efekat rendgenskih zraka. Kasete su razliitih veliina od malih za preglese prstiju do velikih za preglede plua i srca. Prema veliini kasete bira se i veliina rendgenskog filma Rendgenski film Rendgenski film se ne razlikuje mnogo od obinog fotografskog filma. Njegova osteljivost na svetlost je ista. Jedina razlika je to ima dva sloja fotografske emulzije. Sa obe strane filma se nalazi emulzija i time se duplira svetlosni efekat folije na film. Filmovi se iporuuju razliitih veliina za razliite preglede. Svaki rendgenski film mora biti pravilno oznaen. To podrazumeva 1. 2. 3. 4. Ime i prezime pacijenta Ustanovu gde je uradjen pregled Datum pregleda Obeleenu orijentaciju rendgenske slike (levo L i desno R)

Interakcija X-zraka i materijeKada X-zrak biva emitovan iz rendgenske cevi on se usmerava kroz deo tela. Pri energijama X zraka koje se kortiste u radiolokoj dijagnostici mogue su tri vrste interakcija energije rendgenskiog zraka i tkiva: 1. Elastino rasipanje 2. Fotoelektrini efekat 3. Neelastino rasipanje (Komptonov efekat).

Elastino rasipanjeElastino rasipanje je interrakcija pri kojoj X foton menja pravac bez gubitka energije. Ovaj tip rasipanja se deava pri svim energijama fotona u dijagnostici. Ovaj efekat je bez znaaja za radiografiju ali je odgovoran za jonizaciju sredine i sa stanovita zatite od zraenja je znaajan. Elastinim rasipanjem nastaje interakcija samo nekoliko procenata ukupnog snopa sa tkivom.

8

Fotoelekrtini efekatFotoelektrini efekat je potpuna absorbcija X zraka. Obzirom da je X zrak kao elekrtomagnetski talas nematerijalni nosilac energije on se se naziva i X foton. X foton u sudaru izbacije jedan elektron se neke od putanja i kompletno mu predaje svoju energiju. Na mesto izbaenog elekrtona iz orbite atoma tkiva sa neke od niih energetskih putanja njegovo mesto zauzima drugi elektron uz emisuju fotona karakteristine energije (razlika energetskih nivoa) (slika 5).

Slika 5 Fotoelektrini efekat

Compton EffectKomptonov efekat nepotpuna absorbcija X fotona. X foton u sudaru izbacije jedan elektron se neke od putanja gubi deo svoje energije, menja pravac kao foton manje energije. Na mesto izbaenog elektrona iz orbite sa neke od niih energetskih putanja njegovo mesto zauzima drugi elektron uz emisuju fotona karakteristine energije (razlika energetskih nivoa) (Slika 6). Fotoelektrini i Komptonov efekat su dva najlea efekta intereakcije zraka i organizma tokom izlaganja organizam rendgeskom zraenju koji umaju ulogu u absorbciji i stvaranju rendgenske slike.

9

Slika 6 Komptonov efekat

Proizvodnja elektonskog paraProizvodnja elektronskog para nije usko vezana za efekte X zraka jer je za to potrebna velika energija zraka od najmanje 1.02 MeV koju nema X zrak. Stvaranje elektronskog para je fizika osnova PET-a (pozitronske emisione tomografije) koja se danas sve vie koristi kao specifina dijagnostika metoda. Kada foton energije preko 1.02 MeV doe u dodir sa jezgom on gubi energiju nestaje i biva zamenjen elektron-pozitron parom. Positron i elekrton imaju istu masu samo suprtotna naelekrtisanja (elektron negativno a positron pozitivno) oba nastavljaju put u materiji. Ako positron naidje na elektrone okoline on se spaja sa njim u procesu koji se naziva anihilacija i emituje se foton energije 0.511 MeV koja se moe precizno detektovati. Na taj nain se svaki positron moe posebnim uredjajem registrovati a time dobiti PET slika organa koji se ispituje.

Brane snopu X zrakaPostoje dve grupe brana kojim se regulie X zrak. Obe slue da bi se bi se snop X zraka usmerio prema snimanom objektu smanjio njegov volumen a time smanjilo rasipanje i ozraivanje sa i dobila kvalitetnija rendgenska slika.

Primarne braneSe nalaze odmah na izvoru X zraka izmedju rendgenske cevi i pacineta. Njihova uloga je kolimacija i usmeravanje X zraka na najmanju potrebnu meru za skopiju ili grafiju. Maksimalno suen snop X zraka dovodi do manjeg rasipanja tokm polaska kroz organizam i manjeg negativnog efekta zraenja (slika 7).

10

OTVORENA BLENDA

ZATVORENA BLENDA

VEE ZRAENJE

MANJE ZRAENJE

VEA DISTORZIJA SLIKE

MANJA DISTORZIJA SLIKE

Slika 7 Primarne blende

Sekundarne braneVrlo pouzdana i najee primenjivana mera za iskljuivanje rasipnih zraka. One se nalaze izmeu pacijenta i filma sa zadatkom da pokupi sve rasute zrake koji bi izazvali ozraenje sredine i negativne efekte na rendgenskom filmu. Reetka se sastoji od tankih traka olova, meusobno blisko postavljenih u pod uglom kao piramida sa vrhom piramide u fokusu rendgenske cevi. Ove trake apsorbuju sve zrake koji nemaju paralelan ili skoro paralelan smer prostiranja u odnosu na emitovani centralni zrak. Da reetka ne bi ostavila trakaste senke na filmu ona se tokom snimanja (ekspozicije) transverzalno kree (slika 8). Ovako opisna reetka delimino absorbuje X zrak do 10% ali poveava kvalitet grafije.

Slika 8. Sekundarna blenda Bukijeva reetka Geometrija rendgenske slike Osnovni princip formiranja slike je konusna projekcija. Izvoz zraka je taka (fokus rendgenske cevi) i zrak se iri u obliku piramide do objekta. Zbog ovakvog oblika uvek dolazi do distorzije i uveanja rendgenske slike u odnosu na primarni objekat (slika 9) to treba imati na umu prilikom intrepretacije senki. Oblik njihove senke zbog sumarne i konusne porojekcije moe biti sasvim razliit od njihovor realnog oblika. Projekcija cevastog organa ako je zrak paralelan sa njim moe biti prstensta senka to e zavarati prilikom interpretacije.

11

Figure 9 Konusna projekcija objekata

Rendgenska dijagnostikaTri faktora utiu na stvaranje svake medicinske slike (medical imaging). 1.Izvor energije koji izaziva stvaranje slike (X zrak, ultrazvuni talas, energija dipola vodonika, radioaktivni emitter, anihilacija pozitrona) 2. Interakcija izvora i tkiva organizma. Tkiva prema svojim morfolokim fizikim ili metabolokim osobinama stupaju u iterreakciju sa emitovanom energijom iz izvora. Ta interreakcija dovodi do promene emitovane energije koja naputa organizam 3. Razliitim medijumima (rendgenskii ekran, rendgenski film, struja u kristalima sonde ultrazvuka, namotaji "antene" MR skenera, Gama kamere) promenjena emitovana energija u organizmu se detektuje i tako dobija medicinaska slika. Rendgenska slika nastaje na sledei nain. Fokus rendgenskie cevi se ponaa kao takasti izvor X zraka. Delovi tela koji se ispituju rendgenskiim zracima su sastavljeni od atoma razliite atomske teine (razliitog koeficijenta absorbcije X zraka). Rendgenskia slika predstavlja dvodimenzionalnu projekciju objekta, preteno prikazana kao senka (zbog atenuacije-absorbcije X zraka u tkivima), pratei geometrijska pravila centralne projekcije. X zraci daju rendgensku sliku koja nastaje atenuacijom zraka tokom penetracije i znatno se razlikuje od optike, koja nastaje refleksijom svetlosti. Formirani snop kolimiranih i filtriranih rendgenskih zraka koji naputa cev ima priblino istu energiju na celom preseku snopa. Energija rendgenskih zraka opada proporcionalno sa kvadratom rastojanja od fokusa. Zraci linearno propagirajuih rendgenskih fotona razliito se atenuiraju rasipanjem i apsorbcijom du puta kroz objekt, zavisno od debljine, gustine i detalja strukture kroz koju su proli. X zrak, koji je modelisan du svog puta kroz objekt, sadri informacije u obliku razliitih intenziteta na preseku zranog snopa. Ovaj zrak koji dolazi iz objekta se naziva ponekad prostorni prikaz i moe se retgistrovati na filmu ili fluorescentnom ekranu.

12