Zjistil, že při dopadu elektronů s velkou kinetickou energií na kovovou anodu vzniká záření, které proniká i neprůhlednými předměty.

Transkript

1 2.snímek Historie rentgenového záření Na počátku vzniku stál německý fyzik W.C. Röntgen ( ). V roce 1895 objevil při studiu výbojů v plynech neznámý druh záření. Röntgen zkoumal katodové záření, což je proud elektronů urychlený elektrickým polem. Zjistil, že při dopadu elektronů s velkou kinetickou energií na kovovou anodu vzniká záření, které proniká i neprůhlednými předměty. Jedním z experimentů byl pokus, při němž zabalil fotografickou desku do černého papíru a umístil ji do blízkosti výbojové trubice. Po jejím vyvolání zjistil, že emulze zčernala, jakoby byla deska rovnoměrně osvícena. Při dalším experimentu položil na desku kovový předmět. V tomto případě se zobrazila světlá plocha ve tvaru obrysu daného předmětu. Tento experiment vedl Röntgena k pokusu vytvořit snímek. Jako první objekt pro snímkování zvolil ruku své manželky. V roce 1901 mu byla za tento objev udělena vůbec první Nobelova cena za fyziku. Na rozdíl od řady jiných objevů byly paprsky X okamžitě využity v praxi, především v medicíně. 1

2 3. snímek RTG Rentgenové záření je elektromagnetické vlnění, jehož vlnový rozsah leží v rozmezí 10-8 m až m (10 nm 0,001 nm). Přirozeným zdrojem jsou hvězdy. Vzniká při přeměně energie rychle se pohybujících elektronů, které dopadají na povrch kovové elektrody, na energii elektromagnetického záření. Uvést odkud kam zasahuje tvrdé a měkké záření. Obr. Čím je energie dopadajících elektronů větší, tím kratší je vlnová délka rentgenového záření. E rentgenova záření je vyjádřena v elektronvoltech (ev), to odpovídá kinetické energii, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu. Zde h je Planckova konstanta, c je rychlost světla ve vakuu (300 tis. km/s). 1nm = 1240 ev (2 nm = 620 ev). 1eV = 1,602 x 10-9 J. E hc 1240nm ev 3. snímek - B Čím kratší je vlnová délka RTG záření, tím lépe záření proniká látkami a má větší ionizační účinky. c RTG záření o kratších vlnových délkách (tedy s větší energií dle vztahu E h ) je označováno za tvrdé. To je využíváno, na rozdíl od měkkého, které slouží k zobrazování, k léčbě nádorů ozařováním. Při průchodu látkou se RTG záření pohlcuje a jeho E se mění ve vnitřní energii látky. Pohlcování závisí na protonovém čísle Z. Prvky s vyšším protonovým číslem Z pohlcují RTG záření více. 2

3 Nejvíce je záření zeslabeno v kostech, o trochu méně v měkkých tkáních (játra, ledviny) a nejméně v tukových vrstvách v plicích (to závisí na protonovém čísle). 4. snímek Sievert Sivert (Sv) je jednotkou ekvivalentní dávky. Dávka 1 Sv má stejné biologické účinky jako 1 Gy rentgenového nebo gama záření. Jednotka vyjadřuje podíl množství absorbované E v určité hmotnosti a v závislosti na daném druhu záření. Radiační jednotky: - curie (jednotka aktivity radionuklidů) 1 Ci = 3, Bq (Becquerel jednotka aktivity) - rad (jednotka dávky) 1 rad =10-2 Gy (gray absorbovaná dávka) - rentgen (jednotka ozáření) 1 R = 2, C.kg -1 (C/kgs expoziční příkon) 1 R = 10 mgy/h - rem (jednotka ekvivalentní dávky) 1 rem =10-2 Sv 5. snímek Zdrojem RTG záření je trubice (výbojka, lampa), tzv. rentgenka. Rentgenka vakuová baňka se dvěma elektrodami katodou K a anodou A. Žhavená katoda emituje elektrony (katodové záření), které jsou přitahovány k anodě. Mezi elektrodami je silné elektrické pole. Nutné chlazení rentgenky (rotací, vodou). Mechanismy vzniku RTG záření Po dopadu na anodu pronikají elektrony několika vrstvami atomu anody, a interagují (vzájemně působí) s elektrony v hlubokých vrstvách (K, L, M) nebo jádrem. Dopadající elektrony 3

4 mohou vyrazit elektron na vnitřní vrstvě K, L, tím vzniká volné místo, na které spadne elektron z vyšší vrstvy. Dvě základní interakce: - interakce s polem jádra atomu vedou ke vzniku tzv. brzdného záření; - interakce s elektrony v elektronových vrstvách (obalovými elektrony) charakteristické záření. 6. snímek Elektronové vrstvy Elektronový obal se dělí na 7 vrstev: K, L, M, N, O, P a Q. Vrstva K je jádru nejblíže, Q je nejdál. Všechny vrstvy nejsou zaplněné elektrony. Poslední vrstva valenční. Valenční elektrony se mohou odštěpovat, nebo naopak do valenční vrstvy může přejít elektron jiného atomu. Perioda znamená, že prvky pod sebou mají podobné vlastnosti, protože jejich elektronová konfigurace (rozmístění je stejné). V 1. Periodě jsou pouze 2 prvky. L, M vrstvy poskytují každá místo pro 8 elektronů. Ve vrstvách N, O 18 elektronů, P, Q 32 elektronů. 7. snímek Brzdné RTG záření Pronikne-li elektron elektronovými obaly atomu až do blízkosti jeho jádra, je ze své dráhy vychýlen v závislosti na počtu protonů v jádře (číslo Z). Následná spotřeba E K (kinetické energie) vede ke generaci fotonu brzdného záření. Čím více se přiblíží elektron k jádru a čím větší je jeho E K, tím větší bude E vznikajícího kvanta RTG záření. 4

5 Charakteristické RTG záření E urychlených elektronů je natolik vysoká, že excitují (vybuzení zvýšené E atomu např. pohlcením částice) atomy anody uvolněním elektronů z obalu ze slupek blízkých jádru (K, L, M, ) Na těchto slupkách vznikají prázdná místa, která se zaplní elektrony z vyšších vrstev za současné emise fotonu RTG záření. 8. snímek Vlastnosti RTG záření: - schopnost pronikat látkami, - působení na fotografickou emulzi, - ionizace látky, kterou záření prochází, - specifický způsob pohlcování v látkách. Účinky RTG záření Při práci s RTG přístroji musí být dodržována přísná pravidla. Jedním z nejdůležitějších je stínění materiály, kterými RTG záření nepronikne, např. Pb plechy. Druhým opatřením je doba ozařování. Je nutné si uvědomit, že se dávky ozáření v průběhu života sčítají. 8. snímek - B Standardní RTG Pro úsporu fotografického materiálu, byl daný objekt osvícen maximální dávkou záření, zatímco v případě digitálního RTG, obsluha vpouští na vyšetřovací objekt nejnižší možnou dávku a dle potřeby ji pozvolna zvyšuje (tj. hlavní výhoda digitálního RTG). 9. snímek Výpočetní axiální tomografie CAT Snímání obrazu se uskutečňuje v transverzálním axiálním směru. Pro přesnou diagnostiku dvojrozměrný snímek nestačil, bylo zapotřebí získat obraz příčného řezu tělem. O CAT se mohlo uvažovat teprve až po zavedení výpočetní techniky do lékařské diagnostiky. 5

6 CAT vznikla koncem 60. Let 20. Století, nezávisle na sobě se dvěma pánům A.M.Cormackovi a G.N.Hounsfieldovi podařilo experimentálně zrekonstruovat příčný řez objektem. Hounsfield byl prvním, kdo rozpoznal převratný význam tohoto objevu pro lékařskou diagnostiku. Roku 1979 byla Cormackovi a Hounsfieldovi za tento objev udělena Nobelova cena. Obr. CAT a pohled dovnitř Spirální (helikální) CAT Během otáčení rentgenky probíhá pomalý automatický posun lehátka s pacientem. Rentgenka opisuje pomyslnou dráhu po šroubovici (helixu), což je křivka prostorová, spirála je plošným geometrickým útvarem. Náklon gantru o 30 vůči své horizontální ose. Prstenec cm. Uvést nevýhody staršího provedení bez helixu! Mnohodetektorové CAT Starší provedení, systém jedné rentgenky a jednoho detektoru, se jevilo nevyhovující, zdlouhavé. U novějších se již používá většího počtu detektorů (cca. 1000). Rentgenka obíhá, její svazek primárního záření je kolimátory vycloněn do tvaru vějíře (s úhlem cca 40 C), a naproti ní je umístěna kruhová výseč se soustavou detektorů ( ). 6

7 Uspořádání s několika detektorovými prstenci současné snímání několika transverzálních řezů vedle sebe. Uvést řezné roviny sagitální, koronální! Uspořádání vějířové otáčí se rentgenka, tak i detektorová soustava. Uspořádání kruhové otáčí se pouze rentgenka a detektory jsou umístěny po celém obvodu přístroje. Nevýhoda CAT vyšetřením: Nevýhodou zůstává vystavení pacientova těla účinkům RTG záření. Hounsfieldova škála propustnosti RTG záření hmotou. Kost 1000 Játra Bílá hmota Šedá hmota -37 až -45 Krev 40 Sval 10 až 40 Ledviny 30 Mok 15 Voda 0 Tuk -50 až -100 Vzduch Zobrazení magnetickou rezonancí (MRI) uvést význam zkratky! MRI je lékařská diagnostická metoda, která je nezastupitelná při řadě vyšetření (onkologických, neurologických, atd.). Tato metoda nemá na rozdíl od CAT žádné nežádoucí účinky. K získání obrazu tkání se v případě MRI využívá účinku magnetického pole a elektromagnetického záření v oblasti kmitočtů radiových vln. 7

8 Tato metoda prošla od svého prvního použití v lékařské diagnostice R. Damadianem a P.C.Lauterburem v 70. Letech bouřlivým vývojem. V roce 2003 byla udělena Nobelova cena za přínos v oblasti využití magnetické rezonance Lauterburovi a Britovi Mansfieldovi. Zařízení pro zobrazení magnetickou rezonancí Na první pohled se podobá CAT. Centrální jednotkou je silný magnet, který vytváří homogenní magnetické pole. Základní princip MRI V lidském těle je velké procento vody. MRI je schopna měřit, jak se vychylují osy protonů v jádrech vodíku v molekulách vody. Proto je tato metoda vhodná ke snímkování tkání i měkkých částí kloubů, leč zcela nevhodná ke snímkování kostí. Pro jednoduchost si představme, že lidské tělo je složeno z malých, chaoticky uspořádaných a různě orientovaných magnetků. Magnetky v těle pacienta se musí zorientovat stejným směrem. K tomu, aby bylo možné zmapovat lidskou tkáň, je nutné magnetky vybudit, vychýlit z jejich polohy. K vybuzení magnetek dochází vyzářením radiofrekvenčního impulsu, radiofrekvenční signály pak vysílá další vrstva cívek. Po odeznění se magnetky v těle vrací do původní polohy určené magnetickým polem v tunelu. Při tomto návratu pak vysílají velmi slabé elektromagnetické signály. V tunelu, zahlceném magnetickým polem (MP), se periodicky střídá operace: - vysílání signálů, - vybuzení protonů v jádrech vodíku (v našem případě magnetek), - vypnutí radiofrekvenčních cívek cívky se stávají anténami, - cívky přijímají E magnetek vracejících se do svých původních poloh. Rizika vyšetření pomocí RMI Metoda RMI nemá žádné negativní vedlejší účinky. Přesto je nutno dodržovat jistá pravidla. V okolí MR-systému se nachází velmi silné magnetické pole, a to u permanentního magnetu neustále a u supravodivého a odporového magnetu po dobu vyšetření. Každý kovový předmět je vystaven v MP silám, které jsou úměrné intenzitě tohoto pole. Malé kovové předměty vedou ke znehodnocení snímku, větší pak mohou být z těla působením MP vytrženy. 8