Slide1 l.jpg
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 54

Радиационная защита в диагностике и интервенционной радиологии PowerPoint PPT Presentation


  • 212 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии. Радиационная защита в диагностике и интервенционной радиологии . Л 5: Взаимодействие излучения с веществом. Темы. Введение в структуру атома Величины и единицы измерения

Download Presentation

Радиационная защита в диагностике и интервенционной радиологии

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Slide1 l.jpg

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

Радиационная защита в диагностикеи интервенционной радиологии

Л5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide2 l.jpg

Темы

  • Введение в структуру атома

  • Величины и единицы измерения

  • Генерирование тормозного излучения

  • Характеристическое рентгеновское излучение

  • Первичная и вторичная ионизация

  • Фотоэлектрический эффект и комптоновское рассеяние

  • Ослабление луча и слой половинного ослабле-

  • ния

  • Принципы формирования рентгеновского изображения

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide3 l.jpg

Обзор

  • Ознакомление с основами радиационной физики и процессом формирования рентгеновского изображения

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide4 l.jpg

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом

Тема 1: Введение в структуру атома


Slide5 l.jpg

Спектр электромагнитного излучения

E

КэВ

1.5

0.12 keV

1

10

102

103

3 eV

104

Рентгеновское и гамма-излучение

ИК

УФ

вид.

свет

100

10

1

0.1

0.01

4000

0.001

8000

Ангстрем

ИК: инфракрасное, УФ = ультрафиолетовое

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide6 l.jpg

Структура атома

  • Структура ядра

    • Протоны и нейтроны = нуклоны

    • Z - числопротонов с положительным электрическим зарядом

      • (1,6 10-19Кл)

    • Нейтроны без заряда (нейтральные)

    • Число нуклонов = атомный номер A

  • Структура вне ядра

    • электроны (лёгкие частицы с отрицательным электрическим зарядом, равным заряду протона)

  • В обычном состоянии атом электрически нейтрален

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide7 l.jpg

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом

Тема 2: Величины и единицы измерений


Slide8 l.jpg

Основные единицы измерений в физике (система SI)

  • Время: 1 секунда [с]

  • Длина: метр [м]

  • Масса: 1 килограмм [кг]

  • Энергия: 1 Джоуль [Дж]

  • Электрический заряд: 1 Кулон [Кл]

  • Другие величины и единицы

  • Мощность: 1 Ватт [Вт] (1 Дж/с)

  • 1 мАс = 0,001 Кл

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide9 l.jpg

Величины и единицы измерения

  • Электрон-Вольт [эВ]: 1,603 10-19Дж

  • 1 кэВ = 103эВ

  • 1 мэВ = 106эВ

  • Эл. заряд электрона: 1,6 10-19Кл

  • Масса протона: 1,672 10-27кг

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide10 l.jpg

Характеристики атома

A, Z и связанные величины

  • ВодородA = 1Z = 1EK= 13,6 эВ

  • УглеродA = 12 Z = 6 EK= 283 эВ

  • ФосфорA = 31Z = 15EK= 2,1 кэВ

  • ВольфрамA = 183 Z = 74EK= 69,5 кэВ

  • УранA = 238Z = 92EK= 115,6 кэВ

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide11 l.jpg

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом

Тема 3: Генерирование тормозного излучения


Slide12 l.jpg

Взаимодействие электронов с ядром (I)

  • Тормозное излучение:

    • Излучение энергии (E) электронами при замедлении их движения во время проникновения в материал

    • замедление скорости электронов при взаимодействии с электрическим полем ядра

    • эмиттируются фотоны (излучение)с энергией Е.

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide13 l.jpg

N

N

Спектр тормозного

излучения

E

E

n(E)

n1E1

n2E2

n1

n3E3

n2

n3

Emax

E1

E1

E2

E2

E3

E3

Электроны бомбардируют ядро

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide14 l.jpg

Взаимодействие электронов с ядром (II)

  • С материалами, имеющими высокий атомный номер

    • потери энергии больше

  • Энергия теряется при тормозном излучении

    • > 99% кинетическойэнергии переходит в тепло. Потери увеличиваются при увеличении энергии электронов

  • Рентгеновское излучение в основном является тормозным

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide15 l.jpg

Непрерывный спектр тормозного излучения

  • Энергия (E) фотонов тормозного излучения может принимать любые значения между нулём и максимальной кинетической энергией взаимодействующих электронов

  • Количество фотонов является функцией энергии и пропорционально 1/E

  • Толстая мишень  непрерывный линейный спектр

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide16 l.jpg

Спектры тормозного излучения

dN/dE (спектральная плотность)

dN/dE

E0

E

E0

E

При “тонкой” мишени

При “толстой” мишени

E0= энергия электронов, E = энергия эммитир. фотонов

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide17 l.jpg

Энергия рентгеновского спектра

  • Максимальная энергия фотонов тормозного изл.

    • Кинетическая энергия падающих электронов

  • В рентгеновских спектрах при диагностике:

    • Макс. энергия = Энергия при пиковом напряжении на ренгеновской трубке

Тормозное излучение

после филь-трации

E

Тормозное излучение

кэВ

кэВ

50 100 150 200

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide18 l.jpg

Ионизация и перенос связанной с ней энергии

  • Пример: электроны в воде

  • энергия ионизации: 16 эВдля молекулы воды

  • Другие типы передачи энергии, связанной с ионизацией

    • возбуждение (в каждом случае нужно только несколько эВ)

    • Перенос тепла (при ещё меньшей энергии)

  • W = 32 эВ – средние потери при ионизации

    • это характеристика материала

    • не зависит от падающих частиц и их энергии

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide19 l.jpg

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом

Тема 4: Характеристическое рентгеновское излучение


Slide20 l.jpg

Спектральное распределение характеристического излучения (I)

  • Генерируется при выбивании электрона в основ-ном с К уровня (или L, M,…) при ионизации

  • Электроныс L или M уровней переходят на вакантные места К уровня

  • Разность энергий излучается в виде фотона

  • Происходит последовательное перемещение электронов между энергетическими уровнями

  • Энергия излучаемых фотонов является характеристикой атома

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide21 l.jpg

Спектральное распределение характеристического излучения (II)

Энергия

(эВ)

K1

100

80

60

40

20

- 20

- 70

- 590

- 2800

- 11000

- 69510

6

5

4

3

2

0

P

O

K2

N

K1

M

L

L

L

K2

L

K

0 10 20 30 40 50 60 70 80

(кэВ)

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide22 l.jpg

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом

Тема 5: Первичная и вторичная ионизация


Slide23 l.jpg

Тормозная способность

  • Потери энергии вдоль траектории из-за столкновений и тормозного излучения

  • Линейная тормозная способность в материале

    S = E / x [мэВ.см-1]

    • E: потери энергии

    • x: длина пути

  • Для отдалённых столкновений: чем ниже энергия элек-трона, тем больше энергии передано

  • Фотоны тормозного излучения в основном обладают ма-лой энергией

  • Столкновения (и ионизация в результате) являются глав-ными источниками потерь энергии, за исключением

    частиц с высокими энергиями и материалов с высоким Z

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide24 l.jpg

Линейная передача энергии

  • Биологическая эффективность ионизирующего излучения

  • Линейная передача энергии (ЛПЭ): количество энергии, переданной материалу за единицу длины пути частицы

  • Единица измерения: например, [кэВ.м-1]

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide25 l.jpg

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом

Тема 6: Фотоэлектрический эффект и комптоновское рассеяние


Slide26 l.jpg

Фотоэлектрический эффект

  • Падающий фотон с энергиейh

  •  вся энергия фотона поглощается прочно связанными орбитальными электронами

    • выбивание электрона из атома

    • кинетическая энергия выбитого электрона: E = h - EB

  • Условия: h > EB (энергия связи электрона)

  • Отдача остатка атома

  • Коэффициент ослабления (или взаимодействия)

    Коэффициент фотоэлектрического поглощения

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide27 l.jpg

Факторы, влияющие на фотоэлект-рический эффект

  • Энергия фотона (h) > энергии связи электронаEB

  • Вероятность взаимодействия уменьшается при увеличении h

  • Наибольший эффект достигается при малых энергиях фотонов

  • Вероятность взаимодействия растёт пропорцио-нально Z3 (Z: атомный номер)

  • Материалы с высоким Z хорошо поглощают рентгеновское излучение

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide28 l.jpg

Комптоновское рассеяние

  • Взаимодействие между фотонами и электронами

  • h = Ea + Es(энергия сохраняется)

    • Ea: энергия передаётся атому

    • Es: энергия рассеянного фотона

    • Сохранение момента при угловом рассеянии

  • При малой начальной энергии большая её часть рассеивается

    • например: Es > 80% (h) если h <1 кэВ

  • Комптоновское рассеяние практически не зависит от Z в диагностическом диапазоне

  • Вероятность взаимодействия уменьшается при воз-растании h

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide29 l.jpg

Комптоновское рассеяние и плотность ткани

  • Изменение эффекта Комптона в зависимости от:

    • энергии (зависит от кВ рентг. трубки) и материала

    • Меньшая E комптоновское рассеяние  1/E

  • Повышение E снижает угол отклонения фотонов

  • Массовый коэф. ослабленияпочтине зависит от Z

    • он пропорционален плотности электронов в материале

    • слабо изменяется при увеличении атомного номера (Z)

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide30 l.jpg

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом

Тема 7: Ослабление пучка излучения и слой половинного ослабления


Slide31 l.jpg

Закон экпоненциального ослабле-ния излучения (I)

  • Любое взаимодействие изменение энергии и/или направления фотонов

  • Учёт всех эффектов: Комптона, фотоэлектрического…

    • dI/I = -  dx

    • Ix = I0 exp (- x)

      • I: число фотонов на единицу площади в секунду [с-1]

      • : коэффициент линейного ослабления [м-1]

      •  / [м2.кг -1]: коэф. массового ослабления

      •  [кг.м-3]: плотность материала

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide32 l.jpg

Коэффициенты ослабления

Линейное ослабление зависит от:

  • характеристик материала (плотность )

  • Энергии пучка фотонного излучения

    Массовый коэф. ослабления:  / [м2кг-1]

    •  / одинаковый для воды и пара (разный )

    •  / похожий для воздуха и воды (разный µ)

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide33 l.jpg

Ослабление неоднородного луча

  • Различные энергииНе получается экпоненциального ослабления

  • Постепенное уменьшение числа фотонов при прохождении пучка через материал

  • Низкоэнергетическое излучение поглощается сильнее

  • Этот эффект используется при конструиро-вании фильтров

    Излучение становится более жёстким

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide34 l.jpg

Слой половинного ослабления (СПО)

  • СПО: толщина, уменьшающая интенсивность излучения на 50%

  • Определение подходит для моноэнерг. пучка

  • Неоднородный пучок становится жёстче

  • I/I0 = 1/2 = exp (-µ СПО) СПО = 0,693 / µ

  • СПОзависит от материала и энергии фотонов

  • СПОхарактеризует качество излучения

  • фильтрафия изменяет качество излучения

  • СПО (после фильтра)  СПО (перед фильтром)

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide35 l.jpg

Взаимодействие фотонов с материей

Рассеянные фотоны

Эффект Комптона

Вторичные

фотоны

Фотоны флюоресценции

Характеристическое излучение

Фотоны

аннигиляции

Падающие

фотоны

Не взаимодействующие

фотоны

Электроны

отдачи

Вторичные

электроны

Фотоэлектроны

(Фотоэлектрический эфф.)

Электронные пары

E > 1,02 мэВ

(упрощённое представление)

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide36 l.jpg

Зависимость от Z и энергии фотонов

  • Z < 10 преобладание эффекта Комптона

  • Более высокие Z увеличивают фотоэлектрический эффект

    • При низких E фотоэлектрический эффект проявляется при взаимодействии с костями больше, чем с мягкой тканью

    • (полное поглощение фотонов)

  • контрастные веществаувеличиваютфотоэл. поглощение

    высокий Z (Барий 56, йод 53)

  • использование фотоэлектрического поглощения в радиационной защите

    пример: свинец (Z = 82) для фотонов (E > 0,5 мэВ)

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide37 l.jpg

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом

Тема 8: Принципы формирования рентгеновского изображения


Slide38 l.jpg

Прохождение и ослабление рентге-новских лучей в теле человека

Ослабление рентгеновских лучей:

  • воздух:незначительное

  • кость:значительноеиз-за относительно высокой плотности (также атомной массы Ca)

  • мягкая ткань (например,мышцы,.. ): близкок воде

  • жировая ткань: меньше,чем в воде

  • лёгкие: слабоеиз-за низкой плотности

    • Структура лёгких лучше видна за костями при высоких kVp (пониженный фотоэлектрический эффект)

    • Полостные органы лучше просматриваются при использовании контрастных веществ (йода, бария)

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide39 l.jpg

60 кВ - 50 мАс

70 кВ - 50 мАс

80 кВ- 50 мАс

Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide40 l.jpg

Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань

Улучшение контраста изображения (лёгкие)

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide41 l.jpg

Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань

Улучшение контраста изображения (кость)

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide42 l.jpg

Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань

70 кВ - 25 мАс

70 кВ - 50 мАс

70 кВ - 80 мАс

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide43 l.jpg

Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide44 l.jpg

Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide45 l.jpg

Цель применения контрастных материалов

  • Сделать видимой мягкую ткань, которая обычно прозрачна для рентгеновских лучей

  • Повысить контраст отдельных органов

  • Улучшить качество изображения

  • Основные используемые вещества

    • Барий: органы брюшной полости

    • Йод: урография, ангиография и т.д.

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide46 l.jpg

Характеристики поглощения излуче-ния йодом, барием и мягкой тканью

100

Йод

10

Барий

Коэф. ослабления рентг. излучения (cм2г-1)

Мягкая ткань

1

(кэВ)

0.1

20 30 40 50 60 70 80 90 100

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide47 l.jpg

Фотоэлектрическое поглощение и рентгеновское изображение

  • В мягкой или жировой тканях( близких по плотности к воде) и в воде при низких энергиях (E< 25 - 30 кэВ)

  • Фотоэлектрическийэффектпреобладает

  •  вносит основной вклад в формиро-вание изображений на рентгеновской плёнке

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide48 l.jpg

10

1.0

Всего

Коэф. Ослабления рентг. излучения (cм2г-1)

0.1

Комптон. + упругое рассеяние.

Фотоэлектр.поглощение

(кэВ)

0.01

20 40 60 80 100 120 140

Вклад фотоэлектрического поглощения и комптоновско-го рассеяния в ослабление излучения в воде (мышцах)

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide49 l.jpg

10

1.0

Всего

Коэф. Ослабления рентг. излучения (cм2г-1)

0.1

Комптон. + упругое рассеяние.

Фотоэлектр.поглощение

(кэВ)

0.01

20 40 60 80 100 120 140

Вклад фотоэлектрического поглощения и комптоновско-го рассеяния в ослабление излучения в костях

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide50 l.jpg

Проникновение рентгеновского излучения в человеческую ткань

  • Более высокий kVp уменьшаетфотоэлектрический эффект

  • Уменьшается контраст изображения

  • Структура костей и лёгких может просматриваться одновременно

  • Примечание: полости тела могут быть визуализированы с помощью применения контрастных веществ: йода, бария

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide51 l.jpg

Влияние комптоновского рассеяния

Влияние рассеянного излучения на:

  • качество изображения

  • поглощение энергии в теле пациента

  • поле рассеянного излучения в помещении

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide52 l.jpg

Резюме

  • Элементарные частицы, образующие ядро и оболочку атома, могут быть представлены схематически.

  • Существуют различные типы взаимодейст-вий фотонов и электронов с веществом

  • Тормозное ихарактеристическое ренгеновское излучение представляют собой две разных формы его генерации, которые вносят вклад в процесс формирования изображения.

  • Фотоэлектрический и Комптон эффекты су-щественно влияют на качество изображения.

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide53 l.jpg

Где получить информацию (1)

  • Part 2: Lecture on “Radiation quantities and Units”

  • Attix FH. Introduction to radiological physics and radiation dosimetry. New York, NY: John Wiley & Sons, 1986. 607 pp. ISBN 0-47101-146-0.

  • Johns HE, Cunningham JR. Solution to selected problems form the physics of radiology 4th edition. Springfield, IL: Charles C. Thomas, 1991.

5: Взаимодействие излучения с веществом


Slide54 l.jpg

Где получить информацию (2)

  • Wahlstrom B. Understanding Radiation. Madison, WI: Medical Physics Publishing, 1995. ISBN 0-944838-62-6.

  • Evans RD. The atomic nucleus. Malabar, FL: R.E. Kriege, 1982 (originally 1955) ISBN 0-89874-414-8.

5: Взаимодействие излучения с веществом


  • Login