Physikalische Grundlagen: Wechselwirkungen von Röntgenstrahlen
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Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie Eigenschaften der Röntgenstrahlen PD Dr. Frank Zöllner Computer Assisted Clinical Medicine Faculty of Medicine Mannheim University of Heidelberg Theodor-Kutzer-Ufer 1-3 D-68167 Mannheim, Germany [email protected] PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 49 I Datum Eigenschaften von Röntgenstrahlen ! Schwächungseffekt ! Luminanzeffekt ! Ionisationseffekt ! Photographischer Effekt PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 50 I Datum Seite 1 1 Schwächung der Röntgenstrahlung ! primäre Wechselwirkung ! Es treten auf: Streustrahlen " Energieübertragung Primärstrahlung " Energieabsorption Absorption " Energieumwandlung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 51 I Datum Physikalische Prozesse 3 physikalische Prozesse: - Photoeffekt - Streuung - Paarbildung X Kann vernachlässigt werden ! Laubenberger and Laubenberger. „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 52 I Datum Seite 2 2 Photoeffekt (Absorption) ! Energie des Röntgenquants wird auf ein Elektron der Atomhülle (K, L –Schalen) übertragen ! Elektron wird aus der Hülle geschleudert ! alternativ: Anhebung eines Elektrons auf höhere Schale ! tritt hauptsächlich bei Röntgenstrahlen mit niedriger Energie auf Hartmann et al, Fachwissen MTRA, Springer 2014 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 53 I Datum Photoabsorptionskoeffizient ! Abhängig von " der Materiedichte " der Materiedicke " der Ordnungszahl " der Photonenenergie ! Bindungsenergie = Photonenenergie → Resonanzeffekt ! Resonanzeffekt begünstigt Auslösen des Elektrons PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 54 I Datum Seite 3 3 Streuung (Compton Effekt) ! Compton Effekt " Richtungsänderung des Röntgenquants mit partieller Energieänderung " äußere Atomschalen " Compton-Elektron herausgelöst ! unabhängig von der Ordnungszahl ! Compton- Wechselwirkungskoeffizient " Streuung + Absorption Hartmann et al, Fachwissen MTRA, Springer 2014 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 55 I Datum Klassische Streuung ! Richtungsänderung des Photons ohne Energieverlust ! Energieaufnahme und Abgabe " Elektron wird analog zum Photoeffekt angehoben " bei der Rückkehr in die Ausgangslage wird Photon abgestrahlt PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 56 I Datum Seite 4 4 Streustrahlung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 57 I Datum Paarbildung ! Bildung eines Elektrons und Positrons " nur bei hohen Strahlungsenergien (> 2* 511 keV) ! Positron zerfällt in zwei 511 keV Photonen ! relevant in der Radiotherapie, PET Bildgebung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 58 I Datum Seite 5 5 Wechselwirkung von Strahlen mit Materie Δx Reflexion I Linearer Schwächungskoeffizient µ P I = Summe aller Teilabschwächungen Streuung 0 Quantifizierung der Wechselwirkung durch Schwächungsgesetz: I0 = Intensität der Strahlung beim Auftreffen auf das Objekt I = Intensität der Strahlung nach dem verlassen des Objekts Δx = Dicke der Materie PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 59 I Datum Totaler linearer Schwächungskoeffizient µ µ=τ+σ+χ Koeffizient der Photoabsorptio n Streuung σ Morneburg. “Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik” 1995 τ σR ητ τfl η Elektronen σR σC ησ χ σS Paarbildung µ-η Photonen PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 60 I Datum Seite 6 6 Schwächungskoeffizient Schwächungskoeffizienten und Wechselwirkungen Schwächung in Abhängigkeit der Dicke (d) PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 61 I Datum Weitere Schwächungskoeffizienten Massenschwächungskoeffizient µm, Division mit Dichte der Materie ρ: Lineare Schwächungskoeffizient Dichte Massenabsorptionskoeffizient für Photonenabsorption (Näherung) ! λ= Wellenlänge der Röntgenstrahlung ! Z = Ordnungszahl des durchstrahlten Stoffes ! C = materialunabhängige Konstante PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 62 I Datum Seite 7 7 Schwächung: Zusammenfassung Dössel. “Bildgebende Verfahren in der Medizin” 2000 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 63 I Datum Luminenszenzeffekt ! Röntgenstrahlen regen bestimmte Stoffe zur Lichtemission an ! Fluoreszenz " Lichtemission nur während der Bestrahlung ! Phosphoreszenz " Absorbierte Energie wird gespeichert und über einen Zeitraum wieder abgegeben PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 64 I Datum Seite 8 8 Beispiele Kennen Sie Beispiele für Lumineszenz? Wobei könnte Lumineszenz in der Röntgentechnik wichtig sein ? PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 65 I Datum Ionisationseffekt ! Röntgenstrahlen bewirken beim Durchtritt durch ein Gas Ionisation ! Elektron wird aus dem Gasmolekül abgetrennt, es entsteht ein Ion ! u.a. auch in biologischem Gewebe PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 66 I Datum Seite 9 9 Ionisation ! Gibt es Anwendungen für Ionisation? PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 67 I Datum Zusammenfassung ! Röntgenstrahlen wechselwirken mit Materie ! Schwächung Hauptanteil " Streuung, Absorption ! Ionisation " Strahlen können Ionen erzeugen ! Lumineszenzeffekt PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 68 I Datum Seite 10 10
