Einführung ionisierende Strahlung
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Einführung ionisierende Strahlung Stephan Scheidegger ZHAW School of Engineering Inhalt HNIK EC GEN T ROENT STRAHLENBIOLOGIE GRUNDLAGEN RADIOLOGIE STRAHLENPHYSIK • Grundbegriffe • Erzeugung ionisierender Strahlung • Wechselwirkungen • Die Energiedosis • Messung ionisierender Strahlung Lernziele • Grundbegriffe in eigenen Worten erläutern können • Entstehung ionisierender Strahlung erklären können • Gesetze der Schwächung von Röntgenstrahlung anwenden können • mit Energiedosisbegriff vertraut sein • Grundprinzip der Messung beschreiben können Anwendungen ionisierender Strahlung in der Medizin • Diagnostik • Therapie • Analytik Grundbegriffe Der Begriff der Strahlung • Energietransport durch Wellen oder Teilchen • Beispiele: Photonen Elektronen Grundbegriffe Elektromagnetische Wellen • räumliche Ausbreitung elektrischer und magnetischer Felder E B B E • charakterisiert durch: Wellenlänge Frequenz Geschwindigkeit c Grundbegriffe E h h Wellen-Teilchen-Dualismus c • Energie eines einzelnen Photons abhängig von: Frequenz bzw. Wellenlänge Grundbegriffe Erscheinungsformen • Radio- und Radarwellen • Infrarot • sichtbares Licht • UV • Röntgen- und -Strahlung Grundbegriffe Ionisierende Strahlung - + • Ionisation = Ladungstrennung • Ionisation durch einzelnes Teilchen (Photon, Elektron, …) ionisierende Strahlung Biologische Wirkung ionisierender Strahlung Grundbegriffe Ekin q U Das Elektronenvolt • Kraft = Ladung mal elektrische Feldstärke • Energie (Arbeit) E = Kraft mal Weg • Spannung U = elektrische Feldstärke mal Weg Grundbegriffe Das Elektronenvolt E Batterie • elektrisches Feld zwischen zwei Platten durch Anlegen einer Spannung U (Batterie) Grundbegriffe Das Elektronenvolt F = qE e- • Elektron im elektrischen Feld • Spannung = 1 V • kinetische Energie nach durchlaufen der Spannung von 1 V = 1.6022x10-19 J = 1 eV Batterie: U = 1 V Grundbegriffe Bindungsenergien COOH • Moleküle: wenige eV • Atome: einige eV (äussere Hülle) bis viele keV (innere Hülle) • Atomkerne: einige MeV Molekül elektromagnetische WW Atom Atomkern: elektromagn. + Kernkräfte Nukleon (Hadronen): starke WW Physikalische Grundlagen Inhalt • Grundbegriffe • Erzeugung ionisierender Strahlung 192Ir-Quelle für HDR-Brachytherapie 18F für PET / 99mTc für SPECT x Potential V(x) Nuklidkarte C Anz- Protonen 12 C 13 C 14 B 11 Be 9 Li 6 Li 7 He 4He 3 p H 3H 2 n Anz. Neutronen Erzeugung von Strahlung Mutterkern instabil Kernumwandlung Emission von Energie Radioaktiver Zerfall • Zerfall instabiler Atomkerne • Energieabgabe durch Strahlung (, , ) • Tochterkern stabil oder instabil (Zerfallsketten) Tochterkern stabil Erzeugung von Röntgenstrahlung Anode + Röhrenspannung U Kathode Erzeugung von Strahlung e- • Nachrutschen eines Elektrons aus einer höheren Schale eee e- - Röntgenstrahlung ee- • Energieabgabe durch Strahlung (Photonen) • Andere Prozesse: Bremsstrahlung (http://en.wikipedia.org/ wiki/Atomic_orbital, 10.05.2012) Erzeugung von Strahlung Elektronenhülle 3d 3d 3d 3d 3d 3p Energie 3s 2p 2s 1s M 3p 2p L K 3p n=3 • verschiedene Energieniveaus → Schalen (K, L, M, …) • innerhalb Schalen verschiedene Orbitale 2p n=2 n=1 3d 3d 3d 3d 3d 3p Energie 3s M 3p 3p n=3 Energieniveaus im HAtom: Bestimmt durch Quantenzahlen n: Hauptquantenzahlen l, m: Nebenquantenzahlen 2p 2s 1s 2p L K 2p n=2 n=1 Auffüllen der Orbitale: Pauli-Prinzip Erzeugung von Strahlung n satio 3s 2p 2s u ng 2p A nr eg Energie i Ion 3d 3d 3p 1s Anregung & Ionisation • Anregung: Auf Elektron übertragene Energie kleiner als BindungsEnergie • Ionisation: Auf Elektron übertragene Energie grösser als BindungsEnergie Erzeugung von Strahlung Energie 2p 2s 2p L 2p n=2 K 1s • Übergang zwischen Lund K-Schale → K-Linien • Übergang zwischen Mund K-Schale → K-Linien K1 K Charakt. Strahlung n=1 Erzeugung von Strahlung Anode eKathode Photonen Prinzip Röntgenröhre • Hochspannung zwischen Kathode und Anode • Austritt von Elektronen aus der Kathode und Beschleunigung • Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial Erzeugung von Strahlung Bremsstrahlung • Ablenkung und Abbremsung von Elektronen → beschleunigte Ladung • Emission von Strahlung Erzeugung von Strahlung Bremsberg Intensität Emax - Eint1 Emax - Eint1 - Eint2 Emax - Eint1 - Eint2 - Eint3 Emax E • maximale Photonenenergie = kinetische Energie der Elektronen (q·U) • Energieabgabe in einem einzelnen Wechselwirkungsprozess unwahrscheinlich • Absorption der niederenergetischen Photonen im Anodenmaterial Intensität Erzeugung von Strahlung Energie Bremsberg • maximale Photonenenergie = kinetische Energie der Elektronen (q·U) • Energieabgabe in einem einzelnen Wechselwirkungsprozess unwahrscheinlich • Absorption der niederenergetischen Photonen im Anodenmaterial Erzeugung von Strahlung Röntgenspektrum Intensität • Bremsberg • charakteristische Strahlung Energie Spektrum einer Röntgenröhre Bremsberg wird für Aufnahmen genutzt k1 Ausnahme: Mammographie (Mo K – Linie) k rel. Intens. k1 k 20 30 40 50 E (kV) 60 70 80 k1 Erhöhung (kV) k 30 40 50 60 70 20 80 30 40 50 k1 60 k1 rel. Intens. rel. Intens. rel. Intens. 20 k 70 80 k 20 30 40 E (kV) E (kV) 50 60 70 80 E (kV) k1 k 20 30 40 50 E (kV) 60 70 80 20 30 k1 rel. Intens. rel. Intens. rel. Intens. Erhöhung (mAs) 40 50 E (kV) 60 70 80 k 20 30 40 50 E (kV) 60 70 80 Physikalische Grundlagen Inhalt • Grundbegriffe • Erzeugung ionisierender Strahlung • Wechselwirkungen Wechselwirkungen Wechselwirkungen F = qE eE e- e- • Kraftwirkung auf Hüllenelektron ee- • elektromagnetische Strahlung → elektrisches Feld e- • Energieübertragung auf Hüllenelektron Wechselwirkungen E1 Comptoneffekt Ekin e- • Energieübertragung auf Hüllenelektron e- e- • Hüllenelektron fliegt weg ee - e- e- E e- • Photon wird gestreut Wechselwirkungen E1 Comptoneffekt Ekin e- • vorwiegend äussere Hüllenelektronen betroffen e- eee - e- e- E e- • wichtigster Streuprozess zwischen ca. 100 keV bis 2 MeV • Bedeutung in der Diagnostik: Produziert Streustrahlung Wechselwirkungen 120° 90° Streustrahlung 60° 150° c 30° b • tiefe Energien (c): Viel Rückstreuung a 180° 8 6 4 2 0° 0 2 (a) 3 MeV (b) 200 keV (c) 10 keV 4 6 8 • hohe Energien (a): Vorwärtsstreuung dominiert Wechselwirkungen Streustrahlung • Strahlenschutzproblem • Einfluss auf Bildqualität AAA… Streustrahlenbereich meiden diesen Bereich meiden! Messungen Cardangio KSA: Rmax = 2 mSv/h; H*(10) = 60 Sv für ca. 5 min Untersuchung Durchleuchtung – Röhrenplatzierung Quelle: AAPM, Beth Schueler Streuung im Patienten Verschiedene Fälle, ausserhalb Nutzsttrahlenfeld • Fluoro-Feld ap • CT 95% 0.5 Gy = 100% 88% 0.2 Gy = 100% 85% 90% 27% 15% Wechselwirkungen Photoeffekt E1 • Energieübertragung auf Hüllenelektron: ALLE Energie des Photons in kinetische Energie des Elektrons umgewandelt e - e- Ekin ee - e- e- ee- • Hüllenelektron fliegt weg • KEIN gestreutes Photon Wechselwirkungen Photoeffekt • vorwiegend innere Hüllenelektronen betroffen E1 e - e- Ekin • häufig bei tiefen Energien (unterhalb 100 keV) e - e - e- e- ee- • vorwiegend bei schweren Elementen: Calcium → Knochenkontrast im Röntgenbild Wechselwirkungen Paarbildung eE1 e+ • Äquivalenz zwischen Energie und Masse (E = mc2) • Photonenenergie grösser 1.022 MeV • Elektron-Positron-Paar entsteht Wechselwirkungen Absorption / Schwächung • Schwächung stark bei → schweren und dichten Materialien → niedrigen Photonenenergien • je dicker der Absorber, desto stärker die Schwächung 8 4. Halbwertschicht 16 3. Halbwertschicht 2. Halbwertschicht 32 1. Halbwertschicht Anz. Photonen Wechselwirkungen 4 Beer-Lambertsches Gesetz • konstante Schichtdicke, bei der 50% der Photonen absorbiert werden: → Halbwertschicht 2 1 • nach 2 Halbwertsschichten ¼ der Strahlungsintensität Dicke x • exponentielle Abschwächung Anz. Photonen N Wechselwirkungen Absorptionskoeffizient • grosses → kleine Halbwertschicht klein gross Dicke x • kleines → grosse Halbwertschicht N ( x) N 0 e x Wechselwirkungen Energieabhängigkeit [cm2/g] 1 0.1 0.01 • bei tiefen Energien dominiert der Photoeffekt () 0.01 0.1 1 E [MeV] 10 100 • zwischen 100 keV und ca. 2 MeV dominiert der Comptoneffekt () • Paarbildung () findet oberhalb 1.022 MeV statt Wechselwirkungen Energieabhängigkeit 100% • Beer-Lambertsches Gesetz gilt nicht immer! 1.2 MeV D(x)/Dmax 200 kV 100 kV 29 kV 50 kV 1 2 3 Tiefe x [cm] in Wasser 4 • Faustregel für Röntgenstrahlung unterhalb 150 keV: je höher die Photonenenergie, desto grösser die Durchdringungsfähigkeit Physikalische Grundlagen Inhalt • Grundbegriffe • Erzeugung ionisierender Strahlung • Wechselwirkungen • Die Energiedosis Die Energiedosis Definition • Strahlungsenergie E, die pro Masse m absorbiert wird. • SI-Einheit: Joule / kg = Gy E D m Die Energiedosis Quadrat. Abstandsgesetz Abstand r D0 D(r ) 2 r Eintritts- vs. Austrittsdosis De ? DDet De Dout DDet Koenig et al. 2001, Am J Roentgenol. Wagner, 2007:Biomed Imaging Interv J Dosis-Flächenprodukt DAP DAP vs. effekt. Dosis D H = wRD E = wTHT • Nieren-Angio: 300 Gy.cm2 Dauer: 20 min E = 90 mSv HP(d) • Nephrostomie: 50 Gy.cm2 Dauer: 20 min E = 15 mSv H(d) [D.A] = Gy.cm2 70 60 50 40 30 20 10 0 50 1 100 2 150 550 600 3 200 4 2505 300 6 350 7400 8450 500 9 10 11 12 DAP / Gy*cm2 DRW PTA: 200 Gy*cm2 DRW Carotisangio: 100 Gy*cm2 Mittel: 41.5 Gy*cm2 3000.00 2500.00 Kair / mGy 2000.00 1500.00 1000.00 500.00 0.00 0.00E+00 1.00E+05 2.00E+05 3.00E+05 4.00E+05 DAP / mGy*cm2 5.00E+05 6.00E+05
