IAEA International Atomic Energy Agency Радиационная защита в диагностике и интервенционной радиологии Л5: Взаимодействие излучения с веществом Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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 2

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Обзор Ознакомление с основами радиационной физики и процессом формирования рентгеновского изображения 3

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 1: Введение в структуру атома Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Спектр электромагнитного излучения eV keV Ангстрем КэВ Рентгеновское и гамма-излучение УФИК вид. свет E ИК: инфракрасное, УФ = ультрафиолетовое 5

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Структура атома Структура ядра Протоны и нейтроны = нуклоны Z - число протонов с положительным электрическим зарядом (1, Кл) 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 6

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 2: Величины и единицы измерений Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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 8

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Величины и единицы измерения Электрон-Вольт [эВ]: 1, Дж 1 кэВ = 10 3 эВ 1 мэВ = 10 6 эВ Эл. заряд электрона: 1, Кл Масса протона: 1, кг 9

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Характеристики атома A, Z и связанные величины ВодородA = 1Z = 1E K = 13,6 эВ Углерод A = 12 Z = 6 E K = 283 эВ Фосфор A = 31Z = 15E K = 2,1 кэВ ВольфрамA = 183 Z = 74E K = 69,5 кэВ Уран A = 238Z = 92E K = 115,6 кэВ 10

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 3: Генерирование тормозного излучения Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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. 12

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Электроны бомбардируют ядро NN n(E) E E1E1 E2E2 E3E3 n1n1 n3n3 n2n2 E1E1 E2E2 E3E3 n1E1n1E1 n2E2n2E2 n3E3n3E3 E E max Спектр тормозного излучения 13

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Взаимодействие электронов с ядром (II) С материалами, имеющими высокий атомный номер потери энергии больше Энергия теряется при тормозном излучении > 99% кинетической энергии переходит в тепло. Потери увеличиваются при увеличении энергии электронов Рентгеновское излучение в основном является тормозным 14

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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 15

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Спектры тормозного излучения dN/dE (спектральная плотность) dN/dE При тонкой мишени E E0E0 EE0E0 E 0 = энергия электронов, E = энергия эммитир. фотонов При толстой мишени 16

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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 E кэВ Тормозное излучение после филь- трации кэВ 17

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Ионизация и перенос связанной с ней энергии Пример: электроны в воде энергия ионизации: 16 эВ для 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 18

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 4: Характеристическое рентгеновское излучение Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Спектральное распределение характеристического излучения (I) Генерируется при выбивании электрона в основ- ном с К уровня ( или L, M,…) при ионизации Электроны с 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 20

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом L K M N O P Энергия (эВ) L L L K 1 K 2 K 1 (кэВ) Спектральное распределение характеристического излучения (II) 21

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 5: Первичная и вторичная ионизация Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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 23

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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 ] 24

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 6: Фотоэлектрический эффект и комптоновское рассеяние Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Фотоэлектрический эффект Падающий фотон с энергией h вся энергия фотона поглощается прочно связанными орбитальными электронами выбивание электрона из атома кинетическая энергия выбитого электрона: E = h - E B Условия: h > E B (энергия связи электрона) Отдача остатка атома Коэффициент ослабления (или взаимодействия) Коэффициент фотоэлектрического поглощения 26

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Факторы, влияющие на фотоэлект- рический эффект Энергия фотона (h ) > энергии связи электрона E B Вероятность взаимодействия уменьшается при увеличении h Наибольший эффект достигается при малых энергиях фотонов Вероятность взаимодействия растёт пропорцио- нально Z 3 (Z: атомный номер) Материалы с высоким Z хорошо поглощают рентгеновское излучение 27

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Комптоновское рассеяние Взаимодействие между фотонами и электронами h = E a + E s (энергия сохраняется) E a : энергия передаётся атому E s: энергия рассеянного фотона Сохранение момента при угловом рассеянии При малой начальной энергии большая её часть рассеивается например: E s > 80% (h ) если h

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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. ослабления почти не зависит от Z он пропорционален плотности электронов в материале слабо изменяется при увеличении атомного номера (Z) 29

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 7: Ослабление пучка излучения и слой половинного ослабления Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Закон экпоненциального ослабле- ния излучения (I) Любое взаимодействие изменение энергии и/или направления фотонов Учёт всех эффектов: Комптона, фотоэлектрического… dI/I = - dx I x = I 0 exp (- x) I: число фотонов на единицу площади в секунду [с -1 ] : коэффициент линейного ослабления [м -1 ] / [м 2.кг -1 ]: коэф. массового ослабления [кг.м -3 ]: плотность материала 31

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Коэффициенты ослабления Линейное ослабление зависит от: характеристик материала (плотность ) Энергии пучка фотонного излучения Массовый коэф. ослабления: / [м 2 кг -1 ] / одинаковый для воды и пара (разный ) / похожий для воздуха и воды (разный µ) 32

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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 33

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Слой половинного ослабления (СПО) СПО: толщина, уменьшающая интенсивность излучения на 50% Определение подходит для моноэнерг. пучка Неоднородный пучок становится жёстче I/I 0 = 1/2 = exp (-µ СПО) СПО = 0,693 / µ СПО зависит от материала и энергии фотонов СПО характеризует качество излучения фильтрафия изменяет качество излучения СПО (после фильтра) СПО (перед фильтром) 34

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Взаимодействие фотонов с материей Фотоны аннигиляции Падающие фотоны Вторичные фотоны Вторичные электроны Рассеянные фотоны Эффект Комптона Фотоны флюоресценции Характеристическое излучение Электроны отдачи Электронные пары E > 1,02 мэВ Фотоэлектроны (Фотоэлектрический эфф.) Не взаимодействующие фотоны (упрощённое представление) 35

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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 вещества увеличивают фотоэл. поглощение высокий Z (Барий 56, йод 53) использование фотоэлектрического поглощения в радиационной защите пример: свинец (Z = 82) для фотонов (E > 0,5 мэВ) 36

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 8: Принципы формирования рентгеновского изображения Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Прохождение и ослабление рентге- новских лучей в теле человека Ослабление рентгеновских лучей: воздух:незначительное кость:значительное из-за относительно высокой плотности (также атомной массы Ca) мягкая ткань (например, мышцы,.. ): близко к воде жировая ткань: меньше,чем в воде лёгкие: слабое из-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) 38

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань 60 кВ - 50 мАс 70 кВ - 50 мАс 80 кВ- 50 мАс 39

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань Улучшение контраста изображения (лёгкие) 40

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань Улучшение контраста изображения (кость) 41

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань 70 кВ - 25 мАс70 кВ - 50 мАс70 кВ - 80 мАс 42

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань 43

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань 44

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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. 45

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Характеристики поглощения излуче- ния йодом, барием и мягкой тканью Йод (кэВ) Коэф. ослабления рентг. излучения (cм 2 г -1 ) Барий Мягкая ткань 46

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Фотоэлектрическое поглощение и рентгеновское изображение В мягкой или жировой тканях( близких по плотности к воде) и в воде при низких энергиях (E< кэВ) Фотоэлектрический эффект преобладает вносит основной вклад в формиро- вание изображений на рентгеновской плёнке 47

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Вклад фотоэлектрического поглощения и комптоновско- го рассеяния в ослабление излучения в воде (мышцах) Всего Комптон. + упругое рассеяние. Фотоэлектр.поглощение (кэВ) Коэф. Ослабления рентг. излучения (cм 2 г -1 ) 48

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Вклад фотоэлектрического поглощения и комптоновско- го рассеяния в ослабление излучения в костях Всего Комптон. + упругое рассеяние. Фотоэлектр.поглощение (кэВ) Коэф. Ослабления рентг. излучения (cм 2 г -1 ) 49

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Проникновение рентгеновского излучения в человеческую ткань Более высокий kVp уменьшает фотоэлектрический эффект Уменьшается контраст изображения Структура костей и лёгких может просматриваться одновременно * Примечание: полости тела могут быть визуализированы с помощью применения контрастных веществ: йода, бария 50

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Влияние комптоновского рассеяния Влияние рассеянного излучения на: качество изображения поглощение энергии в теле пациента поле рассеянного излучения в помещении 51

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Резюме Элементарные частицы, образующие ядро и оболочку атома, могут быть представлены схематически. Существуют различные типы взаимодейст- вий фотонов и электронов с веществом Тормозное и характеристическое 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. 52

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом 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, pp. ISBN Johns HE, Cunningham JR. Solution to selected problems form the physics of radiology 4th edition. Springfield, IL: Charles C. Thomas,

IAEA 5: Взаимодействие излучения с веществом Где получить информацию (2) Wahlstrom B. Understanding Radiation. Madison, WI: Medical Physics Publishing, ISBN Evans RD. The atomic nucleus. Malabar, FL: R.E. Kriege, 1982 (originally 1955) ISBN