OSNOVE RADIOLOŠKE FIZIKE PREDAVANJE ZA STUDENTE MEDICINSKOG FAKULTETA OSNOVE RADIOLOŠKE FIZIKE Doc. dr. sc. Dario Faj

Uvod Predmet predavanja: osnove fizike zračenja Mehanizmi interakcije zračenja s tvari Detektori zračenja Dozimetrijske veličine i jedinice Uređaji Explanation or/and additional information Instructions for the lecturer/trainer

Građa atoma Jezgra Neutroni + Protoni Elekroni (Elektronski oblak)

Građa atoma (nastavak) Atomi su građeni od čestica: Jezgra: Protoni s pozitivnim (+) nabojem Neutroni bez naboja Vanjska ljuska: Elektroni s negativnim (-) nabojem

Radioaktivnost? Neutroni su kao ljepilo koje drži jezgru na okupu Protoni “ne žele” biti zajedno Broj protona i neutrona u jezgri je gotovo isti Ako je taj broj neravnotežan, tada je jezgra nestabilna

Radioaktivnost? Broj protona Z u jezgri određuje vrstu elementa čiji je atom Broj neutrona N u jezgri određuje izotop tog elementa

Radioaktivnost? Primjer: Stabilan vodik Jezgra građena od jednog protona (običan vodik) Jezgra građena od jednog protona i jednog neutrona (deuterij) Nestabilni vodik (radioaktivan) Jezgra građena od jednog protona i dva neutrona (tricij)

Radioaktivnost? Primjer (nastavak): Procesom “radioaktivnog raspada,” nestabilna jezgra s vremenom prelazi u stabilnu ako se oslobodi suviška čestica suviška energije Zračenje (radijacija) je emisija suviška energije ili čestica “Aktivnost” je mjera koliko nuklida se raspada

Ionizirajuće zračenje-čestice Dvije su vrsti ionizirajućeg zračenja: sub-atomske čestice elektromagnetski valovi Sub-atomske čestice su dijelovi atoma alfa (jezgra helija) beta (elektron) pozitron (pozitivni anti-elektron) neutron (čestica jezgre) Razne egzotične čestice pojavljuju se u svemirskom zračenju, a mogu se proizvoditi akceleratorima visokih energija

Ionizirajuće zračenje-elektromagnetski valovi Elektromagnetski valovi jesu: Poput svjetla vidljivi ili nevidljivi kao radio-valovi Emitirani kao paketi energije koje nazivamo “fotoni” (nemaju masu) X-zrake (rendgenske zrake) Gama zrake

Izvor – rentgenska cijev Iz grijane katode izlaze elektroni koje jako električno polje ubrzava prema meti. Snop elektrona usmjeren je dodatnim negativnim elektrodama. U električnom polju jezgara mete elektroni se koče a energija se emitira kao X-kvant. katoda anoda X-kvanti emitirani su iz cijevi kroz prozor, dio slabije apsorpcije, a zatim je snop kolimiran kroz kolimator. Energija?

Elektromagnetsko zračenje Masa = 0 U vakumu putuju brzinom svjetlosti ~ 300,000 km/s Amplituda Duga valnaduljina = niska energija Kratka valna duljina = visoka energija

Ionizirajuće zračenje- gama i X-zrake Gama zrake podrijetlom iz jezgre atoma iz procesa anihilacije elektrona i pozitrona X-zrake podrijetlom iz prijelaza orbitalnih elektrona iz kočenja elektrona visokih energija (i pozitrona) u jakom el. polju omotača jezgre (njemački naziv “Bremsstrahlung”) Fotoni gama i X-zraka imaju dovoljno energije da otkinu elektrone iz atoma ili molekule

Što je ionizirajuće zračenje? Definicija Svaka vrsta zračenja sastavljena od čestica ili fotona koje imaju dovoljno energije za izbacivanje elektrona iz njegove orbite u atomu čime se proizvode ioni.

Interakcija fotona s tvari Četiri su načina interakcije fotona s tvari Koherentno raspršenje (Rayleigh raspršenje) Nekoherentno raspršenje (Compton raspršenje) Discussion of each type is in the following slides. Fotoelektrični efekt Tvorba para

Koherentno raspršenje (Rayleigh raspršenje) + The only change is the direction of the photon. This can only happen in proximity of the nucleus.

Nekoherentno raspršenje (Compton raspršenje) Parcijalni prijenos energije ‘slobodnom’ elektronu + Original photon energy is less. The resulting photon in this picture is not an x-ray.

Fotoelektrični efekt (Nastanak karakterističnih X-zraka) Sveukupna energija fotona prenešena je na jedan atomski elektron + Usually the original photon is absorbed. X-foton

Tvorba para elektron-pozitron Pozitron (+) naboj Energija fotona = 1.022 MeV 511 keV What must the energy of the photon be in order for this to happen? Why must it be this energy? Discuss Einstein’s equation. 511 keV Elektron (-) naboj

Interakcija fotona s tvari- ovisnost o energiji i atomskom broju 10 -2 -1 1 2 Foton energija (MeV) 20 40 60 80 100 Atomski brojr Z Foto-električni efekt prevladava Tvorba para Compton efekt C = = C

Atenuacija i apsorpcija Geometrija uskog snopa

debljina apsorbera za koju je propušteni intenzitet polovina upadnog intenziteta - parametar za određenje tvrdoće polikro- matskoga snopa - tvrđi snop ima veći debljinu poluapsorpcije - prolazom kroz tkivo raste tvrdoća snopa - tvrđi snop je prodorniji; znači manje su vjerojatne interakcije s tkivom

Kontrast I0 I2 I1 dobar kontrast - iznos razlomka 0,1 strukture u tkima razlikujemo prema propusnosti za X-kvante određene energije kontrast je dobar kontrast - iznos razlomka 0,1 poboljšanje kontrastnim sredstvima: barijev jodid I0 I2 I1

Zakon obrnutog kvadrata udaljenosti

Nastanak i uporaba u medicini RENTGENSKO ZRAČENJE Nastanak i uporaba u medicini

Povijest W.C.Röntgen 1845-1923 8.11. 1895. - otkrio dotada nepoznato zračenje slično svjetlu - longitudinalne oscilacije etera ionizira zrak prodire kroz tvari ne otklanja se u električnom i magnetskom polju eksponira film na tkivu stvara opekline u siječnju 1896 - snimio ruku dekana Würtzburgškog fakulteta Nature, Jan. 23 1896 Science, Feb.14 1896 Arch. Clin.Sciangraphy, May 1896 - Arch of röntgen ray

da li je to ruka žene ili šefa svakako je prvi rendgenogram i početak i medicinske dijagnostike

Danas znamo: X - zrake su elektromagnetski valovi nema prirodnih izvora nastaju kočenjem brzih elektrona u električnim poljima teških jezgara ili relaksacijom elektronskog omotača teških atoma izvor - rentgenska cijev u medicini: odnos tkiva prema energiji X-zračenja - razlikovanje tkiva na temelju propuštenih intenziteta - ovisi i o energiji X-zračenja i o vrsti tkiva

Izvor – rentgenska cijev Iz grijane katode izlaze elektroni koje jako električno polje ubrzava prema meti. Snop elektrona usmjeren je dodatnim negativnim elektrodama. U električnom polju jezgara mete elektroni se koče a energija se emitira kao X-kvant. katoda anoda (I) = Wm-2 X-kvanti emitirani su iz cijevi kroz prozor, dio slabije apsorpcije, a zatim je snop kolimiran kroz kolimator.

Klasično snimanje • neoštre slike , pojava polusjene, zbog konačne dimenzije izvora X - snopa - udaljenosti izvora i detektora maksimalna, a objekta detektora minimalna – polusjene najmanje • neoštre slike zbog transmisije sekundarnih fotona Comptonovog raspršenja - olovne rešetke iznad detektora • štetno djelovanje velik ih doza zrač e nja - pojačanja pri zapisu transmitiranog zračenja - fluorescentni slojevi oko filma - elektroničko pojačalo slike - kserografsko bilježenje

Digital Substraction Angiography (DSA) a) obična slika b) uz dodatak kontrastnog sredstva c) razlika slike a) i b)

KLASIČNO SNIMANJE S UPORABOM KONTRASTA

Sloj je podijeljen na volumne elemente - voxel (10 mm3) Sloj je podijeljen na volumne elemente - voxel (10 mm3).Veličina voxela određena je površinom presjeka snopa - razlučivost metode Svaki voxel ima svoj koeficijent apsorpcije. Snop prolazi kroz niz voxela i intenzitet izlaznog snopa je: pixel – element dvodimenzionalne slike sloja; u jedan pixel pohranjuje se podatak iz jednog voxela pa je broj pixela određen brojem voxela

Spiralni CT istodobnom rotacijom rentgenske cijevi i horizontalnog pomaka stola s ispitanikom kod snimanja slojevi se spiralno prekrivaju i to omogućuje otkrivanje veoma malih tvorevina

DETEKTORI ZRAČENJA Part …: (Add part number and title) Module…: (Add module number and title) Lesson …: (Add session number and title) Learning objectives: Upon completion of this lesson, the students will be able to: … . (Add a list of what the students are expected to learn or be able to do upon completion of the session) Activity: (Add the method used for presenting or conducting the lesson – lecture, demonstration, exercise, laboratory exercise, case study, simulation, etc.) Duration: (Add presentation time or duration of the session – hrs) Materials and equipment needed: (List materials and equipment needed to conduct the session, if appropriate) References: (List the references for the session)

Dozimetrijske veličine i jedinice U čovjeka ne postoji osjet kojim bi otkrili izloženost ionizirajućim zračenjima Prva jedinica – biološka (SED – skin erythm doze) 1928 – ICRU –fizikalne jedinice bazirane na ionizaciji tvari

...ignorance ...inexperience

Ekspozicija: X Ekspozicija je dozimetrijska veličina za ionizirajuće elektromagnetso zračenje, zasnovana na činjenici da zračenje proizvodi ionizaciju u zraku. Ova veličina definirana je samo za elektromagnetsko zračenje koje može proizvesti ionizaciju u zraku.

Ekspozicija: X X = dQ/dm Ekspozicija je apsolutna vrijednost ukupnog naboja iona jednog predznakaproizvedenog u zraku kad su svi elektroni nastali interakcijom s fotonima po jedinici mase zraka zaustavljeni u zraku. X = dQ/dm

Ekspozicija: X SI jedinica ekspozicije je coulomb po kilogramu [Ckg-1]. Tradicionalna jedinica bila je Roentgen [R]. 1 R = 2.58 x 10-4 Ckg-1 1 Ckg-1 = 3876 R

Apsorbirana doza, D Apsorbirana doza D, jest energija apsorbirana po jedinici mase. Ova veličina primjenjuje se na sve vrste ionizirajućeg zračenja (a ne samo za elektromagnetsko zračenje, što je slučaj s “ekspozicijom”), te za svaku tvar. D = dE/dm. SI jedinica nazvana je Gray [Gy]. 1 Gy = J/kg. Tradicionalna “stara” jedinica bila je “rad”. 1 Gy = 100 rad.

Biološka efikasnost Biološka štetnost Alfa čestice D=1 Gy Fotoni 1 stanica oštećena 20 stanica oštećeno HT= 20•1Gy = 20 Sv HT= 1•1Gy = 1 Sv

Ekvivalentna doza: H Ekvivalentna doza H T,R je prosječna apsorbirana doza u tkivu T, DT,R, pomnožena s bezdimenzionalnim težinskim koeficijentom zračenja , wR . Da se izbjegne konfuzija s apsorbiranom dozom, SI jedinica ekvivalentne doze nazvana je sievert (Sv). Tradicionalna “stara” jedinca bila je “rem” 1 Sv = 100 rem

Efektivna doza, E Da bi se izrazila kombinirana štetna posljedica stohastičkih učinaka ekvivalentnih doza u svim organima i tkivima ljudskog tijela, ekvivalentne doze za svaki oragan i tkivo pomnoži se s tkivnim težinskim koeficijentom, wT, a svi umnošci se zbroje za cijelo tijelo, te se dobije efektivna doza E

E = T wT.HT Efektivna doza, E E = efektivna doza wT = težinski koeficijent za organ ili tkivo T HT = ekvivalentna doza u organu ili tkivu T

Tkivni težinski koeficijenti, wT

Efektivna doza, E Najvažnija veličina za prosudbu radijacijskog rizika jer prevodi dozu pridjeljenu dijelu tijela u dozu za cijelo tijelo koja daje jednaki štetni učinak (detriment =rizik) Elementi rizika uzeti u obzir jesu (ICRP 60): Vjerojatnost pojave fatalnog tumora Normirana vjerojatnost ne-fatalnog tumora Normirana vjerojatnost izražajnih nasljednih učinaka Skraćenje života ako se štetni učinak pojavi E zavisi o ekvivalentnoj dozi u organu ili tkivu, ali i o specifičnoj osjetljivosti ozračenog organa

Primjer:

Osnovni principi zaštite od zračenja Optimalizacija Opravdanost Ograničenje

Vrste detektora Kemijski detektori: Plinski detektori: Radiografska emulzija Plinski detektori: Ionizacijska komora Proporcionalna komora Geiger-Muller komora Scintilcijski detektori NaI(Tl) i CsI Fotostimulativne tvari Termoluminescentne tvari Poluvodički detektori Silicijevi detektori Type of detectors Chemical detectors: The radiographic emulsion is the first radiation detector used in the history of the use of x rays in medical field. It is based on .. Gas detectors: Gas detectors are based on the ionisation effect of radiation in gases. Applying an electric field charges producted by radiation are collected. The electric signal is amplified and analysed by special designed electronic device colled ‘electrometer’ Ionisation chamber: in this detector the charge produced by radiation is collected on the electroded in manner in order to prevent both the charge recombination and charge multiplication; this detector require a vary sensible and high cost electrometer; ionisation chamber are used for accurate dosimetry. Proportional chamber: an higher electric field than that necessary in the ionisation chamber produce a multiplication of the charge produced by ionising radiation; the electric signal is higher, proportional to the amount of charge produced and a less sophysitcated electrometer is required. The proportional chamber is used to produce portable dosimeters and medium cost dosimeters Geiger-Muller chamber: an higher electric field than that used in the proportional chamber produce an electric discharge (..) in the detector; the electric signal is very high but the information on the energy deposed by the radiation in the gas is lost; these detectors require a very simple and low cost electronic but do not allow to built accurate dosimeters.

Osobni dozimetri Svrha: Način rada: Vrste detektora: Mjerenje osobnih doza: Efektivna doza Parcijalne doze (oko, ruke) Način rada: Integracija doza tijekom vremenskog razdoblja Vrste detektora: Fotografska emulzija Termoluminiscentna tvar Optički stimulirana luminiscencija Poluvodiči Electronic poket dosimeters can have addtional features: Doserate mode Hystory of exposures Audible sounds for dose or doserate over preselected thresholds