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

2. 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

3. Građa atoma
Jezgra
Neutroni +
Protoni
Elekroni
(Elektronski oblak)

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

5. 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

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

7. 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)

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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?

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

13. 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

14. 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.

15. 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

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

17. 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.

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

19. Tvorba para elektron-pozitron
Pozitron (+) naboj
Energija fotona = 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

20. Interakcija fotona s tvari- ovisnost o energiji i atomskom broju10 -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

21. Atenuacija i apsorpcija
Geometrija uskog snopa

22. 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

23. 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

24. Zakon obrnutog kvadrata udaljenosti

25. Nastanak i uporaba u medicini
RENTGENSKO ZRAČENJE
Nastanak i uporaba u medicini

26. Povijest
W.C.Röntgen
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 snimio ruku dekana Würtzburgškog fakulteta
Nature, Jan
Science, Feb
Arch. Clin.Sciangraphy, May Arch of röntgen ray

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

28. 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

29. 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.

30. 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

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

33. KLASIČNO SNIMANJE S UPORABOM KONTRASTA

35. 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

37. 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

39. 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)

40. 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

41. ...ignorance ...inexperience

46. 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.

47. 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

48. 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

49. 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.

50. 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

51. 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

52. 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

53. 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

54. Tkivni težinski koeficijenti, wT

55. 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

56. Primjer:

57. Osnovni principi zaštite od zračenja
Optimalizacija
Opravdanost
Ograničenje

58. 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.

59. 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