Historie. Charakterisierung der Röntgenstrahlung. elektromagnetische Strahlung Photonenergie: Wellenlänge: ~ pm

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Elisabeth Salzmann
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1 Charakterisierung der Medizinische Biophysik II. 1 elektroagnetische Strahlung Photonenergie: Diagnostik: kev Therapie: 5-20 MeV Wellenlänge: ~ p Photonenenergie: ev ev kev MeV GeV László Seller Wirkungen: Ionisation Luineszenz (Fluoroskopie, Bildverstärker) cheische (z.b. Photo) biologische (Strahlenschädigung) Entstehung: in der Elektronenhülle Typen Bresstrahlung charakteristische Strahlung Historie 1895 Wilhel Conrad Röntgen X-Strahlung (X-ray) 1896 erste edizinische Anwendung 1901 Nobel Preis (erste Nobel Preis in Physik) heute: D Röntgen-CT

2 Entstehung der Entsteht wenn hochenergetische (beschleunigte) geladene Teilchen ihre Energie abgeben. Geräte zur Erzeugung der Röntgenröhre Teilchenbeschleuniger Röntgenröhre (Diagnostik) Teilchenbeschleuniger (Therapie) Die Röntgneröhre

Die Röntgenröhre (1) Anode U Heiz Vakuu Isolator Heizkathode: Heizung (T Erhöhung) Erhöhte therische Energie Elektronen treten aus der Kathode aus.

3 Die Röntgenröhre (1) Anode U Heiz Vakuu Isolator Heizkathode: Heizung (T Erhöhung) Erhöhte therische Energie Elektronen treten aus der Kathode aus. (Glühelektrischer Effekt) Die Röntgenröhre (2) Die Röntgenröhre () U I U I U Heiz U Heiz Anodenspannung(U) (typisch kv): beschleunigt die Elektronen U e = E kin Eleentarladung e=1, C kinetische Energie des beschleunigten Elektrons entsteht wenn die beschleunigten Elektronen auf die Anode prallen. 1. Abbresung (Bresstrahlung) 2. Elektronenausstoß+Elektronenübergang (Charakteristische Str.)

Kinetische Energie Bresstrahlung Photonenenergie (Rtg) Therische Energie Ue λ E kin h f E kin hf c Ue h λ hc λ in Ue c h λ Grenzwellenlänge, Duane-Hunt Gesetz λ hc Ue λ λ in in Konst.

4 Kinetische Energie Bresstrahlung Photonenenergie (Rtg) Therische Energie Ue λ E kin h f E kin hf c Ue h λ hc λ in Ue c h λ Grenzwellenlänge, Duane-Hunt Gesetz λ hc Ue λ λ in in Konst. 120 kv p U nicht SI aber praktische Einheit P in Eissionsspektru der Bresstrahlung U 1 U 2 ax harte weiche Strahlung Anodenspannung in ax E photon härtere Strahlung N photon Leistung P ~ U 2 15 P in Eissionsspektru der Bresstrahlung ax I 1 I 2 U 1 U 2 harte weiche Strahlung Anodenstro in - ax - E photon - härte d. Strahlung - N photon Leistung P ~ I Oh 16

U Heiz Regulierung der Anodenstrostärke U I Leistung der P P (gesate Röntgenleistung) P ( 1, 2 ) ehr Heizung ehr Elektronen treten aus größerer Anodenstro (I=Q/t) in P = c Rtg U 2 I Z Anodenspannung

5 U Heiz Regulierung der Anodenstrostärke U I Leistung der P P (gesate Röntgenleistung) P ( 1, 2 ) ehr Heizung ehr Elektronen treten aus größerer Anodenstro (I=Q/t) in P = c Rtg U 2 I Z Anodenspannung Anodenstrostärke Ordnungszahl des Anodenaterials Konst. (1, V -1 ) Wirkungsgrad der Röntgenröhre Wirkungsgrad c Rtg U UI nützliche Leistung investierte Leistung 2 IZ c Rtg UZ Anodenaterial it hoher Ordnungszahl! Praktisch: Wolfra (Z=74) typisches : 1% 99% Wäre! Z blei =82! Aber: T Sch,W 400 C T Sch,Pb 0 C Entstehung der charakteristischen E kin beschleunigtes Elektron aus der Kathode Ato des Anodenaterials

6 Entstehung der charakteristischen Entstehung der charakteristischen leere Stelle Ato des Anodenaterials Ato des Anodenaterials Entstehung der charakteristischen leere Stelle gefüllt Entstehung der charakteristischen E Ato des Anodenaterials charakteristisches Röntgenphoton hf =E Ato des Anodenaterials ev kev M L L K K Linien

Spektru der charakteristischen Anwendung der

Röntgendiagnostik Ähnlich zur Schwächung der

7 Spektru der charakteristischen Anwendung der charakteristischen E P fast onochroatische U 1 U 2 U 0 L K Linien -Diagnostik (zb.: Maographie) -Strukturanalyse der Materie (Röntgenbeugung) K L Schwächung der Medizinische Biophysik 11 Grund der Röntgendiagnostik Ähnlich zur Schwächung der -Strahlung Schwächungsgesetz: = 0 e -x 0 (Stoff,ρ,) Z (Stoff,) ρ Massenschwächungskoeffizient x

8 Schwächung der 0 Teilprozesse der Schwächung der Photoeffekt 0 /2 Copton Streuung 0 /4 0 /8 0 D 2D D x = + ( + ) unterschiedliche Stoff(Z)- und (oder E ph ) Abhängigkeit Photoeffekt Copton Streuung hf const Z E E kin Photon =const Z starke Z Abhängigkeit! diagn. Bedeutung! Beispiel: 10% Z Erhöhung 110%=1,1 1,1 =1,1 % Erhöhung! bei weicher Strahlung hf E kin hf =const Z /A praktisch unabhängig von Z! zb: C P Ca Pb Z A Z/A 0,5 0,48 0,5 Schwache Wellenlängenabhängigkeit: ~

hf Paarbildung e - E kin e + E kin hf 2 e c 2 1MeV nur bei therap. Rtg. und -Strahlung Photonenenergieabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten [c 2 /g] 0. 0.25 0.2 0.15 0.1 0.

9 hf Paarbildung e - E kin e + E kin hf 2 e c 2 1MeV nur bei therap. Rtg. und -Strahlung Photonenenergieabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten [c 2 /g] E Photon [kev] Wasser Röntgendiagnostische Verfahren Suationsbild Toographisches Bild - Statische Aufnahe (Filaufnahe) - Gleichzeitiges Bild (Fluoroskopie) CT Spezialitäten: Anwendung von Kontrastitteln, Digitalisierung, Substraktion Röntgenbildentstehung Grundprinzip der Röntgenbildentstehung: Unterschiedliche Strahlungsabsorption der verschiedenen Gewebe. 0 x Luft Wechteilgewebe Knochen

Grundprinzip der Suationsaufnahen Absorption von inhoogenen Körper Detektor (fil, ) 2 1 1 0 1 2 2 1 0 e e x x 1 x 2 1 1 e e 2x2 1x1 2x2 ( 1x1 2x 0 0 x Werte sind addiert (suiert) Suationsbild e 2 )

10 Grundprinzip der Suationsaufnahen Absorption von inhoogenen Körper Detektor (fil, ) e e x x 1 x e e 2x2 1x1 2x2 ( 1x1 2x 0 0 x Werte sind addiert (suiert) Suationsbild e 2 ) Photonenenergieabhängigkeit des Massenschwächungskoeffizienten Zusaenfassung der Schwächungsechanisen Massenschwächungskoeffizient [c 2 /g] weiches Gewebe Wasser Knochen Fettgewebe Photonenenergie [kev] Mechanisus Abhängigkeit des Massenschwächungskoeffizienten von E von Z Wichtiger Bereich i Gewebe Photoeffekt ~1 / E ~Z kev Copton- Effekt Nit ab it E unabhängig ~Z/A MeV Paarbildung Nit zu it E ~ Z 2 > 5 MeV Kontrast des Röntgenbildes: Photoeffekt (~Z )

Effektive Ordungszahl Bei Verbindungen oder Mischungen: Z eff n i1 w Z Z i Ordnungszahl von i-ten

=8, w H =0,2 w O =0,8 Z eff 0,2 1 i 0,8 8 i 7,4 Waru die unterschiedliche geweben unterschiedlich

Effektive Ordungszahl der Gewebe Eleent Z in Fettgewebe % Masse in weiche Gewebe in Knochen H 1

007 14,7 Effektive Ordnungszahl: 6 7,4 1,8 Kontrast bei der Röntgenaufnahe Ein Beispiel Schwächung

11 Effektive Ordungszahl Bei Verbindungen oder Mischungen: Z eff n i1 w Z Z i Ordnungszahl von i-ten Atotyp w i Elektronenzahlverhältnis zb: Wasser H 2 O 10 Elektronen: 2 von H, 8 von O Z H =1, Z O =8, w H =0,2 w O =0,8 Z eff 0,2 1 i 0,8 8 i 7,4 Waru die unterschiedliche geweben unterschiedlich absorbieren? Effektive Ordungszahl der Gewebe Eleent Z in Fettgewebe % Masse in weiche Gewebe in Knochen H 1 11,2 10,2 8,4 C 6 57, 12, 27,6 N 7 1,1,5 2,7 O 8 0, 72,9 41 P Ca ,7 Effektive Ordnungszahl: 6 7,4 1,8 Kontrast bei der Röntgenaufnahe Ein Beispiel Schwächung durch Photoeffekt:, Knochen Zeff, Knochen 1,8 Z 7,4, weichesgewebe eff, weiches Gewebe 6,5 Schwächung durch Copton Streuung:, weichesgewebe 1 ist Z unabhängig!, Knochen = ρ ρ wg = 1.05 ρ Knochen = 1,7..1,8 wenn,wg =,K

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