ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ ΚΑΙ ΥΛΗΣ

Transcript

1 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ ΚΑΙ ΥΛΗΣ Όταν οι ακτίνες Χ περνούν μέσα από την ύλη (πχ το σώμα του ασθενή) μπορεί να συμβεί οποιοδήποτε από τα 4 φαινόμενα που αναλύονται στις επόμενες σελίδες. Πρέπει να γίνει απόλυτα κατανοητό ότι η εικόνα των οργάνων που απεικονίζονται σε μια ακτινογραφία σχηματίζεται από τα φωτόνια που ΔΕΝ ΦΤΑΝΟΥΝ ΣΤΟ ΦΙΛΜ. Τα φωτόνια δηλαδή που είτε χάνουν τον δρόμο τους (σκεδάζονται) είτε εξαφανίζονται. Τα ΧΑΜΕΝΑ ΦΩΤΟΝΙΑ αυτά σχηματίζουν τις σκιάσεις της ακτινογραφίας, ενώ τα φωτόνια που δεν συναντούν κανένα εμπόδιο και φτάνουν κανονικά στο φίλμ σχηματίζουν τις διαυγάσεις της ακτινογραφίας οι οποίες αντίστοιχούν στο ΤΙΠΟΤΑ. Δηλαδή όσα φωτόνια δηλαδή φτάνουν στο φίλμ μας δείχνουν ότι δεν υπήρχε τίποτα στο δρόμο τους, ενώ όσα φωτόνια δεν φτάνουν στο φίλμ μας δείχνουν ότι υπήρχε κάτι στο δρόμο τους που τα σταμάτησε. Στις παρακάτω σελίδες αναλύονται τα 4 φαινόμενα που μπορούν να εξαφανίσουν ή να αλλάξουν πορεία σε ένα φωτόνιο ώστε αυτό να μην φτάσει στο φίλμ, ή να φτάσει σε άλλο σημείο από εκεί που αναμένεται. 1. ΣΥΜΦΩΝΟΣ ΣΚΕΔΑΣΜΟΣ (Rayleigh): 1. το φωτονιο αλληλεπιδρα με ολοκληρο το ατομο 2. το φωτονιο εξαφανιζεται και τα ηλεκτρονια του ατομου ταλαντωνονται 3. η ταλαντωση των ηλεκτρονιων γενναει ενα νεο φωτονιο ιδιου λ με το αρχικο αλλα με ελαφρα αποκλιση ως προς την κατευθυνση του ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: το αρχικο φωτονιο δεν επηρεαζεται καθολου ως προς το λ αλλα αλλαζει ελαφρα κατευθυνση (σκεδασμος) το ατομο δεν ιοντιζεται. ολα τα ηλεκτρονια παραμενουν στη θεση τους ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΛΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ το φωτονιο προσπιπτει στο φιλμ σε καποιο γειτονικο σημειο απο εκει που θα επρεπε μειωνοντας ελαφρα την ποιοτητα της εικονας ΣΥΜΒΑΙΝΕΙ ΣΥΧΝΟΤΕΡΑ: ΣΕ ΦΩΤΟΝΙΑ kev (μαστογραφια)

2 2. ΣΚΕΔΑΣΜΟΣ COMPTON Κατά τον σκεδασμό Compton τα προσπίπτοντα φωτόνια αλληλεπιδρούν με τα εξωτερικότερα ηλεκτρόνια (σθένους) των ατόμων της ύλης. Το «χτυπημένο» ηλεκτρόνιο εγκαταλείπει το άτομο (ιοντισμός) και το αρχικό φωτόνιο σκεδάζεται (αλλαγή πορείας) με μειωμένη ενέργεια (αυξημένο λ). Οι νόμοι διατήρησης της ορμής και της ενέργειας ισχύουν και η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου είναι ίση με το άθροισμα της ενέργειας του σκεδαζόμενου φωτονίου και της κινητικής ενέργειας του ηλεκτρονίου που απομακρύνεται (η δεσμευτική ενέργεια του ηλεκτρονίου θεωρείται συγκριτικά μικρή και δεν υπολογίζεται). ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: το αρχικο φωτονιο αλλαζει και ως προς το λ και ως προς την κατευθυνση (σκεδασμος) το ατομο ιοντιζεται και παραγεται ένα ταχεως κινούμενο ηλεκτρονιο ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΛΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ το φωτονιο σκεδάζεται με αποτέλεσμα: είτε να προσπιπτει στο φιλμ σε άλλο σημειο απο εκει που θα επρεπε μειωνοντας την ποιοτητα της εικονας είτε να σκεδαστει με μεγαλη γωνία και να μην φθάσει ποτέ στο φίλμ οπότε στο σημείο εκείνο θα αντιστοιχεί σκίαση. Με τον τρόπο αυτό παράγεται η εικόνα των μαλακών μορίων όταν η ενεργεια του φωτονίου είναι από 30 kev έως 30 MeV ΣΥΜΒΑΙΝΕΙ ΣΥΧΝΟΤΕΡΑ: ΣΕ ΦΩΤΟΝΙΑ 30 kev 30 MeV 3. ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Κατά το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, όλη η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου μεταφέρεται σε ηλεκτρόνιο, το οποίο και εγκαταλείπει το άτομο του υλικού με κινητική ενέργεια ίση με την ενέργεια του φωτονίου μείον τη δεσμευτική ενέργεια που είχε το ηλεκτρόνιο στο άτομο. Εκπεμπόμενο είναι συνήθως το ηλεκτρόνιο του οποίου η δεσμευτική ενέργεια ήταν λίγο μικρότερη της ενέργειας του προσπίπτοντος φωτονίου. Η κενή θέση του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου (μένει ιοντισμένο το άτομο) συμπληρώνεται από εξωτερικότερο ηλεκτρόνιο. Η δεύτερη κενή θέση, με τη σειρά της, θα συμπληρωθεί με άλλο ακόμη εξωτερικότερο ηλεκτρόνιο κ.ο.κ. Οι μεταπτώσεις των ηλεκτρονίων συνοδεύονται από εκπομπή ενέργειας, συνήθως με τη μορφή χαρακτηριστικής ακτινοβολίας Χ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: το αρχικο φωτονιο ΕΞΑΦΑΝΙΖΕΤΑΙ. το ατομο ιοντιζεται παραγεται (συνήθως) δευτερογενης χαρακτηριστική ακτινοβολία Χ

3 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΛΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ: Το φωτονιο εξαφανίζεται και αρα δεν φτάνει ποτέ στο φίλμ. Στο σημείο του φιλμ που αντιστοιχεί στο φωτόνιο αυτό δημιουργείται μια σκίαση. Με τον τρόπο αυτόν κυρίως δημιουργείται η εικόνα των σκληρών ιστών (τόσο σε χαμηλές όσο και σε υψηλές ενέργειες φωτονίου) αλλά και των μαλακών ιστων σε χαμηλές ενέργειες φωτονίου (μέχρι 26 kev). Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το πλέον επιθυμητό φαινόμενο αλληλεπίδρασης ακτίνων Χ και ύλης. Το φωτόνιο εξαφανίζεται «αξιοπρεπώς» χωρίς να σκεδάζεται ή να αλλάζει λ και έτσι μας δείχνει ακριβώς που συνάντησε το «εμπόδιο» στο δρόμο του, επιτρέποντας να δημιουργηθεί μια καθαρή εικόνα. ΣΥΜΒΑΙΝΕΙ ΣΥΧΝΟΤΕΡΑ: Η πιθανότητα να συμβεί φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι αντιστρόφως ανάλογη της ενέργειας των φωτονίων. Όταν όμως η ενέργεια φωτονίου συμπίπτει ακριβώς με την ενέργεια δέσμευσης των ηλεκτρονίων της στοιβάδας Κ, L, M, κτλ, τότε η πιθανότητα να συμβεί φωτοηλεκτρικό φαινόμενο αυξάνεται πολύ και στην συνέχεια σταδιακά ξαναμειώνεται. Οι απότομες αυτές κορυφές που φαίνονται στο παρακάτω διάγραμμα ονομάζονται κορυφές απορρόφησης Κ, L και M αντίστοιχα. Πιθανότητα να συμβει φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Κορυφή απορρόφησης Μ Κορυφή απορρόφησης L Κορυφή απορρόφησης Κ Ενέργεια φωτονίου Εδ ηλεκτρονίων L στοιβάδας Εδ ηλεκτρονίων Κ στοιβάδας Εδ ηλεκτρονίων Μ στοιβάδας

4 4. ΔΙΔΥΜΗ ΓΕΝΕΣΗ Ένα φωτόνιο με ενέργεια μεγαλύτερη του 1,022 ΜeV περνάει κοντά από έναν πυρήνα και αληλλεπιδρώντας με αυτόν, το φωτόνιο εξαφανίζεται γεννώντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο. Η ενέργεια του φωτονίου μοιράζεται εξίσου στα δύο νέα σωματίδια. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ Το φωτόνιο εξαφανίζεται Παράγονται ταχέως κινούμενα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΛΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ: Το φωτονιο εξαφανίζεται και αρα δεν φτάνει ποτέ στο φίλμ. Στο σημείο του φιλμ που αντιστοιχεί στο φωτόνιο αυτό δημιουργείται μια σκίαση. Η διδυμη γένεση οδηγεί επίσης σε «αξιοπρεπή εξαφάνιση» του φωτονίου χωρίς σκεδαση και αρα χωρίς αλλοίωση της εικονας. ΣΥΜΒΑΙΝΕΙ ΣΥΧΝΟΤΕΡΑ Η δίδυμη γένεση συμβαίνει μόνο σε πολύ μεγάλες ενέργειες φωτονίων (>1,022MeV) και έτσι δεν αφορά τις συνήθεις ακτινογραφικές τεχνικές.

5 ΦΙΛΤΡΑ ΚΑΙ ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΑ Ακτίνες με «λάθος» πορεία. Απορροφώνται από το διάφραγμα και δεν φτάνουν στον ασθενή ΦΙΛΤΡΟ (ΗΘΜΟΣ): συνήθως από αλουμίνιο. Απορροφά τα φωτόνια χαμηλής ενέργειας που δεν προσφέρουν τίποτε στην ακτινογραφική εικόνα αλλά αυξάνουν άσκοπα την δόση ακτινοβολίας του ασθενή ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΕΣ (ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΑ): αφηνουν να περάσουν μόνο οι ακτινες που εχουν την επιθυμητη κατεύθυνση και στοχεύουν στο σημείο που επιθυμούμε να ακτινογραφήσουμε, απορροφώντας όλες τις υπόλοιπες «άχρηστες» ακτίνες. ΑΝΤΙΔΙΑΧΥΤΙΚΑ ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΑ: Μέσα στον ασθενή οι ακτίνες σκεδάζονται λόγω των φαινομένων αλληλεπίδρασης που περιγράψαμε παραπάνω. Μετά την έξοδό τους από το σώμα περνούν από μια συστοιχία διαφραγμάτων που επιτρέπουν μόνο στις ακτίνες με σχετικά ευθύγραμμη πορεία να περάσουν και να φτάσουν στο φίλμ, ενώ απορροφούν τις ακτίνες με μεγάλη γωνία σκέδασης ΦΙΛΜ: στο φιλμ τελικά φτάνουν μόνο τα φωτόνια με επιθυμητη ενέργεια και κατεύθυνση

6 ΜΗΧΑΝΙΚΟ ΕΜΦΑΝΙΣΤΗΡΙΟ Το ακτινογραφικό φίλμ είναι επιστρωμένο με κρυστάλλους AgBr όπου ο Άργυρος βρίσκεται με τη μορφή Ag+ Στα σημεία του φίλμ που πέφτει ακτινοβολία Χ, ο Ag+ αποκτά την τάση να προσλάβει ηλεκτρόνια και να μετατραπεί σε Ag ο οποίος έχει μαύρο χρώμα. Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε τη δομή ενός μηχανικού εμφανιστηρίου. Το φίλμ μπαίνει από αριστερα (Film in) και παραλαμβανεται και μετακινείται με τη βοήθεια μιας σειράς κιλύνδρων που αποτελούν τα Racks του μηχανήματος. Πρώτα περνάει από το εμφανιστικό υγρό (Developer) το οποίο προσφέρει ηλεκτρόνια στον Ag+ ώστε να μετατραπεί σε Ag και έτσι μαυρίζουν τα σημεία του φίλμ στα οποία έχει πέσει ακτινοβολία Χ. Τα υπόλοιπα παραμένουν διαφανή αφού εκεί ο Ag+ παραμένει αμετάβλητος με τη μορφή AgBr. Στη συνέχεια το φίλμ περνάει από το μονιμοποιητικό υγρό (Fixer) το οποίο διαλύει τους κρυστάλλους AgBr. Έτσι τώρα τα σημεία που έχουν ακτινοβοληθεί είναι μάυρα (διαύγαση) γιατί υπάρχει Ag ενώ τα σημεία που δεν έχουν ακτινοβοληθεί είναι διαφανή (σκίαση) γιατί δεν υπάρχει τίποτα. Στη συνέχεια το φίλμ ξεπλένεται (Wash) και στεγνώνεται (Dry) και τελικά εξέρχεται (Film exit)