Strålingsfysikk. Innhold. Partikkelstråling. Partikkelstråling eksempler. Atomets oppbygning. Modalitetskurset i Radiologi /4 13

Transkript

1 Strålingsfysikk Modalitetskurset i Radiologi /4 13 Caroline Stokke Medisinsk fysiker, PhD Seksjon for diagnostisk fysikk,, OUS E post: carsto@ous hf.no Innhold Hva er stråling? Partikkelstråling og elektromagnetisk stråling Ioniserende stråling Fotoners vekselvirkninger med materie Elektroners vekselvirkninger med materie Hva er egentlig dose? Strålingsbiologi Røntgenrøret Dannelsen av et røntgenbilde Forskjellig røntgenapparatur Dosebegreper Hva er stråling? Partikkelstråling Partikkelstråling: strøm av partikler fra radioaktive kilder eller reaktorer Elektromagnetisk stråling: energi som forflytter seg som elektromagnetiske bølger Atomkjerner eller partikler i bevegelse Partiklene har masse Vil ofte differensieres iht ladning: o Ladde partikler: protoner, elektroner, tyngre kjerner o Nøytrale partikler: nøytroner Atomets oppbygning Partikkelstråling eksempler Et atom består av en kjerne av protoner og nøytroner, med elektroner i elektronskall ( baner ) rundt. α-partikler Skrivemåte: elektroner K L M A Z X Atomvekt = P+N Atomnummer = P positroner Eksempel: 23 Na 11 1

2 Elektromagnetisk stråling Elektromagnetisk stråling Alonso og Finn: Physics, 1995 Transport av energi gjennom rommet ved kombinert elektrisk og magnetisk felt Energien kan overføres til materie ved vekselvirkning Dualistisk natur: kan beskrives både som bølger og partikler Masseløse Bølgemodell: bølgene karakteriseres ved frekvens (svingninger per sekund) eller bølgelengde Frekvens f = v /λ λ = bølgelengden v = hastigheten Konstant hastighet i vakuum v = c = lyshastigheten = 3,0*10 8 m/s λ 1 λ 2 Elektromagnetisk stråling Elektromagnetisk stråling Energi Partikkelmodell: strålingen er diskrete energipakker; fotoner Energi E = h*f = hv /λ h = Plancks konstant = 6,62*10 34 Js λ = bølgelengden v = hastigheten Ioniserende stråling Stråling som har tilstrekkelig energi til å slå bort elektroner i atomer og molekyler som blir truffet Dannes ion atomet/molekylet blir elektrisk ladet Fotoner indirekte ioniserende Partikkelstråling med nok energi direkte ioniserende Fotoner Elektroner Ioniserende stråling Dette kan gi biologiske effekter i celler α-partikler + 2

3 Ioniserende stråling historikk Eksempler på bruk av stråling innen medisin Røntgen: Wilhelm Conrad Röntgen 1895 Naturlig i verdensrommet Radioaktivitet: Henri Becquerel 1896 Marie Curie Finnes også naturlig på jorden Kreftbehandling (stråleterapi) Bildediagnostikk: Røntgen/CT/nukleærmedisin/mammografi ioniserende stråling MR radiofrekvens, ikke ioniserende UL lydbølger, ikke ioniserende Fotoners vekselvirkninger i materiale Attenuasjon Fotonstrålens intensitet reduseres når den passerer gjennom et materiale Attenuasjonen følger formelen I = I 0 e μx der μ er den totale attenuasjonskoeffisienten og x er tykkelsen av materialet Total attenuasjonskoeffisient, μ I = I 0 e μx Den totale attenuasjonskoeffisienten (μ) sier noe om sannsynligheten for interaksjon med et visst materiale μ avhenger av: Strålingen: fotonenergi Materialet: atomnummer (Z) tetthet Vekselvirkninger Fotoner vekselvirker med elektronene og atomkjernene de passerer. Vi har hovedsaklig fire vekselvirkningsprosesser: 1. Fotoelektrisk effekt 2. Compton spredning 3. Koherent spredning 4. Pardannelse 3

4 Total attenuasjonskoeffisient, μ Fotoelektrisk effekt Består av summen av attenuasjonskoeffisientene for spredning (koherent og compton), fotoelektrisk effekt og pardannelse μ = μ PEE + μ koherent + μ compton + μ pardannelse Fotonet vekselvirker med elektron i innerste skall og avgir all sin energi. Fotonet forsvinner og elektronet rives løs fra atomet Atomet har dermed et elektron for lite og blir et positivt ion Fotoelektrisk effekt Sannsynligheten for fotoelektrisk effekt Fotonet må ha høyere energi enn bindingsenergien til elektronet, E B Mest sannsynlig når fotonenergien er litt høyere enn E B μ PEE I etterkant kan et elektron fra ytre skall deeksitere, gir emisjon av såkalt karakteristisk stråling Kan også få emisjon av elektroner fra ytre skall, såkalte Auger elektroner Høy Z Lav Z Curry, Dowdey, Murry: Christensen s Physics of Diagnostic Radiology Spredning Koherent/elastisk spredning: Fotonet endrer retning, uten merkbar endring i energi Comptonspredning Innkommende foton vekselvirker med løst bundet elektron (hν >> E b ) Spredning av foton og elektron Fotonet fortsetter med lavere energi i spredt vinkel. Kan gjennomgå ny vekselvirkning Compton/uelastisk spredning: Elektroner slås ut av banen Fotonet avbøyes og mister energi Foton inn hν Spredt foton hν Raskt elektron T = hν hν 4

5 Comptonspredning Spredte fotoner vil fortsette med mindre vinkel for økende energier Energien til det spredte fotonet bestemmes av energi til innkommende foton og vinkelen det avbøyes i Mer energi tapes ved større vinkel Comptonspredning Eirik Malinen, FYS-KJM4710 H07 Eirik Malinen, FYS-KJM4710 H07 Comptonspredning Sannsynligheten for Comptonspredning Innenfor røntgendiagnostikk vil det spredte fotonet beholde det meste av energien μ compton avhenger av elektron tetthet og energien til det innkommende fotonet. Attix Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry 1986 Koherent spredning Pardannelse Fotonet spres uten å miste energi merkbart Kalles også Thompson spredning, Rayleigh spredning, elastisk spredning Fotonet absorberes i et nukleært felt Det dannes et elektron positron par Attix Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry 1986 μ koherent Krever hν > 2m e c 2 = 1,022MeV 5

6 Total attenuasjonskoeffisient, μ Vekselvirkningsprosesser i karbon og bly Attix Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry 1986 Ioniserende stråling Elektroners vekselvirkninger i materiale Fotoner indirekte ioniserende Kollisjonsprosesser Sekundære elektroner overfører energien sin videre til vev Fotoner Bremsestråling Hva er egentlig stråledose? Fysikkforklaringen Hva er egentlig stråledose? Fysikkforklaringen Avsatt energi per kg vev KERMA (K): Kinetic Energy Released per MAss I røntgendiagnostikk vil denne størrelsen tilnærme dosen Mer generelt uttrykk for dose. 6

7 Strålingsbiologi Biologiske effekter av ioniserende stråling Tilpasset fra: Wolbarst A B et al. Radiology 2010 Biologiske effekter av ioniserende stråling DNA skader Direkte effekter: på biologisk materiale fra noen typer partikkelstråling Indirekte effekter: ionisasjoner og eksitasjoner av vannmolekyler danner radikaler som reagerer med biologisk materiale DNA skader Biologiske effekter av ioniserende stråling Stråleskader på DNA kan resultere i ulike prosesser: Cellen kan repareres Cellen kan repareres med feil Detkan dannes kromosomaberasjoner o Dødelige o Ikke dødelige Det fins to typer stråleskader Deterministiske effekter: fra omfattende celledød, viss terskeldose Stokastiske effekter: fra feilreparasjon av DNA, ingen kjent terskeldose 7

8 Røntgenrøret Røntgenrøret Elektroner løsrives fra katoden Elektronene akselereres i et spenningsfelt mot anoden Elektroner treffer target på anoden og danner røntgenstråling Blykappe Katode (Glødetråd) Filter er materialet mellom anoden og pasienten. Vinduet på røret. Katode Negativ elektrode Filament (tynn, tvunnet Wolframtråd) Elektronkilde elektroner frigis når filamentet varmes opp Positiv elektrode Oftest roterende anode Anode Krav til targetmateriale: Høyt smeltepunkt God varmeledningsevne Høyt atomnummer og tetthet Styrke/seighet I konvensjonelt røntgenutstyr: Wolfram/Rhenium (90%/10%) target I mammografi: Molybden (Mo) og Rhodium (Rh) Røntgenrøret Røntgenrøret ma er strømstyrken i katoden Katode (Glødetråd) Filter er materialet mellom anoden og pasienten. Vinduet på røret. ms er tiden strømmen står på Katode (Glødetråd) Filter er materialet mellom anoden og pasienten. Vinduet på røret. Rørstrømmen, ma (milliampere) bestemmer antall elektroner som beveger seg fra katode til anode økes ved å varme opp filamentet Eksponeringstid, ms (millisekund) hvor lenge rørstrømmen er på 8

9 Røntgenrøret Dannelse av røntgenstråling kv er spenningen mellom katoden og anoden. Røntgenstråling dannes når elektroner i fart bremses i et target (anoden) Katode (Glødetråd) Filter er materialet mellom anoden og pasienten. Vinduet på røret. Rørspenning, kv (kilovolt) spenningsforskjellen mellom katode og anode bestemmer hastigheten til elektronene og dermed energien Hva skjer i anoden? Bremsestråling Dannelse av røntgenstråling kommer av to ulike vekselvirkninger når elektronstrømmen treffer target: 1. Bremsestråling 2. Karakteristisk stråling fra kollisjonsprosesser Høyhastighetselektroner vekselvirker i kjernefeltet. De mister noe av sin energi, som omdannes til fotoner Røntgenrøret omdanner elektrisk energi til røntgenstråling (1 %) og varme (99 %) Bremsestråling Karakteristisk stråling Strålingen inneholder alle energier opp til energien gitt av maks kv Fotoners maksimale energi er lik elektronets energi som er lik rørspenningen kv Intensiteten avhenger av atomnummeret Z Dannes ved kollisjon mellom elektroner og elektroner bundet i det innerste skallet Bundne elektroner slås løs Elektroner fra ytre skall fyller hull og sender ut stråling Energien gitt av anodematerialet teaching.phys.sci.qut.edu.au 9

10 Bindingsenergier for wolfram Filtrering Skall Energi [ev] K L I L II L III M I 2820 M II 2575 M III 2281 M IV 1949 M V 1809 Bearden and Burr, 1967 Det brukes gjerne ekstra filtrering for å fjerne fotoner med lav energi fra strålefeltet I konvensjonelle røntgenrør ø skjer dette på strålefeltets vei ut av røret og i skiver av aluminium og kobber som legges i feltet I mammografi benyttes molybden og rhodium til filtrering Katode (Glødetråd) Filter er materialet mellom anoden og pasienten. Vinduet på røret. Kontinuerlig røntgenspektrum. Bremsestråling Karakteristiske linjer Strålingsspekteret Øker man kv øker man antall fotoner, både med høy og lav energi. I tillegg økes maksimal kvp, og effektiv energi blir høyere. Endring av kv De laveste fotonenergiene blir filtrert bort ved utgangen av røret. Endring av mas Dannelse av et røntgenbilde og ulike typer røntgenapparater Produktet av rørstrømmen (ma) og tiden (ms) kalles mas. Antall fotoner som produseres øker proporsjonalt med mas. Effektiv energi er den samme, men intensiteten på røntgenspekteret økes. 10

11 Bildedannelse Dannelse av et røntgenbilde Muligheter for fotoner som sendes inn mot pasient Transmisjon bildedannelse Absorpsjon dose til pasient Spredning støy Sprawls.org tor Detekt Primær røntgenfotoner Inhomogen energiavsetning i de ulike organer gir kontrast i bildet De transmitterte primærfotonene er bærere av diagnostisk informasjon Spredt stråling gir støy i bildet. Raster reduserer dette Raster Film/folie Svertnings mønster Apparater i røntgendiagnostikk Konvensjonelt utstyr Gjennomlysning Enkelteksponerninger Lave pasientdoser Avbilder tredimensjonale strukturer i 2D God høykontrastoppløsning Dårlig lavkontrastoppløsing Kan følge bevegelser LavmA ma, men lang eksponeringstid Konvensjonelt røntgenutstyr Full digitalt/bildeplater Enkelteksponeringer >bilder Lave pasientdoser God høykontrastoppløsning Dårlig lavkontrastoppløsning CT Volumopptak 3D God lavkontrastoppløsning Rask rotasjonstid og flere detektorer >kort eksponeringstid for store volum Mye diagnostisk info i et skann Høyere pasientdoser Røntgenrør Kollimatorer Filtre DAP Røntgenapparaturen Automatisk eksponeringskontroll (AEC) Ionisasjonskammer etter pasienten kutter eksponeringen når detektoren har fått en viss strålemengde Raster Automatikk Detektor 11

12 Dosearealprodukt, DAP Dose i et punkt multiplisert med bestrålt areal Måles med et ionekammer eller beregnes ut fra eksponeringsparametere Ikke det samme som pasientdose! Sier noe om hvor mye dose røntgenapparatet gir Måles f.eks i Gy*cm 2 rsna2006.rsna.org Gjennomlysningslab Tar dynamiske bildeopptak Til bruk ved: Intervensjonsprosedyrer Angiografi Gjennomlysning ved operasjoner Pulset gjennomlysning Lav ma, men eksponeringstiden er lang Bildeforsterker Flatpanel detektor Pooley et al, RG 2001 Automatikk på gjennomlysningsutstyr Doseratekontroll (ABC) : Justerer kv og ma slik at doserate til detektor er konstant uavhengig av pasientstørrelse og tetthet Strålingsintensitet (kvp og ma) begrenses kvp justeringer mens ma konstant ma justeringer mens kvp konstant Justering av både ma og kvp Pulslengde justeringer Filter CT Snittbilder/ volumskanning Høyere pasientdoser Meget god lavkontrastoppløsning Mye diagnostisk informasjon på kort tid ( 12

13 CTDI vol og DLP CTDIvol : Angivelse av hvor mye dose CT undersøkelsen gir i et tverrsnitt (måles i mgy) DLP (doselengdeprodukt) : CTDI vol * skannlengde (måles i mgycm) Kilde: Kalender, 2000 Dosebegreper Hva er dose? Avsatt energi per kg vev E J D = = Gy m kg Dosebegreper Dosebegreper Absorbert dose: [måles i Gy] Ekvivalent dose: W R Absorbert dose [måles i Sv] w R strålingsvektfaktor = 1 for røntgen, gamma og elektroner = 5 20 for nøytroner = 5 for protoner = 20 for alfapartikler Effektiv dose: E = W T Ekvivalent dose = W T W R Absorbert dose [måles i msv] w R strålingsvektfaktor w T vevsvektfaktor = 0,01 for hud, ben overflater, hjerne = 0,04 for blære, lever, spiserør, skjoldbruskkjertel = 0,08 for gonadene = 0,12 for benmarg, tykktarm, lunger, mage, bryst 13

14 Organer har forskjellig følsomhet for senvirkninger av stråling Effektiv helkroppsdose er summen av den absorberte dosen til de ulike organer, vektet med organenes følsomhet for ioniserende stråling Mål på hvor farlig den enkelte undersøkelsen er Effektiv dose måles i Sievert (Sv) Effektiv dose Vev/Organ w T Rød Beinmarg 0,12 Colon 0,12 Lungevev 0,12 Magesekk 0,12 Bryst 0,12 Resten av kroppen 0,12 Gonadene 0,08 Blære 004 0,04 Spiserør 0,04 Lever 0,04 Skjoldbrukskjertel 0,04 Beinhinne 0,01 Hjerne 0,01 Spytt kjertler 0,01 Hud 0,01 Totalt 1,00 ICRP 103 Naturlig stråling Kosmisk stråling 0,35 msv i året Ekstern gamma stråling 0,55 msv i året Radioaktivitet i kroppen 0,37 msv i året Radon 2,0 msv i året Flyreiser og stråledoser Det tyske laboratoriet Gesellschaft für Strahlenforschung har målt g og nøytronstråling om bord i en rekke Lufthansafly. Total årlig oppholdstid på 600 timer: Gjennomsnittlig flyhøyde meter: 3 msv Gjennomsnittlig flyhøyde meter: 5 msv En 8 timers flytur mellom Europa og USA ga fra 0,04 til 0,065 msv (Tilsvarer 2 3 thorax bilder) * Gjennomsnittlig dose fra naturlig stråling ca. 3,5 msv/år Effektiv dose [msv] Antall røntgen thorax Tid med bakgrunnstråling Thorax 0, døgn L S Columna 1, mnd og 13 døgn Urografi 2, mnd og 27 døgn CT caput 2, mnd og 27 døgn CT urografi 2, mnd og 18 døgn CT thorax 3, år CT colon 4, år 2 mnd 2 døgn CT L S columna 6, år 11 mnd CT abdomen 7, år CT coronar angio 18, år 2 mnd 22 døgn Nefrostomi 1, mnd 12 døgn Varicosele 10, år 10 mnd 24 døgn PTA/stent bekken 33, år 6 mnd 9 døgn Takk for oppmerksomheten! 14