RSJE10 Radiografi I Delkurs 2 Strålning och teknik I

Transkript

1 RSJE10 Radiografi I Delkurs 2 Strålning och teknik I Del 1 Joniserande strålning och dess växelverkan Lena Jönsson Medicinsk strålningsfysik Lunds universitet RSJE10 Radiografi I Röntgenbilden Hur olika parametrar påverkar bilden och bildkvaliteten Röntgenröret Hur bilden uppkommer Vad händer i röntgenröret Patientstråldosen Biologiska effekter Parameterar som påverkar

2 Vad ska vi gå igenom? l Olika typer av strålning användning och strålskydd l Röntgenbilden l l Kriterier för en röntgenbild av god kvalitet Digitala bilder i korthet l Röntgenröretet l l l l Dess uppbyggnad Vilka olika exponeringsparametrar kan vi ändra? Hur påverkar detta bilden? Hur påverkar exponeringsparametrarna patientstråldosen? l Optimering undersökningen med avseende på bildkvalitet OCH patienstråldos l Biologiska effekter av joniserande strålning och personalstrålskydd Röntgenstativet Röntgenrör Patient Detektor

3 absorption spridd strålning transmitterad och spridd strålning detektor Röntgenutrustning Siemens Siemens Bildgivande detektorer

4 Översikt röntgenundersökningen Röntgenrör Produktion av strålning Röntgenrörets uppbyggnad och funktion Exponeringsparametrar Patient Bildgivande detektor Strålningens passage genom patienten Strålningens dämpning i patienten Strålningsbiologiska effekter, strålskydd Detektion av strålning Mätning av strålningen Digitala bilder Bildens uppbyggnad Exponeringsparametrars påverkan på bilden Röntgenrör Patient X-son Buköversikt Remitterad bla Bla bla bla bla Patient RIS Radiology Information System Datorsystem som handhar den administrativa delen av en röntgenavdelnings arbete (remisser mm) Bildgivande detektor PACS Picture Archiving and Communication System Lokalt nätverk för kommunikation av bilder, för att betrakta och för att lagra bilder

5 Den digitala bilden l Signal från detektorn l Bildmatris rutnät l Digital bild siffervärden, binära tal l Bilddjup - gråskala Joniserande strålning och radioaktiva ämnen

6 Vad är strålning? Vi kan ju inte förnimma det med våra sinnen! Vad är strålning? Energiavgivare Röntgenstrålkälla Radioaktivt ämne Strålning är energi i rörelse Energimottagare Strålskärm Kroppens vävnader Enskilda celler

7 Energi - vad är det? Energi är allt som kan omvandlas till arbete Energi kan aldrig förstöras, bara omvandlas Lagrad energi frigörs Joniserande och icke-joniserande strålning l Icke-joniserande strålning l Solljus l Radiovågor l Mikrovågor l mm l Joniserande strålning l partikelstrålning l elektromagnetisk strålning

8 Atommodell - elektronskal K-skal L-skal M-skal Atomer Kärnan Protoner och neutroner Elektroner Atomnummer, Z Masstal, A Ämnets kemiska egenskaper bestäms av antalet elektroner. Ostabila ämnen - radioaktiva. Atomen och joniserande strålning Excitation Jonisation l Bindningsenergi den energi som krävs för att frigöra en elektron l Högre bindningsenergi ju närmare kärnan l Joniserande strålning kan tillföra så mycket energi att jonisationer kan ske, dvs en elektron frigörs

9 Joniserande strålning Kan producera joner i det bestrålade materialet Jonisation kan innebära bestående förändringar eller skador hos det som bestrålats t.ex. på DNA - men det behöver inte bli så. En vanlig missuppfattning är att sådant som blir bestrålat också blir strålande. Patienten strålar INTE efter röntgenbestrålningen! Däremot kan föremål kontamineras, smutsas ner med radioaktiva partiklar, och på så sätt bli strålande. Joniserande strålning Elektromagnetisk strålning En vågrörelse Men den kan betraktas som partiklar utan massa ( energipaket ) kallas också fotoner Röntgenstrålning - samma typ som gammastrålning men de uppkommer på olika sätt Gammastrålning Röntgenstrålning Bromsstrålning Karakteristisk röntgenstrålning Annihilationsstrålning Partikelstrålning

10 Vad är skillnaden? Energin! Röntgenstrålning är elektromagentisk strålning Röntgenröret Patient Detektor

11 Joniserande strålning Elektromagnetisk strålning Partikelstrålning Atomära partiklar i rörelse Partiklarna har en massa, dvs de väger något De bär med sig energi i form av rörelseenergi Alfastrålning Betastrålning - elektroner Neutronstrålning Partikelstrålning l Atomära partiklar i rörelse l Partiklar har en massa, dvs de väger något l Partiklarna bär med sig energi i form av rörelseenergi Betasönderfall

12 Joniserande strålning l Joniserande strålning är energi som förflyttas l All strålningsenergi mäts i enheten elektronvolt (ev) l Med en elektronvolt (ev) menas den energi en elektron erhåller då den genomlöper en spänningskillnad på 1 volt l Prefix l k = 1000 (kilo) l M = (mega) l G = (giga) Energi = 0 Elektron Energi = 1 ev + 1V Var träffar vi på strålning? Röntgen Nuklearmedicin ( isotopundersökning ) Strålbehandling Naturlig bakgrundsstrålning Kärnindustrin Radon

13 Årsdoser i Sverige Ca 3 msv/år Mat Kalium-40 i kroppen Medicinsk undersökning Kosmisk strålning Mark och byggnadsmaterial Övrigt Radon i bostäder Ur SSM:s tidning Strålsäkert nr 2, 2010 Höga och låga stråldoser l 0,01 msv - stråldosen vid en tandröntgen l 0,5 msv - årsdosen för vissa sjukvårdsanställda l 1 msv - naturlig bakgrundsstrålning i Sverige l 3 msv - årsdosen för boende i Sverige l 20 msv - max tillåtlig årsdos för vissa anställda l 50 msv - max tillåtlig årsdos för enstaka år l 500 msv biologiska effekter börjar ses l 5000 msv - svår industriolycka (hälften dör) l msv - dödlig stråldos 1 msv = 0,001 Sv (sievert)

14 Stråldoser - personal och patienter Svensk bakgrundsstrålning inkl radon och medicin Naturlig bakgrundsstrålning Nuklearmedicinsk och röntgenpersonal Årlig dosgräns för Arbetstagare (50) 50% chans att överleva en momentan helkroppsbestrålning Flygkabin personal Personal inom kärnkraftsindustrin Patientstråldoser msv/år 5000 msv/undersökning PET CT Nuklearmedicin och konventionell röntgen Radioaktivitet och strålning Ett radioaktivt ämne sönderfaller Förändring av antal protoner och neutroner i kärnan Energi frigörs, d.v.s. det sänds ut joniserande strålning l Partikelstrålning l T.ex. alfa- eller betastrålning l Elektromagnetisk strålning l Gammastrålning Det heter alltså inte radioaktiv strålning! Ämnet är radioaktivt, strålningen är joniserande!!

15 Sönderfallssätt l Vid ett radioaktivt sönderfall ändras atomnummret, Z l Sönderfallssätt l α-sönderfall l β - -sönderfall l β + -sönderfall l Elektroninfångning l Radioaktivt sönderfall beror på obalans mellan antal protoner och neutroner Alfasönderfall gammastrålning/ konversionselektroner γ Tunga kärnor α α-partikeln utgörs av en heliumkärna (2p+2n) Dotterkärnan ev. exciterad vilket ger gammastrålning/konversionselektroner Ex. 238 U, 226 Ra,

16 Betasönderfall gammastrålning/ konversionselektroner γ n p β ν * Neutronöverskott * n p +β - +antineutrino + Q * Dotterkärnan ev. exciterad vilket ger gammastrålning/konversionselektroner * Ex. 32 P, 131 I Atomkärnan Kvarkar Proton: u u d Neutron: u d d

17 Positronsönderfall hν = 511 kev gammastrålning/ konversionselektroner p n β + e + e Annihilation γ * Protonöverskott * Dotterkärnan ev. exciterad vilket ger gammastrålning/konversionselektroner * Ex. 11 C, 13 N, 15 O, 18 F ν * p n + β + + neutrino + Q hν = 511 kev Elektroninfångning gammastrålning/ konversionselektroner γ p n Karakteristisk röntgenstrålning/ Augerelektroner ν * Protonöverskott * p + e - = n + neutrino + Q * Dotterkärnan ev. exciterad vilket ger gammastrålning/konversionselektroner * Ex. 125 I, 111 In

18 Sönderfallssätt och följdreaktioner l Vid sönderfall ändras atomnummret, Z l Sönderfallssätt l α-sönderfall l β - -sönderfall l β + -sönderfall l elektroninfångning l Följdreaktioner l kan ge strålning i form av fotoner eller elektroner l karakteristisk röntgenstrålning l Augerelektroner l gammastrålning l konversionselektroner Karakteristisk röntgenstrålning Karakteristisk röntgenstrålning 4. eller Augerelektron Karakteristisk röntgentrålning är vanligare i ämnen med högt atomnummer (Z) än med lågt atomnummer

19 Gammastrålning l Efter ett radioaktivt sönderfall kan atomkärnan vara exciterad (har överskottsenergi) l Detta kan skickas ut som en foton och kallas då gammastrålning l (Alternativt kan det frigöras en elektron från k- skalet, en konversionselektron) Aktivitet Aktivitet = antalet sönderfallande kärnor hos ett radioaktivt ämne 1 Bq (becquerel) är ett sönderfall per sekund [1 Ci (curie) är 37 miljarder sönderfall per sekund] 1 kbq = 1000 Bq (k - kilo) 1 MBq = Bq (M - mega) 1 GBq = Bq (G - giga)

20 Halveringstid l Halveringstid l Den tid det tar att minska aktiviteten till hälften l Olika radioaktiva ämnen har olika lång halveringstid Procentuell aktivitet Tc-99m sönderfall 100% 80% 60% 40% 20% 99 Tc m : 6.02 timmar 201 Tl: 73 timmar 57 Co: 271 dagar 0% Timmar Växelverkan

21 Växelverkan l Ömsesidig påverkan l Strålningen påverkar materialet och materialet påverkar strålningen l Strålningens energi och riktning påverkas l Partiklar kan stoppas l Fotoner kan dämpas (färre och med lägre energi) l I vävnad kan celler påverkas och eventuellt skadas Växelverkan l Ömsesidig påverkan l Strålningen påverkar materialet och materialet påverkar strålningen l Strålningens energi och riktning påverkas l Partiklar kan stoppas l Fotoner kan dämpas (färre och med lägre energi) l I vävnad kan celler påverkas och eventuellt skadas

22 Växelverkan l l Ur Nationalencyklopedin Växelverkan, allmän term som anger ömsesidig påverkan mellan två eller flera föremål eller skeenden. l l Inom fysiken är växelverkan en sammanfattande term för processer som orsakar förändringar för ett fysikalisk objekt som följd av påverkan från ett annat och är i många fall liktydigt med kraftverkan. I fysiken kännetecknas växelverkan på grundläggande nivå av utbyte av energi, rörelsemängd och/eller någon annan fysisk storhet mellan partiklar och därmed allmänt mellan materiella objekt och/eller fysiska fält. Växelverkan laddade partiklar l Alfa-partiklar l växelverkar genom att jonisera och excitera materialets elektroner l Tätjoniserande l begränsad räckvidd l rakt spår l kort, väldefinierad räckvidd l Energi: 6 MeV => räckvidd i vatten ca 0.05 mm Spår från alfapartiklar I/I 0 Tjocklek, d

23 Växelverkan laddade partiklar l Elektroner (Beta-partiklar) l växelverkar genom att jonisera och excitera materialets elektroner l samt med bromsstrålning l är glesjoniserande l begränsad räckvidd l ger krokigt spår l har större räckvidd än alfapartiklar l Energi: 2 MeV => räckvidd i vatten ca 10 mm I/I 0 Stopp Start tjocklek, d Betapartiklars (elektroners) räckvidd Radionuklid Max energi Räckvidd i luft Räckvidd i (kev) (mm) vatten (mm) 3 H C P

24 Bromsstrålning (röntgen) l Elektronerna producerar fotonstrålning då de växelverkar med atmokärnan e - l Ökad sannolikhet vid l Högt atomnummer (Z), t.ex. bly, wolfram l Hög elektronenergi Bromsstrålning Fotoners växelverkan l Fotoner växelverkar genom att jonisera och excitera atomer l Attenuering, dämpning av strålningen (inte begreppet räckvidd) l Strålningens intensitet avtar exponentiellt med tjockleken av ett material l Fotonstrålningen dämpas mer i ett material med högt Z och högre täthet I 0 d I I/I 0 tjocklek, d

25 20 Fotonenergi l Högre rörspänning (kv) ger l Högre elektronenergi l Större sannolikhet för bromsstrålningsproduktion l Högre fotonenergi l Ökad transmission l Öka energi ger ökad transmission Transmission av fotonstrålning Teoretiskt kan inte fotonstrålning stoppas helt. Man använder begreppet halvvärdestjocklek (HVL): Den tjocklek av ett visst material som behövs för att reducera det infallande antalet fotoner till hälften Strålkvalitet (kv) Betong HVL (mm) Bly HVL (mm)

26 Transmission l NE l transmission, (lat. transmi ssio'översändande'; 'överfart', av transmi tto'skicka över'; 'släppa igenom') l inom fysiken fenomenet att ett material släpper igenom elektromagnetisk strålning. l Då ljus faller in mot ett föremål av materialet sker jämte transmissionen en viss reflexion av ljus i ytan samt absorption inne i materialet. l Transmitterad strålning l den strålning som går igenom ett material utan att påverkas, dvs utan att förlora energi eller ändra riktning Emission l NE l emission (latin emi ssio 'avsändande', av emi tto 'utsända', 'avsända'), utsändande, utsläppande, utgivning. l I fysiken: utsändande av strålning eller partiklar.

27 Absorberad dos l Beror av l Strålslag l Energi l Mängd strålning l Beroende på storleken på den absorberade dosen kan olika biologiska effekter fås t.ex. l Celldöd skador på hud, benmärg, ögonlins... l Cellförändringar som kan leda till cancer Bild 1. Urografi l Vad ser man? l Varför?

28 Varningssymbol Den internationella varningssymbolen för joniserande strålning Skyddat område: Exempelvis konventionell rtg, CT

29 Kontrollerat område: Exempelvis lokaler där interventioner utföres 2.4 Kategorisering av röntgenrum där PCI utförs Lokaler där PCI utförs ska vara kategoriindelade som kontrollerat område. En skylt vid dörren ska visa vilken indelning som gäller. Kontrollerat område innebär att det ska finnas skriftliga instruktioner om vilka rutiner som ska gälla vid arbete i rummet. Det ska även finnas instruktioner för säkerhetsåtgärder vid nödsituationer.