اثر متقابل اشعه ایکس و ماده
فوتون های اشعة ایکس ممکن است با الکترون های مداری یا هستة اتم ها برخورد نمایند که البته در محدودة انرژی اشعة ایکس تشخیص برخوردها غالباً با الکترون های مداری می باشد. 5 راه اصلی برای برخورد یک فوتون اشعة ایکس با ماده وجود دارد:
1. پراکندگی همدوس Coherent Scattering
2. اثر فتو الکتریک Photoelectric effect
3. پراکندگی کمپتون Compton Scattering
4. تولیدجفت Pair Production
5. تجزیه توسط فوتون Photodisintegration
1- پراکندگی همدوس
برخوردی است که بدون ایجاد هرگونه تغییری در طول موج پرتو، فقط جهت آن را تغییر می¬دهد. این برخورد به 2 صورت پراکندگی تامسون و ریلی وجود دارد.
در پراکندگی تامسون یک الکترون منفرد در برخورد شرکت می نماید و لیکنپراکندگی ریلی از برخورد مشترک با تمام الکترون های یک اتم نتیجه می گردد. درمحدودة انرژی ایکس تشخیص تعداد کمی پراکندگی همدوس رخ می دهد که گرچه موجب مهآلودگی فیلم می شود ولیکن اهمیت چندانی ندارد.
2- اثر فتوالکتریک
در این برخورد یک فوتون تابشی با انرژی کمی بیشتر از انرژی همبستگی یک الکترون لایة k به یکی از الکترون های این مدار برخورد کرده و آن را از مدارش خارج می کند. تمام انرژی فوتون به الکترون انتقال می یابد. این الکترون به صورت فوتوالکترون در فضا رها می شود. جای خالی الکترون در لایة k توسط الکترون از لایة مجاور پر می گردد. این الکترون مداری انرژی به شکل اشعة ایکس از دست می دهد که اشعة ایکس اختصاصی گفته می شود و جزء خصوصیات هر عنصر می باشد. برخورد فتوالکتریک به دو عامل انرژی اشعه و عدد اتمی مادة جاذب بستگی دارد و از نقطه نظر کیفیت تصویر مطلوب می باشد؛ چرا که عالی ترین کنتراست را بدون تولید میزان قابل توجهی از تشعشعات اسکتر تولید می نماید ولی متاسفانه اکسپوژر بیمار در مقایسه با سایر برخوردها بیشتر است.
3- پراکندگی کمپتون
در این برخورد یک فوتون تابشی با انرژی نسبتاً بالا با یک الکترون آزاد از لایة خارجی اتم برخورد کرده و آن را از مدارش خارج می نماید. فوتون مذبور منحرف شده و در جهت جدیدی به عنوان اشعة اسکتر حرکت می نماید. تقریباً تمام اسکترها از این برخورد ناشی می شوند. احتمال وقوع یک برخورد کمپتون به میزان کل الکترون هایی که در یک جسم کاذب وجود دارد متکی می باشد. این برخورد به عدد اتمی مادة جاذب بستگی ندارد؛ ولی به هرحال تحت تأثیر انرژی پرتو و دانسیتة مادة جاذب می باشد.
این دو نوع برخورد در محدودة انرژی پرتوهای ایکس تشخیصی رخ می دهند.
در تولید جفت یک فوتون با انرژی زیاد تحت تأثیر نیروی هستة اتم، انرژی اش به دو ذره تبدیل شده و خود ناپدید می شود. دو ذره، یکی الکترون معمولی و دیگری پوزیترون می باشد. این برخورد با فوتون هایی که انرژیشان کمتر ازmev 02/1 می باشد رخ نمی دهد.
در تجزیه توسط فوتون، هستة یک اتم توسط یک فوتون پرا نرژی تجزیه می شود. قسمت خارج شده از هستة اتم ممکن است یک نوترون یا پروتون، ذرة آلفا و یا یک دسته از ذرات باشد. فوتون می بایست انرژی کافی برای غلبه بر انرژی همبستگی هسته به میزان mev7 تا 15 را داشته باشد.
به طور کلی در انرژی های پائین برخورد فتوالکتریک متداول تر می باشد؛ در حالی که در انرژی های بالا برخورد کمپتون غالب است.
1.4. تولید اشعه ایکس
هنگامی که یک جریان الکترونی با سرعت زیاد به هدف برخورد کند، شتاب خود را از دست داده و با تبدیل انرژی ایجاد اشعه ایکس می کند.
به طور کلی اشعه در اثر دو فرایند تولید میشوند:
1- پدیده ترمزی در این پدیدهالکترونها به دلیل انرژی جنبشی که دارند به داخل اتمهای آند وارد میشوند و تحتتاثیر میدان اتمهای سنگین هدف از مسیر اولیه منحرف شده و دارای تغییر سرعت و کاهشانرژی میشوند. این انرژی به صورت پرتو تابیده میشود. در این فرایند راندمان تولید اشعه بسیار کم و در حدود کمتر از انرژی میباشد. در این طیف ماکزیمم انرژی مربوط به الکترونی است که بیشترین انحراف را توسط هسته داشته و هیچگونه اتلافی در انرژی آن صورت نپذیرفته است. مینیمم انرژی نیز مربوط به مواد جاذب سرراه فوتون ها است که چه کسری از انرژی آنها را جذب کرده اند. قله انرژی نیز مربوط به بالاترین انرژی اعمالی به تیوب است.
2- پدیده تابش اختصاصی: در این پدیده الکترون های تابیده شده از فیلامان به الکترون های مدارهای داخلی اتم های هدف نظیر لایه های و برخورد می کنند و باعث کنده شدن این الکترون ها از مدار مربوطه می شوند و لذا در این لایه یک حفره به وجود می آید. با پُرشدن این حفره توسط الکترون های لایه های بالاتر، اختلاف انرژی دو لایه به صورت فوتون از ماده هدف خارج می شود. طیف اختصاصی برای تنگستن که عنصر سازنده آند در لامپ های اشعه است و می باشد.
اگر شدت باریکه الکترونی را در نظر بگیریم، تولید نور و گرما خواهیم داشت. یعنی در سطح آند از انرژی اولیه باریکه الکترونی تشعشع خواهیم داشت. بعد از فیلتراسیون ذاتی که در اثر پنجره خروج تشعشع صورت می گیرد این شدت به می رسد و در صورت استفاده از فیلتراسیون افزوده این شدت، تا کاهش می یابد. اما همین در صد کم حاوی تعداد زیادی فوتون است مثلاً در یک رادیوگرافی سینه با شرایط معمول در حدود عدد فوتون وجود دارد.
تاثیر انرژی باریکه پرتو بر کیفیت تصویر نهایی: میزان معرف قدرت نفوذپرتو در بیمار و کیفیت تصویر نهایی است. پائین باعث ایجاد کنتراست زیاد و تمایز بهتر بافتهای نرم میشود. به همین دلیل در ماموگرافی از های پائین استفاده میشود.
بالا باعث افزایش انرژی سیم و افزایش میزان نفوذ تشعشع در بافت و کاهشکنتراست میشود.
به طور کمی مقدار اشعه دریافتی در گیرنده تصویر با توان دوم رابطه دارد.
در مورد رابطه با دانسیته تصویر یک رابطه تجربی وجود دارد. اینرابطه بیان میکند که در زیر به ازای هر تغییر، اکسپوژر ما نصف یا دو برابر میشود. در مقادیر بالای این تغییر به ازای هر تغییر رخ میدهد.
تشکیل تصویر اشعه ایکس
عامل تشکیل تصویر، تضعیف متفاوت اشعه ایکس به هنگام عبور از نواحی مختلف بدن (به دلیل اختلاف چگالی و ضریب جرمی در بافتهای مختلف) است.
قانون لامبرت- بیر تضعیف اشعه ایکس را این گونه بیان می کند:
I (z) = I0exp (-µpz) I (z) = شدت
I0 = ایکس شدت اولیه اشعه
µ = ضریب تضعیف خطی
P = چگالی
Z = فاصله بین صفحه منبع و صفحه اندازه گیری
در این رابطه مولد میدان اشعه ایکس یک منبع تک انرژی اشعه ایکس است.
ضریب تضعیف وابسته به انرژی فوتون منبع و عدد اتمی عناصر بافت است.
در محدوده تشخیص (زیر kev 200) سه روش برای تضعیف اشعه ایکس مورد استفاده قرار می گیرد:
1- پراکندگی همدوس، 2- جذب فوتوالکتریک و 3-کامپتون.
• پراکندگی رایلی (همدوس):
به دلیل انحراف باریکه های اشعه ایکس است که از تحریک اتمها (به خاطر پرتو تابنده) و گسیل مجدد امواج نتیجه می شود و در انرژی های کم (زیر kev 50) رخ می دهد.
• جذب فوتوالکتریک:
فوتون اشعه ایکس با جداشدن یک الکترون با پیوند محکم جذب می شود. انرژی جنبشی الکترون به صورت گرما پراکنده می شود و الکترونی از لایه مجاور به جای خالی ایجاد شده می آید. حرکت الکترون با تشعشع فلوئورسنت همراه است. ضریب تضعیف جرمی در این جا متناسب با توان سوم Z است و در انرژی های فوتونی بین 20 تا 50 kev رخ می دهد.
• پراکندگی ناشی از اثر کامپتون:
به علت برخورد بین فوتون اشعه ایکس با یک الکترون آزاد یا با الکترون یک لایه خارجی که پیوند ضعیف تری دارد ایجاد می شود و این برخورد باعث تغییر جهت و کم شدن افت انرژی اشعه ایکس و پراکندگی الکترون است. این پراکندگی اثر مهم در تخریب تصویر دارد و در انرژی های بین kev 50 تا kev 200 رخ می دهد.
اثرÖ فوتوالکتریک در موادی با عدد اتمی پائین و انرژی کم غالب است.
پراکندگیÖ کامپتون در انرژیهای بالا غالب است.
تفاوت در ضریب تضعیف جرمی کنترل کنندهÖ تشکیل تصویر در رادیولوژی است.
برای یافتن یک استخوان شکسته در انرژی های فوتونی متوسط (50 تا kev 70) کار می شود تا اختلاف ضریب تضعیف استخوان و بافت نرم قابل مشاهده باشد. با توجه به قانون لامبرت- بیر استخوان بسیار بیشتر از بافت نرم اشعه ایکس را جذب می کند.
این تفاوتها را با محیط کنتراستی می توان افزایش داد. دو محیط کنتراست مثبت و منفی داریم. محیط کنتراست منفی چگالی و تضعیف جرمی بیشتری دارد. مثل دی اکسیدکربن و هوا (بطن نگاری). در محیط کنتراست مثبت عدد اتمی بالا داریم مثل باریم و ید(آنژیوگرافی).
