X ISINLARI ABSORBSIYON VE SACILMA

RÖNTGEN FİZİĞİ
X-Işınları
Absorbsiyon ve saçılma
Doç. Dr. Zafer KOÇ
Başkent Üniversitesi Tıp Fak
ABSORBSİYON VE SAÇILMA
X-ışınları maddeyi (hastayı) geçerken enerjileri
absorbsiyon (soğurulma) ve saçılma nedeniyle
azalır
Vücut yapılarında değişik oranlarda oluşan
absorbsiyon nedeniyle filmin üzerine değişik
enerji düzeylerinde ulaşan ışınlar, filmde objenin
bir gölgesi şeklinde görüntü oluştururlar
Absorbsiyon görüntü kontrastının esasıdır, fakat
hastanın aldığı dozu da arttırır
Saçılma ise fotonların atomların elektronları ile
etkileşimi sonucu yön değiştirmesidir
Saçılma görüntü kontrastını düşürür ve hastanın
aldığı dozu artırır
ABSORBSİYON VE SAÇILMA
Absorbsiyon ve saçılmanın iyi anlaşılması, görüntü
kalitesi ile hastanın aldığı doz arasında bir denge
oluşturulabilmesini sağlar
Amaç hastanın aldığı dozu en düşük değerde tutarak
en kaliteli görüntüyü elde etmektir
Uygulanan tüp voltajı kesildiğinde, tüpten çıkan
ışınlar da sonlanır
Üretilen x-ışını yayılırken enerjisi, uzaklığın karesi
ile orantılı olarak azalırken ayrıca etkileştiği
maddelerde absorbsiyona bağlı azalır ve hızla yok
olur
Bu nedenle radyoaktif maddelerle çalışılan nükleer
tıp ve bir kısım radyoterapi ünitelerinden farklı
olarak x-ışını kullanan tüm radyoloji birimlerinde
ortamda radyasyon sadece tetkik esnasında bulunur
ABSORBSİYON
Bir röntgen tetkikinde absorbsiyon, görüntünün
oluşmasında istenen bir etkileşimdir
Görüntü, dokular arasındaki absorbsiyon
farklılıkları sayesinde oluşturulur
Absorbsiyon faklılıklarının film üzerine en iyi
şekilde düşürülmesi için doz seçimi çok önemlidir
Verilen dozun yüksek olması tüm görüntünün
siyah olmasına (sert film), düşük doz verilmesi
ise görüntünün beyaz olmasına (yumuşak film)
neden olur
Bu nedenle bir radyografide kaliteli görüntü
elde edilmesi uygun dozun verilmesi ile mümkün
olabilmektedir
Absorbsiyon ve saçılma
A:Elektrona çarptıktan sonra tüm
enerjisini vererek absorbe olan
x-ışını
B:Vücudu herhangi bir etkileşim
olmadan geçerek film ya da
ekran üzerine düşen ve görüntü
oluşturan x-ışını
C:Elektrona çarparak enerjisini
kısmen kaybeden ve yön
değiştirerek saçılan x – ışını
Absorbsiyonu etkileyen faktörler
Absorbsiyon formülü
Absorbsiyonu etkileyen faktörler
Atom numarası yüksek olduğunda, atomun
yörüngesinde daha fazla elektron
bulunacağından, daha çok etkileşim olacak ve
absorbsiyon daha fazla olacaktır
Dalga boyu, ışının enerjisi ile ters orantılıdır.
Kullanılan ışının enerjisi arttıkça absorbsiyon
azalmaktadır. Yani x-ışını enerjisi, absorbsiyonu
ters orantılı olarak etkilerken, dalga boyu,
doğru orantılı olarak etkilemektedir
Doku kalınlığı doku yoğunluğu
Doku kalınlığı arttıkça ışın ile madde etkileşimi
arttığı için absorbsiyon da artar
Pratikte insan vücudu doku yoğunluğu ortalama 1
kabul edildiğinden yoğunluğun etkisi çok azdır
Ancak akciğer gibi hava içeren oluşumlarda gazın
yoğunluğu yumuşak dokulara göre yaklaşık 770
kat düşük olduğundan, absorbsiyon önemli oranda
azalır
Bir el grafisinde aynı kalınlıkta olan kemik ve
yumuşak dokular kıyaslandığında, kemik daha
beyaz görülürken, akciğer grafisinde kalbin
kostalara göre daha beyaz görülmesinin nedeni,
doku kalınlığının fazla olmasıdır
Absorbsiyon ve saçılma
A:Elektrona çarptıktan sonra tüm
enerjisini vererek absorbe olan
x-ışını
B:Vücudu herhangi bir etkileşim
olmadan geçerek film ya da
ekran üzerine düşen ve görüntü
oluşturan x-ışını
C:Elektrona çarparak enerjisini
kısmen kaybeden ve yön
değiştirerek saçılan x – ışını
SAÇILAN RADYASYON
X-ışınları objeyi geçerken oluşan saçılan
radyasyon sekonder radyasyon olarak da
adlandırılır
X-ışınlarının saçılması büyük oranda
Compton olayı ile, çok az bir kısmı ise
klasik saçılma şeklinde olmaktadır
Enerjileri azalmış ve yönleri değişmiş
radyasyonlar, saçılan ışınlardır
Rutin
radyolojide
hastadan
çıkan
fotonların %50-90’ını oluşturur
SAÇILAN RADYASYON
Saçılan radyasyon tanısal radyolojide film
kalitesini olumsuz etkileyen istenmeyen bir
durumdur
Tanısal değeri olmayan ışınların görüntü üzerine
düşmesine ve görüntü üzerinde genel bir
siyahlaşmaya / bulanıklaşmaya neden olur
Kalın vücut bölgelerinde ve geniş ışınlama alanı
kullanıldığında daha çok görülen saçılma,
koruyucu önlem almayan radyasyon çalışanının
gereksiz radyasyon almasına neden olur
Radyolojik tetkik esnasında röntgen tüpünden
çıkan ışınlar, doğrultularını değiştirmediklerinden
ortamda bulunan çalışanlar için asıl radyasyon
kaynağı hastadan saçılan ışınlardır
Saçılan radyasyonu etkileyen
3 ana faktör vardır
1. kVp
2. Obje/doku kalınlığı
3. Alan büyüklüğü
Her
üçünün
de
arttırılması
saçılan
radyasyonu artırır
Obje kalınlığı ve alan büyüklüğü kısmen
kontrol edilebilir
kVp kontrol edilebilen faktördür ancak bunun
da azaltılması hastanın aldığı radyasyonu
arttırmaktadır
KİLOVOLTAJ
Enerji arttırıldıkça Compton etkileşim ve
saçılan radyasyon artar
Tüm radyografik çalışmaların olabildiğince
en düşük kVp ile alınması saçılmayı en aza
indirir ve görüntü kalitesinin yüksek
olmasını sağlar
Fakat kVp düşürülürken mAs artırılır
Bu, ışınların absorbsiyonunu artırır ve
sonuçta hastanın aldığı doz artar
ALAN BÜYÜKLÜĞÜ (KOLİMASYON
ALANI)
Işınlanan alanın küçük olması küçük bir hacmin xışını almasını sağlar ve bu nedenle saçılan foton
sayısı azalır
Alan genişledikçe saçılan radyasyon önce hızla
artar sonra plato yapar.
Alanın daha fazla genişletilmesi filme ulaşan
saçılan radyasyon sayısını etkilemez olur.
Saçılan radyasyon arttığı halde filme ulaşma
miktarı değişmez, çünkü filme ulaşmak için
yeterli enerjiye sahip değillerdir.
Tanısal radyolojide kolimasyon alan büyüklüğü
~ 30x30 cm dir.
OBJENİN KALINLIĞI
Obje kalınlığının artması saçılan radyasyonu
arttırır ama üst kısımlardaki saçılan radyasyonun
enerjisi filme ulaşacak miktarda değildir
Vücudun kalın bölgelerinde, ince kesimlere oranla
daha fazla Compton saçılma olur
İnce kesimlerin radyografik görüntüleri, saçılma az
olduğundan, daha detaylı ve net olarak görülür
3 cm kalınlıktaki ekstremitenin 70 kVp ile
ışınlanmasında saçılan radyasyon %45, 30 cm’lik
abdomende hemen hemen % 100’dür
Hasta kalınlığı her zaman kontrol edilemez
Kompresyonlu çalışmalarda, doku kalınlığı kısmen
azaldığı için saçılma azalır
DİFERANSİYEL ABSORBSİYON
X-ışınları madde ile 5 şekilde etkileşir ancak
bunlardan tanısal radyoloji için önemli olan Compton
etkisi ve fotoelektrik etkidir
Ancak bu etkileşimler dışında 3. tip x-ışını ise objeyi
(vücudu) geçip duyarkata (filme) ulaşır.
Fotoelektrik etki ile absorbe edilen, yani filme
ulaşmayan x-ışınları ile filmde beyaz dansiteler
oluşur. Bu yapılara radyoopak yapılar denir
X-ışını geçiren yapılara da radyolusent yapılar denir
Görüntünün bu şekilde filme ulaşan, ulaşmayan ve
saçılan x-ışınlarından oluşması özelliğine diferansiyel
absorbsiyon denir
DİFERANSİYEL ABSORBSİYON
kVp azaltıldıkça diferansiyel absorbsiyon artar
Ancak belirli bir optik dansiteyi elde etmek için daha fazla
sayıda x-ışını gerekir Bu nedenle mAs yi artırmak gerekir
bu da hastanın aldığı dozu artırır
X-ışını enerjisi arttıkça madde ile etkileşimi azalır. Daha
çok x-ışını filme ulaşır
Düşük enerji düzeylerinde fotoelektrik etki daha fazla
Yüksek enerji düzeylerinde Compton saçılma daha fazla
oluşur
Madde atom no arttıkça fotoelektrik etki artar. X-ışınının
dokudan geçişi azalır
Compton etki madde atom no dan bağımsız olarak
gerçekleşir
Maddenin dansitesi arttıkça hem Compton etkisi hem de
fotoelektrik etki artar. X-ışınının dokudan geçişi azalır
RADYASYONUN ZAYIFLAMASI
(ATTENÜASYON)
Zayıflama (attenüasyon), maddeyi geçerken x-ışını
demetinin intensitesinin azalmasıdır
Bu azalma fotonların enerjisini maddenin atomlarına
aktarması yani soğurulma (absorbsiyon) veya ışın
demetinden ayrılma (saçılma) şeklinde olur
Hastaya ulaşan x-ışını fotonları, dokularda attenüe
edilebilir yani zayıflatılabilir veya değişmeden
hastadan geçerler
Geçen fotonların dağılımı attenüe edilen x-ışını
fotonları hakkında bilgi taşımaktadır
Tüm fotonlar hastadan geçse film uniform siyah, tüm
fotonlar attenüe edilse uniform olarak beyaz olurdu
Görüntü oluşumu için dokular arasında diferansiyel
attenüasyon yani farklı zayıflama olması gerekir
RADYASYONUN ZAYIFLAMASI
(ATTENÜASYON)
X-ışını intensitesi, demetteki fotonların sayı ve
enerjisi ile ilişkilidir
X-ışını demeti polikromatiktir ancak attenüasyonu
daha iyi anlamak için zayıflama olayı incelenirken xışını demetinin monokromatik olduğu varsayılır
Monokromatik radyasyonda tüm x-ışını fotonlarının
enerjisi eşittir, şiddetteki değişiklik sadece sayı ile
ilgilidir
Monokromatik radyasyonun attenüasyonu eksponansiyeldir
yani maddeden geçerken belirli bir kalınlık için hep
aynı miktarda zayıflatılırlar
Ör: suyun bir cm kalınlığı x-ışını foton sayısını %20
attenüe ederse başlangıçtaki 1000 foton ilk cm’de
800, ikinci cm’de 640, 3. cm’de 512, 4. cm’de 410
şeklinde attenüe edilir
ATTENÜASYON
KATSAYISI
Belirli kalınlıktaki maddenin x-ışını
miktarında yaptığı zayıflamanın yani
attenüasyonun ölçümüdür.
Bu katsayı çizgisel attenüasyon ve
kütle attenüasyon katsayısı olarak
incelenir.
ÇİZGİSEL ZAYIFLAMA
(ATTENÜASYON) KATSAYISI
ÇZK dokuyu geçen x-ışını demetinden birim
mesafede eksilen foton bölümüdür ve yüzde
olarak 1/cm (% cm-1) şeklinde ifade edilir
Zayıflamadan fotonun doku ile etkileşim şekilleri
sorumludur. Ve genellikle dokunun atom numarası
ve fiziksel yoğunluğu (dansitesi) arttıkça artar
Bir x-ışını fotonunun madde ile etkileşim olasılığı
maddede karşılaşacağı atom sayısına bağlıdır
Maddenin birim hacmindeki atom sayısı arttıkça
dansitesi (yoğunluğu) artar
Çizgisel zayıflama değeri soğuran maddenin
dansitesine ğöre değişir. Ör akciğerin komprese
olması ya da genişlemesi ile dansitesi (Q)
değişeceği için zayıflama katsayısı (µ) da değişir
ÇİZGİSEL ZAYIFLAMA
(ATTENÜASYON) KATSAYISI
Monokromatik (monoenerjetik) x-ışını
eksponansiyel şekilde absobe edilir
N = N0. e-µt
N= Geçen foton sayısı N0= x-ışın demetindeki
foton sayısı
e= doğal log tabanı
µ=(cm-1)zayıflama katsayısı t=geçilen doku kalınlığı
0.01/cm (0.01 cm-1) zayıflama katsayısı, x-ışını
demetindeki fotonların dokuyu geçerken 1 cm lik
mesafede % 1 inin absorbsiyon ve/veya saçılma
nedeniyle eksildiğini, % 99 unu yoluna devam
ettiğini anlatır
Zayıflama katsayısı fotonun enerjisinin bir
fonksiyonudur. Örneğin yumuşak dokuda µ, 30
keV de 0.38 cm-1, 60 keV de 0.21 cm-1,;
kemikte ise 30 keV de 0.6 cm-1, 60 keV de ise
0.45 cm-1 dir
KÜTLE ZAYIFLAMA
(ATTENÜASYON) KATSAYISI
Kütle zayıflama katsayısı, çizgisel zayıflama katsayısının
(µ) maddenin yoğunluğuna (dansitesine = p) bölünmesi ile
elde edilir ( µ / Q). Birimi cm2 / gr dır
Kütle zayıflama aşağıdaki formüle göre gerçekleşir
N = N0. e- (µ/Q/Qx)
Qx=Birim alanın kütlesi (gr/cm2) = kütle kalınlığı, alansal
kalınlık
Kütle zayıflama katsayısı maddenin yoğunluğundan
bağımsızdır. Ör: suyun, buzun ve su buharının çizgisel
zayıflama katsayıları farklı olmasına rağmen kütle
zayıflama katsayıları birbirine eşittir
Tanısal radyolojide foton enerjisi arttıkça zayıflama
azalır. Bu kural, yüksek atom numaralı maddelerde K
yörüngesindeki elektronların bağlanma enerjileri
seviyesinde bozulur. Fotonun enerjisinin artmasıyla hızla
azalan zayıflama eğrisinde bu enerji seviyelerinde keskin
pikler görülür. Artan fotoelektrik olaya bağlı yoğun
absorbsiyon artışlarını gösteren bu piklere k-edge veya
absorbsiyon edge adı verilir.
YARI DEĞER KALINLIĞI
Çizgisel ve kütle zayıflama katsayıları, x-ışını
monoenerjitik ise kullanılabilir
Tanıda kullanılan x-ışını demeti polienerjitiktir
Bu nedenle zayıflama dokuyu geçerken ışınların
intensitelerindeki azalma ile belirlenir
Bu azalmanın birimi bir ışın demetinin
intensitesini belirli oranda düşüren maddenin
kalınlığı ile belirtilir. En çok kullanılan oran yarı
değer kalınlığıdır (HVL).
HVL bir ışın demetinin intensitesini % 50
zayıflatan maddenin kalınlığıdır. % 90
zayıflatana ise 1/10 değer kalınlığı denir
YARI DEĞER KALINLIĞI
Monoenerjitik bir ışın demetinde çizgisel zayıflama katsayısı
(µ) ile HVL arasındaki ilişki aşağıdaki formülle belirtilir.
HVL = logc (2)/ µ = 0.693/µ
Ortalama bir diyagnostik x-ışınının enerjisi yumuşak dokuda
yaklaşık 2.5-3.0 cm lik bir HVL değerine sahiptir.
Işın demetinin göğüs rasyodrafisinde %10 u, kranium
radyografisinde % 1 i, karın radyografisinde ise %0.5 i
vücudu geçebilir. Mamografide kullanılan düşük enerjilerde (~
28 kVp) yumuşak doku için HVL değeri yaklaşık 1 cm dir.
Işın demeti maddeyi geçerken polikromatik olduğu için önce
düşük enerjili kısmını kaybeder. Madde içersinde ilerledikçe
düşük enerjili olan kesimini kaybederek yüksek enerjili
kesiminin kalmasına ışın sertleşmesi denir
Pratikte diyagnostik değeri olmayan ve soğurularak hastaya
zarar veren düşük enerjili kesim filtrelerle tutulur
ATTENÜASYONU ETKİLEYEN
FAKTÖRLER
Attenüasyonu etkileyen faktörler,
radyasyonun enerjisi ve maddenin
fiziksel özellikleridir
Maddenin yoğunluğu, atom numarası
ve gm’daki elektron sayısı
attenüasyonu etkiler
Radyasyonun enerjisinin arttırılması
attenüasyonu azaltır
ATOM NUMARASI
Madde atom no arttıkça fotoelektrik etki artar.
X-ışınının dokudan geçişi azalır
Compton etki madde atom no dan bağımsız olarak
gerçekleşir
Sadece yüksek atom numaralı kontrast maddelerde
(iyot ve baryum) hala fotoelektrik etki hakimdir
Fotoelektrik etki x-ışını fotonunu tamamen
ortadan kaldırdığı yani absorbe ettiği için bu etki
x-ışınını daha fazla attenüe etmektedir
X-IŞINI ENERJİSİ
X-ışını enerjisi arttıkça madde ile etkileşimi azalır.
etkileşmeden geçen x-ışını miktarı artar. Daha çok xışını filme ulaşır
Düşük enerji düzeylerinde fotoelektrik etki daha fazla
Yüksek enerji düzeylerinde Compton saçılma daha fazla
X-ışını enerjisi arttıkça fotoelektrik etki Compton
etkisine göre daha fazla azalır Compton etki oranı
artar
Bu kural sadece yüksek atom numaralı maddeler
(kontrast maddeler) için geçerli değildir
Bunun da nedeni K bağlama enerjisidir
Bu maddelerde K bağlama enerjisi yüksek olduğu için
ancak belli bir eşik değerde K elektronu
koparılabilmekte ve dolayısıyla x-ışını enerjisi
arttırıldığı halde attenüasyon artmaktadır
Bu eşik değere “ K sınırı “ denilmektedir
DOKU YOĞUNLUĞU
Yoğunluk birim hacimdeki madde miktarını gösterir
Maddenin yoğunluğu (dansitesi) arttıkça Compton
etkisi ve fotoelektrik etki artar. X-ışınının dokudan
geçişi azalır
Yoğunluk ve attenüasyon arasındaki ilişki çizgiseldir
Yoğunluk iki kat arttırılırsa attenüasyon da iki kat
artar
Kemiğin yoğunluğu yumuşak dokuya göre iki kattır ve
kemikte iki kat fazla x-ışını attenüe edilir
Havanın yoğunluğu yumuşak dokuya göre 773 kat
azdır buna karşılık atom numaları birbirine yakındır
Havalı yapıların filmde görünürlüğünü esas olarak
yoğunluklarının büyük ölçüde farklı oluşu belirler
POLİKROMATİK RADYASYON
Gerçekte x-ışını demetinde farklı enerjilerde
fotonlar bulunur
Genelde polikromatik radyasyon ortalama
enerjisi maksimal enerjisinin yarısı ve 1/3’ü
arasındadır
Örneğin 100 kVp ışın demetinin ortalama
enerjisi 40 kV’dur
Dolayısıyla polikromatik radyasyon maddeden
geçerken sadece miktarı değil kalitesi yani
enerjisi de değişir
Düşük enerjili fotonlar daha hızlı attenüe
edildiği için demetin ortalama enerjisi yükselir
ATTENÜASYON VE DİFERANSİYEL
ATTENÜASYONUN KLİNİK ÖNEMİ
Görüntü oluşumu için diferansiyel yani farklı
attenüasyon gerekir.
Genel olarak radyografik incelemelerde hastaya
ulaşan x-ışını fotonlarından %5’inden azı filme
ulaşır ve bunların da yarısından daha azı filmle
etkileşime girerek görüntü oluşumunda katkı sağlar
Dolayısıyla x-ışını cihazından çıkan x-ışınlarından
%1 kadarı görüntü oluşumunu sağlamaktadır
X-ışınları fazla etkin bir yöntem olmadığı için ışın
demetinin iyi kontrol edilmesi görüntüde çok önemli
rol oynamaktadır
ATTENÜASYON VE DİFERANSİYEL
ATTENÜASYONUN KLİNİK ÖNEMİ
Kaliteli bir film için x-ışını demeti maksimum
diferansiyel attenüasyon sağlamalı yani dokular
arasındaki farklılıklar iyi ortaya konulmalıdır
Düşük enerjili x-ışınları kullanıldığı zaman
fotoelektrik etki artmakta ve dokular arasındaki
farklılık belirginleşmektedir
Fotoelektrik etki atom numarasının 3. kuvveti ile
orantılı olduğundan kemikte fotoelektrik etki
yumuşak dokuya göre yedi kattır. (Kemiğin atom
numarası 13.8, yumuşak dokunun 7.4)
Ancak fotoelektrik etki hastanın aldığı
radyasyonu arttırmaktadır
ATTENÜASYON VE DİFERANSİYEL
ATTENÜASYONUN KLİNİK ÖNEMİ
X-ışını enerjisi arttırıldıkça Compton etki
artmaktadır.
Bu durumda diferansiyel attenüasyon
büyük ölçüde dokular arasındaki yoğunluk
farklılığından kaynaklanmaktadır.
Ancak su ve yağ gibi yoğunluğu ve atom
numaraları birbirinden çok önemli
farklılık göstermeyen yapıların ayırt
edilmesi ancak düşük kVp tekniği ile
mümkün olmaktadır.
Kaynaklar
1.
2.
3.
Bushong SC. Radiologic Science for Technologist:
Physics, Biology and Protection. 9th ed. St. Louis,
Mosby Elsevier, 2008.
Tuncel E. Klinik Radyoloji. Bursa, Nobel & Güneş,
2008.
Kaya T. Temel Radyoloji Tekniği. Bursa, Güneş &
Nobel, 1997.