RÖNTGEN CİHAZLARI ve FİZİK PRENSİPLERİ 8 Dr. Erol Akgül Ç. Ü. SHMYO 1. Sınıf

X-IŞINI MADDE ETKİLEŞİMİ

X-IŞINI MADDE ETKİLEŞİMİ 1 Elektromanyetik enerjiler kendi dalga boylarına yakın maddeler ile etkileşime girerler. Metrelerle ölçülen dalga boylarına sahip radyo ve televizyon dalgaları anten denilen metal çubuklarla daha kolay etkileşime girerken, santimetreler civarında dalga boyuna sahip mikrodalgalar hamburger ve köfteleri kolayca etkiler. Görünür ışık mikrometre boyuyla görme hücreleri olan rod ve konları etkilerken, x-ışınları 10-9-10-10 m boyları ile atom ve subatomik partiküllerle etkileşir.

X-IŞINI MADDE ETKİLEŞİMİ 2 Düşük enerjili fotonlar atomun tümüyle, orta enerjililer yörünge elektronları ile, yüksek enerjililer ise nukleus ile etkileşirler. Bu etkileşmeler sonucu x-ışını fotonları bazen emilerek tamamen kaybolurken, bazen ise yönleri değişerek saçılmaya uğrarlar. Saçılan radyasyon hasta hakkında yararlı bilgi taşımayan ve filmde bulanıklığa yolaçan istenmeyen radyasyondur.

X-IŞINI MADDE ETKİLEŞİMİ 3 X-ışını ve madde arasında 5 temel etkileşim şekli mevcuttur: A. Klasik saçılma (Koheran saçılma) B. Kompton saçılma C. Fotoelektrik etki D. Çift oluşumu E.Fotodisintegrasyon (fotoayrışma) Bunlardan kompton saçılma ve fotoelektrik etki diagnostik radyolojide önem taşırlar.

KLASİK SAÇILMA 1 (Koheran Saçılma) 10 keV altındaki düşük enerjili x-ışınları madde ile klasik saçılma şekilde etkileşirler. Gelen foton target atomunu uyarır ve elektronlarını vibrasyona uğratır. Uyarılan elektron fazla enerjisini aynı dalga boyu ve enerjide foton olarak salar.

KLASİK SAÇILMA 2 (Koheran Saçılma) Sonuçta herhangibir enerji transferi veya iyonizasyon gözlenmez, sadece radyasyonun yönü değişmiş olur. Koheran saçılmaya uğrayan radyasyon oranı %5 civarında olup diagnostik radyolojide önem taşımaz. Film bulanıklığına minimum katkıda bulunur.

KOMPTON SAÇILMA 1 Diagnostik radyolojide saçılan radyasyonun hemen tamamı Kompton saçılma ile ortaya çıkar. Diagnostik sınırlardaki enerjili foton dış yörünge elektronuna çarparak onu yörüngesinden fırlatır. Atomdan sökülen elektrona kompton elektronu denir.

KOMPTON SAÇILMA 2 Elektronun boşalan yeri dış yörüngedeki bir başka elektron tarafından doldurulurken karakteristik radyasyon ortaya çıkar. Başlangıç fotonu elektron tarafından saptırılır ve başka bir yöne saçılan radyasyon olarak yoluna devam eder. Etkileşim iyon çifti oluşturur.

KOMPTON SAÇILMA 3 Matematik olarak bu etkileşimde enerji transferi şöyle ifade edilebilir: Eİ=ES+Eb+EKE Ei: gelen x-ışını foton enerjisi, ES: Saçılan x-ışını enerjisi, Eb: Elektron bağlama enerjisi, EKE: Fırlatılan elektronun kazandığı kinetik enerji

KOMPTON SAÇILMA 3 ÖRNEK Eİ= ES+Eb+EKE 30= ES +0,04+12 ES= 17,96 keV 30 keV enerjili x ışını baryum atomunu iyonize ediyor. O yörüngesindeki elektron 12 keV enerji ile fırlıyor. Saçılan fotonun enerjisi ne kadardır (O yörüngesindeki baryumun elektron bağlama enerjisi 0,04 keV’dur)? Eİ= ES+Eb+EKE 30= ES +0,04+12 ES= 17,96 keV

KOMPTON SAÇILMA 4 Fotonda kalan enerjiyi iki faktör belirler: biri başlangıç enerjisi, diğeri ise sapma açısı. Dar açılı sapmada foton başlangıç enerjisini hemen tamamen korur. Diğer durumda da enerjinin büyük kısmını kaybetmez.

KOMPTON SAÇILMA 5 Dar açılı sapma diagnostik radyolojide ciddi sorun yaratır çünkü filtre edilemiyecek kadar enerjisi yüksektir ve açıları dar olduğu için gridler tarafından tutulmaları da zordur. Filme ulaşarak istenmeyen bulanıklığa yolaçarlar. Ayrıca 900 sapmada bile enerjilerini önemli ölçüde korudukları için floroskopide hastadan oluşan saçılan radyasyon radyoloğun önemli miktarda ışınlanmasına yolaçar.

Kompton Saçılmanın Oluşma Olasılığı Kompton saçılmanın targetin atomik numarası ile ilişkisi mevcut değildir. Bu etkileşim targetin yoğunluğu ve radyasyonun enerjisi ile ilgilidir. Foton enerjisi arttıkça Kompton saçılma ihtimali azalmaktadır.

FOTOELEKTRİK ETKİ 1 Bu etkileşimde x-ışını fotonları target atomlarının iç yörünge elektronları ile etkileşime girer ve enerjileri bağlama enerjilerinden yüksekse yörüngeden elektron fırlatır. Foton kaybolarak enerjisinin tamamını elektrona verir. Enerji dönüşümü denklemi: Eİ = Eb+ EKE (Eİ: başlangıç foton enerjisi, Eb: bağlama enerjisi, EKE: fotoelektronun kinetik enerjisi) şeklindedir.

FOTOELEKTRİK ETKİ 2 Yörüngeden ayrılan elektron yüklü olduğu için kısa bir mesafe içinde absorbe edilir. K yörüngesindeki boşluk dış yörüngelerden doldurulur. Bu arada yörüngelerin bağlama enerjisi arasındaki fark kadar enerjiye sahip x-ışını fotonu salınır.

FOTOELEKTRİK ETKİ OLUŞMA OLASILIĞI 1 Fotoelektrik etki oluşması için: 1. Başlangıç fotonun enerjisi bağlama enerjisinden yüksek olmalıdır. 2. Fotoelektrik etkinin en fazla oluşması, foton enerjisi ve bağlama enerjisinin birbirine yakın düzeyde olmaları ancak foton enerjisinin bir miktar fazla olduğu durumda gözlenir. Fotoelektrik etki ihtimali enerjinin küpü ile ters orantılıdır. Fotoelektrik etki  1/(Enerji)3 Enerji daha yüksek düzeylere çıktıkça etki ihtimali hızla azalmaktadır.

FOTOELEKTRİK ETKİ OLUŞMA OLASILIĞI 2 3. Elektronun bağlama enerjisi ne kadar yüksekse fotoelektrik etki ihtimali o kadar fazladır. Fotoelektrik etki targetin atomik numarasının kübü ile doğru orantılıdır. Fotoelektrik etki  (Atomik numara)3

FOTOELEKTRİK ETKİ OLUŞMA OLASILIĞI 3 Fotoelektrik etkinin klinik uygulamada iyi ve kötü özellikleri mevcuttur. İyi yönü; fotoelektrik etkide saçılan radyasyon oluşmaması ve doğal doku kontrastının arttırılmasıdır. X-ışını görüntüsünün kontrastı bazı dokuların diğerlerine göre daha fazla x-ışını absorbe etmesi esasına dayanır.

FOTOELEKTRİK ETKİ OLUŞMA OLASILIĞI 4 Absorpsiyon farkı ne kadar fazla ise kontrast o kadar yükselir. Fotoelektrik etki atomik numaranın küpü ile orantılı olduğu için dokular arasındaki yapı farklılıklarını magnifiye eder. Fotoelektirk etkinin kötü özelliği ise hastanın aldığı ışın nedeniyledir. X-ışını fotonun bütün enerjisi fotoelektrik etkide hasta tarafından absorbe edilmektedir. Fotoelektrik etkiyi azaltmak için yüksek enerjili x-ışını kullanmak gerekir.

ÇİFT OLUŞUMU Diagnostik radyolojide önemi yoktur. Yüksek enerjili foton target nukleusu ile etkileşime girerek biri negatif diğeri pozitif iki elektron oluşturur. İki elektron oluşması için başlangıç foton enerjisinin 1.02 meV olması gerekir. Diagnostik sınırlarda bu yükseklikte enerji kullanılmaz.

FOTODİSİNTEGRASYON (FOTOAYRIŞMA) 7-15 meV enerjili x-ışınları nukleusu parçalayarak nukleustan subatomik partikül salınmasına yolaçarlar.

TEMEL ETKİLEŞİMLERİN DOKULARDA OLUŞMA YÜZDELERİ Vücutta hava, yağ, adale gibi düşük atomik numaralı dokuların etkileşme yüzdeleri suya yakındır. Kemikte fazla miktarda kalsiyum bulunur. İyod ve baryum ise indirekt incelemelerde kullanılan kontrast maddelerdir. Bu üç madde de farklı enerjilerde etkileşme yüzdeleri farklıdır.

TEMEL ETKİLEŞİMLERİN DOKULARDA OLUŞMA YÜZDELERİ Koheran saçılma total etkileşimin %5’i ile önemsiz bir kısmını oluşturur. Su da 20-30 keV gibi düşük enerji haricinde Kompton saçılma dominant etkileşimdir. Kontrast maddelerde yüksek atomik numara nedeniyle esas olarak fotoelektrik etki gözlenir. Kemik ikisi arasında yer alır. Düşük enerjide fotoelektrik etki fazla yüksek enerjide ise Kompton etki belirgindir.

Kaynaklar Bushong SC. Radiologic Science for Technologist: Physics, Biology and Protection. 3rd ed. St. Louis, The C. V. Mosby Company, 1984. Oğuz M. Röntgen Fiziğine Giriş: Diagnostik I. Adana, ÇÜ Basımevi, 1992. Kaya T. Temel Radyoloji Tekniği. Bursa, Güneş & Nobel, 1997.