LEZIONE 4 INTERAZIONE DEI RAGGI X E GAMMA CON LA MATERIA

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Aloisio Rostagno
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Le sostanze interagiscono con i raggi x in misura diversa a secondo della nergia, dello Z e della densità del mezzo.

1 LZION 4 INTRAZION DI RAGGI X GAMMA CON LA MATRIA I raggi X hanno generalmente energie comprese fra i 5 KeV e i 500 kev. Interagendo con la materia i raggi X (interazione primaria) producono elettroni secondari che a loro volta producono la ionizzazione della materia (ionizzazione indiretta o secondaria). Le sostanze interagiscono con i raggi x in misura diversa a secondo della nergia, dello Z e della densità del mezzo. La probabilità che la radiazione interagisca con un atomo percorrendo cm è [ cm - ] L interazione può riguardare l intero atomo (diffusione alla Rayleigh; effetto Fotoelettrico), o un singolo elettrone (effetto Compton ) oppure il nucleo atomico ( Produzione di coppie ). LA DIFFUSION LASTICA (CORNT) Nella Diffusione alla Rayleigh l interazione avviene fra il fotone ed un elettrone molto legato. L energia del fotone x incidente non è sufficiente a ionizzare l atomo (energia < 0 kev) ma produce una oscillazione dell elettrone che emette radiazione avente la stessa frequenza del fotone. La diffusione elastica produce una variazione della direzione di propagazione del fotone ma non una variazione della sua energia. La probabilità che avvenga il fenomeno dipende Ray Z,5 L ffetto Fotoelettrico il fotone X o, interagendo con un elettrone K, legato con energia di legame cede completamente la sua energia, hv0, ed espelle l elettrone. Il fotoelettrone acquista un energia cinetica c uguale a h C O

2 La probabilità di interazione fotoelettrica è nulla se l energia del fotone è inferiore alla energia di legame dell elettrone, ed è massima se l energia del fotone è leggermente superiore alla energia di legame (tipicamente K ed L). La probabilità poi decresce all aumentare dell energia. Questo fa si che per fotoni fra kev lo Iodio attenui più del Pb nonostante la grande differenza di Z. La probabilità di interazione n Z N n 45 in funzione della nergia 3,5 N = numero di atomi per unità di volume. Con l'espulsione dell'elettrone vengono emessi X caratteristici che velano la pellicola o elettroni Auger ( dose) Il Fotoelettrico non crea radiazione diffusa (non velatura film); contribuisce notevolmente alla formazione dell immagine accentuando il contrasto tessuto molle, osso. Il Fotoelettrico attraverso l elettrone espulso produce dose al paziente In acqua l effetto Fotoelettrico prevale sul Compton ad energie inferiori a 50 KeV. In campo Odontoiatrico quindi prevale l effetto Fotoelettrico. FFTTO COMPTON hv hv0 Compton ha luogo quando l energia del fotone incidente >> energia di un elettrone esterno che può essere considerato libero. Nell effetto Compton il fotone incidente cede parte della sua energia, hv0, all elettrone ( energia trasferita ) che acquista energia cinetica mentre il fotone cambia energia e direzione ( energia diffusa). Applicando la conservazione dell energia e del momento si ottiene: l energia del fotone: Fotone ( cos) m c θ m v 0

3 dell elettrone mev ( cos) m c ( cos) m c 0 0 Quando l angolo di diffusione = 0 0 il fotone prosegue indisturbato senza perdere energia Quando = 80 (fotone retrodiffuso ) il fotone ha minima energia ed elettrone massima. La probabilità che avvenga Compton NZ c NZ = numero di elettroni per unità di volume. I fotoni Compton non sempre possono essere considerati rimossi dal fascio perché attraverso un secondo scattering possono tornar a far parte del fascio. ffetto di accumulo Buid-up Produzione coppie La produzione di coppie avviene per interazione del fotone >,0 MeV con il campo elettrico del nucleo. = mec = 0,5 MeV hv, 0 mv mv = z (-,0) = z ln() 5MeV 5 MeV

4 L interazione dei tessuti molli (muscolare, epiteliale, connettivo e adiposo ) è assimilabile a quella dell acqua (tessuti acqua-equivalenti). Per strutture come il polmone bisogna tenere conto della loro minore densità (circa 0,3 g/cm 3 ) Per l osso si deve tener conto del diverso Z e della maggiore densità (circa,3 g/cm 3 per l osso trabecolare ed,8 g/cm 3 per l osso corticale). Nei tessuti molli il Compton predomina per energie fotoni maggiori di 50 kev. Con Z intermedio, il Compton prevale per energie superiori a 00 KeV. Il coefficiente di attenuazione lineare è dato da = + + = f (ρ, Z, ) [ cm - ] probabilit à per unit à di lunghezza di interagire con il mezzo [ cm /g] coefficiente attenuazione di massa non dipende da ma solo da Z ed Lo spessore, x, non si misura in questo caso in cm, ma in gr /cm

5 ATTNUAZION DL FASCIO DI RAGGI X. Fascio ristretto. Singola nergia 3. Mezzo omogeneo La sottrazione di fotoni dal fascio primario per effetto di vari processi si indica di di I dx dx ln I x C I probabilit à per unit à di lunghezza di interagire con il mezzo * I() x I e 0 x Io 0,5Io 0,37Io I(x) è la parte del fascio primario che emerge mantenendo la direzione iniziale. = 0,0 cm, significa che di / Idx = 0,0 cioè cm di quel materiale assorbe un intensità dei RX pari a % e ne lascia passare il 98%. Il libero cammino medio compiuto prima di una interazione è: x I 0,37I0 Lo spessore di dimezzamento I x per cui n x I X n 0,69 x 0 X/ X X. o SV, spessore materiale in grado di dimezzare l intensità di un fascio X di una da- ta energia (o con una certa distribuzione spettrale). Per un certo materiale il SV è un indice della qualità del fascio. Un fascio più energetico ha un SV minore Per una certa energia il SV è un indice della capacità attenuazione materiale.

s; Fotone da MeV SV acqua 0 cm SV calcestruzzo 4,5 cm SV piombo 0,9 cm Il SV espresso in gr / cm è grosso modo indipendente dal tipo di materiale preso in considerazione, se i fotoni non hanno

6 s; Fotone da MeV SV acqua 0 cm SV calcestruzzo 4,5 cm SV piombo 0,9 cm Il SV espresso in gr / cm è grosso modo indipendente dal tipo di materiale preso in considerazione, se i fotoni non hanno energie troppo basse. Per tutti i materiali sopraccitati il SV massico è 0 mg / cm Il fascio primario che, non interagendo con il mezzo, lo attraversa senza cambiare direzione e senza perdere energia, è quello che produce l'immagine radiologica. Il fascio secondario che emerge secondo una direzione diversa da quella del primario, può disturbare (velare) l'immagine.

Quindi in acqua sotto i 50 kev domina il Fotoelettrico, sopra domina il Compton.

7 Osservando le curve di assorbimento in acqua (tessuti molli) ci rendiamo conto che la curva di assorbimento Fotoelettrico interseca quella di assorbimento Compton a circa 50 kev. Quindi in acqua sotto i 50 kev domina il Fotoelettrico, sopra domina il Compton. Aumentando lo Z, la curva Fotoelettrica si alza e quindi il punto di intersezione si sposta verso energie maggiori. La differenza di assorbimento fra diversi tessuti è più evidente se diminuisce la energia del fascio. ( vedi sotto)

8 La radiografia é la rappresentazione piana dei coefficienti di assorbimento dell oggetto tridimensionale, irradiato da un fascio di fotoni policromatici. L assorbimento degli X varia a seconda dell'energia degli X, della densità e dello Z delle parti anatomiche attraversate. I vari piani dell'oggetto irradiato si sovrappongono nel piano della radiografia rendendo difficile l interpretazione. Il contrasto é dovuto alla differenza di attenuazione tra tessuti adiacenti. Il calcio delle ossa determina una maggior attenuazione dei raggi X e una immagine più bianca sulla lastra. L aria dei polmoni lascia passare la maggior parte dei raggi X e la lastra risulta annerita. Tessuti Densità (in g/cc) Grasso 0.9 Acqua.0 Muscoli.0 Ossa.87 Aria 0.009

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