RÖNTGEN FİZİĞİ X-Işınları Absorbsiyon ve saçılma. Doç. Dr. Zafer KOÇ Başkent Üniversitesi Tıp Fak

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 radyasyonu artırır arttırılması saçılan Obje kalınlığı ve kontrol edilebilir alan büyüklüğü kısmen kvp kontrol edilebilen faktördür ancak bunun da azaltılması arttırmaktadır hastanın aldığı radyasyonu

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 x- ışını 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 x- ışını 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 x- ışını 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. Bushong SC. Radiologic Science for Technologist: Physics, Biology and Protection. 9 th ed. St. Louis, Mosby Elsevier, 2008. 2. Tuncel E. Klinik Radyoloji. Bursa, Nobel & Güneş, 2008. 3. Kaya T. Temel Radyoloji Tekniği. Bursa, Güneş & Nobel, 1997.