Röntgenlaitteiden säteilymittaukset diagnostiikassa Timo Peltola LuK-tutkielmaseminaari 9.2.2009 7.2.2009 Thoraxkuvauksen rajausvaihe käynnissä.
Johdanto Röntgensäteily on ionisoivaa säteilyä, joka on vahingollista elävälle kudokselle. Röntgendiagnostiikassa kehon osia altistetaan kerta-annoksille, jotka suurimmillaan vastaavat 4:n vuoden aikana taustasäteilystä saatavaa annosta. Fotonien maksimienergia on suoraan verrannollinen röntgenputken kiihdytysjännitteeseen: Esittelyssä: eu = ½mev² = hνmax Fotonisäteilyä ilmaisevat laitteet ja niiden toimintaperiaatteet Tyypilliset mittausjärjestelyt Tulosten analysointi ja soveltaminen käytäntöön 7.2.2009 2
Ilmaisimet ja mittauslaitteet Säteilyn ilmaiseminen perustuu aina säteilyn ja aineen vuorovaikutukseen. Vuorovaikutuksessa säteily menettää energiaa ionisoimalla ja virittämällä väliaineen atomeja sekä tuottamalla lämpöä. Väliaine voi olla kaasua, nestettä tai kiinteää ainetta. Tavallisimpia mittauksia ovat annos-, annosnopeus- tai vaimentumismittaukset, harvemmin suoria jännitemittauksia. Käytössä on neljä ilmaisintyyppiä: Kaasutäytteiset ilmaisimet Tuikeilmaisimet Puolijohdeilmaisimet Jännitemittarit 7.2.2009 3
Kaasutäytteiset ilmaisimet Toiminta Varauksettoman hiukkasen (fotonin) liikeenergian synnyttämät nopeat elektronit aiheuttavat kammion kaasussa ionisoitumisen. Ioniparien elektronit ajautuvat positiiviseksi biasoidulle anodimateriaalille synnyttäen sähkövirran, jonka avulla voidaan määrittää absorboitunut annos tai annosnopeus. Kuva 2: Ionisaatikammioita Ilmaisimet 1) Ionisaatiokammio Alhaisimmat anodijännitteet Ulostulovirta verrannollinen syntyneiden ioniparien lukumäärään. Käytetyt täytekaasut ilma, argon ja argon/metaani seos. Sopii absorboituneen annoksen määrittämiseen. Säteilyhoidossa tarkan aktiivisuuden määritykseen. 7.2.2009 4
2) Verrannollisuuslaskuri Suuremmilla jännitteillä anodille kulkevilla elektroneilla tarpeeksi energiaa ionisoimaan toisia atomeja. Kerätty varaus kuitenkin vielä verrannollinen alkuperäiseen ionien lukumäärään. Röntgensäteilyn havaitsemiseen kaasuna esim. krypton, ksenon tai neon. Kuva 3: Verrannollisuuslaskuri 3) Geiger-Müller laskuri Hyvin suurilla anodijännitteillä (~1-2kV) elektronimuodostus on vyörynomaista eikä ole enää riippuvaista alkuionisaatiosta Ei sovi fotonien energian määrittämiseen Kaasuna argon tai helium. Kuva 4: Geiger-Müller -laskuri Kuva 5: Elektronivyöryn muodostuminen geigerputkessa 7.2.2009 5
Kuva 6: Kaasutäytteisten ilmaisimien 7.2.2009 6 toiminta eri anodijännitteillä.
Tuikeilmaisimet Toiminta Säteilykvantti synnyttää tuikeaineessa valoa, joka kerätään valomonistinputken tai fotodiodin katodille. Valosähköilmiön johdosta anodista irtoaa elektroneja, joiden aikaansaama varauspulssi vahvistetaan havainnointikelpoiseksi. Fotonisäteilyn havaitsemiseen tuikeaineina talliumin aktivoimina NaI ja CsI, LaBr3 (Ce) ja useat muovit. Lämpötila pidettävä vakiona, elektronien emissiotaajuus fotokatodilla verrannollisia T^(1,5):n. Kuva 7: NaI(Tl) -tuikeilmaisin Kuva 8: Tuikeilmaisimen toiminta. Dynodien elektronimonistuskerroin ~ 10^6. 7.2.2009 7
Puolijohdeilmaisimet Toiminta Puolijohdeilmaisin on käytännössä estosuuntaan kytketty diodi. p- ja n-tyypin puolijohteiden yhteenkytkennässä syntynyt rajapinta-alue tyhjennetään varauksenkuljettajista estosuuntaisella biasjännitteellä ( 3-4 kv). Katoalueeseen saapuvien fotonien synnyttämien elektroni-aukko-parien varaus kerätään sähkökentän avulla talteen. Ylivoimainen energian erotuskyky verrattuna muihin ilmaisimiin, siksi pääasiallinen käyttö spektrometrisissä mittauksissa. Kuva 9: HPGe ilmaisin, Ilmaisualue 40keV-10MeV 7.2.2009 Kuva 10: Puolijohteen elektronitilat. 8
Käytetyimmät puolijohdemateriaalit pii ja germanium (p-tyyppiä). Kompensaatioon alkalimetalleja, mm. litium, natrium ja kalium. Yleisimmin käytössä Si(Li) -ja HPGe ilmaisimet. Jälkimmäinen tehty puhtaasta germaniumista valmistetuista kiteistä, litiumia vain pinnalla. Aiemmin myös Ge(Li) ilmaisimet, mutta näiden häiriötön toiminta vaatii T 77K. T(HPGe) 90-120K. Kuva 11: Puolijohteen p-n-liitos ja tyhjennysalue, varausjakauma ρ, kenttä E ja potentiaali φ. Kuva 12: Ilmaisimien erotuskyky-vertailu. 7.2.2009 9
Mittaukset Röntgenlaitteen tuottaman säteilyn määrää kuvataan mittaamalla ilmaan absorboitunut annos / ilmakerma tai annosnopeus säteilykeilassa tietyllä etäisyydellä röntgenputken fokuksesta. Koska röntgenputken kiihdytysjännite on suoraan verrannollinen fotonin energiaan, saadaan tarvittava informaatio säteilyn laadusta määrittämällä putkijännite ja säteilyn puoliintumispaksuus. Määrittäminen tärkeää, koska röntgenputkelle asetetut kuvausarvot eivät välttämättä vastaa todellisia arvoja eikä yleensä tunneta kaikkien säteilykeilassa olevien materiaalikerrosten aiheuttamaa vaimennusta. Röntgenputken jännite voidaan määrittää suorilla tai epäsuorilla mittauksilla. Suorat mittaukset 1) Jännitteen jakaja Jännitetaso lasketaan jännitemittarin mittausalueelle sarjaan kytketyillä vastuksilla. Mittaustuloksen avulla määritetään kokonaisjännite. Harvoin mahdollista suorittaa, koska tavallisesti kuvauslaitteiden korkeajännitepiirit ovat sinetöidyt. 7.2.2009 10
2) Varauspallojen etäisyys -metodi Kaksi kiillotettua metallipalloa yhdistetään jännitekaapeleihin ja pienennetään niiden välistä etäisyyttä kunnes niiden välillä tapahtuu sähköpurkaus. Etäisyyden, ilman tiheyden ja kosteuden määritetään huippujännite putkessa. Epäsuorat mittaukset 1) Fluoresenssi metodi Eri aineiden karakteristisen röntgensäteilyn K-absorptioreunojen tunnettujen spektripiikkien energia-arvojen avulla kalibroidaan putkijännite. Epäjatkuvuuskohta läpäisseen ja sironneen säteilyn suhteessa ilmoittaa todellisen putkijännitteen. Kuva 13: K fluoresenssi mittausjärjestely. 7.2.2009 11
2) Vaimennus metodi Perustuu havaintoon, että vaimentimen läpi tulevan röngensäteilyn läpäisykäyrän kulmakerroin riippuu putkijännitteestä. Ilmaisimessa kaksi eripaksuista esim. kuparikantta. Säteilyn läpäisysuhde kalibroidaan tunnetulla putkijännitteellä ja verrataan tuntemattoman jännitteen läpäisykäyrään. Rajallinen tarkkuus ja riippuu lisäksi suuresti käytetyn putkijännitteen aaltomuodosta. 3) Penetrametrimittari Koostuu kahdesta säteilynilmaisimesta, joiden edessä on eripaksuiset, esim. kuparista tehdyt vaimentimet. Ilmaisimien antamien signaalien suhde pienenee putkijännitteen kasvaessa verrannollisuus. Jännite määritetään vertaamalla saatua läpäisykäyrää tunnetulla putkijännitteellä tehtyyn käyrään. Mittarit usein kalibroitu näyttämään suoraan putkijännitettä. 7.2.2009 12
Spektrimittaukset Spektrimittauksissa käytettävien ilmaisimien alkuperäissignaalien pulssinkorkeudet ovat niin pieniä, että ne täytyy vahvistaa ennen digitaaliseksi muuntamista ja spektrin muodostamista monikanava-analysaattorin avulla. Kuva 14: Tuikeainespektrometrin toimintaperiaate. 7.2.2009 13
Kuva 15: Fotoneista saatavan tiedon muuntuminen spektriksi gammaspektrometrilaitteistossa. 7.2.2009 14
Tulosten analysointi Annosmittaukset ovat käyttökelpoisia laadunvarmistusmittauksissa, kun määritetään röntgenputkelle asetettujen ja todellisuudessa säätyvien kuvausarvojen tarkkuutta. Röntgentutkimuksissa saatujen efektiivisten annosten määrittämiseksi käytetään nykyisin tietokoneelle ohjelmoituja laskennallisia malleja. Laskelmat perustetaan joko ilmaisimilla mitattuihin arvoihin tai Monte Carlo -menetelmällä laskettuihin syväannoskäyriin. o Monte Carlo-menetelmässä satunnaislukujen avulla simuloidaan säteilyn vuorovaikutuksia matemaattisesti määritellyn fantomin kanssa. o Kun suuren fotonijoukon satunnaishistoriat on simuloitu, saadaan energialuovutusten keskiarvon avulla arvio elinten annoksille. o Koska suurin osa röntgentutkimuksista tehdään vakiotekniikalla, voidaan annosselvityksen Monte Carlo laskentaa vaativa osa tehdä ennalta ja elinannos määrittää kertomalla mitattu pinta-annos lasketulla muuntokertoimella. Integraali: I = 2/3 Monte Carlo simulaatio: n = 100, I = 0,67 Kuva 16: Monte Carlo menetelmä. 7.2.2009 15
Yhteenveto Kun tunnetaan putkijännite, puoliintumispaksuus ja anodimateriaali, saadaan röntgenspektri määritellyksi riittävän tarkasti useimpiin tarkoituksiin. Kaasutäytteisen ilmaisimen riippuvuus säteilyn energiasta pienenee, nostettaessa elektrodien välistä jännitettä mitä suurempi annosnopeus, sitä suurempi keräysjännite tarvitaan. Tuikeilmaisimen toiminta perustuu valosähköiseen ilmiöön lämpötilan muutokset suuri häiriölähde. Puolijohdeilmaisimissa tarkin resoluutio pääasiallinen käyttö spektrometrisissä mittauksissa. Toiminnan perusedellytyksenä alhainen lämpötila. Fotonit ovat varauksettomia kaikissa ilmaisimissa havainnoidaan fotonien väliaineessa aiheuttamaa ionisaatiota. 7.2.2009 16
Viitteet Säteily- ja ydinturvallisuus 3 : Säteilyn käyttö, toim. O. Pukkila, 2004, Säteilyturvakeskus, Hämeenlinna, ss. 165-171, 346-347. Säteily- ja ydinturvallisuus 1 : Säteily ja sen havaitseminen, toim. T. K. Ikäheimonen, 2002, Säteilyturvakeskus, Hämeenlinna, ss. 116-129. F. M. Khan, The Physics of Radiation Therapy, 2003, 3. painos, Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia, s. 100-102. Canberra.com, http://www.canberra.com/pdf/literature/gamma%20xray%2 0Det%20SF.pdf M. Sayer, A. Mansingh, Measurement, Instrumentation and Experiment Design in Physics and Engineering, 2003, Prentice- Hall of India, New Delhi, ss. 280-288. 7.2.2009 17
Kuvat: Aloituskuva: C.-G. Standertskjöld-Nordenstam, ym., Kliininen Radiologia, 1998, Kustannus Oy Duodecim, Helsinki, s. 17. Kuva 2: DEXA: Radiation Safety, http://homepage.mac.com/kieranmaher/digrad/drpapers/de XA_GasDetectors.html Kuva 3: Canberra.com, www.canberra.com/products/671.asp Kuva 4: Wikipedia, commons.wikimedia.org/wiki/image:geiger_count... Kuvat 5, 6, 8, 10, 11, 14 ja 15: Säteily- ja ydinturvallisuus 1 : Säteily ja sen havaitseminen, toim. T. K. Ikäheimonen, 2002, Säteilyturvakeskus, Hämeenlinna, s. 120, 118, 123, 126, 127, 123, 143. Kuva 7: JCS, www.johncaunt.com/.../detect_config.html 7.2.2009 18
Kuva 9: Princeton Gamma-Tech, www.pgt.com/nuclear/ptype.html Kuva 12: G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 2000, 3. painos, John Wiley & Sons, New Jersey, s. 468. Kuva 13: F. M. Khan, The Physics of Radiation Therapy, 2003, 3. painos, Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia, s. 101. Kuva 16: APE, globe-meta.ifh.de:8080/.../montecarlo.html 7.2.2009 19