การผลิตและการใช้งานรังสีเอ็กซ์
| English | ไทย |
|---|---|
| tungsten/ˈtʌŋstn/ | ทังสเตน |
| target/ˈtɑːɡɪt/ | เป้าหมาย |
| anode/ˈænəʊd/ | แอนโอด |
| cathode/ˈkæθəʊd/ | แคโทด |
| thermionic emission/ˌθɜːmɪˈɒnɪk ɪˈmɪʃn/ | การปล่อยอิเล็กตรอนจากความร้อน |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | พลังงานจลน์ |
| photons/ˈfəʊtɒnz/ | โฟตอน |
| Bremsstrahlung/ˈbremʃtrɑːlʊŋ/ | เบรมสตราhlung |
| hardness/ˈhɑːdnəs/ | ความแข็ง (ของรังสีเอกซ์) |
| characteristic/ˌkærɪktəˈrɪstɪk/ | ลักษณะเฉพาะ |
| sharpness/ˈʃɑːpnəs/ | ความคมชัด |
| contrast/ˈkɒntræst/ | ความแตกต่างของค่าสี |
| attenuation/əˌtenjuːˈeɪʃn/ | การลดทอน |
| contrast medium/ˈkɒntræst ˈmiːdɪəm/ | สารทึบรังสี |
| half-value thickness/hɑːf ˈvæljuː ˈθɪknəs/ | ความหนาครึ่งค่า |
| computed tomography/kəmˈpjuːtɪd təˈmɒɡrəfi/ | ซีทีสแกน (Computed Tomography) |
เครื่องที่สิ้นเปลืองพลังงาน ninety-nine per cent
- หลอด X-ray ที่ทำงานที่$75\ \text{kV}$และ$30\ \text{mA}$ รับพลังงาน$2250\ \text{W}$ ประมาณ$99\%$会变成 ความร้อน ในก้อนทังสเตนขนาดเหรียญ
- ถ้าปล่อยไว้ Temperatura เป้าหมายจะเพิ่มขึ้นเกิน$1000\ \text{K}$ต่อวินาทีและจะหลอมละลายในไม่กี่วินาที
- นั่นคือเหตุผลที่การถ่ายภาพต้องทำอย่างรวดเร็วและแอโนดหมุน ร้อยละที่เหลือหนึ่งคือภาพ
- บทเรียนนี้คือวิธีการผลิต X-rays, สิ่งที่กำหนดกำลังทะลุทะลวงของพวกมัน และวิธีที่มันสร้างภาพ
การผลิต
- คำตอบสี่คะแนนมีสี่ขั้นตอน และแต่ละขั้นคือหนึ่งคะแนน
- หนึ่ง. อิเล็กตรอนถูกปล่อยออกจาก Assigned filament (cathode) โดย thermionic emission
- สอง. มันถูก เร่งความเร็ว ผ่าน p.d. สูง หลายสิบ kV ผ่านหลอดสูญญากาศสู่โลหะ target, anode, มักจะเป็น tungsten
- สาม. มัน ชะลอความเร็วอย่างรวดเร็ว เมื่อชน target
- สี่. Kinetic energy ที่สูญเสียจะถูกปล่อยออกมาเป็น X-ray photons, นี่คือ Bremsstrahlung หรือรังสีเบรก, ส่วนใหญ่กลายเป็นความร้อน
ให้ความร้อน的一端, เบรก另一端
รังสีเอ็กซ์ถูกสร้างเมื่ออิเล็กตรอนเร็ว:
การชะลอความเร็วทันทีที่เป้าหมายทำให้เกิดโฟตอนรังสีเอ็กซ์ (Bremsstrahlung)
พลังงานจลน์ส่วนใหญ่ของอิเล็กตรอนในหลอดรังสีเอ็กซ์กลายเป็นความร้อน ไม่ใช่รังสีเอ็กซ์
มีเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่กลายเป็นรังสีเอ็กซ์ — นั่นคือเหตุผลที่ต้องระบายความร้อนที่เป้าหมาย
การควบคุมสองอย่าง งานสองอย่าง
- Intensity, พลังงานต่อหน่วยพื้นที่ต่อวินาที, กำหนดโดย จำนวนอิเล็กตรอน ที่ชน target ต่อวินาที ดังนั้นจึงควบคุมโดย filament current. Filament ร้อนขึ้นจะปล่อยอิเล็กตรอนมากขึ้น
- Hardness, กำลังทะลุทะลวง, กำหนดโดย photon energies, ดังนั้นจึงควบคุมโดย accelerating p.d. P.D. ที่มากกว่าจะให้ X-ray ที่มีพลังงานสูงกว่า, ความยาวคลื่นสั้นกว่า, ทะลุทะลวงได้ดีกว่า
- แยกมันออกคำถามที่ถามว่าจะทำให้ลำแสงทะลุทะลวงได้อย่างไรไม่ใช่การเปิดกระแสไฟ
- โลหะ filter กำจัด X-ray นุ่มที่สุดซึ่งจะถูกดูดซับในผิวผู้ป่วยโดยไม่ pernah reaching detector
จับคู่การควบคุมแต่ละชนิดกับสิ่งที่มันเปลี่ยนแปลง
คำถามเกี่ยวกับวิธีทำให้ลำรังสีทะลุเข้าได้ดีขึ้น ไม่สามารถตอบด้วยการเพิ่มกระแสไฟ
ความยาวคลื่นต่ำสุด
- พลังงานสูงสุดที่โฟตอนหนึ่งตัวจะถือได้คือ พลังงานจลน์ทั้งหมดของอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ซึ่งสูญเสียไปในเหตุการณ์เดียว:
- นี่คือ ความยาวคลื่นตัดทอนต่ำสุด และขึ้นอยู่กับ เพียง ความต่างศักย์เร่งเท่านั้น ไม่ขึ้นกับโลหะเป้าหมายหรือกระแสไฟฟ้า
- การเพิ่มค่า p.d. เป็นสองเท่าจะทำให้ความยาวคลื่นต่ำสุด ลดลงครึ่งหนึ่ง
ความยาวคลื่นรังสีเอ็กซ์ต่ำสุดจากหลอดที่แรงเร่ง $V$ คือ:
จาก $hf_{\max} = eV$ และ $c = f\lambda$: $\lambda_{\min} = \dfrac{hc}{eV}$.
แรงเร่งที่สูงขึ้นให้ ____ ความยาวคลื่นขั้นต่ำ
$\lambda_{\min} = \dfrac{hc}{eV}$ ดังนั้น $V$ ที่ใหญ่กว่าจะให้ $\lambda_{\min}$ ที่เล็กกว่า (รังสีเอกซ์ที่มีพลังงานสูงขึ้น)
ตัวอย่างวิธีทำ: ค่าตัดทอนที่ 75 kV
- อิเล็กตรอนถูกเร่งผ่าน $75\ \text{kV}$. จงหาพลังงานโฟตอนสูงสุดและความยาวคลื่นต่ำสุด.
- พลังงานสูงสุด $= eV = 75\ \text{keV} = 75000 \times 1.60\times10^{-19} = 1.2\times10^{-14}\ \text{J}$.
- $\lambda_{\text{min}} = \dfrac{hc}{eV} = \dfrac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^{8})}{1.2\times10^{-14}} = 1.7\times10^{-11}\ \text{m}$.
- โมเมนตัม ของโฟตอนสูงสุดคือ $p = E/c = 4.0\times10^{-23}\ \text{N s}$.
- หมายเหตุว่า $eV$ ในหน่วยจูล ต้องใช้ p.d. ในหน่วย โวลต์ ไม่ใช่ กิโลโวลต์ ตัวคูณพันเป็นสาเหตุของความผิดพลาดที่พบบ่อย
อิเล็กตรอนถูกเร่งด้วยแรงดัน 75 kV ความยาวคลื่นรังสีเอกซ์ขั้นต่ำมีค่าเท่าใด ในหน่วยของ 1e-11 m?
lambda_min = hc/(eV) = 1.7e-11 m ใช้หน่วยโวลต์ ไม่ใช่ Kilovolt การเพิ่มแรงต่างศักย์เป็นสองเท่าจะทำให้ความยาวคลื่นขั้นต่ำลดลงครึ่งหนึ่ง และโลหะเป้าหมายไม่มีผลต่อค่านี้
การอ่านสเปกตรัม
- สเปกตรัมมีลักษณะ ต่อเนื่อง เพราะอิเล็กตรอนแต่ละตัวอาจสูญเสีย เศษส่วนใดก็ได้ จากพลังงานของมัน ทั้งในการชะลอความเร็วครั้งเดียวหรือหลายครั้ง ดังนั้นโฟตอนทุกระดับพลังงานจนถึงค่าสูงสุดจึงปรากฏออกมา
- มีจุด ตัดทอนที่ชัดเจน ที่ $\lambda_{\text{min}}$ เนื่องจากไม่มีโฟตอนใดสามารถถือพลังงานมากกว่าพลังงานของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวได้ $eV$.
- ยอดแหลม ที่คมชัดนั้นเป็น เอกลักษณ์เฉพาะตัว ของโลหะเป้าหมาย: อิเล็กตรอนเข้าชนจะกระแทกอิเล็กตรอนชั้นในออก อิเล็กตรอนชั้นนอกจะตกลงมาเติมช่องว่าง และโฟตอนจะพกพาพลังงานต่างระหว่างสองระดับนั้นไป
- ดังนั้นรูปร่างของกราฟมีสาเหตุมาจากสามปัจจัยแยกกัน และคำถามเกี่ยวกับมันต้องการให้ระบุทั้งสามอย่างนี้
หน้าผา, เนินสูง และหนามแหลมสองอัน
เส้นทางผลิตรังสีเอ็กซ์
ติดตามอิเล็กตรอนจากแคโทดไปสู่โฟตอนรังสีเอ็กซ์
ทำไมสเปกตรัมรังสีเอกซ์จึงมีรูปร่างเช่นนั้น? เลือก ทุก ข้อที่ถูกต้อง
ยอดเหล่านี้เกี่ยวข้องกับระดับพลังงานของเป้าหมาย ดังนั้นการเปลี่ยนเป้าหมายเท่านั้นที่จะทำให้มันเคลื่อนที่ ส่วนแรงต่างศักย์จะเลื่อนจุดตัด
ความคมชัดและความแตกต่างเป็นสิ่งที่ต่างกัน
- ความคมชัด (Sharpness) คือความชัดเจนของ ขอบเขต它会通过小焦点源、静止的患者以及探测器靠近患者来改善。
- ความแตกต่าง (Contrast) คือความแตกต่างของ ระดับการดำ ระหว่างบริเวณ lân cận ซึ่งเกิดจากความแตกต่างของ การลดทอนสัญญาณ
- ทั้งสองสิ่งนี้เป็น อิสระต่อกัน: ภาพสามารถมีความคมชัดแต่ความแตกต่างต่ำ หรือเบลอแต่มีความแตกต่างสูงก็ได้
- เมื่อเนื้อเยื่ออ่อนสองชนิดมีการลดทอนสัญญาณคล้ายกัน จะใช้ สารทึบรังสี เช่น แบทเทียม ทานหรือฉีดเพื่อเน้นขอบเขตของหนึ่งในนั้น
ลำรังสีเดียวกัน แต่เงาแตกต่างกันอย่างมาก
ภาพรังสีเอกซ์ที่มีความคมชัดสูงต้องมีคอนทราสต์ที่ดีด้วย
它们是独立的。ความคมชัดคือการกำหนดขอบเขต ซึ่งกำหนดโดยขนาดแหล่งกำเนิดและเรขาคณิต; คอนทราสต์คือความแตกต่างในการลดทอนระหว่างเนื้อเยื่อ
ตัวอย่างวิธีทำ: ทำไมกระดูกถึงแสดงสีขาว
- รังสีเอกซ์ทะลุ $3.0\ \text{cm}$ ของเนื้อเยื่ออ่อน ($\mu = 0.20\ \text{cm}^{-1}$) ในบริเวณหนึ่งและ $3.0\ \text{cm}$ ของกระดูก ($\mu = 0.60\ \text{cm}^{-1}$) ในอีกบริเวณหนึ่ง เปรียบเทียบความเข้มที่ส่งผ่าน.
- เนื้อเยื่ออ่อน: $I/I_0 = e^{-0.20\times3.0} = e^{-0.60} = 0.55$.
- กระดูก: $I/I_0 = e^{-0.60\times3.0} = e^{-1.80} = 0.17$.
- บริเวณเนื้อเยื่อได้รับปริมาณรังสีตกกระทบ มากกว่าสามเท่า ดังนั้นกระดูกจึงแสดงสีขาวและเนื้อเยื่อแสดงสีดำ
- อัตราส่วนปริมาณรังสีตกกระทบคือ $e^{(\mu_{\text{bone}} - \mu_{\text{tissue}})x}$ ซึ่ง เพิ่มขึ้นตามความหนา: ความแตกต่างจะดีขึ้นสำหรับโครงสร้างที่หนาขึ้น แม้ว่าการลดทอนรวมก็เพิ่มขึ้นด้วย
กฎการลดทอนสัญญาณ
- รังสีเอกซ์พลังงานสูงทะลุลึกกว่า หมายความว่า $\mu$ น้อยลง; กระดูกมี $\mu$ สูงกว่าเนื้อเยื่ออ่อนมาก
- สำหรับความหนา某值，取对数：$x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$。ความหนา#__ค่า คือ $x_{1/2} = \ln 2/\mu$ เหมือนกับครึ่งชีวิตเป๊ะๆ
- Through สองชั้น函数相乘，所以指数相加：$I = I_0 e^{-(\mu_1 x_1 + \mu_2 x_2)}$. อย่าบวกความหนาหรือสัมประสิทธิ์ และระวังลำดับของชั้นไม่สำคัญ
- อ่านโจทย์: "เศษส่วนไหนถูก ดูดกลืน" คือ $1 - e^{-\mu x}$ ไม่ใช่ $e^{-\mu x}$.
กระดูกปรากฏเป็นสีขาวในภาพรังสีเอกซ์เพราะ:
กระดูกหนาแน่นสูง-$Z$ ดูดซับมากขึ้น ($I = I_0 e^{-\mu x}$ ด้วย $\mu$ ขนาดใหญ่), ทำให้เกิดเงาที่เข้มกว่า
ลำแสงผ่าน P ยาว 2.0 cm (mu = 0.35 /cm) แล้วผ่าน Q ยาว 1.5 cm (mu = 0.90 /cm) สัดส่วนของความเข้มที่ส่งผ่านคือเท่าใด?
เลขชี้กำลังคูณกัน จึงนำมาบวก: e^-(0.70 + 1.35) = e^-2.05 = 0.13 ห้ามบวกความหนาหรือสัมประสิทธิ์เข้าด้วยกัน และลำดับชั้นของวัสดุไม่มีความสำคัญ
การถ่ายภาพด้วยการคำนวณทาง tomography
- การ scan computed tomography (CT) สร้างภาพ สามมิติ และหลักสูตรต้องการให้อธิบายขั้นตอนการสร้างภาพตามลำดับ
- ข้อแรก: ถ่ายรูป X-ray หลายรูปของ ส่วนตัดเดียวกัน จาก มุมต่างๆ รอบตัวผู้ป่วย
- ข้อสอง: คอมพิวเตอร์นำมารวมกันเป็นภาพ สองมิติ เดียวของส่วนตัดนั้น
- ข้อสาม: ทำกระบวนการนี้ซ้ำสำหรับ ส่วนตัดจำนวนมาก ตามแกนหนึ่ง
- ข้อสี่: รวมส่วนตัดสองมิติเหล่านี้เป็นภาพ สามมิติ ที่สามารถหมุนหรือหั่นดูบนหน้าจอ ได้ปริมาณรังสีสูงกว่าการถ่ายภาพรังสีธรรมดา ซึ่งเป็นค่าแลกเปลี่ยน
การสแกนด้วย CT ใช้ภาพรังสีเอกซ์จากหลายมุมเพื่อสร้างภาพ 3-มิติ
การหมุนท่อบังคับและเครื่องตรวจจับพร้อมกับการสร้างภาพส่วนตัดใหม่จะแยกเนื้อเยื่อที่ซ้อนทับกันออกเป็นภาพ 3-มิติ
เรียงลำดับการสร้างภาพ CT ให้ถูกต้อง
เริ่มจากมุมก่อน แล้วค่อยแบ่งเป็นส่วนตัด ค่ารังสีที่ได้รับสูงกว่าการถ่ายภาพรังสีปกติเพียงครั้งเดียว ซึ่งเป็นผลมาจากการได้ภาพ 3-มิติ
คะแนนที่หลุดหายไป
- กระแสไฟ filament กำหนดความเข้ม, p.d. เร่ง กำหนดความสามารถในการทะลุผ่าน อย่าสลับกัน
- $\lambda_{\text{min}}$ ขึ้นอยู่กับ p.d. เท่านั้น ไม่ขึ้นกับเป้าหมายหรือกระแสไฟฟ้า
- ความคมชัดและความแตกต่างเป็น อิสระต่อกัน คำถามเกี่ยวกับขอบเขตเบลอไม่สามารถตอบด้วยการพูดถึงการลดทอนสัญญาณ
- สองชั้น: บวกเลขชี้กำลัง $\mu_1 x_1 + \mu_2 x_2$.
- จับคู่หน่วยของ $\mu$ และ $x$ และตรวจสอบว่าโจทย์ต้องการสิ่งที่ ทะลุผ่าน หรือสิ่งที่ถูก ดูดกลืน
คุณเข้าใจแล้ว
- รังสีเอกซ์เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนจาก แคโทดที่ถูกทำให้ร้อน ถูกเร่งผ่าน p.d. สูง แล้ว ชะลอความเร็วอย่างรวดเร็ว ในโลหะเป้าหมาย ส่วนใหญ่เป็นความร้อน
- $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV)$ คือค่าตัดทอนที่กำหนดโดย p.d. เร่งเพียงอย่างเดียว โดยมี ยอดแหลมเอกลักษณ์ จากโลหะเป้าหมายบนกราฟต่อเนื่อง
- ความคมชัด คือการกำหนดขอบเขต, ความแตกต่าง คือความแตกต่างของการลดทอนสัญญาณ และทั้งสองเป็นอิสระต่อกัน
- $I = I_0 e^{-\mu x}$, ด้วยความหนา#__ค่า $\ln 2/\mu$ และเลขชี้กำลังที่ บวกกัน ผ่านชั้นที่ต่อเนื่อง; CT รวมมุมต่างๆ เข้าเป็นส่วนตัดและส่วนตัดต่างๆ เข้าเป็นภาพ 3 มิติ