20151103_084611.jpg BIOFYZIKÁLNÍ ÚSTAV AVČR Dpt. buněčné biologie a radiobiologie Martin Falk (falk@ibp.cz) RADIAČNÍ BIOFYZIKA 1. Martin Falk, Biofyzikální ústav AVČR, Brno; falk@ibp.cz http://www.spaceflight.nasa.gov/gallery/images/mars/marsactivities/lores/s99_04198.jpg https://truthernews.files.wordpress.com/2014/11/isis-nuclear-iraq-620x435.png https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQUZtgIsDTX0JVzuYet1Ai3eaMx6hC1Di32gqHrU87dJvB BdBiwfw http://nuclear-knowledge.com/wsimages/10_terrorism_01.jpg RADIOBIOLOGIE http://image.slidesharecdn.com/anorganika-new07-101109015839-phpapp02/95/hic-06-vyvoj-anorganicke-c hemie-50-728.jpg?cb=1317867312 Wilhelm Conrad Röntgen 8. listopadu 1895 „To, co vidíme, jsou kosti vaší ruky…“ http://vesmir.cz/wp-content/uploads/2016/05/wilhelmrontgen.jpg Jeden z prvních snímků paprsku X Wilhelma Röntgena zachycuje levouz ruku vědcovy manželky Anny Berthy Ludwig. Foto: Wilhelm Göntgen, Publiuc Domain. Antoine Henri Becquerel 18. května 1896 1903 – spolu s Pierre a Marií Curie - Nobelova cena za fyziku za objev radioaktivity OBJEV RADIOAKTIVITY a PRVNÍ VÝZKUMY http://labguide.cz/wp-content/uploads/2015/01/ELEKTROMAGNETICK%C3%89-SPEKTRUM.jpg •výzkum vlivu záření na biologické objekty •v užším slova smyslu – vliv ionizujícího záření ZÁŘENÍ Kromě postulování tří Newtonových zákonů, které ho proslavily, zabýval se Newton také studiem světla. Používal k tomu různé hranoly a již ve svých 23 letech zjistil, že světlo se dá rozložit na barevné spektrum (viz obr.). Dále zjistil, že světelné spektrum se dá zase spojit použitím druhého hranolu. Vymezením se dá získat světlo určité barvy. Newton si představoval světlo jako proud částic různé velikosti. Jestliže narážejí v hranolu na částice stejné hmotnosti, pak nejméně se budou odrážet částice s největší hmotnosti. http://labguide.cz/wp-content/uploads/2015/01/ELEKTROMAGNETICK%C3%89-SPEKTRUM.jpg Světlo jako vlnění •Vlnové vlastnosti světla studoval Thomas Young na začátku 19. století •Klasický experiment, v němž světlo prochází dvěma štěrbinami (obr. 5). •Průchod světla dvěma štěrbinami by měl dát na stínítku součet osvětlení od jednotlivých štěrbin (vpravo) •místo toho však pozoroval interferenční obrazec (obr. dole). •Tento obrazec lze vysvětlit za předpokladu, že se světlo šíří ve formě vlnoploch (jako vlny na hladině rybníka), tj. v každém bodě kde světlo vnikne dochází ke vzniku nové vlnoplochy elekrtomagnetické vlnění Druhy elektromagnetického záření •Podle vlnové délky či frekvence můžeme rozdělit elektromagnetické vlny na několik skupin •Radiové vlny: délkou odpovídají rozměrům fotbalového hřiště •Mikrovlny: (v mikrovlnné troubě) mají velikost asi baseballového míčku, •Viditelné spektrum: vlny rozměrově odpovídají bakteriím •Ionizující záření (RTG a gama záření): 0.1 nm) •Měkké RTG trubice: vydávají paprsky, které jsou hustými tělesy snadno pohlcovány, tak že dávají např. obrázky ruky velmi pěkné, s ostře vyznačenými rozdíly mezi kostmi a masem •tvrdé RTG trubice: vysílají paprsky, které jsou poměrně málo pohlcovány a proto nejsou obrazy lidského těla příliš zřetelné • Tvrdé záření RTG vs. záření gama •Vlnové délky nejenergičtější části RTG záření se částečně překrývají s vlnovými délkami záření gama. Rozlišujeme je však podle původu: •Foton rentgenového záření vzniká při interakcích vysoce energického elektronu, •kdežto záření gama při procesech uvnitř jádra atomu. Typy rentgenového záření •Z hlediska vzniku existují dva typy rentgenového záření – tzv. brzdné rentgenové záření a charakteristické rentgenové záření. •Brzdné rentgenové záření •Rychle letící elektrony se po dopadu na terč brzdí a dochází ke změně jejich dráhy. Energie, kterou elektrony při průchodu terčem ztratily, se vyzáří ve formě tzv. brzdného rentgenova záření. •Toto záření je charakteristické širokým, spojitým energetickým spektrem. •Čím je větší energie (rychlost) elektronů, tím tvrdší záření vzniká. •Energie brzdného rentgenova záření nezávisí na materiálu terče (např. anody rentgenovy trubice), ale jen na rychlosti elektronů (tedy na velikosti napětí na anodě rentgenovy trubice) •Elektrony ale mohou být urychleny i jiným způsobem – v urychlovačích částic např. v tzv. lineárním urychlovači, betatronu, mikrotronu, u nichž se dosahuje výrazně vyšších energii než u rentgenovy trubice. Energie záření se udává zpravidla v elektronvoltech (eV). •Brzdné záření se používá v lékařské diagnostice (např. PET, SPECT, CT), v radioterapii a v průmyslu v defektoskopii. • •Charakteristické rentgenové záření •Rychle letící elektron v tomto případě odevzdá svou kinetickou energii elektronu vnitřní slupky atomového obalu materiálu anody, až dojde k jeho excitaci nebo ionizaci. Následný návrat do základního energetického stavu je spojen s vyzářením fotonu charakteristického rentgenového záření. •jeho energie nezávisí na anodovém napětí, ale jen na materiálu anody. •Takové rentgenové záření je charakteristické pro konkrétní prvek; jeho energie je tím vyšší, čím vyšší je protonové číslo materiálu anody. • Typy rentgenového záření •Spektrum – většinou si představíme obrázek viditelného světla rozloženého na jednotlivé barvy, červenou, oranžovou, žlutou, zelenou… •U RTG záření, které je neviditelné, spektrum představuje graf relativní intenzity záření vynesené proti vlnové délce. (totéž lze samozřejmě udělat i pro viditelné světlo) SPEKTRUM RTG záření SPEKTRUM RTG záření SPEKTRUM RTG záření X-ray spectrum of a tungsten anode (without filtering) at tube acceleration voltages of 150 kVp (peak kilo-voltage). The graph below shows a typical x-ray spectrum. The graph can be considered to consist of two parts, a continuous spectrum (the curve) and a line spectrum (the peaks). BRZDNÉ RTG záření The Continuous Spectrum Bremsstrahlung X-rays This part of the spectrum does not depend on what type of metal is used for the target. When a fast moving electron passes close to a nucleus it is deflected as shown below. •Změna směru à akcelerace elektronu à emise el.-mag záření. •Pokud akcelerace dostatečná à kvantum uvolněného záření energeticky odpovídá RTG záření. •Pokud elektron prolétne velmi blízko jádra (jako např. elektron e3 na obrázku vlevo) může být jeho kinetická energie uvolněna v jediném kvantu •Toto je tedy největší možné kvantum předatelné elektrony za daných podmínek a odpovídá nejkratší vlnové délce emitovaného záření RTG BRZDNÉ RTG záření •Minimální vlnová délka RTG spektra záleží na voltáži urychlovacího napětí: •Pokud máme urychlovací napětí V, potom energie E předaná okolí elektronem na anodě je dána vztahem: • •Kde e je náboj elektronu •Pro výpočet minimální vlnové délky, λmin, pak platí Plankova rovnice pro energii kvanta záření: • •…a tedy: • http://www.saburchill.com/physics/equations_AN/AN_37.gif http://www.saburchill.com/physics/equations_AN/AN_12.gif http://www.saburchill.com/physics/equations_AN/AN_38.gif •Elektrony v elektronovém obalu mají určité energie a pohybují se tak na určitých energetických hladinách neboli elektronových slupkách. •Nejblíže k jádru je slupka (hladina) K, směrem od jádra pak následovaná slupkami L, M, N, O, P a Q. •Vyjma slupky K mají všechny další slupky své podslupky à elektrony v těchto podslupkách se nepatrně liší svými energiemi. • • • CHARAKTERISTICKÉ RTG záření Schematický nákres atomu znázorňující jádro obklopené elektronovými slupkami K, L a M. Slupka K může mít maximálně 2 elektrony Slupka L má 3 podslupky a maximálně 8 e-Slupka M má 5 podslupky a maximálně 18 e- atd. . •Slupka L má 3 podslupky, the M shell has five subshells, and so on. •Slupka K má v elektronovém obalu nejvyšší ionizační energii (neboli kritickou ionizační energii) •To znamená, že k odebrání elektronu z této slupky potřebujeme nejvíce energie Čím dále jsou pak další slupky od jádra vzdáleny, tím je ionizační energie nižší. •Elektrony na jednotlivých slupkách a podslupkách mají tedy své specifické ionizační energie, •… a ty se liší pro různé prvky, •Např. pro křemík (Si) je ionizační energie na slupce K 1.84 keV, zatímco pro platinu (Pt) tato hodnota činí 78.4 keV. • • CHARAKTERISTICKÉ RTG záření Characteristic RTG, Spectrum •To explain the existence of these peaks we consider collisions between electrons in the beam (from the cathode) and electrons in low energy orbits in atoms of the target. •Line or Characteristic Spectrum •The electron in the atom can be excited to a higher energy state by the collision. •An electron in the atom can then fall down to the lower energy state which has been made available. •The peaks of intensity occur at wavelengths which depend on the type of metal used for the target. An electron from the primary beam dislodges an electron from the K shell of a Si atom in the sample. An electron from the L shell fills the vacancy and a Si Kα X-ray is generated. The energy of the X-ray is equal to the ionization energy of the K shell minus the ionization energy of the L shell. •The production of Characteristic X-rays is a two-stage process: •ionization followed by relaxation •Firstly, an electron is removed from one of the inner shells of the atom by an electron from the primary beam so that the atom is ionized and in an unstable state. •Secondly, the atom regains stability when an electron from an outer shell fills the inner shell vacancy and an X-ray photon is emitted. •The energy of the emitted X-ray is equal to the difference between the ionization energies of the electrons involved in the transition. • •When an electron falls to the lower energy level a quantum of radiation is emitted. •The energy possessed by this quantum (and therefore its wavelength) depends on the energy difference between the two levels in the atom. •This depends on what type of metal it is. •Moseley's law: •There is a relationship between the energy of the Characteristic X-ray lines for each element and its atomic number: • the energy is proportional to the square of the atomic number, Z. •This means that as the atomic number increases, the Kα X-ray line, for example, will plot at a higher energy in the spectrum. (This relationship, known as Moseley’s Law, was discovered by Henry Moseley in 1913) •The lines in the spectrum (the peaks of intensity) are named after the energy level to which an electron falls Characteristic RTG, Spectrum •As each element has specific ionization energies for each subshell, so the difference between the energies is characteristic of the element involved in producing the X-ray photon. •For Si, the ionization energy of the K shell is 1.84 keV, the ionization energy of the L shell is ~0.10 keV and the ionization energy of the M shell is ~0.01 keV. •The Characteristic X-ray spectrum for Si shows three spectral lines. •The line at low energy (~0.09 keV) results from ionization of the L shell with an electron from the M shell filling the vacancy: E = 0.10 – 0.01 keV. (This line would be at or below the limit of detection for most EDS detectors.) •The line at ~1.74 keV results from ionization of the K shell with an electron from the L shell filling the vacancy (E = 1.84 – 0.10 keV), •whereas the smaller peak at higher energy (~1.83 keV) results from ionization of the K shell and an electron from the M shell filling the vacancy (E = 1.84 – 0.01 keV). The ideal Characteristic X-ray spectrum for Si. The Characteristic X-ray lines, Kα, Kβ and Lα, have discrete energies. EK > EL > EM Energy spectra of the x-rays radiated from the metal targets. a Acceleration voltage V a dependence of the x-ray spectra measured for W-target. b Target dependence of the x-ray spectra measured for the Ti, Cu, Mo, and W at V a = 50 kV. Kita S. et al. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 103, 064505 2008 Naming convention for Characteristic X-ray lines is the Siegbahn notation. •The first component of the name is the element involved, e.g. Si. •The second component is the electron shell that was ionized to produce the X-ray, e.g. K, L or M. •The third component reflects the relative intensity of the line within each shell, e.g. α is the most intense line, followed by β and γ. •The lines within each shell make up a family, or series, of lines for that shell, e.g., the K family comprises the Kα and Kβ X-ray lines. •In the Si spectrum, the lowest energy X-ray line is the Si Lα line; the line at 1.74 keV is the Si Kα line and the line at ~1.83 keV is the Si Kβ line. EK > EL > EM INTERAKCE RTG záření s hmotou •RTG záření integruje s atomy tkáně dvěma procesy: fotoefekt a Comptonův rozptyl (tvorba elektron-pozitronových párů zde nenastává vzhledem k nízké energii fotonů). •Oba tyto procesy se podílejí na rozdílné absorpci záření v jednotlivých tkáních v závislosti na tloušťce, hustotě látky a protonovém čísle atomů. •Právě na této rozdílné absorpci RTG záření v různých tkáních jakož i jejich fyziologických či patologických stavech je založena RTG diagnostika. Possible X-ray photon interaction processes with the matter: (a) photoelectric absorption; (b) Compton scattering; (c) pair production. INTERAKCE RTG záření s hmotou DETEKCE RTG •V případě skiagrafie je vzniklý obraz zaznamenáván na filmový materiál. •O skiaskopii mluvíme tehdy, jestliže je obraz pozorován pouze na stínítku bez trvalého uchování obrazu. •Skiaskopie umožňuje sledovat pohyby orgánů nebo použitých kontrastních látek v těchto orgánech, případně jejich funkci. •V současné době u moderních digitálních přístrojů se rozdíl mezi skiagrafií a skiaskopií do značné míry stírá, v počítačovém systému lze volit, zda záznam digitálního obrazu bude statický či dynamický. •Fokusace elektronů, ohnisko •Rentgenky pro RTG diagnostiku používají fokusaci elektronového svazku do ohniska, což je podmínkou dosažení dobré ostrosti a rozlišení projekčního stínového transmisního obrazu při RTG diagnostice, resp. je zapotřebí, aby svazek X-záření vycházel z téměř bodového zdroje. • •1. Skiagrafie •Při prostém RTG snímkování, zvaném skiagrafie, dopadá RTG záření prošlé vyšetřovanou tkání na fotografický film obsahující halogenidy stříbra (bromid stříbrný), v němž fotochemickou reakcí dochází k uvolňování stříbra z jeho vazby ve sloučenině •– vzniká latentní obraz, který je při vyvolání ve vývojce zviditelněn pomocí hustoty zrníček koloidního stříbra, zbylý bromid stříbra se rozpustí v ustalovači. •Hustota zčernání filmu je úměrná množství prošlého RTG záření. Vzniklý RTG fotografický obraz představuje negativní zobrazení hustoty tkáně: místa s nízkou hustotou (měkké tkáně) mají nižší absorpci, a proto vysoké zčernání, místa s vysokou denzitou (např. kosti) více absorbují RTG záření a jsou proto na filmu zobrazena světlé. •2. Skiaskopie •Jako skiaskopie či fluoroskopie se označuje přímé vizuální pozorování obrazu prošlého RTG záření, původně přímo na fluorescenčním stínítku („štítu“). Přímá skiaskopie patřící dříve k běžnému vyšetření je vzhledem k vysoké radiační zátěži vyšetřujícího rentgenologa (též pacienta) využívána v současné době velmi sporadicky. •Nepřímou skiaskopii umožňuje zesilovač obrazu s elektronickým snímáním obrazu, nověji přímým elektronickým, digitálním snímáním obrazu. Tato nepřímá skiaskopie je výhodná k vyšetřování dynamických dějů (koronární arteriografie, transhepatální cholangiografie...), dále při intervenčních výkonech, kde je nutná vizuální kontrola a navigace při zavádění různých sond a katétrů, implantaci kardiostimulátorů, koronární angioplastice, zavádění stentů... Pacient při rentgenování hrudi u profesora Menarda v nemocnici Cochin v Paříži roku 1914. Rentgenování hlavy mladé ženy pomocí nového aparátu v Londýně roku 1934. Přístroj se stával dostupnějším, přenosnějším a mohl být tudíž používán prakticky kdekoliv Zdroj: https://g.cz/rentge-slavi-vice-jak-120-let-jak-se-postupem-casu-zlepsoval-podivejte-se-na-fascinuji ci-historicke/ Imagno - Getty Images Pacient při rentgenování hrudi u profesora Menarda v nemocnici Cochin v Paříži roku 1914. Zdroj: https://g.cz/rentge-slavi-vice-jak-120-let-jak-se-postupem-casu-zlepsoval-podivejte-se-na-fascinuji ci-historicke/ Imagno - Getty Images 1896: The first x ray to be used clinically was by two british scientist. The military also used it to located bullets in wounded soldiers. Filmová hvězda Judith Allen s radiovým snímkem svých zad kolem roku 1930. Zdroj: https://g.cz/rentge-slavi-vice-jak-120-let-jak-se-postupem-casu-zlepsoval-podivejte-se-na-fascinuji ci-historicke/ Imagno - Getty Images Muž se ženou demonstrují, jak funguje rentgenové zařízení. To představovalo zázrak moderního lékařství a léčení (1928) Od 30. let se již rentgenologové začínali chránit od škodlivého záření nošením obleků. Jeden z výstřelků pocházející z Rentgenového Institutu v německém Frankfurtu z roku 1929. Zvláštní vynález měl umožnit rentgenologovi se dívat skrz přístroj na pacienta a mělo se tak zabránit nadměrnému ozařování lékaře. Westminster, 1934, Imagno - Getty Images Zdroj: https://g.cz/rentge-slavi-vice-jak-120-let-jak-se-postupem-casu-zlepsoval-podivejte-se-na-fascinuji ci-historicke/ Imagno - Getty Images HAZARD s RTG zářením •Napsali …a hojné přednášky byly konány, k nimž vábila zejména ta okolnost, že při pokusech každý mohl spatřiti svou vlastní kostru, kterážto věc, do té doby naprosto nemožná, zajistila právě celému objevu největší populárnost. •…v lékařství je neocenitelný, ale nutno na to upozorniti, že vliv jejich na lidské tělo je také v mnohém ohledu škodlivý. Vznikají na př. jejich působením nebezpečné kožní záněty a pod., tak že každý, kdo pracuje s těmito paprsky, má hleděti k tomu, aby co nejvíce tělo své před nimi chránil předměty kovovými, nejlépe olověnými, jež velmi nepatrně paprsky tyto propouštějí. prof. Dr. Jaroslav Jeništa a inženýr Emil Žižka. Vydáno péčí redakce populárního technického časopisu VYNÁLEZY A POKROKY. V Praze tiskem a nákladem F. Šimáčka 1908. HAZARD s RTG zářením •Zajímavosti o otevření •Ihned po vydání Roentgenova článku se objevil obrovský počet inteligentních podnikatelů, kteří tvrdili, že pomocí x-záření se můžete podívat do lidské duše. •Více světově propagovaných zařízení, údajně umožňujících vidět přes oblečení. •Například v USA, Edison nařídil vývoj dalekohledů využívajících záření. A ačkoliv tato myšlenka selhala, způsobilo to velmi vzrušení. •Obchodníci, kteří prodávali oblečení, propagovali své výrobky tak, že tvrdili, že jejich výrobek nedovoluje, aby se paprsky skrz šaty dostaly, a ženy se tak mohou cítit v bezpečí. Výrazně to zvýšilo prodej. Zkoušení obuvi (i dětské) pomocí RTG Zbytečné RDG vyšetření a preventivní celotělní CT •V současné době dramaticky narůstá počet RDG vyšetření, zejména pomocí CT. Často i zcela zbytečná vyšetření… •Zejména v USA velká obliba PREVENTIVNÍCH CELOTĚLNÍCH CT!! Nepříliš známé riziko RTG záření •Roku 1895 Thomas Alva Edison vyvinul fluoroskop, který se stal standardem lékařských vyšetření rentgenovým zářením. •Přesto Edison ukončil výzkum záření roku 1903, potom, co zemřel Clarence Madison Dally, jeden z jeho foukačů skla. •Dally zkoušel trubice na své ruce, čímž si přivodil jejich rakovinu. Obě ruce mu byly amputovány v marné snaze ho zachránit. • Další využití RTG • Rentgenové záření je též využíváno v analytické chemii. Částice látky jsou ionizovány rentgenovým zářením. Vzniklé sekundární rentgenové záření, které je charakteristické pro prvky, je analyzováno detektorem a přiřazeno konkrétním prvkům, ze kterých se analyzovaná látka skládá. Tato analytická metoda se nazývá rentgenfluorescenční spektroskopie. •Rentgenoskopie atd. •