Röntgenbildgebung
1. Grundprinzipien
Die medizinische Röntgenuntersuchung nutzt hauptsächlich die starke Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen in menschlichen Weichteilen, um den Zweck zu erreichen, den inneren Zustand zu "sehen". Die Natur der Röntgenstrahlung, wie das sichtbare Licht, das wir sehen, sind elektromagnetische Wellen. Der Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtbandes beträgt jedoch 380 ~ 780nm, und die Wellenlänge des Röntgens ist viel kleiner als die des sichtbaren Lichtbandes, das 10 ~ 10-³nm beträgt.
Da die Energie eines Photons als E = hv = hc / λ definiert ist, was umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist, ist die Photonenenergie von Röntgenstrahlen viel größer als die des sichtbaren Lichts, was sie stark durchdringt. Während sichtbares Licht nicht einmal die dünne Schicht unserer Augenlider übertragen kann, kann ein beträchtlicher Teil der Röntgenphotonen leicht in unseren Körper eindringen und von Detektoren auf der anderen Seite aufgenommen werden. Natürlich sind Gammastrahlen mit kürzeren Wellenlängen durchdringender. Aber vor Gammastrahlen sind unsere Körper fast transparent. Es ist, als ob du sehen wolltest, was in der Kleidung der Person auf der anderen Seite vor sich geht, aber die Penetration ist zu stark. Sie können direkt das Gebäude dahinter sehen, das auch eine Tasse ist. Darüber hinaus können wir nicht garantieren, dass Sie aus dem Bett aufstehen können, nachdem Sie einmal von Gammastrahlen bestrahlt wurden. Komm runter; Wenn du noch runterkommen kannst, werde vielleicht der Hulk.
2. Wechselwirkung mit Materie
Wie bereits erwähnt, interagieren Röntgenstrahlen mit verschiedenen Substanzen im Körper, so dass ein Teil der Energie von verschiedenen Geweben des menschlichen Körpers absorbiert wird und der andere Teil vom Detektor am anderen Ende durch den menschlichen Körper empfangen wird.
Nachdem die Röntgenstrahlen vom sendenden Ende emittiert wurden, passieren sie verschiedene Teile des menschlichen Gewebes und werden dann an den entsprechenden Positionen auf dem Detektor empfangen. Durch die Analyse der Ergebnisse auf dem Detektor können wir die internen Informationen des entsprechenden Körperteils erhalten. Welche Wechselwirkungen haben Röntgenstrahlen im menschlichen Körper, wie funktionieren sie und mit welchen Geweben interagieren sie? Das sind die Fragen, die wir untersuchen müssen.
Wir wissen, dass Materie aus Atomen besteht. Wenn Röntgenstrahlen durch den menschlichen Körper gehen, interagieren sie auch mit den Atomen in unserem Körper und verursachen eine Dämpfung. Es gibt drei Hauptformen der Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlen und Atomen:
1. Optoelektrischer Effekt
2. Compton-Streuung
3. Durchgang ohne Reaktion
Da in der Materie der Abstand zwischen den Atomen sehr groß ist, nimmt der Kern nicht nur ein sehr kleines Volumen ein, sondern es ist auch nicht einfach, dass ein Photon mit einem Elektron kollidiert. Ein beträchtlicher Teil der Photonen wird also unbeeinflusst durch den menschlichen Körper zum Detektor gelangen. Weitere Informationen finden Sie unter Rutherfords Goldfolienexperiment.
Im Folgenden soll der Schwerpunkt auf der Analyse des photoelektrischen Effekts und der Compton-Streuung liegen.
2.1 Optoelektronischer Effekt
Der photoelektrische Effekt bezieht sich auf die Wechselwirkung von Photonen mit den inneren Elektronen von Atomen, und die Photonen werden absorbiert. Nach der Absorption der Photonenenergie löst sich das Elektron von der atomaren Bindung und bildet ein Photoelektron.
Der photoelektrische Effekt ist auf Metallen offensichtlicher, und Photoelektronen können sogar zu Photoströmen konvergieren. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens des photoelektrischen Effekts ist umgekehrt proportional zum Würfel der Photonenenergie ([Formel]) α=1/E³, E=hv, das heißt, je höher die Photonenenergie, desto weniger wird sie absorbiert und desto höher ist die Penetration; Der Würfel der Ordinalzahl ist proportional (α Z³, Z: Ordnungszahl), so dass Blei (Ordnungszahl: 82) häufig für den Röntgenschutz verwendet wird. Im Vergleich zu Metallen besteht der menschliche Körper hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und anderen Elementen. Es hat eine niedrige Ordnungszahl und eine geringe Dichte der atomaren Verteilung. Daher müssen Sie sich keine Sorgen machen, dass Sie bei der Aufnahme von Röntgenstrahlen durch selbst erzeugte Elektronen einen Stromschlag erleiden.
Der photoelektrische Effekt ist die Hauptdämpfungsform von Röntgenstrahlen in der klinischen Praxis, und es ist auch die Dämpfungsform, die wir brauchen. Wie oben erwähnt, ist im Weichgewebe, das hauptsächlich aus organischer Substanz besteht, die Dämpfung von Röntgenstrahlen sehr gering, und die meisten von ihnen können direkt passieren. Da der Knochen jedoch hauptsächlich aus Calciumphosphat besteht und auch Atome wie Kalium, Magnesium, Natrium und Strontium enthält, ist die Dämpfung von Röntgenstrahlen im Knochen relativ hoch.
Daher ist die Erforschung der Situation von Knochen eine der wichtigsten klinischen Anwendungen von Röntgenstrahlen. Deshalb werden grundsätzlich alle orthopädischen Patienten gebeten, einen Film zu machen.
2.2 Compton-Streuung
Nun, der nächste Schritt ist das Streuen von Compton Kinderschuhen.
Anders als der photoelektrische Effekt bezieht sich die Compton-Streuung auf die Wechselwirkung von Photonen mit den äußeren Elektronen von Atomen, wodurch die Energie des Photons schwächer wird und die Bewegungsrichtung ändert (Streuung), während die äußeren Elektronen angeregt werden.
Natürlich brauchen Sie nicht in Panik zu geraten, Sie müssen nicht die Energie der gestreuten Photonen und den Streuwinkel θ sowie die Energie und den Winkel Ø der angeregten Elektronen berechnen.
Es ist ärgerlich, wenn Compton-Streuung auftritt. Denn in der geometrischen Optik denken wir alle, dass sich Licht in geraden Linien bewegt. Daher sollten das vom Detektor empfangene Signal und das auf dem Film angezeigte Endergebnis eins zu eins mit der anatomischen Struktur unseres menschlichen Körpers übereinstimmen. Die Signalintensität jedes Pixelpunkts auf dem Detektor sollte die Dämpfung der Röntgenstrahlung durch den menschlichen Körper widerspiegeln, der durch die Verbindung zwischen diesem Punkt und der Lichtquelle geht. Aber wenn Compton-Streuung an einem Punkt auftritt, treffen die gestreuten Photonen wahrscheinlich zufällig auf andere Pixel des Detektors, was nicht nur die vom Punkt empfangene Lichtintensität schwächt, sondern auch zufällige andere A wenig Lichtschub verursacht. Darüber hinaus zeigt ein wenig Verständnis der atomaren Energieniveaus, dass im Gegensatz zum photoelektrischen Effekt die Energie, die benötigt wird, um die äußeren Elektronen anzuregen, nicht in der gleichen Größenordnung liegt wie die Energie, um die inneren Elektronen anzuregen:
Dies führt zu einem einfallenden Röntgenphoton, das im Spektralbereich der Röntgenquelle verbleibt, auch wenn es eine Compton-Streuung durchlaufen hat und Energie reduziert hat. Als optisches Hauptrauschen der Röntgenbildgebung hat die Compton-Streuung einen großen Einfluss auf das Signal-Rausch-Verhältnis des Bildes. Um das durch die Compton-Streuung verursachte Rauschen zu unterdrücken, fügen wir im Allgemeinen ein Bleigitter vor dem Detektor hinzu, um Röntgenphotonen aus anderen Winkeln zu unterdrücken:
3. Erzeugung von Röntgenstrahlen
Zu wissen, dass Röntgenstrahlen nicht genug sind, wir sollten in der Lage sein, Röntgenstrahlen wie Ultraman zu emittieren, das ist cool
Natürlich, wenn Sie Röntgenaufnahmen machen, wird es keinen Ultraman geben, der sich bei Ihnen biubiubiu versteckt, sondern eine Röntgenröhre.
Das Grundprinzip ist, dass wir die Kathode unter Druck setzen und einen Elektronenstrahl abschießen, der die Anode bombardiert (normalerweise ein Metall wie Wolfram, Rhodium usw.). Die Elektronen werden in der Anode verlangsamt und die verlorene kinetische Energie in Photonen umgewandelt. Wenn die Spannung über die Kathode hoch ist (gemessen in kV), liegt die Photonenenergie, die wir erhalten, im Wellenlängenbereich von Röntgenstrahlen. Röntgen BEKOMMEN!
Dieses Prinzip der Photonenerzeugung wird Bremsstrahlung genannt, die im Deutschen [ˈbʁɛmsˌʃtʁaːlʊŋ] ausgesprochen wird. Bremsstrahlung können Sie hier anhören. Schau mich nicht an, ich werde es dir definitiv nicht vorlesen. Es bedeutet in etwa Verzögerungsstrahlung, was fast die Bedeutung von "Verzögerungsstrahlung" ist.
Abgesehen von der charakteristischen Strahlung von Wolframatomen in der Mitte mehrerer Spitzen ist dies auf die Selbstemission zurückzuführen, die durch die hochenergetischen Elektronen erzeugt wird, die die inneren Elektronen bombardieren und die Atome in den angeregten Zustand versetzen.
Dann kommt das Problem, in den Röntgenstrahlen, die wir bekommen, ist ein großer Teil der Photonenenergie relativ niedrig. Wir haben bereits in 2.1 Photoelektrischer Effekt erwähnt, dass je niedriger die Photonenenergie ist, desto schwächer ist die Durchdringung. Dies bedeutet, dass ein beträchtlicher Teil der Röntgenstrahlen fast vollständig vom Körper absorbiert wird, was nicht nur für den Nachweis nicht hilfreich ist, sondern auch die Strahlendosis für den Patienten stark erhöht. Im Allgemeinen werden wir jetzt einen Filter vorne hinzufügen, um diese energiearmen Röntgenstrahlen herauszufiltern. Auf diese Weise müssen Sie sich keine Sorgen um Krebs machen, nachdem Sie mit dem Filmen fertig sind.
4. Anwendung
Wie bereits erwähnt, haben Knochen, da sie mehr Calciumphosphat und andere Metallelemente enthalten, eine größere Dämpfungsrate im Vergleich zu anderen Weichteilen, so dass die meisten Röntgenanwendungen hauptsächlich zur Überprüfung von Frakturen und zur Analyse der Knochendichte verwendet werden. und vieles mehr. Was ist also mit anderen Teilen, die keine metallischen Elemente haben?
Die Antwort ist sehr einfach, wenn Sie es nicht hinzufügen ~
Wie Bariummehl. Durch gastrointestinale Bariummehlangiographie oder Bariumeinlauf (fragen Sie mich nicht, wie ein Einlauf schmeckt, ich werde es Ihnen nicht sagen), legen Sie ein Bariumsulfat-Kontrastmittel in den Verdauungstrakt und verwenden Sie dann Röntgenstrahlen, um nach Läsionen im Verdauungstrakt zu suchen. Der Hauptbestandteil von Bariummehl ist Bariumsulfat, das eine offensichtliche Absorption von Röntgenstrahlen aufweist und in Wasser unlöslich und in Säure unlöslich ist. Es wird nicht vom Verdauungstrakt aufgenommen und ist für den menschlichen Körper unschädlich.
Und Angiographie. Durch Injektion von jodhaltigem Kontrastmittel in die Blutgefäße der entsprechenden Teile können die Verteilung und Läsionen der Blutgefäße dargestellt werden.
