Röntgenfilter

Röntgenikiirguse spekter filtratsioonita ja kolmel erineval filtril A = Al (aluminium) filter B = Al + Sn (tin) filter C = Al + Sn + Cu (copper) filter

Röntgenfilter on materjal, mis on paigutatud röntgenikiirte allika ette selleks, et vähendada kiirguse intensiivsust kiiratud spektri lainepikkustel ja muuta lainepikkuste jaotust kiirekimpudes.

Röntgenikiirte jõudmisel aineni üks osa saabuvast kiirgusest neeldub aines, teine osa liigub kehast läbi. Neeldunud röntgenikiirguse energia sõltub materjali massnõrgenemistegurist ja langeva footoni energiast. Täielik neeldumine toimub siis, kui piisava energiaga röntgenikiired põhjustavad elektronide energiatasemete üleminekut neelduva materjali aatomis. Neeldunud energia ergastab aatomeid ja ei jätka materjalist läbi liikumist (ehk on välja "filtreeritud"). Siiski, vaatamata üldiselt neeldumise vähenemisele suurema energiaga lainepikkustel, on neeldumises perioodilised piigid, mis vastavad materjali elektronkihtide energiatasemete vaheliste elektronsiiretele. Neid piike kutsutakse neeldumisservadeks. Selle tõttu filtreerivad erinevad materjalid röntgenlaineid energiatel, millele vastavad elektroni energiatasemed ja natukene energiatasemest rohkem. Omakorda tähendab see, et röntgenikiired, mille energiad on elektroni energiatasemest väiksemad, liiguvad ainest relatiivselt ilma muundumata läbi.

Järelikult on võimalik täpselt valida, millistel lainepikkustel röntgenikiiri me soovime näha, kasutades teatud neeldumiskarakteristikatega aineid eri röntgenikiirgurite jaoks.

Rakendused

Näitena emiteerib vasest röntgenikiirte allikas laineid, mille kiiratavad lainepikkused on 154 ja 139 pikomeetrit. Niklil on neeldumisserv 149 pm, kahe vase poolt kiiratud lainepikkuse vahel. Seega, kasutades niklist valmistatud filtrit, neeldub kõrgema energiaga 139-pikomeetrine lainepikkus filtris, kuid 154-pikomeetrine läbib filtri ilma, et kiirguse intensiivsus muutuks. Tulemuseks vasest röntgenikiirguse allikas, mille ees on niklist filter, saab tekitada peaaegu monokromaatilist röntgenikiirgust, mille footonite lainepikkused on enamasti 154 pm.

Meditsiinilistel eesmärkidel kasutatakse röntgenfiltreid selleks, et vähendada või kõrvaldada madala energiaga kiired röntgeniülesvõtte (radiograafia) ajal. Madala energiaga röntgenikiired (vähem kui 20 keV) mõjutavad saadavat pilti marginaalselt, kuna nad neelduvad patsiendi pehmetes kudedes (eriti nahas). Röntgenikiirguse neeldumisel patsiendis suureneb tõenäosus, et patsiendis esineb stohhastiline (nt vähk) või mittestohhastiline (nt koe reaktsioonid) mõju. Selle tõttu eelistatakse eemaldada madala energiaga röntgenlaineid langevast kiirgusest, sest pildikvaliteedi need praktiliselt ei muuda.

Röntgenikiirguse filtratsioon võib olla kiirguri torus sisseehitatud või saab filtreid lisada plaatidena erinevatest materjalidest. Kõige õhem filtratsioon, mida meditsiinis kasutatakse, on tavaliselt 2,5 mm paksune alumiiniumiplaat, kuid hiljuti on hakatud kasutama paksemaid filtreid. Tänapäevaste fluoroskoopiaseadmete valmistajad kasutavad süsteemi, kus lisatakse eri paksusega vasest filter (olenevalt patsiendist). Vaskfiltri paksus erineb tavaliselt 0,1–0,9 mm. Röntgeniaparatuuri ehitusel kasutatakse kiirte kiirgamisel ja kollimeerimisel vältimatult klaasi, mis on ka efektiivselt filter. Nende klaasideta oleks kiiratud energia kõrge piik madalamas energias ja umbes 2–3 suurusjärku suurem kui klaasiga filtreeritud kiirgus. Seda vältimatut filtratsiooni kutsutakse omafiltratsiooniks.

Röntgenfiltreid kasutatakse ka röntgenkristallograafias aatomisiseste vahede määramiseks kristalsetes tahkistes. Võrede vahesid saab määrata Braggi difraktsiooni kaudu, kuid see meetod nõuab, et keha uuritakse peaaegu täpselt monokromaatilise röntgenlainega. See tähendab samasuguste vask-nikkel-süsteemide kasutamist, nagu eelpool mainitud, et võimaldada ainult ühel lainepikkusel läbimist valitud kristallis, mis võimaldab saadud hajumisel määrata difraktsiooni kaugust.

Filtratsiooni paksus

Tabelis on esimeses veerus lisafiltratsioon, teises veerus torust kiiratud energiat iseloomustav arv mAs, mis on jäetud konstantseks. Kolmandas veerus on neeldumist kirjeldav suurus milligrei, neljandas veerus greid ümber arvutatud röntgeniteks ja viiendas veerus keskmine intensiivsus. Tabel on koostatud kolmel piikpingel, 70 kVp, 90 kVp ja 120 kVp

Filtratsiooni paksus meditsiinis sõltub patsiendist (vanusest ja suurusest) ja kohast, kust pilti võetakse. Tihti kasutatakse filtratsiooni füüsilise paksuse asemel suurust Half Value Layer (HVL, eesti keeles poolnõrgenemispaksus). See on kiirguse kvaliteeti iseloomustav suurus, mis on määratud teatud materjali (nt Al) paksusega, milles selle kiirguse intensiivsus väheneb 2 korda; on võrdeline kiirguse läbitungivõimega ja materjali nõrgestusteguriga. Selle ühikuks (alumiiniumi puhul) on 1 mm Al. HVL-i kasutatakse radiograafias pigem kiirguse kvaliteedi näitamiseks. HVL on kvaliteedikontrollis tähtsam kui füüsiline paksus, sest sellega saab mõõta piisava filtratsiooni paksust, et patsiendis ei neelduksid madalama energiaga kiired.

Üldiselt on meditsiinis kasutatavates masinates omafiltratsioon, mille paksus on ekvivalente umbes 0,5–1,0 mm Al. Ameerika Ühendriikides on seaduse järgi minimaalne täisfiltratsioon (omafiltratsioon ja lisafiltratsioon kokku) 2,5 mm Al, kui masin opereerib kõrgemal, kui 70 kVp (piikpinge kilovoltides).

Ühikud

Meditsiinifüüsikas (ja ka kiirguskaitses, tervisefüüsikas, radiobioloogias jm aladel) kasutatakse üldiselt röntgenikiirguse neeldumise kirjeldamiseks patsiendis neeldumisdoosi, mille ühikuks on grei (Gy). See on ühe džauli energia neeldumine ühe kilogrammi kohta. Eelnevalt on kasutatud ka röntgenit (R), kuid kuna röntgen iseloomustab kiiritust, ehk väljendab röntgenikiirguse (kiirgusvälja) intensiivsust, mitte neeldumist aines, on võetud kasutusele teised, rohkem kirjeldavad ühikud. Lisaks on kasutusel veel rad (1 rad = 0.01 Gy) ja siivert (Sv).

Laeng (meditsiinilistes rakendustes kasutatav ühik milliamper-sekund mAs) on suurus, mida kasutatakse spetsiifilise röntgenitoru talitluse iseloomustamiseks. See on mõõt torust kiiratud energiast sekundi kohta. Näiteks kui toru funktsioneerib voolutugevusel 600 mA 0,1 sekundit, saab mAs-i arvutada nii:

$600\,mA\times 0,1\,s=60\,mAs$

Suurendades kas voolutugevust või pikendades toru talitlusaega, suureneb emiteeritud energia, mida mAs iseloomustab.

Eri ainete toime

Kasutatakse röntgenkristallograafias

• tsirkoonium – neelab pärsskiirgust ja K-β kiirgust;
• raud – neelab terve spektri;
• molübdeen – neelab pärsskiirgust, kuid mitte K-β ja K-α kiirgust*;
• alumiinium – lõikab pärsskiirgust* ja eemaldab 3. astme piigid;
• hõbe – sama mis alumiinium, kuid rohkemal määral;
• indium – sama nagu raud, kuid vähemal määral;
• vask – sama nagu alumiinium, jätab alles ainult 1. astme piigid.

Kasutatakse radiograafias

• molübdeen – kasutatakse mammograafias;
• roodium – kasutatakse mammograafias koos roodiumanoodidega;
• alumiinium – kasutatakse üldiselt radiograafia röntgenitorudes;
• vask – kasutatakse üldiselt radiograafias, eriti pediaatrias;
• hõbe – kasutatakse mammograafias koos volframanoodidega;
• tantaal – kasutatakse fluoroskoopias koos volframanoodidega;
• nioobium – kasutatakse radiograafias ja hambaradiograafias koos volframanoodidega;
• erbium – kasutatakse radiograafias koos volframanoodidega.

Märkused.

• Molübdeen paistab mitte neelavat K-α ja K-β kiirgust, samal ajal pärsskiirgust neelates. Kuigi molübdeen neelab tegelikult terve spektri energia, tekitab see neelamine sama karakteristikaga piigid, nagu seda on uuritavas objektis.
• Pärsskiirgus lõikamine on tingitud aatommassist. Mida tihedam on aatom, seda suurem on röntgenikiirguse neeldumine. Ainult kõrgema energiaga röntgenikiired läbivad filtri, mis näeb välja, nagu oleks pidevat pärsskiirgust lõigatud.

Lisalugemist

• B. D. Cullity & S.R. Stock, Elements of X-Ray Diffraction, 3rd Ed., Prentice-Hall Inc., 2001, p 167-171, ISBN 0-201-61091-4.

Vaata ka

• Röntgenikiirgus
• Elektromagnetspekter
• Radiograafia