Ⅰ. X선의 상호작용
A. 서론
-광자는 물질을 지나갈 때, 통과하기도(투과), 흡수하기도(에너지를 흡수 매질에 이전) 또 는 산란되기도(방향을 바꾸고 에너지를 잃는다)한다.
-이들 광자의 상호작용에 영향을 주는 중요한 인자는 입사광자의 에너지, 밀도, 두께,
그리고 매질의 원자번호이다.
-분자내의 원자의 배열(분자구조)은 광자의 상호작용에 거의 영향을 미치지 않는다.
-X-선 광자는 keV로 측정되는 상당한 양의 에너지를 전자에 준다.
-이 전자들은 다른 원자의 각 전자와 상호작용하고 추가전리를 생성함으로써 에너지를
잃는다.
-에너지를 가진 전자는 수백개의 추가 이온쌍을 생성한다.
-진단방사선에는 compton산란과 광전효과가 두개의 중요한 상호작용이다. 다른 상호작 용에는 고유산란(고정산란), 쌍생성, 광붕괴 등이 있다.
B. 고유산란 또는 일관성 산란
-입사광자가 에너지를 잃지 않고 방향을 바꿀때 일어난다.
-고유산란은 환자에게 에너지를 주지 않고, 바람직하지 않은 산란선만을 준다.
-어떤 에너지도 원자에 이전하지 않기 때문에 전리가 일어나지 않는다.
-진단방사선에 존재하나 문제되지 않는다.
-고유산란은 진단에너지의 조직속에서 일어나는 모든 광자 상효작용의 10%이내이다.
C. 전자쌍 생성
-고에너지 광자가 원자핵과 상호작용할 때 일어난다. 광자가 사라지고, 에너지는 전자 와 양전자로 변환된다.
-이 작용이 일어나려면 1.0022MeV의 문턱에너지가 필요하다. 이것은 전자(511KeV)와 양전자(511KeV)쌍을 생성하는데 필요한 에너지다.
-높은 문턱에너지(1.022MeV) 때문에, 쌍생성은 진단방사선에서는 일어나지 않고, 메가볼 트 방사선 치로에서 중요시 된다.
D. 광붕괴
-높은 에너지가 핵에 흡수될 때 일어나며, 그 결과 핵의 즉각붕괴를 가져온다.
-광붕괴의 문턱에너지는 15MeV이다.
-이것은 메가볼트(MV) 방사선 치료와 고 에너지 가속기 물리에서 만나게 되는 고광자 에너지에서 중요하다.
Ⅱ. 광전효과와 Compton 산란
A. 광전효과
-가장 단단하게 묶여있는 전자와 입사 X-선 광자 사이에서 일어난다.
-광자가 내각전자에 의해 완전히 흡수될 때 일어나고, 광전자가 방출된다.
-광전자방출과 더불어 양원자 이온이 생성된다.
-광전자는 조직내의 다른 원자를 전리함으로써 에너지를 잃고 환자선량에 기여하다.
-광전자에너지는 입사광자의 에너지와 전자의 결합에너지간의 차이와 동등하다.
-내각전자의 공백은 외각전자에 의해 채워지고, 잉여에너지는 특성 X-선(방사선)으로 방 출된다.
-특성 X-선 방출대신 그 에너지는 궤도로부터 Auger전자가 방출되는 수도 있다.
B. 광전효과가 일어날 확률
-광전효과가 일어나기 위해서는 입사 X-선은 내각 전자의 결합에너지보다 더 큰 에너지 를 가져야 한다.
-옥소의 K각 전자의 결합에너지(K-단)은 33KeV이고, 광자의 상호작용의 급격한 증가는 X-선 광자에너지가 33KeV를 초과할 때 일어난다.
-광전흡수는 X-선 에너지가 궤도전자(K-단)의 결합에너지 이하에서 이상으로 증가할 때 급격히 증가한다.
-K-단 에너지 이상에서 PE효과는 광에너지에 비례하여 급격히 감소한다. 즉 PE효과는 1/E3에 비례한다. PE효과는 또한 Z3에 비례한다. E가 결합에너지보다 더 크면, 전자가 단단히 결합되어 있으면 있을수록, PE 효과는 일어날 확률은 더 크다.
-원자번호 Z가 높고 광에너지가 바로 K단위이면 PE효과는 중요하다.
-중요한 K각 결합에너지는 산소(Z=8)는 0.5KeV, 칼슘(Z=20)은 4KeV, 옥소(Z=53)는
33KeV, 바륨(Z=56)은 37KeV, 그리고 납(Z=82)은 88KeV이다.
C. Compton 산란
-입자광자는 가장 느슨하게 결합된(외각)전자와 상호작용한다.
-Compton 산란은 입사 광자에너지보다 에너지가 적은 산란광자를 가져오고, 새로운 방 향으로 나간다.
-산란전자는 입사광자에 의해 잃은 에너지를 가진다.
-이 전자는 조직속의 다른 원자를 전리함으로써 에너지를 잃고 환자선량에 기여한다.
-Compton 상호작용의 결과 외각 전자를 잃은 양 원자 이온이 남는다.
-Compton 상호작용은 낮은 결합에너지를 가진 전자와 가장 잘 일어난다.
-외각전자는 수 전자볼트만을 가진 결합에너지를 가지며, 이것을 전형적인 진단에너지
X-선 광자의 고에너지(30KeV)에 비하면 무시할만하다.
-그림 3-2는 Compton 상호작용을 보여준다.
-진단방사선에서 만나는 방사선은 대부분이 산란 방사선이다.
D. Compton 상호작용이 일어날 확률
-Compton 상효작용 확률은 매질속의 외각 전자의 수(전자밀도)에 비례하고 광자 에너지 에 역비례한다(1/E).
-산란광자는 입사광자의 방향과 180˚를 포함(후방산란) 어느 방향으로도 이동할 수 있 다.
-편향각이 감소하면 산란 X-선에 남아 있는 에너지는 증가한다.
-전자로의 에너지 이전은 광자가 후방산란될 때 최대이다.
-다른 산란 각도에서 입사광자와 산란 X-선 에너지는 표 3-2에 수록되어 있다.
-연부조직에 대해서 PE효과와 Compton 효과는 광에너지가 25KeV에서는 크기가 같다.
Ⅲ. 방사선의 감쇠
A. 선 감쇠계수
-선 감쇠괴수(μ)는 광자가 단위 거리를 지나갈 때 빔으로부터 잃은 입자광자의 분수이 다.
-감쇠계수는 PE Compton 산란을 포함하는 모든 X-선 상호작용에 관계된다.
-감쇠계수는 일반적으로 광자에너지의 증가와 함께 감소하고 원자번호와 밀도와 함께 증가한다.
-감쇠계수 0.1/cm (0.1 cm-1)는 입사광자의 10%가 1cm를 지나갈 때 잃고 (흡수 또는 산란) 나머지 90%가 투과된다는 의미이다.
-단색 (단일 에너지)X-선은 지수공식 N = N0e-μt 에 따라 흡수된다. 여기서 N0는 두께 t의 흡수매질에 입사하는 처음 광자의 수, N은 투과된 광자의 수, μ (cm-1)은 감쇠계 수이다.
B. 질량 감쇠계수
-선 감쇠계수는 흡수물질의 밀도에 좌우된다. 그러나 어떤 흡수물질에 대해서는 감쇠는 두께가 반이고 밀도가 두 배면 동등하다.
-예컨대 폐(lung)의 압축은, 흡수 매질의 양(총 원자수)이 동일하기 때문에, 광자의 투과 에 아무런 영향을 미치지 않는다. 그러나 감쇠계수(μ)와 밀도(ρ)값은 폐가 확장 또는 압축될때 변화된다.
-질량 감쇠계수는 선 감쇠계수(μ)를 밀도(ρ)로 나눈 것이다.
-이것은 광자가 여행한 거리보다는 지나간 재료의 질량의 질량의 함수로 감쇠를 설명하 게 된다.
-질량 감쇠계수는 재료의 밀도와 무관하다.
-감쇠를 명시하기 위해 질량 감쇠계수가 사용될 때, 흡수매질의 두께는 질량두께 g/cm2 또는 ρ×t 를 사용하여 명시되어야 한다.
-X-선 감쇠는 질량두께와 질량감쇠를 곱하여 결정된다. 즉 (ρ×t)×(μ/ρ)
-밀도(ρ)가 상쇄되기 때문에 이 곱은 감쇠계수 e-μt 를 주변 μ×t와 동등하다.
-그림 3-3은 다른 재료에 대해 X-선 에너지의 함수로서 질량감쇠를 보여준다.
C. 반가층
-X-선 빔을 50% 로 감소시키는 재료의 두께이다.
-입사강도의 1/10만이 투과되기 때문에 X-선 빔을 90%까지 감소시키는 재료의 두께를 10반가층이라 한다.
-평균 진단 X-선 에너지에서 연조직에 대한 HVL은 2.5cm에서 3.0cm이다.
-20cm 두께의 환자에 대한 복부촬영의 1차선은 투과는 1% (3cm 이후에는 50%, 6cm이 후에는 25%, 9cm 이후에는 12% 등등)이다.
-1차선 빔이 환자를 투과하는 값은 복부촬영은 10%, 유방촬영은 5%, 두부는 1%, 복부 사진에 대해서는 0.5%이다.
-유방촬영에서 사용하는 낮은 에너지(28KeV 스펙트럼)에서 연조직의 HVL은 약 1cm이 다.
-선 흡수계수(μ)와 HVL 간의 관계는 HVL = loge(2)/μ = 0.693/μ
-표 3-3은 단색 X-선빔에 대한 대표적 HVL과 TVL을 보여준다.
Ⅳ. 진단 X-선빔
A. 서론
-진단방사선 X-선 빔은 폭넓은 광자에너지로 되어있고 다색 또는 복합 에너지로 알려져 있다.
-다색 X-선빔의 강도의 감소를 측정하기 위해서 유효 광자 에너지에서의 흡수매질에 대 한 감쇄계수는 반드시 알아야 한다.
-유효광자 에너지는 최대 광자에너지의 1/3 과 1/2 사이에 있다.
B. 필터
-X-선관으로부터 나오는 X-선 빔은 많은 수의 저에너지 광자를 포함한다.
-저에너지의 광자는 환자를 투과할 수 있는 기회는 무시할만큼 적어, 환자에 선량을 주 고 영상에는 아무것도 기여하지 못한다.
-유리창이 고유 X-선 필터로 작용하기 때문에, 매우 다른 에너지 X-선은 X-선관을 나 갈 때 유리창에 의해 정지된다.
-Beryllium은 여과가 되지 않으며, 우방촬영 X-선 관구의 창으로 사용된다.
-필터는 여과효과를 증가시키기 위해서 X-선 관구의 창에 붙인다.
-필터는 저에너지 광자를 먼저 흡수된다.
-그림 3-4는 X-선 스펙트럼의 여과효과를 보여준다. 저에너지 광자는 필터 또는 기타 흡수매질을 통과할 때 우선적으로 소실된다.
C. 빔의 경화
-빔 경화는 여과로 인한 저 에너지 광자의 우선적 상실을 말한다.
-X-선빔 출력은 여과의 증가와 함께 감소하나 평균에너지는 증가한다.
-X-선빔은 평균 에너지를 가진 여과된 빔을 경화 X-선빔 이라고 한다.
-1 반가층 여과후, 추가 50%까지 투과 빔 강도를 감소시키기 위해서는 더 두꺼운 재료 를 요한다.
-이는 다색 X-선빔에 있어서 제 2 반가층은 젓 반가층보다 항상 더 크다는 것을 의미한 다.
-빔 경화는 단색 X-선빔에서는 일어나지 않는다. 왜냐하면 반가층은 일정하기 때문이다.
-경화 빔은 중(두꺼운)여과를 사용하여 고 PEAK 전압에서 생성된다.
-연 빔은 저 여과를 사용 저 PEAK 전압을 생성한다.
D. X-선 빔의 선질
-X-선빔의 선질은 강도를 50%로 감소시키는 AL의 두께로 명시한다.
-80KeV에서 적법, 최소 X-선빔 반가층은 AL 2.5mm 이다.
-저 반가층은 빔이 너무 많은 저에너지 광자를 가지고 있다는 의미이다.
-대표적 반가층 : 유방(28KeV)DPTJSMS 0.3mm, AL 제로회디오그래피(45KeV) AL
1.5mm, 재래식 촬영(80kev) 에서는 3mm
-도표 3-5은 심상발생장치에 대해 peak 전압과 빔여과 함수로 X선빔 반가층의 대표적 값을 주고 있다.
Ⅴ. 사진 대조도
A. 피사체 대조도
-피사체 대조도는 환자의 다른 부분을 통과하는 X선 강도의 차이이다.
-피사체 대조도는 입사광자의 에너지, 원자번호와 흡수체와 밀도의 영향을 받는다.
-PE와 Compton산란이 진단 X선 영상에서 나타나는 대조도에 기여하는 일차적 인자이 다.
-PE효과는 저 광자에너지에서 중요시 되고 높은 피사체 대조도를 가진다.
PE는 또한 고원자번호(칼슘, 옥소, 바륨)를 가진 재료가 존재할 때 중요하다.
-Compton산란은 높은 에너지에서 지배적이고, 한편 PE효과는 무시할만 하다.
B. 조영제
-공기, 바륨, 옥소 등의 조영제는 피사체 대조도를 향상시키기 위하여 사용한다.
-바륨은 몇 가지 이유로 방아선 사진 검사의 시각화를 위한 조영제로 사용한다.
바륨은 원자번호와 밀도가 높기 때문에 감쇠가 높다.
-바륨의 K단은 투시에서 사용되는 광에너지와 일치하는 37keV이다.
-옥소(Z=53, K단 = 33keV)는 바륨과 같은 유사한 이유로 우수한 조영제로 사용된다.
-옥소 조영제는 경혈관적으로 주사되고 수액으로 희석되며, 경혈관수액의 삼투한계는 농 도를 제한시킨다.
-공기는 음성의 조영제이고 조직보다 덜 감쇄되기 때문에 피사체 대조도를 증가시킨다.
C. 대조도와 peak voltage
-PE효과는 흡수매질의 원자번호에 민감하기 때문에 고 피사체 대조도를 가져온다. 그러 나 필름의 한정된 직선부 때문에 사진적으로 피사체 대조도를 기록하기는 어렵다.
-저 kvp X선빔은 환자를 투과하는데 한계가 있기 때문에 방사선과학에서 거의 사용되 지 않는다.
-고 kvp X선빔은 고 평균 X선에너지를 가지며 더 투과한다.
-그림 3-5는 피사체 대조도가 어떻게 kvp에 좌우되며, kvp가 증가되면 피사체 대조도가 감소함을 보여준다.
-Compton산란은 kvp가 증가될 때 중요하고 대조도를 감소시킨다.
-증가된 kvp에서 저 X선관 출력은 만족스러운 방사선 영상을 얻기 위하여 주어진 수준 의 환자투과를 달성하는데 필요하다.
-kvp가 증가되면 X선 출력(mAs)치는 감소하며, 적은 피부노출에 동일한 필름 농도를 생성한다.
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