Дополнительные лекции по курсу «Компьютерная томография»

Взаимодействие квантов рентгеновского излучения с биологическими тканями

Н
Рис.3. Прохождение моноэнергетических квантов через мягкие биоткани. Приведенные кривые соответствуют энергиям квантов 20, 30, 50, 100 и 150 кэВ
а рис.3 показана зависимость проникающей способности моноэнергетических квантов для биотканей от энергии кванта и толщины слоя биоткани. При низкой проникающей способности (20 кэВ) и малой энергии квантов лишь небольшая часть квантов доходит до приемника изображения, а основная часть поглощается, и лучевая нагрузка на пациента будет очень высокой. Если коэффициент прохождения излучения близок к единице, то различия в проникающей способности через разные ткани будет малым, а контраст в изображении будет низким. Если использовать большую энергию, то лучевая нагрузка становится равной нулю, но лучи проходят тело человека, не взаимодействуя с ним. Следовательно, необходимо использовать принцип "полупрозрачности" тканей, который зависит от толщины исследуемой ткани. На практике энергии квантов находятся обычно в пределах от 17 кэВ (при толщине ткани 1-3 см) до 150 кэВ (при толщине ткани 20-30 см). В указанном диапазоне энергий взаимодействия квантов рентгеновского излучения с биотканью приводит к фотоэффекту и рассеянию.
Фотоэлектрический эффект представляет собой такое взаимодействие квантов, при котором квант рентгеновского излучения поглощается тканью, при этом образуется фотоэлектрон и несколько характеристических рентгеновских квантов. В биоткани фотоэлектрон имеет энергию 150 кэВ и, следовательно, очень быстро поглощается (свободная длина пробега 0,3 мм), это приводит к увеличению лучевой нагрузки. Характеристическое рентгеновское излучение также поглощается в тканях, но длина свободного пробега может достигать 4 см (для элементов с большим атомным числом).
Рассеянное излучение имеет более плавную зависимость от энергии, однако, при рассеянии образуются рентгеновские кванты, энергия которых лишь немного меньше энергии падающего излучения (падающее 25 кэВ – рассеянное 22,8 кэВ, падающее 100 кэВ – рассеянное 71,9 кэВ). Рассеянное излучение создает ту фоновую засветку, которая доходит до регистратора, поэтому его необходимо фильтровать.
Н
Рис.4. Зависимость линейного коэффициента ослабления излучения от энергии кванта для мягких биотканей. Приведены зависимости коэффициентов фотоэлектического поглощения, рассеяния и поглощения (обусловленного рассеянием) от энергии квантов
а рис.4 приведены зависимости линейного коэффициента ослабления от энергии кванта как для фотоэлектрического поглощения, так и для рассеяния. Последний вид взаимодействия не дает вклада в поглощение квантов. На рис.4 приведена также зависимость поглощенной компоненты излучения, обусловленной рассеянием и передачей энергии электронам отдачи. Видим, что при энергиях приблизительно до 25 кэВ для мягких тканей сечение фотоэлектрического процесса больше, чем сечение рассеяния.
Н а рис.5 показаны зависимости линейных коэффициентов ослабления излучения костными и мягкими тканями от энергии. Различие между коэффициентами для этих тканей обусловлено главным образом разницей в сечениях фотоэффекта и плотностями биотканей и ясно показывает, почему рентгеновские лучи столь хорошо подходят для получения изображений переломов костей.
Р
Рис.5. Зависимость линейного коэффициента ослабления от энергии квантов для костных и мягких биотканей
азличие на рис.5 между двумя кривыми и, следовательно, контраст в изображении костной и мягкой тканей уменьшаются с увеличением энергии квантов.
Главное условие: решение реконструкции томограммы представляет собой решение некорректной задачи, малые шума приводят к большим шумам в реконструированной томограмме. Так как не можем увеличивать лучевую нагрузку на человека, необходимо изучать контраст и нерезкость изображения.