2. 피사체 내에서의 X-선의 상호작용 - 광전효과(Photoelectric effect)

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1 2. 피사체 내에서의 X-선의 상호작용 - 광전효과(Photoelectric effect)
콤프턴효과 (compton’s effect) = Compton’s scattering 톰슨 효과 (Thompson effect) - 상호작용비율

2 1.5 X-선의 감약 초점에서 발생한 X선이 일정거리를 통과하는 동안에 다음과 같은 원인에 의해서 그 강도가 감약 된다.
P. 21 1.5 X-선의 감약 초점에서 발생한 X선이 일정거리를 통과하는 동안에 다음과 같은 원인에 의해서 그 강도가 감약 된다. (1)거리 역자승의 법칙에 의한 감약 (2)물질내의 흡수에 의한 감약 => 물질내의 흡수와 산란에 의한 감약 은 물질을 구성하고 있는 원자 와 X-선과의 상호작용에 의한 것이다. (3)물질내의 산란에 의한 감약

3 (1) 거리역자승의 법칙 초점에서 출발한 엑스선의 강도는 초점에서 거리가 멀어질수록 감약 된다 즉, 거리가 2배, 3배로 증가됨에 따라 강도는 1/4, 1/9 로 감약 된다 거리 역자승의 법칙은 도중에 물질과 엑스선의 상호작용을 생각하지 않은 기하학적인 감약 방식 이다. (피사체가 없다는 가정하에….) 강도 거리

4 (2) 물질내의 흡수에 의한 감약 => 광 전 효 과 (3) 물질내의 산란에 의한 감약 => 콤 프 턴 효 과

5 2.1 광전효과(Photoelectric effect) : X선을 인체에 조사했을 때, 원자에 충돌하는 X선이 (주로 내각전자) 궤도 전자에 완전히 흡수되면, 궤도 전자는 에너지가 부가된 높은 속도의 광전자로써 원자에서 이탈된다. 그러나 광전자는 다른 원자에 곧 충돌하게 되어 환자의 몸 밖을 나올 수가 없고, 원래의 X선 에너지는 광전자에 완전히 흡수 되므로(광전흡수) 2차선 발생이 없다. 엑스선 필름에서 그 영역은 흰색으로 남는 데 이를 광전효과라 하며, 엑스선의 에너지가 궤도 전자가 원자핵과 결합되어 있는 속박에너지보다 약간 컸을 때 일어나게 된다. P. 22

6 2.1 광전효과(Photoelectric effect)
광자의 전에너지를 전자각을 운행하고 있는 궤도전자(원자핵과의 결합력이 강한 내각전자)에 빼앗기고 ,궤도전자는 높은 운동에너지를 가지고 원자 밖으로 튀어나오는 경우 튀어나온 궤도전자  광전자(photoelectron) 이때, 입사한 광자는 그 전체에너지가 상실되어 소멸하고, 공석이 된 내각전자궤도에는 그 바깥 쪽의 궤도전자가 천이하면서 에너지 준위차이에 의해 2차X-선 (매우 연해서 그자리 에서 바로 흡수 =광전흡수))이 방사된다. (특성 X선 과 같은 원리)

7 P. 22~23 광전효과는 X선 영상의 대조도 를 형성하는데 결정적 요인 이 되고 있다. 원자번호가 크면 내각의 결합에너지는 커지고, 입사X-선의 에너지(광자의 에너지)가 K각의 결합에너지보다 약간 클때, 광전효과는 많이 발생할 것이다.

8 연부조직, 뼈, 아이오다인의 관전압에 따른 광전효과. - 40kV : (Z) 연부조직 =7
P. 22~23

9 광전효과는 X선 영상의 대조도를 형성하는데 결정적 요인이 되고 있다.
광전효과가 가장 클 때는 관전압이 낮고, 조직 원자번호가 높을 때이다. 관전압을 증가하면 광전효과는 급속히 모든 조직에서 떨어진다.

10 콤프턴 효과: 콤프턴 효과는 결합에너지가 아주 낮은 원자의 외각전자(자유전자)에서 주로 일어나는 데, 피사체에 조사되는 엑스선의 에너지가 궤도전자의 결합에너지보다 훨씬 클 때 일어난다. 이 때 외각전자는 궤도를 이탈하는데 이 전자를 반도전자(recoil electron)라 한다. 나머지 에너지는 2차 콤프턴 광자로 또 다시 다른 방향으로 방출된다 . 이를 산란선 이라 하며, 1차선과 방향이 다른 X선을 말한다. 산란선의 99%는 콤프턴 작용 에 의해 생기는 것이다. 산란선이 필름에 도달되면 포그(fog)의 원인이 되어 영상의 대조도를 감소시키므로 광전효과와는 반대의 영향을 주고 있다. P. 24

11 ** 콤프턴 효과: 콤프톤 효과는 입자로서의 X선의 성질을 가장 잘 나타낸 것으로, 광자 에너지의 일부가 자유전자 또는 원자핵과의 결합력이 약한 외각전자에 충돌하여 ,그 전자에 에너지의 일부를 공급하면서 전자를 이탈 시키고 , 자신은 그만큼 에너지가 작은 X-선 (장파장)이 되어 방향을 바꾸는 현상(산란) * 이탈된 전자  반도전자

12 P. 24~25 콤프턴 효과는 결합에너지가 아주 낮은 원자의 외각전자가 엑스선 에너지의 일부분만 흡수해서 튀어 나가고 원래의 엑스선은 에너지를 잃고 방향을 바꾸어 장파장 엑스선이 되는데 이를 산란선 이라 한다. 콤프턴 효과는 관전압 이나 원자번호의 변화에 관계없이 거의 일정하게 일어난다. 원자번호의 변화는 외각전자에 많은 영향을 주지 않는다.

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14 필름에 도달하는엑스선의 75% 이상이 산란선 이다
필름에 도달하는엑스선의 75% 이상이 산란선 이다. 격자(grid)는 산란선을 흡수하기 위해 사용되는데, 모든 산란선을 흡수하지는 못한다. 두꺼운 부위에 격자를 사용하지 않으면 산란선은 90% 이상 영상에 작용할 것이다.

15 2.3 톰슨 효과: 조사되는 X선의 에너지가 궤도 전자의 결합 에너지보다 작을 때는 톰슨 작용이 일어난다.
P. 25

16 톰슨 산란의 총수는 피사체 내에서 일어나는 모든 산란선의 1%에 해당한다
톰슨 산란의 총수는 피사체 내에서 일어나는 모든 산란선의 1%에 해당한다. 이 산란선은 에너지가 낮아 필름에 도달하는 양은 아주 적다. 따라서 톰슨 산란은 X선 영상에 영향을 적게 미친다.

17 이 모든 현상이 엑스선의 방출과 함께 피사체 내에서 이루어지는 과정이다. (광전효과, 콤프턴효과, 톰슨산란 등)

18 ** 대조도 엑스선 영상에는 농도가 필요하지만 농도의 차가 적당해야만 함. 농도를 만든다는 것은 하나의 수단이고 본질은 검사하려는 조직과 병소 사이에 적당한 농도차를 만들어 병적 변화를 식별하는 것. 이때, 농도차가 큰 것을 대조도 ↑, 농도차가 적은 것을 대조도↓ - 일반적으로 대조도란 영상의 명암의 정도. 대조도는 피사체가 X선을 흡수하기 때문에 생기는 것이므로 피사체를 구성하는 각종 성분의 원자량(원자번호) 차이, 또는 필름의 특성에 따라 명암의 차는 커진다. 전자를 피사체(선)대조도, 후자를 필름(사진) 대조도.

19 Z=7.4 Z=20 Z=53 Z = 53 Z = 7.4 Z = 20

20 2.4 상호작용 비율(Ratios of interaction)
P. 26 2.4 상호작용 비율(Ratios of interaction) 영상의 대조도는 광전 효과와 콤프턴 효과의 상호작용 비율에 따라 달라진다. 콤프턴 효과보다 광전효과가 더 많이 일어난다면 영상의 대조도는 높아 짐. 광전 효과보다 콤프턴 효과가 더 많이 일어나면 산란 X-선에 의해 영상은 포그가 생기고, 대조도는 저하 된다. 광전 효과는 영상의 대조도를 좋게 하지만, 콤프턴 효과는 영상의 대조도를 저해하고 있다. 광전효과(PE) 대조도 = 콤프턴효과(C)

21 P. 27 - 광전효과와 콤프턴 효과의 비(PE/C)가 크면 대조도는 높다. => 영상의 상대적 포그의 총 수 - 광전효과와 콤프턴효과가 같은 비율로 증가했을 때 영상의 가시적 대조도는 변하지 않는다. - PE/C 가 변하지 않았을 때도 대조도는 변하지 않는다

22 P. 27~28 1) 콤프턴 효과의 발생은 뼈를 포함한 모든 조직에서 동일 => 모든 조직에서 포그의 영향 을 쉽게 받음 => 같은 관전압에서 뼈와 연부 조직 사이에는 높은 대조도 가 생김(??) Z=7.4 Z=20 Z = 53 Z=53 Z = 7.4 Z = 20 2) Iodine(Z = 53), Barium(Z = 56) 처럼 원자번호가 높은 조영제를 사용했을 때 광전효과의 영향을 크게 받는다 => 희게 보임

23 7) 광전효과와 콤프턴 효과가 만나는 지점의 관전압에서 대부분 영상의 포그가 기록됨
7) 광전효과와 콤프턴 효과가 만나는 지점의 관전압에서 대부분 영상의 포그가 기록됨. (뼈조직 약 90kV이상에서, 연부조직은 40kV에서 산란선 발생이 더 많다) - 위장조영촬영 : 120kV 이상 => 뼈조직의 광전효과는 거의 안 일어남 => Z=53 Z = 7.4 Z = 20 검게 보임 8) 상부 소화기 촬영과 고관전압을 사용하여 바륨을 투과시키는 촬영에서 뼈조직은 매우 농도가 흐리게 나타남(연부조직은 높은 대조도, 뼈조직은 낮은 대조도)-> 바륨은 연부조직 안에 있다.

24 2.5 인체조직(tissue)과 상호작용과의 관계 1) 조직밀도 (tissue density)와 원자번호
P. 29 - 인체조직의 4가지 형 : 뼈(bone), 연부조직(muscle 과 glands ), 지방, 가스 - 피사체 대조도 : 조직의 종류에 따라 엑스선의 흡수 차가 생기는 것이며, 조 직이 가지고 있는 밀도와 원자번호의 차이에 의해 생김. 조직 사이에 밀도 차이가 있다면 대조도는 두 조직 사이에서 일어남. 예) 연부조직과 공기의 밀도비 = 1,000 : 가시적 영상의 대조도면에서 연부조직은 공기보다 엑스선을 1,000배 더 흡수한다 ( 공기보다 희게 보임) - 원자번호의 차이는 X-선 사진 대조도에 커다란 영향을 미침. 뼈, 금속체, 조영제는 원자번호가 연부조직과 다르기 때문에 X-선상에 나타 나게 된다.

25 2) X-선의 강도(intensity) P. 30 관전류(mA), 조사시간(sec), 촬영거리(FFD)가 변화하면 필름에 도달하는 엑스선 의 강도 또는 총수(양)는 달라진다 - 엑스선의 강도를 반으로 줄이면 피사체내의 광전 효과, 콤프턴 효과는 ½ 됨 강도를 두배로 하면 광전, 콤프턴 효과는 두배가 될 것임. 즉, 강도가 변화하면 그에 따라 콤프턴 효과와 광전효과도 같이 변한다는 것이다 - 광전 효과와 콤프턴 효과가 변하지 않으면 엑스선 사진상의 대조도 에 는 변함 이 없다. - 엑스선 에너지의 변화는 1차적으로 관전압에 의해 제어 되므로, PE/C의 비율에 많은 영향을 준다.  관전압은 엑스선상의 대조도 변화에 가장 큰 요인

26 2.6 Summary P. 30 광전효과는 입사 X-선의 에너지를 모두 흡수하고, 영상의 대조도를 형성해 준다
영상의 대조도는 광전효과의 콤프턴 효과의 상호작용 비율에 따라 달라짐 관전압이 증가하면 인체조직에서 일어나는 광전현상은 급속히 감소, 콤프턴 효과는 서서히 증가. 광전흡수현상의 감소 = 대조도 감소(C/PE의 값이 높아진다)

27 P. 31 6) 원자번호가 높은 양성조영제를 사용 – 광전현상은 급격히 증가 – 콤프턴효과는 거의 같은 수준 => 대조도 증가(PE/C가 증가) 7) X-선 강도와 조직밀도가 달라진다고 해서 C/PE비율이 달라지는 것은 아님 – 콤프턴효과와 광전효과의 발생은 같은 비율로 증가 8) 연부조직을 배경으로 한 피사체대조도는 원자번호가 높은 금속, 조영제, 뼈조직에 의해서 만들어짐, 연부조직과 비교시 가스와 지방조직은 밀도가 극히 다르므로 가시화 됨 9) PE/C의 비가 높으면 X-선 영상은 높은 대조도를 나타내지만 C/PE의 비가 높으면 영상은 포그가 많아진다(대조도가 낮아짐)