Atomin rakenteen vaikutus kuvautumisessa

1
Atomin rakenteen vaikutus kuvautumisessa

• Jukka Jauhiainen
• Oulun Seudun Ammattikorkeakoulu
• Tekniikan yksikkö

2
Sisältö

• Fysiikan ja radiologian historiaa 1900-luvulla
• Atomin rakenne ja kuvantamismenetelmät
• Röntgenfysiikan perusteita
• Röntgenkuvan muodostuminen

3
Milloin mitäkin tapahtui fysiikassa?

• Röntgensäteet 1895 (Röntgen)
• Radioaktiivisuus 1896 (Becquerel, Curie)
• Elektroni 1898 (Thomson)
• Energian kvantittuminen 1900 (Planck)
• Alfa- ja betasäteet 1902 (Rutherford)
• Valosähköinen ilmiö 1905 (Einstein)

4
Milloin mitäkin tapahtui fysiikassa ?

• Atomin kuorimalli 1913 (Rutherford ja Bohr)
• Protoni n. 1917 (Rutherford)
• Kvanttimekaniikka n. 1927 (Heisenberg ja
  Schrödinger)
• Neutroni 1932 (Chadwick)
• Kontrolloitu ydinreaktio 1942 (Fermi)
• Atomipommi 1945 (Hahn, Oppenheimer ym.)
• Ydinmagneettinen resonanssi 1946 (Bloch ja
  Purcell)
• Kvarkit 1963 (Gell-Mann)

5
Wilhelm Conrad Röntgen

• Röntgensäteiden keksiminen v. 1895
• Fysiikan Nobel 1901
• I didt think, I investigated

6
Maailman ensimmäinen röntgenkuva ...
7
Max Planck (1858 - 1947)

• Keksi energian kvantittumisen
• A new scientific truth does not triumph by
  convincing its opponents and making them see the
  light, but rather because its opponents
  eventually die, and a new generation grows up
  that is familiar with it."

8
Sir Ernest Rutherford (1871 - 1935)

• Keksi radioaktiivisen hajoamislain
• Selvitti kokeellisesti atomin rakenteen
  sirontakokeilla
• Löysi alfa- ja beta-partikkelit sekä protonin
• Kemian Nobel 1908
• All science is either physics or stamp
  collecting

9
Niels Bohr (1885 - 1962)

• Atomin kuorimalli
• Fysiikan Nobel 1922 (lahjoitti mitalinsa
  talvisodan aikaan Suomelle)
• "An expert is a man who has made all the mistakes
  which can be made, in a very narrow field."

10
Albert Einstein (1879 - 1955)

• Julkaisi 1905 viisi tieteellistä työtä, mm
• Brownin liike
• Valosähköinen ilmiö
• Suppea suhteellisuusteoria
• Nobel 1921
• The most incomprehensible thing about the world
  is that it is comprehensible."

11
Felix Bloch (1905 - 1983)

• Ydinmagneettinen resonanssi kiinteässä
  olomuodossa
• Kiinteän aineen fysiikan isä
• Nobel 1952

12
Edward Purcell (1912 - 1997)

• Nobel yhdessä Blochin kanssa 1952
• Well, anyway, it's a pretty important thing in
  the scientific field, and it shows what a fellow
  can do in his spare time. -- Boston Heraldin
  reportteri Nobel-juhlassa

13
Mitä tapahtui milloinkin radiologiassa ?

• Röntgensäteet 1895 (Röntgen)
• Valotaulu (Vitascope) n. 1900 (Edison)
• Subtraktioangiografia 1900
• Mammografia 1913
• Isotooppikuva 1948 (Ansell ja Rotblatt)
• Gammakamera 1949 (Copeland ja Benjamin)
• PET 1950-luku, SPECT 1960-luku

14
Mitä tapahtui milloinkin radiologiassa ?

• Tietokonetomografia 1972 (Hounsfield)
• Magneettikuva fantomista 1973 (Lauterbur,
  Damadian)
• Magneettikuva ihmisestä 1976 (Mansfield ja
  Maudsley)
• Monileike-TT 1990-luku

15
Atomin rakenne ja kuvantamismenetelmät
Ydin -Protonit -Neutronit
Elektroniverho
Ydínmagneettinen resonanssi
Röntgenabsorptio
Radioaktiivisuus
Röntgenkuvaus
Magneettikuvaus
Isotooppilääketiede
16
Maailmankaikkeuden perusvoimat
17
Ydin

• Protonit
• Positiivinen varaus
• Protonit määräävät alkuaineen järjestysluvun Z
• Neutronit
• Neutraaleja
• Tietyllä alkuaineella voi olla eri määrä
  (isotoopit esim. 1H, 2H, 3H)
• Protoneita ja neutroneita kutsutaan nukleoneiksi
• Massaluku AZN -gt nuklidi

18
Ydinvoima eli vahva vuorovaikutus

• Ydin hyvin tiheä, protonien välillä sähköinen
  poistovoima
• Tarvitaan jokin vuorovaikutus joka pitää ytimen
  kasassa poistovoimasta huolimatta
• Vaikuttaa kaikkien nukleonien välillä yhtä
  suurena
• Lyhyt kantama
• Vahva ydinvoima pitää ytimen kasassa
• Heikko ydinvoima aiheuttaa mm. beetahajoamisen

19
Massan ja energian yhteys

• EDmc2
• Merkittävässä määrin näkyy vain ydinreaktioissa
• Ytimen hajottamiseksi erillisiksi nukleoneiksi
  vaaditaan energiaa ja tämä energia muuttuu
  yksittäisten nukleonien massaksi. Tätä energiaa
  kutsutaan ytimen sidosenergiaksi.
• Sama energiamäärä vapautuu kun ydin muodostuu
  nukleoneista.

20
Radioaktiivisuus

• Nuklideja on noin 2500 erilaista, joista suurin
  osa radioaktiivisia
• Ydinteorian mukaan on olemassa lisäksi noin 1500
  nuklidia joita ei ole vielä löydetty
• Alfahajoaminen Emoytimestä irtautuu He-ydin
• Betahajoaminen Emoytimestä irtautuu elektroni
  (tai positroni) ja antineutriino (tai neutriino)
• Lyhyt kantama kudoksessa, ei sovellutuksia
  radiologiaan !

21
Ytimen energiatilat

• Ytimen energiatilat kvantittuneet
• Alin energiatila perustila
• Ylemmät energiatilat viritystilat
• Suuret energiaerot tilojen välillä
• Viritystilan purkautuessa tuloksena voi olla
• Sähkömagneettista säteilyä (g)
• Hiukkassäteilyä (a, b, n)
• Niihin voi liittyä ytimen muuttuminen toiseksi
  ytimeksi

22
Gammasäteily

• Ytimen viritys purkautuu gammasäteilyllä
• Hyvin lyhyt aallonpituus -gt suuri energia
• Menee kudoksen läpi juurikaan absorboitumatta
• Gammasäteily liittyy aina muihin radioaktiivisiin
  hajoamisilmiöihin niiden sivutuotteena.
• Radiologian sovellus SPECT

23
Parinmuodostus ja annihilaatio

• Positroni on elektronin vastahiukkanen
• Sama massa, mutta positiivinen varaus
• Kun positroni ja elektroni kohtaavat, ne
  häviävät ja muuttuvat kahdeksi 511 keVn
  gammafotoniksi. Ilmiötä kutsutaan
  annihilaatioksi.
• Radiologian sovellus PET
• Päinvastaista ilmiötä, jossa yksi gammakvantti
  muuttuu elektroni-positronipariksi, kutsutaan
  parinmuodostukseksi.

24
Elektroniverho

• Negatiivinen varaus
• Elektronin massa1/1800-osa protonin massasta
• Elektroniverho on tyhjää täynnä Jos ytimen
  halkaisija olisi 10 cm, olisi elektronin
  halkaisija n. 1 cm ja se kiertäisi ydintä n. 2
  kmn etäisyydellä
• Elektronien energiat ovat kvantittuneet Vain
  tietyt radateli elektronikuoret ovat
  sallittuja.
• Kuoria merkitään kirjaimilla K, L, M,
• Sidosenergia kuvaa sitä, kuinka lujassa
  elektroni on kuorellaan
• Kullakin alkuaineella on sille ominaiset kuorien
  sidosenergiat

25
Atomin kuorimalli
Ne (1s22s22p6)
K (1s)
L1 (2s)
L2 (2p)
26
Atomiorbitaaleja
s
p
f
d
27
Röntgenabsorptio (valosähköinen ilmiö)
Ne (1s12s22p6)
K (1s)
L1 (2s)
L2 (2p)
28
Röntgenfluoresenssi
N
M
L
K
29
Auger-siirtymä
N
M
L
K
30
Compton-sironta
31
Röntgenkuvan muodostuminen

• Röntgenabsorptio saa aikaan kuvan kontrastin
• Eri kudokset absorboivat säteilyä eri lailla
• Compton-sironta heikentää kuvanlaatua
• Fotonin suunta muuttuu, osuu väärään kohtaan
  filmiä

32
Absorptio

• Kohteen läpi ilman vuorovaikutuksia läpimennyt
  säteily valottaa filmin !
• Absorptio riippuu säteilyn energiajakaumasta
• Putken jännite, suodatus

33
Sironta

• Mitä suurempi on säteilyn energia, sitä enemmän
  sironta tapahtuu etusuuntaan, siis filmille.
• Voidaan vähentää
• Hilat
• Ilmarako

34
Magneettikuvauksen periaate yhdellä kalvolla
Eiköhän tässä ole kaikki oleellinen ) ...
35
Radiologian tulevaisuudennäkymiä

• 34 tutkimuksista tehdään nykyään menetelmillä,
  joita ei ollut olemassakaan muutama kymmenen
  vuotta sitten.
• Tulevaisuudessa kehitys on yhtä dramaattinen
• Yhä tarkempia, sensitiivisempiä ja spesifisempiä
  menetelmiä

36
Radiologian tulevaisuudennäkymiä

• 3D-kuvaus ja kuvankäsittely
• Virtuaalisuus
• Funktionaalinen ja metabolinen kuvantaminen on jo
  tätä päivää
• Geneettinen ja molekulaarinen kuvaus voisi olla
  seuraava askel

37
Radiologian tulevaisuudennäkymiä

• Tietotekniikan ja elektroniikan nopea kehitys
• Mooren laki Tietokoneiden laskentateho
  kaksinkertaistuu 18 kuukauden välein
• Hermoverkot
• Voidaan ehkä kouluttaa tunnistamaan normaali ja
  epänormaali anatomia

38
Ennustaminen on kuitenkin vaikeaa ...

• Varsinkin tulevaisuuden ennustaminen.
• Kiitos.