أول صورة فотوغرافية لحياة你可能 probably taken with sound. قبل أن تولد، ضغط طبيب جهاز استشعار صغير على بشرة والدتك، ومن…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · سرد باللغة الإنجليزية · ترجمة مدمجة بالإنجليزية + الصينية
24.1
Ultrasound · الموجات فوق الصوتية
Syllabus · المنهج
English
understand that a piezo-electric crystal changes shape when a p.d. is applied across it and that the crystal generates an e.m.f. when its shape changes
understand how ultrasound waves are generated and detected by a piezoelectric transducer
understand how the reflection of pulses of ultrasound at boundaries between tissues can be used to obtain diagnostic information about internal structures
define the specific acoustic impedance of a medium as $Z = \rho c$, where $c$ is the speed of sound in the medium
use $I_{\text{R}} / I_0 = (Z_1 - Z_2)^2 / (Z_1 + Z_2)^2$ for the intensity reflection coefficient of a boundary between two media
recall and use $I = I_0 e^{-\mu x}$ for the attenuation of ultrasound in matter
العربية
فهم أن الكريستال الكهروضغاطي يتغير شكله عند تطبيق فرق جهد عبره وأن الكريستال يولد قوة دافعة كهربائية عند تغير شكله
فهم كيفية توليد وكشف موجات الموجات فوق الصوتية بواسطة محول كهروضغاطي
فهم كيف يمكن استخدام انعكاس نبضات الموجات فوق الصوتية عند الحدود بين الأنسجة للحصول على معلومات تشخيصية حول الهياكل الداخلية
تعريف المعاوقة الصوتية النوعية لوسط ما كـ $Z = \rho c$، حيث $c$ هي سرعة الصوت في الوسط
استخدام $I_{\text{R}} / I_0 = (Z_1 - Z_2)^2 / (Z_1 + Z_2)^2$ لمعامل انعكاس الكثافة لحدود بين وسطين
التذكر واستخدام $I = I_0 e^{-\mu x}$ لـالتوهين للموجات فوق الصوتية في المادة
Source: Cambridge International syllabus · المصدر: منهج كامبريدج الدولي
English
Piezo-electric effect
A piezo-electric 压电 crystal changes shape a little when a p.d. is put across it, and the reverse: it makes an electromotive force 电动势 (e.m.f.) across itself when its shape is changed. Quartz and PZT are common examples. Two linked effects:
apply a p.d. → the crystal changes shape (used to make vibrations).
change the shape (a wave squeezes it) → an e.m.f. appears (used to detect vibrations).
Piezo-electric transducer
A transducer 换能器 uses this effect to both make and detectultrasound 超声波.
an alternating p.d. (a few MHz) makes the crystal vibrate at the same frequency, sending out longitudinal 纵波 waves above $20\ \text{kHz}$ ($1$–$10\ \text{MHz}$ for medical imaging).
the same crystal then detects: returning ultrasound makes it vibrate and produce an e.m.f.
Generating ultrasound (three marks). (1) An alternating p.d. is applied across the crystal. (2) The crystal changes shape, expanding and contracting at the frequency of the p.d., so it vibrates. (3) The p.d. is chosen at the crystal's resonant frequency, so the vibration is large and the crystal's faces push on the tissue, sending out a longitudinal wave of that frequency. Detecting ultrasound (two marks). The returning wave's pressure variations change the shape of the crystal; a changing shape generates an e.m.f. across it, alternating at the frequency of the wave, which is amplified and recorded. The same crystal is used for both, switched between transmitting and receiving.
So one transducer is both emitter and detector, switching between sending and listening.
Pulse-echo imaging
To see inside the body (pulse-echo 脉冲回波 imaging):
the transducer sends a short pulse into the body.
at each tissue boundary, part of the pulse is reflected and part goes on.
the transducer detects each reflected pulse.
the time delay gives the depth: $d = c t / 2$ (there and back). The echo's amplitude gives the strength of the reflection.
Worked example. An ultrasound pulse returns to the transducer $60\ \mu\text{s}$ after it was sent. The speed of sound in the tissue is $1500\ \text{m s}^{-1}$. Find the depth of the reflecting boundary.
The pulse travels there and back, so $d = \dfrac{ct}{2}$:
A coupling gel 耦合剂 is put between the transducer and the skin to push out the air; without it almost all the ultrasound would reflect at the skin–air boundary and never enter the body.
"Outline the use of ultrasound to obtain diagnostic information" (four marks). (1) A pulse of ultrasound is sent into the body by the transducer, which is coupled to the skin with gel. (2) At each boundary between tissues part of the pulse is reflected; the reflected pulse returns to the transducer and is detected. (3) The time delay between emission and echo, with the speed of sound, gives the depth of the boundary ($d = ct/2$). (4) The intensity of the echo, set by the change in acoustic impedance at the boundary, shows what kind of boundary it is. Sweeping the transducer, or using an array, builds up an image.
Why pulses, and why megahertz. The transducer sends a short pulse and then listens: the echo from every boundary must arrive before the next pulse leaves, otherwise echoes from different pulses could not be told apart, and the crystal cannot transmit and receive at the same moment. The frequency is a compromise: a higher frequency means a shorter wavelength and so finer detail (resolution 分辨率), but it is attenuated more strongly, so a deep organ needs a lower frequency than a shallow one. Typical medical scanning uses $1$–$15\ \text{MHz}$, wavelengths of a fraction of a millimetre in tissue.
Specific acoustic impedance
The specific acoustic impedance 声阻抗 of a medium is
$$Z = \rho c,$$
where $\rho$ is the density 密度 and $c$ the speed of sound. Unit: $\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Bone has large $Z$; air has small $Z$; soft tissue is in between.
Worked example. Find the specific acoustic impedance of soft tissue. (Density $1060\ \text{kg m}^{-3}$, speed of sound $1540\ \text{m s}^{-1}$.)
The definition (two marks).The specific acoustic impedance of a medium is the product of its density and the speed of sound in it. Both quantities must be named; "how hard sound finds it to pass" scores nothing. Because $Z$ combines density and speed, two media with very different densities can still have similar $Z$ (water and soft tissue), and it is $Z$, not density alone, that decides how much sound reflects.
Reflection at a boundary
At a boundary between media of impedance $Z_{1}$ and $Z_{2}$, the intensity reflection coefficient 强度反射系数 (fraction reflected) is
very different impedances: almost all is reflected (skin/air — hence the gel).
very similar impedances: almost nothing is reflected, so the boundary cannot be seen.
best for imaging: different enough to give an echo, but not so different that nothing passes on.
Worked example (why gel). Air: density $1.29\ \text{kg m}^{-3}$, speed of sound $343\ \text{m s}^{-1}$. Gel: $Z = 1.50 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Soft tissue: $Z = 1.63 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Find the intensity reflection coefficient at an air–tissue boundary and at a gel–tissue boundary.
$Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Air–tissue: $\left(\dfrac{442 - 1.63 \times 10^{6}}{442 + 1.63 \times 10^{6}}\right)^{2} = 0.9989$: $99.9\%$ of the intensity reflects and only $0.1\%$ enters the body. Gel–tissue: $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^{2} = 0.0017$: only $0.2\%$ reflects. So the gel, whose impedance is close to that of skin, replaces the air layer that would otherwise reflect nearly everything, and almost all of the pulse enters the body (and the echoes can get back out again by the same route).
Worked example. Water: density $1000\ \text{kg m}^{-3}$, speed $1480\ \text{m s}^{-1}$. Glass: density $2500\ \text{kg m}^{-3}$, speed $5600\ \text{m s}^{-1}$. What fraction of the intensity is reflected at a water–glass boundary?
$Z_{\text{water}} = 1.48 \times 10^{6}$, $Z_{\text{glass}} = 1.40 \times 10^{7}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Coefficient $= \left(\dfrac{1.48 - 14.0}{1.48 + 14.0}\right)^{2} = 0.65$: two-thirds reflected, one-third transmitted. Working in units of $10^{6}$ keeps the arithmetic clean, since the ratio is what matters. A steel implant in tissue ($Z_{\text{steel}} = 4.7 \times 10^{7}$) gives $0.87$: nearly all the pulse reflects from its surface, so nothing behind it can be imaged, but the implant itself shows up very brightly.
Attenuation
As ultrasound goes through tissue, its intensity falls with distance:
$$I = I_{0} e^{-\mu x},$$
where $\mu$ is the attenuation coefficient 衰减系数 (unit $\text{m}^{-1}$). The same form applies to X-rays.
Worked example (an echo's intensity). A pulse of intensity $I_{0}$ passes through $4.0\ \text{cm}$ of tissue with attenuation coefficient $0.50\ \text{cm}^{-1}$ to a boundary whose intensity reflection coefficient is $0.010$. Find the intensity of the echo returning to the transducer, as a fraction of $I_{0}$.
To the boundary: $e^{-\mu x} = e^{-0.50 \times 4.0} = 0.135$. Reflected: $\times 0.010$. Back through the same $4.0\ \text{cm}$: $\times 0.135$ again. Echo: $I/I_{0} = 0.135 \times 0.010 \times 0.135 = 1.8 \times 10^{-4}$, about $0.02\%$. Two things the examiner checks: the tissue is crossed twice, and the reflection coefficient multiplies the intensity at the boundary, not $I_{0}$. This is why echoes from deep boundaries are amplified more than shallow ones before display.
العربية
التأثير الكهرضوئي
يتغيّر شكل البلورة الكهرضوئية قليلاً عند تطبيق فرق جهد عبرها، والعكس صحيح: حيث تُنتج قوة دافعة كهربائية (e.m.f.) عبر نفسها عند تغيير شكلها. الكوارتز وPZT من الأمثلة الشائعة. تأثيران مرتبطان:
تطبيق فرق الجهد يشوه البلورة؛ ضغطها يُنتج فرقاً في الجهد.
تطبيق فرق جهد. → تتغير شكل البلورة (تُستخدم لإحداث اهتزازات).
تغيير الشكل (موجة تضغط عليها) → تظهر قوة دافعة كهربائية (تُستخدم لاكتشاف الاهتزازات).
المحول الكهرضوئي
يستخدم المحول هذا التأثير لـ إنشاء واكتشاف الموجات فوق الصوتية معاً.
فرق الجهد المتناوب (ببضعة ميجاهرتز) يجعل البلورة تهتز بنفس التردد، مُرسلاً موجات طولية فائق التردد $20\ \text{kHz}$ ($1$–$10\ \text{MHz}$ للتصوير الطبي).
نفس البلورة تكتشف لاحقاً: الموجات فوق الصوتية العائدة تجعلها تهتز وتنتج قوة دافعة كهربائية.
توليد الموجات فوق الصوتية (ثلاث درجات). (1) يُطبق فرق جهد متناوب عبر البلورة. (2) تتغير شكل البلورة، حيث تتمدد وتنكمش بتردد فرق الجهد، مما يجعلها تهتز. (3) يُختار فرق الجهد عند التردد المتردد للبلورة، لتصبح الاهتزازة كبيرة وتدفع وجوه البلورة على النسيج، مبعثة موجة طولية بذلك التردد. كشف الموجات فوق الصوتية (درجتان). تغيّر تذبذبات الضغط للموجة العائدة شكل البلورة؛ والتغير في الشكل يولد قوة دافعة كهربائية عبرها، متناوبة بتردد الموجة، والتي تُكبر وتسجل. نفس البلورة تستخدم كلاهما، يتم تبديلها بين الإرسال والاستقبال.
إذن يكون المحول الواحد مُرسلاً وكاشفاً، يتباعد بين الإرسال والاستماع.
المحول الكهرضوئي يرسل ويكتشف الموجات فوق الصوتية باستخدام بلورة مهتزة
التصوير بالصدى النبضي
لرؤية ما بداخل الجسم (تصوير الصدى النبضي):
يرسل المحول نبضة قصيرة إلى داخل الجسم.
عند كل حد فاصل بين الأنسجة، يُنعكس جزء من النبضة وجزء آخر يستمر في الانتقال.
يكتشف المحول كل نبضة منعكسة.
يعطي تأخر زمني عمق الحد الفاصل: $d = c t / 2$ (ذهاباً وإياباً). أما سعة الصدى فتعطي شدة الانعكاس.
مثال محلول. عادت نبضة فوق صوتية إلى المحول بعد ⟨$60\ \mu\text{s}$⟩ من إرسالها. سرعة الصوت في النسيج هي ⟨$1500\ \text{m s}^{-1}$⟩. أوجد عمق الحد الفاصل المعكس.
النبة تسافر ذهاباً وإياباً، لذا $d = \dfrac{ct}{2}$:
صورة موجات فوق صوتية حقيقية — يأتي الشكل المروحي من المحول وهو يمسح عبر الجسم. كل نقطة مضيئة هي صدى من حد فاصل بين أنسجة، وتم حساب عمقها من تأخر زمن الصدى، تماماً كما في المثال المحلول أعلاه
يوضع جل ترابط بين المحول والجلد لطرد الهواء؛ وبدونه سينعكس تقريباً كل الموجات فوق الصوتية عند الحد الفاصل الجلد–الهواء ولن تدخل الجسم أبداً.
يعرض سجل A-scan النبضة المُرسلة والصدى من كل حد فاصل بين الأنسجة
"اشرح استخدام الموجات فوق الصوتية للحصول على معلومات تشخيصية (أربع درجات)." (1) يرسل المُحوّل نبضة من الموجات فوق الصوتية إلى الجسم، وهي مرتبطة بالبشرة بالجل. (2) عند كل حدود بين الأنسجة يتم انعكاس جزء من النبضة؛ تعود النبضة المنعكسة إلى المُحوّل وتُكتشف. (3) يعطي التأخر الزمني بين الانبثاق والصدى، مع سرعة الصوت، عمق الحدود ($d = ct/2$). (4) شدة الصدى، المحددة بالتغير في المعاوقة الصوتية عند الحدود، تظهر نوع الحدود. مسح المُحوّل، أو استخدام مصفوفة، يبني الصورة تدريجياً.
لماذا نبضات ولماذا ميغاهرتز. يُرسل المُحوّل نبضة قصيرة ثم يستمع: يجب أن يصل الصدى من كل حدود قبل مغادرة النبضة التالية، وإلا لا يمكن التمييز بين صدى من نبضات مختلفة، ولا تستطيع البلورة الإرسال والاستقبال في نفس اللحظة. التردد هو حل وسط: تردد أعلى يعني طول موجة أقصر وبالتالي تفاصيل أدق (دقة)، لكنه يخضع للتخامد بشكل أقوى، لذا يحتاج عضو عميق إلى تردد أقل من سطحه. يستخدم المسح الطبي النموذجي $1$–$15\ \text{MHz}$، أطوال موجية ككسر من المليمتر في النسيج.
المعاوقة الصوتية النوعية
المعاوقة الصوتية النوعية لوسط ما هي
$$Z = \rho c,$$
حيث $\rho$ هي الكثافة و$c$ سرعة الصوت. الوحدة: $\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. العظم له معاوقة صوتية نوعية كبيرة $Z$؛ والهواء لها صغيرة $Z$؛ والأنسجة الرخوة تقع بينهما.
مثال محلول. أوجد المعاوقة الصوتية النوعية للنسيج الرخو. (الكثافة $1060\ \text{kg m}^{-3}$، سرعة الصوت $1540\ \text{m s}^{-1}$.)
التعريف (علامتان).المعاوقة الصوتية النوعية للوسط هي حاصل ضرب كثافته في سرعة الصوت فيه. يجب ذكر كلا الكميتين؛ لا تُمنح أي علامة لوصف "صعوبة مرور الصوت". لأن $Z$ يجمع بين الكثافة والسرعة، يمكن لوسطين بكثافات مختلفة جداً أن يكون لهما $Z$ مشابهة (كالماء والأنسجة الرخوة)، والمحدد لكمية الانعكاس هو $Z$، وليس الكثافة وحدها.
الانعكاس عند الحدود
عند حدود بين وسطين بمعاوقة صوتية $Z_{1}$ و$Z_{2}$، يكون معامل انعكاس الشدة (الكسر المنعكس) مساوياً لـ:
معاوقات مختلفة جداً: يتم انعكاس تقريباً كل الموجات (الجلد/الهواء — ولهذا يُستخدم الجل).
معاوقات متشابهة جداً: لا يتم انعكاس شيء تقريباً، لذا لا يمكن رؤية الحد.
الأفضل للتصوير: مختلفة بما يكفي لإعطاء صدى، لكن ليست مختلفة جداً بحيث تمر موجات قليلة.
عند الحدود، تنعكس جزء من النبضة وينتقل جزء آخر — فرط المعاوقات الأكبر يعطي صدىً أكبر
مثال محلول (لماذا الجل). الهواء: الكثافة $1.29\ \text{kg m}^{-3}$، سرعة الصوت $343\ \text{m s}^{-1}$. الجل: $Z = 1.50 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. النسيج الرخو: $Z = 1.63 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. أوجد معامل انعكاس الشدة عند حد الهواء-النسيج وعند حد الجل-النسيج.
$Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. حد الهواء-النسيج: $\left(\dfrac{442 - 1.63 \times 10^{6}}{442 + 1.63 \times 10^{6}}\right)^{2} = 0.9989$: $99.9\%$ من الشدة تنعكس ودخل فقط $0.1\%$ إلى الجسم. حد الجل-النسيج: $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^{2} = 0.0017$: تنعكس فقط $0.2\%$. لذا فإن الجل، الذي تكون معاوقته قريبة من معاوقة الجلد، يحل محل طبقة الهواء التي ستعكس تقريباً كل شيء لو بقيت، ويدخل تقريباً كل النبضة إلى الجسم (وتعود الأصداء للخارج عبر نفس المسار).
مثال محلول. الماء: الكثافة $1000\ \text{kg m}^{-3}$، السرعة $1480\ \text{m s}^{-1}$. الزجاج: الكثافة $2500\ \text{kg m}^{-3}$، السرعة $5600\ \text{m s}^{-1}$. ما الكسر المنعكس من الشدة عند حد الماء-الزجاج؟
$Z_{\text{water}} = 1.48 \times 10^{6}$، $Z_{\text{glass}} = 1.40 \times 10^{7}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. المعامل $= \left(\dfrac{1.48 - 14.0}{1.48 + 14.0}\right)^{2} = 0.65$: ثلثان منعكسان، وثلث منقول. العمل بوحدات $10^{6}$ يبقي الحسابات بسيطة، لأن النسبة هي المهم. غرس معدني من الفولاذ في نسيج ($Z_{\text{steel}} = 4.7 \times 10^{7}$) يعطي $0.87$: تنعكس تقريباً كل النبضة من سطحه، لذا لا يمكن تصوير ما خلفه، لكن الغرس نفسه يظهر ساطعاً جداً.
التوهين
مع مرور الموجات فوق الصوتية عبر النسيج، تنخفض شدتها مع المسافة:
$$I = I_{0} e^{-\mu x},$$
حيث $\mu$ هو معامل التوهين (وحدة $\text{m}^{-1}$). ينطبق نفس الشكل على الأشعة السينية.
الشدة تنخفض بشكل أسّي مع السمك؛ معامل التوهين الأكبر (العظم) ينخفض أسرعصدى واحد، ثلاثة عوامل: توهين الدخول، انعكاس، توهين الخروج. النسيج يُقطع مرتين، لذا يتضاعف الأس
مثال محلول (شدّة الصدى). نبضة شدتها $I_{0}$ تعبر مسافة $4.0\ \text{cm}$ من النسيج بمعامل توهين $0.50\ \text{cm}^{-1}$ نحو حد معامل انعكاس شدته $0.010$. أوجد شدّة الصدى العائد إلى المحول، كنسبة من $I_{0}$.
نحو الحد: $e^{-\mu x} = e^{-0.50 \times 4.0} = 0.135$. منعكس: $\times 0.010$. عبور النفس $4.0\ \text{cm}$ عوداً: $\times 0.135$ مجدداً. الصدى: $I/I_{0} = 0.135 \times 0.010 \times 0.135 = 1.8 \times 10^{-4}$، حوالي $0.02\%$. شيئان يفحصهما المصحح: النسيج يُقطع مرتين، ومعامل الانعكاس يضرب الشدة عند الحد، وليس $I_{0}$. ولهذا تُضخم الأصداء من الحدود العميقة أكثر من تلك الضحلة قبل العرض.
Explore · استكشف
Ultrasound scan route · مسار فحص الموجات فوق الصوتية
Follow a pulse from transducer to echo image. · اتبع نبضة من المحول إلى صورة الصدى.
explain that X-rays are produced by electron bombardment of a metal target and calculate the minimum wavelength of X-rays produced from the accelerating p.d.
understand the use of X-rays in imaging internal body structures, including an understanding of the term contrast in X-ray imaging
recall and use $I = I_0 e^{-\mu x}$ for the attenuation of X-rays in matter
understand that computed tomography (CT) scanning produces a 3D image of an internal structure by first combining multiple X-ray images taken in the same section from different angles to obtain a 2D image of the section, then repeating this process along an axis and combining 2D images of multiple sections
العربية
شرح أن الأشعة السينية تُنتج بتساقط الإلكترونات على هدف معدني وحساب أقل طول موجي للأشعة السينية المنتجة من فرق الجهد المسرع
فهم استخدام الأشعة السينية في تصوير الهياكل الداخلية للجسم، بما في ذلك فهم مصطلح التباين في التصوير بالأشعة السينية
التذكر واستخدام $I = I_0 e^{-\mu x}$ لتوهين الأشعة السينية في المادة
فهم أن التصوير المقطعي المحوسب (CT) ينتج صورة 3D لبنية داخلية عن طريق دمج أولاً عدة صور أشعة إكس تم التقاطها في نفس القسم من زوايا مختلفة للحصول على صورة 2D للقسم، ثم تكرار هذه العملية على طول محور ما ودمج صور 2D لعدة أقسام
Source: Cambridge International syllabus · المصدر: منهج كامبريدج الدولي
English
Production
X-rays come from an X-ray tube X射线管:
a heated cathode 阴极 emits electrons by thermionic emission 热电子发射.
a high p.d. (tens to hundreds of kV) accelerates the electrons across a vacuum 真空 to a metal target 靶 (the anode 阳极, often tungsten 钨).
the electrons hit the target and slow sharply. Most of their kinetic energy 动能 becomes heat; a small part is emitted as X-ray photons 光子 (Bremsstrahlung 轫致辐射, "braking radiation"). Some electrons knock out inner electrons of the metal atoms, and the refilling emits characteristic 特征 X-ray lines.
"Explain how X-rays are produced" (four marks). (1) Electrons are emitted from a heated filament (cathode) by thermionic emission. (2) They are accelerated through a high potential difference (tens of kV) across an evacuated tube towards a metal target (the anode). (3) They decelerate rapidly when they strike the target, and (4) the kinetic energy lost is emitted as X-ray photons (with most of it becoming heat in the target, which is why the anode is cooled or rotated).
Controlling the beam. The intensity (energy per unit area per second) is set by the number of electrons hitting the target per second, so it is controlled by the filament current (a hotter filament emits more electrons); the hardness 硬度, meaning the penetrating power, is set by the photon energies, so it is controlled by the accelerating p.d.: a larger p.d. gives higher-energy, shorter-wavelength, more penetrating X-rays. A metal filter removes the softest X-rays, which would be absorbed in the patient's skin without reaching the detector.
Worked example (heating of the target). In a tube run at $75\ \text{kV}$ the electron beam current is $30\ \text{mA}$ and $99\%$ of the electrons' energy becomes heat in a tungsten target of mass $15\ \text{g}$ (specific heat capacity $134\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$). Find the rate of temperature rise if no heat were lost.
Power delivered $= IV = 0.030 \times 75\,000 = 2250\ \text{W}$; heating power $= 0.99 \times 2250 = 2230\ \text{W}$. Then $mc\,\Delta\theta/\Delta t = 2230$, so $\Delta\theta/\Delta t = 2230/(0.015 \times 134) = 1.1 \times 10^{3}\ \text{K s}^{-1}$. A target would melt within seconds, which is why exposures are short and anodes rotate to spread the heat.
Minimum wavelength
The most energy one X-ray photon can have is the full kinetic energy of one accelerated electron, lost in a single event. For accelerating p.d. $V$, the KE is $eV$, so
This is the short-wavelength cut-off. The continuous Bremsstrahlung spectrum tails off above $\lambda_{\text{min}}$, with sharp characteristic peaks set by the target metal.
Worked example (minimum wavelength). Electrons are accelerated through $75\ \text{kV}$. Find the maximum photon energy and the minimum wavelength of the X-rays.
Maximum energy $= eV = 75\ \text{keV} = 75\,000 \times 1.60 \times 10^{-19} = 1.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ (or $0.075\ \text{MeV}$). Then $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV) = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(1.2 \times 10^{-14}) = 1.7 \times 10^{-11}\ \text{m}$. The maximum photon momentum is $p = E/c = 4.0 \times 10^{-23}\ \text{N s}$. Doubling the p.d. halves the minimum wavelength.
Explaining the shape of the spectrum. The spectrum is continuous because each electron may lose any fraction of its energy in one or several decelerations, so photons of every energy up to the maximum are produced. It has a sharp cut-off at $\lambda_{\text{min}}$ because a photon cannot carry more energy than one electron has, $eV$, and that happens only when an electron loses all its energy in a single event. The peaks are characteristic of the target metal: an incoming electron knocks an inner electron out of a target atom, and an outer electron falls into the vacancy, emitting a photon whose energy is the difference between the two levels (Topic 22).
Imaging with X-rays
X-rays pass through the patient onto a detector. Tissues that attenuate 衰减 more (bone, high $Z$) cast a stronger shadow and look lighter; tissues that attenuate less (soft tissue, lung) look darker.
The contrast 对比度 is the difference in attenuation between tissues. A contrast medium 造影剂 (e.g. a barium meal) can be given to make soft tissues stand out.
Sharpness and contrast.Sharpness 清晰度 is how well defined the edges of structures are in the image: a small X-ray source (a small spot on the target), a stationary patient and a detector close to the patient all improve it. Contrast is the difference in degree of blackening (or brightness) between neighbouring regions of the image, produced by a difference in attenuation. The two are independent: an image can be sharp but have poor contrast, or the reverse.
"Explain why X-ray images of internal structures have good contrast." Bone and soft tissue have very different attenuation coefficients, so equal thicknesses transmit very different intensities and the detector is exposed very differently behind each. Where two soft tissues have similar coefficients (the stomach and its surroundings), a contrast medium with a high attenuation coefficient, such as barium, is swallowed or injected to outline one of them. Using a lower p.d. (softer X-rays) also increases contrast, at the cost of a larger dose.
Worked example. X-rays pass through $3.0\ \text{cm}$ of soft tissue ($\mu = 0.20\ \text{cm}^{-1}$) in one region of the body and $3.0\ \text{cm}$ of bone ($\mu = 0.60\ \text{cm}^{-1}$) in another. Compare the transmitted intensities.
Soft tissue: $I/I_{0} = e^{-0.20 \times 3.0} = e^{-0.60} = 0.55$. Bone: $e^{-0.60 \times 3.0} = e^{-1.80} = 0.17$. The soft-tissue region receives more than three times the exposure of the bone region, so the bone appears white and the tissue dark. The ratio of exposures, $e^{(\mu_{\text{bone}} - \mu_{\text{tissue}})x}$, grows with thickness: contrast improves for thicker structures, but so does the total attenuation.
Attenuation law
$$I = I_{0} e^{-\mu x}.$$
Higher-energy X-rays penetrate further (smaller $\mu$); bone has a much larger $\mu$ than soft tissue. To find the thickness for a given fraction, take logs: $x = \dfrac{1}{\mu} \ln\dfrac{I_{0}}{I}$. The half-value thickness 半值厚度$x_{1/2} = \ln 2 / \mu$ halves the intensity (like half-life in decay).
Worked example. X-rays pass through $3.0\ \text{cm}$ of tissue with attenuation coefficient $\mu = 40\ \text{m}^{-1}$. Find the fraction of the intensity that gets through.
Worked example (percentage absorbed). X-rays pass through $2.8\ \text{cm}$ of a medium with attenuation coefficient $1.4\ \text{cm}^{-1}$. What percentage of the X-ray energy is absorbed?
Transmitted fraction $e^{-1.4 \times 2.8} = e^{-3.92} = 0.020$, so $98\%$ is absorbed. The question asks for what is absorbed, not what gets through: read it twice. The half-value thickness here is $\ln 2/\mu = 0.50\ \text{cm}$, so $2.8\ \text{cm}$ is $5.6$ half-value thicknesses and $(1/2)^{5.6} = 0.02$ checks the answer.
Worked example (two layers). A beam of intensity $I_{0}$ passes through $2.0\ \text{cm}$ of material P ($\mu = 0.35\ \text{cm}^{-1}$) and then $1.5\ \text{cm}$ of material Q ($\mu = 0.90\ \text{cm}^{-1}$). Find the transmitted intensity.
The exponentials multiply: $I = I_{0}\, e^{-0.35 \times 2.0}\, e^{-0.90 \times 1.5} = I_{0}\, e^{-(0.70 + 1.35)} = I_{0}\, e^{-2.05} = 0.13\, I_{0}$. Add the exponents ($\mu_{1}x_{1} + \mu_{2}x_{2}$); never add the thicknesses or the coefficients. The order of the layers makes no difference to the total transmitted intensity.
Computed tomography (CT)
A computed tomography 计算机断层扫描 (CT) scan builds a 3-D image:
the tube and detectors rotate around the patient, taking many images of one thin slice from different angles.
a computer combines these into a 2-D cross-section of the slice.
the patient is moved along, and the next slice is imaged.
the slices are stacked into a 3-D image.
CT shows far more than a single X-ray, because overlapping soft tissues are separated by the many-angle reconstruction.
"Explain how CT scanning produces a three-dimensional image" (five marks). (1) The X-ray tube (and a ring of detectors) rotates around the patient, so that (2) many X-ray images of one slice (section) are taken from different angles. (3) A computer combines them to produce a two-dimensional image of that slice. (4) The patient is moved and the process is repeated for successive slices. (5) The slices are combined to build a 3-D image, which can be rotated and viewed from any angle. Purpose: to image a section of the body without the overlapping of structures that a single X-ray suffers, revealing structures that would be hidden and their positions in depth. The price is a much larger dose than a single X-ray.
العربية
الإنتاج
تُنتج الأشعة السينية من أنبوب أشعة سينية X:
مكثف مُسخّّن يصدر إلكترونات عن طريق الانبعاث الحراري. (thermionic emission).
جهد كهربائي عالي (عشرات لمئات الـ kV) يُسرّع الإلكترونات عبر فاكيوم نحو هدف معدني (المصعد، غالباً تنغستن).
تصطدم الإلكترونات بالهدف وتتشابك بشدة. يتحول معظم طاقة حركتها إلى حرارة؛ جزء صغير يُشع كـ فوتونات أشعة سينية (إشاعة الكبح، "braking radiation"). بعض الإلكترونات تطرد إلكترونات داخلية لذرات المعدن، وإعادة ملئها يُشع خطوط أشعة سينية ميزة. (characteristic)
في أنبوب الأشعة السينية، تُسارع الإلكترونات القادمة من المكثف المُسخّن نحو مصعد هدف معدني
"اشرح كيف تُنتج الأشعة السينية" (أربع علامات). (1) تُصدر الإلكترونات من خيط مُسخّن (مكثف) بالانبعاث الحراري. (2) تُسرع عبر فرق جهد عالٍ (عشرات الـ kV) عبر أنبوب مفرغ نحو هدف معدني (المصعد). (3) تتباطأ بشدة عند اصطدامها بالهدف، و(4) الطاقة الحركية المفقودة تُشع كـ فوتونات أشعة سينية (مع تحول معظمها إلى حرارة في الهدف، ولهذا يُبرّد المصعد أو يدور).
التحكم في الحزمة. تُحدد الشدة (الطاقة لكل وحدة مساحة لكل ثانية) بواسطة عدد الإلكترونات الساقطة على الهدف في الثانية، لذا فهي تتحكم فيها تيار الملف (حيث يبعث الملف الأكثر سخونة إلكترونات أكثر)؛ أما صلابة الأشعة، أي قدرتها على الاختراق، فتُحدد بـ طاقات الفوتونات، لذا فهي تتحكم فيها الجهد المسرّع: يعطي جهد أكبر أشعة سينية ذات طاقة أعلى، وطول موجي أقصر، وقدرة اختراق أعلى. يزيل فلتر معدني الأشعة السينية "الناعمة" التي قد تمتصها جلد المريض دون الوصول إلى الكاشف.
مثال محلول (تسخين الهدف). في أنبوب يعمل بسرعة $75\ \text{kV}$، يكون تيار شعاع الإلكترونات $30\ \text{mA}$ وتتحول $99\%$ من طاقة الإلكترونات إلى حرارة في هدف من التنغستن كتلته $15\ \text{g}$ (السعة الحرارية النوعية $134\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$). أوجد معدل ارتفاع درجة الحرارة إذا لم تفقد أي حرارة.
الطاقة الموصلة $= IV = 0.030 \times 75\,000 = 2250\ \text{W}$؛ طاقة التسخين $= 0.99 \times 2250 = 2230\ \text{W}$. ثم $mc\,\Delta\theta/\Delta t = 2230$، لذا $\Delta\theta/\Delta t = 2230/(0.015 \times 134) = 1.1 \times 10^{3}\ \text{K s}^{-1}$. سيذوب الهدف خلال ثوانٍ، ولهذا تكون التعرضات قصيرة والدوارات تدور لتوزيع الحرارة.
الطول الموجي الأدنى
أقصى طاقة يمكن أن تمتلكها فوتون سيني واحد هي الكلية الحركية لإلكترون واحد مُسرّع، تُفقَد في حدث واحد. بالنسبة للجهد المسرِّع $V$، تكون الكلية الحركية $eV$، لذا
هذا هو قطع الطول الموجي القصير. يتلاشى طيف الإشعاع المتقطع (Bremsstrahlung) فوق $\lambda_{\text{min}}$، مع قمم مميزة حادة تحددها فلز الهدف.
طيف سيني نموذجي — منحنى إشعاع متقطع (Bremsstrahlung) مقطوع عند $\lambda_0$، مع قمم مميزة حادة
مثال محلول (الطول الموجي الأدنى). تُسرع الإلكترونات عبر $75\ \text{kV}$. أوجد أقصى طاقة للفوتون والأقل للطول الموجي للأشعة السينية.
أقصى طاقة $= eV = 75\ \text{keV} = 75\,000 \times 1.60 \times 10^{-19} = 1.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ (أو $0.075\ \text{MeV}$). ثم $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV) = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(1.2 \times 10^{-14}) = 1.7 \times 10^{-11}\ \text{m}$. زخم الفوتون الأقصى هو $p = E/c = 4.0 \times 10^{-23}\ \text{N s}$. مضاعفة الجهد المسرِّع تقلص الطول الموجي الأدنى إلى النصف.
شرح شكل الطيف. الطيف متصل لأن كل إلكترون قد يفقد أي جزء من طاقته في واحد أو عدة عمليات تباطؤ، مما ينتج فوتونات بكل طاقة تصل إلى الحد الأقصى. له قطع حاد عند $\lambda_{\text{min}}$ لأن الفوتون لا يمكن أن يحمل طاقة أكثر مما يمتلكه إلكترون واحد، $eV$، وهذا يحدث فقط عندما يفقد إلكترون طاقته بالكامل في حدث واحد. القمم مميزة للفلز الهدف: حيث ي Unsupported إلكترون incoming إلكتروناً داخلياً من ذرة الهدف، وينزل إلكترون خارجي لملء الفراغ، مشعاً فوتوناً تكون طاقته الفرق بين المستويين (الموضوع 22).
التصوير بالأشعة السينية
تعبر الأشعة السينية عبر المريض إلى كاشف. الأنسجة التي تخمد أكثر (العظام، $Z$ عالية) تلقي ظلاً أقوى وتبدو فاتحة؛ الأنسجة التي تخمد أقل (أنسجة رقيقة، رئتين) تبدو داكنة.
التباين هو فرق التضعيف بين الأنسجة. يمكن إعطاء مادة تباين (مثل وجبة الباريوم) لجعل الأنسجة الرخوة بارزة.
*صورة صدر حقيقية: العظم الكثيف يمتص المزيد من الأشعة وينتج لوناً أبيض؛ الرئتان المملوءتان بالهواء تسمحان بمرور الأشعة وتبدوان داكنتين
الحدة والتباين.الحدة هي مدى وضوح الحواف للهياكل في الصورة: مصدر أشعة صغير (بقعة صغيرة على الهدف)، ومريض ثابت، وكاشف قريب من المريض جميعها تحسنه. التباين هو فرق درجة الاسوداد (أو السطوع) بين المناطق المجاورة في الصورة، الناتج عن فرق التضعيف. الاثنان مستقلان: يمكن للصورة أن تكون حادة ولكن بتباين ضعيف، أو العكس.
*التباين هو فرق التضعيف: العظم يضعف بقوة حوالي ثلاثة أضعاف أكثر من النسيج الرخو لكل سنتيمتر، لذا تعطي السماوات المتساوية تعريضات مختلفة جداً
"اشرح لماذا تحتوي صور الأشعة الهيكلة الداخلية على تباين جيد." للعظام والأنسجة الرخوة معاملات تضعف مختلفة جداً، لذا تنقل السماوات المتساوية شدة مختلفة جداً ويتم تعريض الكاشف بشكل مختلف تماماً خلف كل منهما. حيث تتشابه معاملتا التضعيف لنسيجين رخين (المعدة وما يحيط به)، يتم بلع أو حقائن مادة تباين ذات معامل تضعف عالٍ مثل الباريوم لتحديد أحدهما.
مثال محلول. تعبر الأشعة السينية عبر $3.0\ \text{cm}$ من الأنسجة الرقيقة ($\mu = 0.20\ \text{cm}^{-1}$) في منطقة من الجسم و$3.0\ \text{cm}$ من العظم ($\mu = 0.60\ \text{cm}^{-1}$) في منطقة أخرى. قارن الشدة المنقولة.
النسيج الرخو: $I/I_{0} = e^{-0.20 \times 3.0} = e^{-0.60} = 0.55$. العظم: $e^{-0.60 \times 3.0} = e^{-1.80} = 0.17$. المنطقة التي يحتوي على نسيج رخو تتلقى أكثر من ثلاث مرات التعرض الخاص بمنطقة العظم، لذا يبدو العظم أبيض والنسيج داكناً. نسبة التعريضات، $e^{(\mu_{\text{bone}} - \mu_{\text{tissue}})x}$، تزداد مع السماكة: يتحسن التباين للهياكل الأسمك، لكن أيضاً يزيد التضعيف الكلي.
قانون التضعيف
$$I = I_{0} e^{-\mu x}.$$
الأشعة السينية ذات الطاقة الأعلى تخترق مسافات أبعد (قيمة $\mu$ أصغر); العظم له $\mu$ أكبر بكثير من النسيج الرخو. لإيجاد السماكة لكسر معين، خذ اللوغاريتم: $x = \dfrac{1}{\mu} \ln\dfrac{I_{0}}{I}$. سماكة القيمة النصفية$x_{1/2} = \ln 2 / \mu$ تقلص الشدة إلى النصف (مثل عمر النصف في التحلل).
مثال محلول. تمر أشعة إكس عبر $3.0\ \text{cm}$ من النسيج بمعامل توهين $\mu = 40\ \text{m}^{-1}$. أوجد الكسر المار من شدة الأشعة.
مثال محلول (النسبة المئوية الممتصة). تمر أشعة إكس عبر $2.8\ \text{cm}$ من وسط بمعامل توهين $1.4\ \text{cm}^{-1}$. ما هي النسبة المئوية لطاقة أشعة إكس الممتصة؟
الكسر المار $e^{-1.4 \times 2.8} = e^{-3.92} = 0.020$، إذن يتم امتصاص $98\%$. السؤال يطلب ما يتم امتصاصه وليس ما ينجو: اقرأ السؤال مرتين. السمك النصف قيمته هنا هو $\ln 2/\mu = 0.50\ \text{cm}$، لذا فإن $2.8\ \text{cm}$ يمثل $5.6$ سمك نصف قيمة، ويتحقق $(1/2)^{5.6} = 0.02$ الإجابة.
مثال محلول (طبقتان). شعاع شدته $I_{0}$ يمر عبر $2.0\ \text{cm}$ من المادة P (معامل $\mu = 0.35\ \text{cm}^{-1}$) ثم عبر $1.5\ \text{cm}$ من المادة Q (معامل $\mu = 0.90\ \text{cm}^{-1}$). أوجد الشدة المارة.
الدوال الأسية تُضرب: $I = I_{0}\, e^{-0.35 \times 2.0}\, e^{-0.90 \times 1.5} = I_{0}\, e^{-(0.70 + 1.35)} = I_{0}\, e^{-2.05} = 0.13\, I_{0}$. اجمع الأسس ($\mu_{1}x_{1} + \mu_{2}x_{2}$)؛ لا تجمع السماكات أو المعاملات على حدة. ترتيب الطبقات لا يؤثر على إجمالي الشدة المارة.
التصوير المقطعي المحوسب (CT)
تُنتج صورة مقطعية محوسبة (CT) صورة 3-D:
تدور الأنبوب والكواشف حول المريض، وأخذ صور عديدة لشريحة رقيقة واحدة من زوايا مختلفة.
يجمع الحاسوب هذه الصور لإنتاج مقطع عرضي 2-D للشريحة.
يُنقل المريض للأمام، وتُصور الشريحة التالية.
تُركب الشرائح لتكوين صورة 3-D.
يكشف CT عن تفاصيل أكثر بكثير من صورة إكس واحدة، لأن الأنسجة الرخوة المتداخلة تُفصل بواسطة إعادة البناء متعدد الزوايا.
في مسحة CT، يدور أنبوب الأشعة الكهربية والكواشف حول المريض لتصوير شريحة من زوايا متعددة
"اشرح كيف تنتج التصوير المقطعي المحوسب صورة ثلاثية الأبعاد (خمسة درجات)." (1) يدور أنبوب الأشعة السينية (وحلقة من الكواشف) حول المريض، بحيث (2) تُلتقط صور أشعة سينية كثيرة لـ شريحة واحدة (مقطع) من زوايا مختلفة. (3) يقوم الحاسوب بـ دمجها لإنتاج صورة ثنائية الأبعاد لتلك الشريحة. (4) يُنقل المريض ويتم تكرار العملية من أجل شرائح متتالية. (5) تُدمج الشرائح لبناء صورة 3-D، يمكن تدويرها ورؤيتها من أي زاوية. الهدف: تصوير جزء من الجسم دون تراكب الهياكل الذي تعاني منه صورة الأشعة السينية الواحدة، وكشف هياكل كانت ستبقى مخفية ومواقعها في العمق. الثمن هو جرعة أكبر بكثير من صورة الأشعة السينية الواحدة.
Explore · استكشف
X-ray production route · مسار إنتاج الأشعة السينية
Follow electrons from cathode to X-ray photons. · تابع الإلكترونات من الكاثود إلى فوتونات الأشعة السينية.
understand that a tracer is a substance containing radioactive nuclei that can be introduced into the body and is then absorbed by the tissue being studied
recall that a tracer that decays by $\beta^+$ decay is used in positron emission tomography (PET scanning)
understand that annihilation occurs when a particle interacts with its antiparticle and that mass–energy and momentum are conserved in the process
explain that, in PET scanning, positrons emitted by the decay of the tracer annihilate when they interact with electrons in the tissue, producing a pair of gamma-ray photons travelling in opposite directions
calculate the energy of the gamma-ray photons emitted during the annihilation of an electron-positron pair
understand that the gamma-ray photons from an annihilation event travel outside the body and can be detected, and an image of the tracer concentration in the tissue can be created by processing the arrival times of the gamma-ray photons
العربية
فهم أن المُتتبع هو مادة تحتوي على نوى مشعة يمكن إدخالها إلى الجسم ثم تمتصها الأنسجة قيد الدراسة
التذكر أن مُتتبعاً يتحلل عن طريق $\beta^+$ يُستخدم في التصوير بالإصدار البوزيتروني (PET scanning)
فهم أن الاختفاء التام يحدث عندما يتفاعل جسيم مع جسيم مضاد وأنه يتم حفظ الطاقة-الكتلة والزخم في العملية
شرح أنه في التصوير بالرنين المغناطيسي بالإصدار البوزيتروني، تختفي البوزيترونات المنبعثة من تحلل المُتتبع عند تفاعلها مع الإلكترونات في النسيج، مما ينتج زوجاً من فوتونات الأشعة غاما تسافر في اتجاهين متعاكسين
حساب طاقة فوتونات الأشعة غاما المنبعثة أثناء اختفاء تام زوج إلكترون-بوزيترون
فهم أن فوتونات الأشعة غاما من حدث الاختفاء التام تسافر خارج الجسم ويمكن رصدها، ويمكن إنشاء صورة لتراكيز المُتتبع في النسيج عن طريق معالجة أوقات وصول فوتونات الأشعة غاما
Source: Cambridge International syllabus · المصدر: منهج كامبريدج الدولي
English
Tracer
A tracer 示踪剂 is a substance with radioactive nuclei put into the body. It is taken up more by the tissue being studied (e.g. a tumour takes up more glucose-tagged tracer due to its high metabolism 代谢). Its decay is detected from outside.
In positron emission tomography 正电子发射断层扫描 (PET), the tracer is a $\beta^{+}$ emitter — it gives out a positron 正电子. A common one is fluorine-18 on a glucose analogue (FDG).
"Explain what is meant by a tracer and how it is used" (three marks). A tracer is a substance containing radioactive nuclei (for PET, a $\beta^{+}$ emitter such as fluorine-18) that is introduced into the body (injected or swallowed), usually bound to a molecule such as glucose, and is absorbed by the tissue being studied; the radiation it emits leaves the body and is detected, so its distribution shows where that tissue is active. The nuclide is chosen with a short half-life, so the activity is high during the scan and the patient's dose afterwards is small, but not so short that it decays before it reaches the tissue: fluorine-18 ($110$ minutes) and oxygen-15 ($2$ minutes, made and used on the spot) are typical.
Annihilation
When a particle meets its antiparticle 反粒子 they annihilate 湮灭: their mass turns into electromagnetic energy. In PET:
a positron travels a few mm before meeting an electron 电子.
they annihilate. Energy and momentum 动量 are conserved.
since the total momentum is about zero, two photons are produced going in opposite directions, each $511\ \text{keV}$ ($= m_{e} c^{2}$).
Energy of the annihilation photons
By energy conservation, the total photon energy equals the pair's rest energy 能量:
$$2 h f = 2 m_{e} c^{2}, \qquad h f = m_{e} c^{2}.$$
Each photon has $h f = m_{e} c^{2} \approx 8.2 \times 10^{-14}\ \text{J} \approx 0.51\ \text{MeV}$, with $\lambda \approx 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$.
Explaining the annihilation (four marks). (1) The positron emitted by the tracer travels a short distance and meets an electron in the tissue. (2) The pair annihilates: their mass is converted to energy, (3) emitted as two gamma-ray photons, since (4) momentum must be conserved: the pair had almost no momentum, so the two photons must travel in opposite directions with equal momenta. Each photon carries the rest energy of one particle, $0.51\ \text{MeV}$; a single photon could not conserve momentum.
Worked example. Find the total energy released when a positron and an electron, each moving slowly, annihilate, and the wavelength of each photon.
$E = 2m_{\text{e}}c^{2} = 2 \times 9.11 \times 10^{-31} \times (3.00 \times 10^{8})^{2} = 1.64 \times 10^{-13}\ \text{J}$ ($1.02\ \text{MeV}$), shared equally: $8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ each. $\lambda = hc/E = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(8.2 \times 10^{-14}) = 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$, a gamma ray. If instead the electron and positron each move at $4.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ in opposite directions, each has kinetic energy $\tfrac{1}{2}mv^{2} = 1.1 \times 10^{-15}\ \text{J}$, about $1\%$ of its rest energy, and the photons carry $8.3 \times 10^{-14}\ \text{J}$ each: the rest energy dominates, which is why the annihilation photons always have very nearly the same energy.
Reconstructing the image
The two photons leave the body in opposite directions and hit detector rings around the patient. Recording the two simultaneous arrivals (a "coincidence") fixes the line the annihilation happened on. Many coincidences from many angles let the computer build a 3-D map of the tracer — showing tissues with high metabolic activity. Comparing the two arrival times can refine the position along that line (time-of-flight PET).
"Explain how the gamma photons are used to form an image" (four marks). (1) The two photons leave the body in opposite directions and are detected by the ring of detectors. (2) Two photons arriving at (almost) the same time are taken to come from one annihilation, which therefore lies on the line joining the two detectors. (3) The small difference in arrival times gives the position along that line ($d = c\,\Delta t/2$ from the midpoint; a $1\ \text{ns}$ difference is $15\ \text{cm}$, so the timing must be very precise). (4) A computer collects many such events and maps the concentration of tracer in the tissue, producing an image; a higher concentration means more active tissue, such as a tumour. Photons that arrive singly (their partner absorbed in the body) are rejected.
العربية
المُتتبع
المُتتبع هو مادة تحتوي على نوى مشعة تُعطى للجسم. تمتصها الأنسجة المراد دراستها بشكل أكبر (على سبيل المثال، يستهلك الورم المزيد من المُتتبع المُشار إليه بالجلوكوز بسبب ارتفاع أيضه). يتم كشف تحلله من الخارج.
في التصوير المقطعي بإصدار البوزيترون (PET)، يكون المُتتبع مُصدراً لـ $\beta^{+}$ — فهو يُطلق بوزيترون. أشهر مثال عليه فلور-18 مرتبط بمشابه للجلوكوز (FDG).
"اشرح ما يعنيه المُتتبع وكيف يُستخدم" (ثلاث درجات). المُتتبع هو مادة تحتوي على نوى مشعة (بالنسبة لـ PET، مُصدر لـ $\beta^{+}$ مثل فلور-18) يتم إدخاله إلى الجسم (حقن أو بلع)، عادةً مرتبطاً بجزيء مثل الجلوكوز، وتمتصه الأنسجة المدروسة؛ الإشعاع المنبعث منها يخرج من الجسم ويكتشف، مما يظهر توزيعه مكان نشاط تلك الأنسجة. يُختار النظير بنصف عمر قصير، ليكون النشاط عالياً أثناء المسحة والجرعة التي يتلقاها المريض بعدها صغيرة، لكن ليس قصيراً جداً حتى يتحلل قبل وصوله للأنسجة: فلور-18 ($110$ دقيقة) وأكسجين-15 ($2$ دقيقة، يُصنع ويُستخدم في الموقع) أمثلة نموذجية.
الاضمحلال (الإزالة)
عندما يلتقي جسيم بـ جسيم مضاد له، يتلاشيا: تتحول كتلتهما إلى طاقة كهرومغناطيسية. في PET:
يسافر البوزيترون بضعة مليمترات قبل أن يلتقي بـ إلكترون.
يتلاشيا. تُحفظ الطاقة والزخم.
بما أن الزخم الكلي يكاد يكون صفراً، يُنتَج فوتونان يسيران في اتجاهين متعاكسين، كل منهما $511\ \text{keV}$ ($= m_{e} c^{2}$).
PET: الاضمحلال يُنتج فوتونين بطاقة 511 keV في اتجاهين متعاكسين؛ التصادف يحدد الخط
طاقة فوتونات الاضمحلال
بحسب حفظ الطاقة، تساوي طاقة الفوتون الكلية طاقة السكون للزوج:
$$2 h f = 2 m_{e} c^{2}, \qquad h f = m_{e} c^{2}.$$
كل فوتون يحمل $h f = m_{e} c^{2} \approx 8.2 \times 10^{-14}\ \text{J} \approx 0.51\ \text{MeV}$، حيث $\lambda \approx 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$.
"اشرح عملية الاضمحلال" (أربع درجات). (1) يسافر البوزيترون المنبعث من المُتتبع مسافة قصيرة ويلتقي بإلكترون في النسيج. (2) يتلاشيا الزوج: تتحول كتلتهما إلى طاقة، (3) تُشعَّ على شكل فوتونين أشعة غاما، لأن (4) يجب حفظ الـزخم: كان للزوج زخم ضئيل جداً، لذا يجب أن يسافر الفوتونان في اتجاهين متعاكسين بزخم متساوٍ. يحمل كل فوتون طاقة سكون جسيم واحد، $0.51\ \text{MeV}$؛ ولا يمكن لفوتون واحد فقط حفظ الزخم.
مثال محلول. أوجد الطاقة الكلية المنطلقة عند تلاشي بوزيترون وإلكترون، كلاهما يتحركان ببطء، وطول موجة كل فوتون.
$E = 2m_{\text{e}}c^{2} = 2 \times 9.11 \times 10^{-31} \times (3.00 \times 10^{8})^{2} = 1.64 \times 10^{-13}\ \text{J}$ ($1.02\ \text{MeV}$)، مقسومة بالتساوي: $8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ لكل منهما. $\lambda = hc/E = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(8.2 \times 10^{-14}) = 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$، أشعة غاما. إذا تحرك الإلكترون والبوزيترون كل منهما بسرعة $4.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ في اتجاهين متعاكسين، يكون لكل منهما طاقة حركية $\tfrac{1}{2}mv^{2} = 1.1 \times 10^{-15}\ \text{J}$، تقدر بـ $1\%$ من طاقته السكونية، وتحمل الفوتونات $8.3 \times 10^{-14}\ \text{J}$ كل منها: طاقة السكون هي المهيمنة، ولهذا السبب دائماً ما تكون فوتونات الاضمحلال ذات طاقة متقاربة جداً.
استعادة الصورة
يغادر الفوتونان الجسم في اتجاهين متعاكسين ويصطدان بـ حلقات كواشف حول المريض. تسجيل وصولين متزامنين ( "تزامن" ) يحدد الخط الذي حدث عليه الاضمحلال.许多 من التوافقيات الزمنية من زوايا متعددة تسمح للحاسوب ببناء خريطة 3-D للمُتتبع — تُظهر الأنسجة ذات النشاط الاستقلابي العالي. مقارنة أوقات الوصول يمكن أن تحسن الموقع على طول ذلك الخط (PET بزمن الطيران).
صورة PET مكتملة للدماغ: الألوان الدافئة (الأحمر، الأصفر) تشير إلى أماكن تجمع المُتتبع — أي النسيج الأكثر نشاطاً
*تحديد موقع الاضمحلال: فوتونان يتم كشفهما معاً يحددان الخط، وفرق وصولهما يحدد المكان على هذا الخط
"اشرح كيف تُستخدم فوتونات جاما لتشكيل صورة" (أربع علامات). (1) يغادر الفوتونان الجسم في اتجاهين متعاكسين ويتم اكتشافهما بواسطة حلقة الكواشف. (2) يُعتبر الفوتونان اللذان يصلان في (نحو) الوقت نفسه قادمَين من اضمحلال واحد، وبالتالي يقعان على الخط الواصل بين الكاشفين. (3) يعطي الفرق الصغير في أوقات الوصولالموقع على طول ذلك الخط ($d = c\,\Delta t/2$ من نقطة المنتصف؛ فرق $1\ \text{ns}$ يساوي $15\ \text{cm}$، لذا يجب أن يكون التوقيت دقيقاً جداً). (4) يقوم الكمبيوتر بجمع عدد كبير من هذه الأحداث ورسم تركيز المُتتبع في النسيج لإنتاج صورة؛ حيث يعني التركيز الأعلى نسيجاً أكثر نشاطاً، مثل الورم. يتم استبعاد الفوتونات التي تصل بمفردها (حيتم امتصاص شريكها داخل الجسم).
Explore · استكشف
PET scan route · مسار تصوير PET
Follow positron emission to a ring of detected photons. · تابع انبعاث البوزيترون إلى حلقة من الفوتونات المُكتشفة.
Definitions the examiner accepts · التعريفات التي يقبلها المصحح
English
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
piezo-electric effect
a crystal changes shape when a p.d. is applied across it, and generates an e.m.f. when its shape is changed
specific acoustic impedance
the product of the density of a medium and the speed of sound in it, $Z = \rho c$
intensity reflection coefficient
the fraction of the incident intensity reflected at a boundary, $(Z_{1} - Z_{2})^{2}/(Z_{1} + Z_{2})^{2}$
attenuation coefficient
the constant $\mu$ in $I = I_{0}e^{-\mu x}$; the larger it is, the faster the intensity falls with thickness
hardness (of X-rays)
the penetrating power of the beam, set by the photon energies (the accelerating p.d.)
contrast
the difference in degree of blackening between neighbouring regions of an image
sharpness
how well defined the edges of structures are in an image
CT scanning
X-ray images of one section taken from many angles are combined by computer into a 2-D image of the slice; successive slices give a 3-D image
tracer
a substance containing radioactive nuclei that is introduced into the body and absorbed by the tissue under study
annihilation
a particle and its antiparticle interact and their mass is converted to energy (photons), with mass–energy and momentum conserved
العربية
تُصنّف أسئلة التعريف بناءً على صياغة ثابتة. احفظ هذه التعريفات بدقة، وقدم إجابة واحدة فقط.
مصطلح
تعريف
تأثير الكهرباء الانضغاطية
يتغير شكل البلورة عند تطبيق فرق جهد عليها، وتولد قوة دافعة كهربائية عند تغيير شكلها
المعاوقة الصوتية النوعية
حاصل ضرب كثافة الوسط في سرعة الصوت فيه، $Z = \rho c$
معامل انعكاس الشدة
الكسر الممثل للشدة الساقطة المنعكسة عند الحدود، $(Z_{1} - Z_{2})^{2}/(Z_{1} + Z_{2})^{2}$
معامل التوهين
الثابت $\mu$ في $I = I_{0}e^{-\mu x}$؛ كلما كان أكبر، كانت الشدة تنخفض بسرعة أكبر مع زيادة السماكة
صلابة (أشعة إكس)
قدرة الاختراق للحزمة، تحدد بطاقة الفوتونات (فرق الجهد المسرع)
التباين
الفرق في درجة الاسوداد بين المناطق المجاورة في الصورة
الحدة
مدى وضوح حدود الهياكل في الصورة
التصوير المقطعي المحوسب
تُجمع صور الأشعة السينية لمقطع واحد مأخوذة من زوايا متعددة بواسطة الحاسوب لتكوين صورة 2-أبعادي للمقطع؛ وتوفر المقاطع المتتالية صورة 3-أبعادي
المُتتبع
مادة تحتوي على نوى مشعة تُدخل إلى الجسم وتُمتص بواسطة النسيج قيد الدراسة
الاضمحلال
تفاعل جسيم مع مضاده وتتحول كتلتهما إلى طاقة (فوتونات)، مع حفظ الطاقة والكتلة والزخم
24.3
Exam tips · نصائح للامتحان
English
Ultrasound: pulse in, echo back; depth $= ct/2$ (there and back); $Z = \rho c$; reflection coefficient from the two impedances; gel matches impedance to the skin. Attenuation is exponential and an echo crosses the tissue twice.
X-rays: production is heated filament, high p.d., sudden deceleration at the target; intensity by filament current, hardness by p.d.; $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV)$; $I = I_{0}e^{-\mu x}$ with exponents added for layers; contrast is a difference in $\mu$.
CT: many angles, one slice, computer, successive slices, 3-D. Say all five.
PET: $\beta^{+}$ tracer, annihilation with an electron, two $0.51\ \text{MeV}$ photons in opposite directions (momentum), coincidence gives the line, timing gives the position.
Know the three "explain" answers word for word: how the crystal generates and detects, how X-rays are produced, how the photons locate the tracer.
Write units with every impedance ($\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$) and coefficient ($\text{cm}^{-1}$ or $\text{m}^{-1}$), and convert $\text{cm}$ to $\text{m}$ only if $\mu$ is in $\text{m}^{-1}$.
Common mistakes
Forgetting the factor of 2 in the depth of a reflecting boundary, or the second pass through the tissue in an echo's intensity.
Defining acoustic impedance as "the resistance to sound" instead of density times speed of sound.
Quoting the reflection coefficient for gel–skin as "zero"; it is small, and that is the point.
Saying the p.d. controls the intensity of the X-ray beam, or that the filament current controls the hardness; it is the other way round.
Explaining the minimum wavelength without saying that one electron gives all its kinetic energy to a single photon.
Adding thicknesses of different materials before applying $e^{-\mu x}$; add the products $\mu x$ instead.
Describing CT as "an X-ray from several angles" without the computer reconstruction, the slice, or the successive slices.
Giving one photon for annihilation, or two photons in the same direction; momentum conservation demands two in opposite directions.
Confusing the tracer's half-life reasoning: short so that the dose is small, but long enough to reach the tissue and be scanned.
أشعة إكس: الإنتاج عبر خيط مسخن، فرق جهد عالٍ، تسارع مفاجئ عند الهدف؛ الشدة بواسطة تيار الخيط، الصلابية بواسطة فرق الجهد؛ $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV)$؛ $I = I_{0}e^{-\mu x}$ بإضافة الأسس للطبقات؛ التباين هو فرق في $\mu$.
التصوير المقطعي المحوسب: زوايا متعددة، مقطع واحد، حاسوب، مقاطع متتالية، 3-أبعاد. اذكر جميع العناصر الخمسة.
PET: $\beta^{+}$ مُتتبع، اضمحلال مع إلكترون، $0.51\ \text{MeV}$ فوتونان في اتجاهين متعاكسين (زخم)، التوافق يعطي الخط، التوقيت يعطي الموقع.
احفظ الإجابات الثلاث "اشرح" كلمة بكلمة: كيف تولد البلورة وتكشف، كيف تُنتج أشعة إكس، كيف定位 الفوتونات المُتتبع.
اكتب الوحدات مع كل معاوقة ($\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$) ومعامل ($\text{cm}^{-1}$ أو $\text{m}^{-1}$)، وقم بتحويل $\text{cm}$ إلى $\text{m}$ فقط إذا كان $\mu$ موجودًا في $\text{m}^{-1}$.
أخطاء شائعة
نسيان عامل 2 في عمق حد الانعكاس، أو المرور الثاني للنسيج في شدة الصدى.
تعريف المعاوقة الصوتية بأنها "مقاومة الصوت" بدلاً من الكثافة مضروبة في سرعة الصوت.
اقتباس معامل الانعكاس للجل-الجلد بأنه "صفر"؛ بل هو صغير، وهذا هو المقصود.
القول بأن فرق الجهد يتحكم في شدة حزمة أشعة إكس، أو أن تيار الخيط يتحكم في الصلابية؛ الأمر معكوس.
شرح الطول الموجي الأدنى دون ذكر أن إلكتروناً واحداً يمنح كل طاقته الحركية لفوتون واحد.
إضافة سماكات مواد مختلفة قبل تطبيق $e^{-\mu x}$؛ بل أضرب المنتجات $\mu x$ بدلاً من ذلك.
وصف التصوير المقطعي (CT) بأنه "صورة أشعة من عدة زوايا" دون إعادة البناء بالكمبيوتر، أو القطعة، أو القطع المتتالية.
إعطاء فوتون واحد للاضمحلال، أو فوتونين في نفس الاتجاه؛ يتطلب حفظ الزخم فوتونين في اتجاهين متعاكسين.
الخلط في استنتاج عمر النصف للمُتتبع: قصير ليكون الجرعة صغيرة، لكن كافياً للوصول إلى النسيج وإجراء المسح.
Interactive lessons on this topic · دروس تفاعلية حول هذا الموضوع
Work through it step by step, with instant-check exercises. · ا-working عليه خطوة بخطوة، مع تمارين تحقق فوري.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · اختر واحدًا وسيتبعك الموقع — الملاحظات، الأوراق، الفيديوهات والتدريب جميعها تفتح عليه.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · اكتب للبحث عن ملاحظات، دروس، أكواد، مفردات وأسئلة امتحانات سابقة عبر جميع المواد.