Produksi dan penggunaan sinar-X
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| tungsten/ˈtʌŋstn/ | tungsten |
| target/ˈtɑːɡɪt/ | target |
| anode/ˈænəʊd/ | anoda |
| cathode/ˈkæθəʊd/ | katoda |
| thermionic emission/ˌθɜːmɪˈɒnɪk ɪˈmɪʃn/ | emisi termionik |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | energi kinetik |
| photons/ˈfəʊtɒnz/ | foton |
| Bremsstrahlung/ˈbremʃtrɑːlʊŋ/ | Bremsstrahlung |
| hardness/ˈhɑːdnəs/ | kekerasan |
| characteristic/ˌkærɪktəˈrɪstɪk/ | karakteristik |
| sharpness/ˈʃɑːpnəs/ | ketajaman |
| contrast/ˈkɒntræst/ | kontras |
| attenuation/əˌtenjuːˈeɪʃn/ | redaman |
| contrast medium/ˈkɒntræst ˈmiːdɪəm/ | media kontras |
| half-value thickness/hɑːf ˈvæljuː ˈθɪknəs/ | tebal nilai setengah |
| computed tomography/kəmˈpjuːtɪd təˈmɒɡrəfi/ | tomografi komputasi |
Mesin yang membuang sembilan puluh sembilan persen dayanya
- Tabung sinar-X yang dijalankan pada $75\ \text{kV}$ dan $30\ \text{mA}$ menyerap $2250\ \text{W}$. Sekitar $99\%$ dari itu menjadi panas dalam balok tungsten seukuran koin.
- Jika dibiarkan sendirian, suhu target akan naik lebih dari $1000\ \text{K}$ per detik dan meleleh dalam beberapa detik.
- Itulah sebabnya paparan singkat dan anode berputar. Sisa satu persen adalah gambar.
- Pelajaran ini adalah bagaimana sinar-X diproduksi, apa yang menetapkan daya tembusnya, dan bagaimana mereka membuat gambar.
Produksi
- Jawaban empat poin berjalan dalam empat langkah, dan setiap langkah bernilai satu poin.
- Satu. Elektron dipancarkan dari filamen panas (katoda) melalui emisi termionik.
- Dua. Mereka dipercepat melalui p.d. tinggi, puluhan kV, melintasi tabung hampa menuju target logam, anoda, biasanya tungsten.
- Tiga. Mereka memperlambat secara cepat saat menabrak target.
- Empat. Energi kinetik yang hilang dipancarkan sebagai foton sinar-X, ini adalah Bremsstrahlung atau radiasi pengereman, dengan sebagian besar menjadi panas.
Panas satu ujung, rem di ujung lainnya
Sinar-X dihasilkan ketika elektron cepat:
Deselerasi mendadak pada target memancarkan foton sinar-X (Bremsstrahlung).
Sebagian besar energi kinetik elektron dalam tabung sinar-X menjadi panas, bukan sinar-X.
Hanya sebagian kecil menjadi sinar-X — itulah sebabnya target harus didinginkan.
Dua kontrol, dua tugas berbeda
- Intensitas, energi per satuan luas per detik, ditentukan oleh jumlah elektron yang menabrak target per detik, sehingga dikendalikan oleh arus filamen. Filamen yang lebih panas memancarkan lebih banyak elektron.
- Kekerasan, daya tembus, ditentukan oleh energi foton, sehingga dikendalikan oleh p.d. percepatan. P.D. yang lebih besar menghasilkan sinar-X berenergi lebih tinggi, panjang gelombang lebih pendek, dan penetrasi lebih baik.
- Pisahkan keduanya. Pertanyaan tentang cara membuat berkas lebih penetratif tidak dijawab dengan menaikkan arus.
- Filter logam menghilangkan sinar-X paling lembut, yang akan diserap oleh kulit pasien tanpa pernah mencapai detektor.
Pasangkan setiap kontrol dengan apa yang diubahnya.
Soal yang menanyakan cara membuat berkas lebih menembus tidak dijawab dengan menaikkan arus.
Panjang gelombang minimum
- Energi maksimum yang dapat dibawa oleh satu foton adalah seluruh energi kinetik satu elektron, hilang dalam satu peristiwa:
- Ini adalah batas panjang gelombang minimum, dan hanya bergantung pada tegangan percepatan, tidak pernah pada logam target atau arus.
- Menggandakan tegangan percepatan mengurangi separuh panjang gelombang minimum.
Panjang gelombang minimum sinar-X dari tabung dengan tegangan akselerasi $V$ adalah:
Dari $hf_{\max} = eV$ dan $c = f\lambda$: $\lambda_{\min} = \dfrac{hc}{eV}$.
Tegangan percepatan yang lebih tinggi menghasilkan ____ panjang gelombang minimum.
$\lambda_{\min} = \dfrac{hc}{eV}$, sehingga $V$ yang lebih besar menghasilkan $\lambda_{\min}$ yang lebih kecil (sinar-X berenergi lebih tinggi).
Contoh terpecahkan: batas pada 75 kV
- Elektron dipercepat melalui $75\ \text{kV}$. Temukan energi foton maksimum dan panjang gelombang minimum.
- Energi maksimum $= eV = 75\ \text{keV} = 75000 \times 1.60\times10^{-19} = 1.2\times10^{-14}\ \text{J}$.
- $\lambda_{\text{min}} = \dfrac{hc}{eV} = \dfrac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^{8})}{1.2\times10^{-14}} = 1.7\times10^{-11}\ \text{m}$.
- Momentum foton maksimum adalah $p = E/c = 4.0\times10^{-23}\ \text{N s}$.
- Perhatikan bahwa $eV$ dalam joule memerlukan tegangan dalam volt, bukan kilovolt. Faktor seribu ini sering menjadi penyebab kesalahan umum.
Elektron dipercepat melalui 75 kV. Berapakah panjang gelombang X-ray minimum, dalam satuan 1e-11 m?
lambda_min = hc/(eV) = 1.7e-11 m. Gunakan volt, bukan kilovolt. Menggandakan tegangan akan memperkecil setengah panjang gelombang minimum, dan logam target tidak mengubahnya.
Membaca spektrum
- Spektrum bersifat kontinu karena setiap elektron dapat kehilangan sebagian dari energinya, dalam satu perlambatan atau beberapa kali, sehingga foton dengan segala energi hingga maksimum muncul.
- Memiliki batas tajam pada $\lambda_{\text{min}}$ karena tidak ada foton yang dapat membawa lebih dari energi satu elektron, $eV$.
- Puncak tajam tersebut khas bagi logam target: elektron masuk menabrak elektron dalam, elektron luar jatuh mengisi kekosongan tersebut, dan foton membawa selisih antara dua tingkat energi itu.
- Jadi bentuk kurva memiliki tiga penyebab terpisah, dan pertanyaan tentangnya meminta ketiganya disebutkan.
Tebing, tonjolan, dan dua pucuk
Rute produksi sinar-X
Ikuti elektron dari katode hingga foton sinar-X.
Mengapa spektrum sinar-X memiliki bentuk seperti itu? Pilih semua yang berlaku.
Puncak berasal dari tingkat energi target, jadi hanya mengubah target yang memindahkannya. Tegangan menggeser batas potong.
Ketajaman dan kontras adalah hal yang berbeda
- Ketajaman adalah seberapa jelas tepi-nya. Ini membaik dengan titik sumber yang kecil, pasien yang tenang, dan detektor dekat dengan pasien.
- Kontras adalah perbedaan tingkat kehitaman antara daerah yang berdekatan, yang dihasilkan oleh perbedaan peredaman.
- Keduanya independen: gambar bisa tajam namun kontrasnya buruk, atau buram namun kontrasnya kuat.
- Di mana dua jaringan lunak meredam secara mirip, zat kontras seperti barium ditelan atau disuntikkan untuk menggambarkan salah satunya.
Sinar yang sama, bayangan yang sangat berbeda
Gambar sinar-X dengan ketajaman yang sangat baik juga harus memiliki kontras yang baik.
Mereka saling independen. Ketajaman adalah definisi tepi, ditentukan oleh ukuran sumber dan geometri; kontras adalah perbedaan peredahan antara jaringan.
Contoh terpecahkan: mengapa tulang tampak putih
- Sinar-X menembus $3.0\ \text{cm}$ jaringan lunak ($\mu = 0.20\ \text{cm}^{-1}$) di satu wilayah dan $3.0\ \text{cm}$ tulang ($\mu = 0.60\ \text{cm}^{-1}$) di wilayah lain. Bandingkan intensitas yang tembus.
- Jaringan lunak: $I/I_0 = e^{-0.20\times3.0} = e^{-0.60} = 0.55$.
- Tulang: $I/I_0 = e^{-0.60\times3.0} = e^{-1.80} = 0.17$.
- Wilayah jaringan menerima lebih dari tiga kali paparan, sehingga tulang tampak putih dan jaringan gelap.
- Rasio paparan adalah $e^{(\mu_{\text{bone}} - \mu_{\text{tissue}})x}$, yang meningkat seiring ketebalan: kontras membaik untuk struktur yang lebih tebal, meskipun total peredaman juga meningkat.
Hukum peredaman
- Sinar-X berenergi lebih tinggi menembus lebih jauh, artinya koefisien peredaman $\mu$ yang lebih kecil; tulang memiliki $\mu$ yang jauh lebih besar daripada jaringan lunak.
- Untuk suatu ketebalan, ambil logaritma: $x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$. Ketebalan nilai setengah adalah $x_{1/2} = \ln 2/\mu$, persis seperti waktu paruh.
- Melalui dua lapisan eksponensialnya dikalikan, jadi tambahkan eksponennya: $I = I_0 e^{-(\mu_1 x_1 + \mu_2 x_2)}$. Jangan tambahkan ketebalannya atau koefisiennya, dan perhatikan urutan lapisan tidak berpengaruh.
- Baca soal: "fraksi apa yang terserap" berarti $1 - e^{-\mu x}$, bukan $e^{-\mu x}$.
Tulang terlihat putih pada gambar sinar-X karena:
Tulang padat, ber-$Z$ tinggi menyerap lebih banyak ($I = I_0 e^{-\mu x}$ dengan $\mu$ besar), menciptakan bayangan yang lebih kuat.
Se berkas menembus 2.0 cm P (μ = 0.35 /cm) lalu 1.5 cm Q (μ = 0.90 /cm). Berapa fraksi intensitas yang ditransmisikan?
Eksponensialnya dikalikan, jadi eksponennya dijumlahkan: e^-(0.70 + 1.35) = e^-2.05 = 0.13. Jangan jumlahkan ketebalan atau koefisiennya, dan urutan lapisan tidak berpengaruh.
Tomografi komputasi
- Pemindaian tomografi terkomputerisasi (CT) membangun gambar tiga dimensi, dan silabus meminta pembangunannya dijelaskan secara berurutan.
- Satu. Banyak gambar sinar-X dari potongan yang sama diambil dari sudut berbeda di sekitar pasien.
- Dua. Komputer menggabungkan mereka menjadi satu gambar dua dimensi dari potongan tersebut.
- Tiga. Proses ini diulang untuk banyak potongan sepanjang sumbu.
- Empat. Potongan dua dimensi digabungkan menjadi gambar tiga dimensi, yang dapat diputar atau dibelah di layar. Dosisnya jauh lebih tinggi daripada radiografi tunggal, yang merupakan komprominya.
Pemindaian CT mengambil gambar sinar-X dari banyak sudut untuk membangun gambar 3-D.
Memutar tabung dan detektor serta merekonstruksi irisan memisahkan jaringan tumpang tindih menjadi gambar 3-D.
Urutkan proses pembentukan gambar CT.
Sudut terlebih dahulu, kemudian bagian. Dosis jauh lebih tinggi daripada radiografi tunggal, yang merupakan kompromi untuk tampilan 3-D.
⟦⟧ Nilai yang sering terlewat
- Arus filamen menetapkan intensitas, tegangan percepatan menetapkan daya tembus. Jangan tukar keduanya.
- $\lambda_{\text{min}}$ hanya bergantung pada tegangan percepatan, bukan pada target atau arus.
- Ketajaman dan kontras adalah independen. Pertanyaan tentang tepi buram tidak dijawab dengan membicarakan peredaman.
- Dua lapisan: tambahkan eksponennya $\mu_1 x_1 + \mu_2 x_2$.
- Samakan satuan dari $\mu$ dan $x$, dan periksa apakah soal meminta apa yang tembus atau apa yang terserap.
Anda telah memahaminya
- Sinar-X dihasilkan ketika elektron dari katoda yang dipanaskan, dipercepat melalui tegangan tinggi, perlambat secara cepat di target logam, sebagian besar sebagai panas
- $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV)$ adalah batas yang ditetapkan oleh tegangan percepatan saja, dengan puncak khas dari logam target pada kurva kontinu
- ketajaman adalah definisi tepi, kontras adalah perbedaan peredaman, dan keduanya independen
- $I = I_0 e^{-\mu x}$, dengan ketebalan nilai setengah $\ln 2/\mu$ dan eksponen yang ditambahkan melalui lapisan berturut-turut; CT menggabungkan banyak sudut menjadi satu potongan dan banyak potongan menjadi gambar 3-D