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 did’t 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 A=Z+N -> 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 • E=Dmc2 • 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 -> 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 keV:n gammafotoniksi. Ilmiötä kutsutaan annihilaatioksi. • Radiologian sovellus: PET • Päinvastaista ilmiötä, jossa yksi gammakvantti muuttuu elektroni-positronipariksi, kutsutaan parinmuodostukseksi.

24. Elektroniverho • Negatiivinen varaus • Elektronin massa=1/1800-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 km:n etäisyydellä • Elektronien energiat ovat kvantittuneet: Vain tietyt ”radat”eli 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. H 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.