background image

      Medical physics                                                                                                               Dr. Entidhar. Altaee 

 

 

1  

     Dr.Entidhar .J.Khamees 

 

Chapter 9 

Physics of diagnostic X-Rays 

Objectives: after the end of this lecture, the student must know: 

1-  The main parts of X-ray unit 

2-  How X-rays are absorbed 

3-  Application of X-ray in medicine 

X – rays:- electromagnetic radiation (EMR) of very short wavelength (λ 1-0.1 A°) 

and very high penetrating power. It is very useful in diagnosis & radio therapy 

The amount of energy carried by each photon depends on the frequency of radiation: 
 
              E = h υ = h c λ 
Where 

h = Plan's constant = 6.6*

10

−34

 (joule. sec) 

c = velocity of light = 3* 

10

8

m/sec 

υ frequency of radiation. 

X- ray Production: 

 X-rays are produced when highly energetic electrons interact with matter, converting 

some of their kinetic energy into electromagnetic radiation.  Accordingly, the main 

components of the X-ray tube are:  

1. 

A source of electrons (the cathode , filament) ; the number of electrons (as well 

as the number of produced X-ray photons) is controlled by the product of the 

tube current and time (mAs).  

2. 

An evacuated space in which the electron are speed up (glass envelope). 

3. 

A high positive potential to accelerate the negative electrons which control the 

energy of the electrons (as well as the energy of the X-ray photons) (kV).  

4. 

A target which the electrons strike (the anode). 


background image

      Medical physics                                                                                                               Dr. Entidhar. Altaee 

 

 

2  

     Dr.Entidhar .J.Khamees 

NOTE: In the X-ray tube, up to 99% of accelerated electrons energy is converted 

to heat and approximately 1% is converted to X-ray photons.  

In general, the higher the atomic number (Z) of the anode , the more intensity X-

ray beam is produced (Z tungsten = 74) . 

 Increase the current in the cathode circuit = increase electrons. 

Increase  kv  =  increase  speed  of  electron  =  increase  energy  of  photons  =  high 

resolution. 

 

Fig. The basic components of an x-ray unit 

  The following techniques are used to overcome overheating problem in the anode 

of the X -ray tube:  

1.  The anode material should has a high melting point (for tungsten 3400 C°)  

2. 

 Equipped the X-ray tube with two filaments which are used interchangeably 

to produce large or small focal spots, focal spot is an area on the target struck 

by electrons. The small focal spot produces less image blurring than the large 

focal spot but it concentrates the heat on small area.  

3. 

 Increasing the area struck by electrons (focal spot area) without increasing the 

image blurring by the angulations’ of the anode 10 ° to 20 ° . This technique 

is called as line- focus principle 

4. 

Using rotating anode X-ray tube (3600 rotation per minute) .  


background image

      Medical physics                                                                                                               Dr. Entidhar. Altaee 

 

 

3  

     Dr.Entidhar .J.Khamees 

Figure 14-1: line focus principle to avoid overheating 

 

 

Types of X- ray 

1. Bremsstrahlung Spectrum (Continuous X- ray): 

A  small  fraction  of  the  accelerated  electrons  come  near  an  atomic  nucleus 

within the target and are influenced by its positive electric field. The electrons 

are decelerated and change its direction, causing a loss of kinetic energy, which 

is emitted as an X-ray photon of equal energy (bremsstrahlung radiation). For 

a  given  number  of  electrons  the  amount  of  bremsstrahlung  depends  on  (Z) 

number of the target (protons number) and the kV peak.  

 

Fig. Bremsstrahlung Spectrum (Continuous X- ray)

 

 


background image

      Medical physics                                                                                                               Dr. Entidhar. Altaee 

 

 

4  

     Dr.Entidhar .J.Khamees 

 

2. Characteristic X- ray 

Characteristic radiation is emitted when an electron interacts with an atomic 

electron within the anode and ejects it from its shell. Then the ejected electron 

vacancy is filled by an outer shell electron emitting X-ray photon whose energy 

is equal to the binding energy difference between the two shells. 

 

Fig.

 Characteristic X- ray 

X- ray Absorption by Tissue 

 

X  -ray  attenuation 

is  the  reduction  of  the  X-ray  beam  due  to  absorption  and 

scattering. The attenuation of an X-ray beam can be measured using the following 

equation: 

                                I = I˳ e

 –μx

 

where

 

I

initial beam intensity. 

= un attenuated (transmitted) beam intensity. 
μ = linear attenuation Coefficient. e = 2.718 
= Thickness of the attenuator such as (brain tumor, bone, aluminum)


background image

      Medical physics                                                                                                               Dr. Entidhar. Altaee 

 

 

5  

     Dr.Entidhar .J.Khamees 

 
Linear  attenuation  Coefficient  (μ):  measure  the  probability  that  photon  interact 
(absorbed or scattered) per unit length it travel in specified material. 

It depends on: 

1. energy of x-rays 

2. atomic number (Z) 

3. density (ρ) of material 

Half value thickness HVT (X1/2) : is the thickness of material which reduce 

the intensity of the beam of radiation one – half of its value (50%). 

(HVT) X

1/2 

= 0.693 / μ

 

Methods o f X- ray interaction with matter 

1.  Photoelectric effect 

is the most common way at diagnostic X-ray range . It 

occurs when low energy X-ray photon transfers all of its energy to an atomic 

electron more likely inner shell electron. It is more common in materials with 

high (Z) number than those with low (Z) number.

 

Probability of photoelectric occur at material. e.g.:

 

Muscles ≤ 30 KeV 

Bone ≤ 50 KeV

 

 


background image

      Medical physics                                                                                                               Dr. Entidhar. Altaee 

 

 

6  

     Dr.Entidhar .J.Khamees 

2.   Compton Effect(C.E)  

occurs when the X-ray photon collide with loosely 

outer shell electron. In this case, the electron will receives part of the photon 

energy and the remainder energy is given to Compton photon. Compton Effect 

is more likely to occur in material with low (Z) number. 

 

C.E. occur greatest at low Z material. e.g.: 

  In water or soft tissue C.E. is more probable occur than P.E effect at energy 

≥ 30 KeV. 

  In bone C.E. is more probable occur than the P.E. effect at energy ≥ 100 

KeV. 

 

3.   Pair  production 

is  rarely  occurring  at  diagnostic  energy  range  as  the 

minimum energy required for pair production is 1.02 Mev. In pair production 

the high energy photon enters the electric field of the nucleus and converted 

into two particles (electron and positron) which are vanished and their mass 

energy appears as two photons called 

annihilation radiation 

 

 


background image

      Medical physics                                                                                                               Dr. Entidhar. Altaee 

 

 

7  

     Dr.Entidhar .J.Khamees 

 

 X -ray contrast media 

: are high Z  materials introduced inside the patient 

body (by injection or oral consumption) in order to increase the photoelectric 

effect  occurrence.  Barium  compounds  and  iodine  compounds  are  the  most 

commonly used contrast agents. (

barium 

=56, Z 

iodine 

=53, Z 

soft tissue 

=7.42)

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: علي الشبري
المشاهدات: لقد قام عضو واحد فقط و 229 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل