background image

-

Physics of Diagnostic X-Rays

The X-ray photon is a member of the electromagnetic

family that includes light of all types, radio waves,

radar and television  signals, and gamma rays.

The field  of radiology  has three major branches:

Diagnostic  Radiology.
Radiation  Therapy.
Nuclear Medicine.

Chapter 16


background image

background image

The characteristics of X-Rays:-
1. had very great penetrating power.

2.  could ionize a gas.

3. traveled in a straight line from the source 

and were not deflected in passing through 

electric and magnetic .
4. X-Rays are neutral do not have any change.

5. X-Rays are transverse wave similar to light 

wave.

6. X-Rays wave are diffracted by crystal and 

have very short wave length

.


background image

In the fall of 1895, W. C. Roentgen, a physicist at 

the

University of Wurzburg in Germany,

was studying cathode rays in his 

laboratory. 
He was using a fairly high voltage across a 
tube covered with black paper that had

been evacuated to a low pressure. 

When he "excited" the tube with high 
voltage, he noticed that some crystals 
on a nearby bench glowed

and that the rays causing this fluorescence 

could pass through solid  matter

.


background image

Production of X-ray beams

The maim component of modern X-ray unit are:

1-A filament (

Cathode

–as a source of electrons.

2-A target (

anode

)

–which the electrons strike to 

produce x-ray.
3-

High positive voltage-to

accelerate the 

negative electrons 
travel from the cathode to the anode.
4- An 

evacuated space-in

which to speed up the 

electrons.
5- Water or oil to cool the target

.


background image

background image

background image

A high-speed electron 
(

the electron librated from the 

cathode will be accelerated toward the 
anode),

can convert some or all of its 

energy into an X-ray photon when it 
strikes an atom

.


background image

The target of X-ray unit, it should have

A-

high atomic number

(tungsten Z=74)

B-

high melting point

(for tungsten 

≈ 340 C.

C-Rotated at 3600 rpm

at minimum and the heat 

is spread over a large  area as the anode rotates.

D-increase the area

on the target struck by

Electrons to avoid  overheating  without increasing 

the blurring  of the X-ray  image. This technique,

Called  the 

line-focus principle

..


background image

background image

General notes

1-In a modern X-ray tube the 

number

of electrons 

accelerated toward the anode depends on the 
temperature of the filament.

2-The maximum 

energy

of the X-ray photons 

produced is determined by the accelerating 
voltage-kilovolt peak (KVP

3-The energy of most electrons striking the 
target (99.3%) is dissipated in the form of

heat.The remaining few energy (0.7%) produce 

useful X-ray.


background image

Type of X-rays

1-Bremsstrahlung (continuous) X-rays:

This type of X-rays  is produce by the sudden 

decelerating  of high energy  electron.
When the electrons  gets close enough to the 
nucleus of a target atom to be diverted  from its path 
and emits an X-ray  photon that has some of its 
energy. 


background image

background image

2-Characteristic X-rays

Sometimes a fast electron strikes a K electron in a target atom and knocks it

out of its orbit and free of the atom. The vacancy  in the K

shell is filled almost immediately  when an electron from

an outer shell of the atom falls into it,
and in the process, a characteristic K X-ray photon is emitted.

An X-ray photon emitted when an electron falls from the 

level  to the level  is called a 

Kα characteristic X-ray,

and that emitted when an electron falls from the shell to the K

shell is called   a 

Kβ X-ray.


background image

background image

The spectrum of X-rays 

produced by a 
modern X-ray 
generator. The broad 
smooth curve is due 
to the 
bremsstrahlung, and 
the spikes represent 
the characteristic X-
rays.


background image

The attenuation of an X-ray  beam is its 
reduction due to 

the absorption and scattering of some of the photons 

out of the beam

Attenuation of X-rays:


background image



e

I

I

o

Io=The unattenuated  beam intensity 
= attenuated  beam intensity
e=2.718
is the thickness of the attenuator, 
μ is the linear attenuation coefficient of the attenuator.

The linear attenuation coefficient is dependent  on the energy

of the X-ray photons; as the beam becomes  harder, it decreases.


background image

693

.

0

=

HVL



e

I

I

o

693

.

0

=

HVL

Half-value layer (HVL) :
Is the thickness of a given material that will reduce the beam

intensity by one-half (50%).

The half-value layer is related to the linear attenuation coefficient by: -

Ln (I/

Iо)=-μ(HVL)

Ln(50/100)=-

μ(HVL)


background image

The mass attenuation coefficient

μm

is used to remove the effect of density when comparing 
attenuation in several materials.

The mass attenuation coefficient of a material is equal to

the linear attenuation coefficient

μ

divided by 

the density

ρ

of the materials.

I

=

Ioe

(μ/ρ)(ρx)

=

Ioe

μ

m

(ρx)


background image

Calculate the percentage of X-ray beam absorbed by a
bone of thickness 3cm and U
/

ρ of the bone to that X-ray 

energy is 0.2cm

2

/gm, and 

ρ of the bone is 1.9gm/cm

3

.

3

.

0

718

.

2

14

.

1

14

.

1

)

3

9

.

1

)(

2

.

0

(

)

)(

/

(

)

)(

/

(

=

=

=

=

=

=

e

e

I

I

e

I

I

e

I

I

x

o

x

m

o

x

m

o


background image

693

.

0

=

HVL



e

I

I

o

693

.

0

=

HVL

Half-value layer (HVL): Is the thickness of a given 

material that will reduce the beam intensity by one-half 
(50%).

The half-value layer is related to the linear attenuation coefficient by: 

-

Ln (I/

Iо)=-μ(HVL)

Ln(50/100)=-

μ(HVL)

Ln1/2=-

μ(HVL)

Ln=0.693-----------------


background image

Interaction of X-ray with materials :-

X-rays  are interaction  with the matter when it pass 
through the matter.

1- Photoelectric effect
The incoming X-ray  photon transfers all of its  
energy 
to an electron  which  will  use it to Overcome 
the binding energy  and get away  from the Nucleus. 
(then escapes from the atom) Photoelectric  effect 
is more common in elements  with 

high Z than in those with low Z.(It is 

dominant when hf<50Kev.)


background image

2-Compton effect :-
that an x-rays  photon can collide  with loosely 
bound outer electron. much like a billiard ball 
collides with another billiard ball. 
At the collision  the electron receives  part of the 
energy  and the reminder  is given  to a 
Compton(scattering)  photon which then travels  in 
direction   different  from the original  x-ray.


background image

3-Pair production:-
when a very energetic  photon enters the intense electric field 
of nucleus , it may be convert into two particles as electron 
and positron B+ or positive  electron
After , it has spent it's kinetic energy  ionization  , it does a 
death dance with an electron. Both then vanish and their 
mass energy  usually appears  as two photons of 511 kev 
each called  annihilation radiation.


background image

Contrasting
Radiologist often inject high Z material  into different 
part of the body which are called (contrasting media) 
inject high Z materials, or contrast media,

into different parts of the body.

1-Iodinin injected into the bloodstream to show the 
arteries
2-An oily mist containing iodine is sometimes  sprayed 
into the lungs to make the airways visible.
3-Barium compounds  orally to see parts of the upper 
gastrointestinal tract (upper GI) 
4-barium enemas to view the other end of the digestive 
system (lower GI). 
In a double-contrast study, barium and air are used 
separately to show the same organ.
5- Air is used to replace some of fluid ventricles of the 
brain ,which a pneumocephalogram is taken

.


background image

The problems  involved  in obtaining  good  X-ray shadows  are:
1-blurring :It can be reduced  by using a small focal spot.

2-positioning: The patient as close to the film as possible  to 

reduce the penumbra. 
3-increasing the distance between  the X-ray tube and the film 
as much as possible).
4- Reducing  the amount of scattered  radiation striking  the 
film as much as possible.
5-Avoid  motion during the exposure,  since motion causes 
blurring.
6- Holding  breath when having a chest X-rays ,to reduce 
motion which in turn reduces blurring .Howeverit is not 
possible  to hold your heart motion, and X-rays of the heart 
are somewhat blur. This blurring can be reduced  by making 
the exposure  as short as possible


background image

To reducing the scattered :
The most significant  way of reducing the amount of 
scattered  radiation  striking  the film  is by using a grid 
consisting  of a series  of lead and plastic strips.
The strips are aligned  so that
1-unscattered  X-rays  will  go through the plastic
strips  and strike  the film
2-the scattered  radiation  will  strike  the lead strips 
and be absorbed.


background image

X-ray film:

It is sensitive  photographic plat, which is easily effected by X-

ray.

This  is because  of containing  silver halogens(Agcl,AgI,AgBr).

Density  : The brightness  of a specific point on a film is 

determined  by the density  of the film at the point.

A density  of  0 means  that the film is completely  clear and all 

light 100% penetrate.




رفعت المحاضرة من قبل: Haider Abdullah
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 221 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