Interactie met materie
In de les ‘Het opwekken van röntgenstraling’ hebben we het gehad over de productie van remstraling en in de les ‘Bouw van materie’ over het ontstaan van karakteristieke straling door een atoom in de aangeslagen toestand.
Remstraling ontstaat uitsluitend wanneer een negatief geladen elektron wordt afgeboden door invloed van een positieve kern.
Karakteristieke straling kan ontstaan zodra er een elektron uit zijn schil wordt gestoten, dat kan door een ander elektron maar ook door röntgenstraling.
In dit hoofdstuk kijken we naar de meest voorkomende interacties tussen röntgenfotonen en het materiaal waar ze mee in aanraking komen, dat kan de kaak van de patiënt zijn of het afschermingsmateriaal.
Interactie tussen röntgenstraling en materiaal
De twee meest voorkomende effecten zijn het foto-effect en het comptoneffect.
Foto-effect
Bij het foto-effect wordt de totale energie van een röntgenfoton overgedragen aan een elektron in een van de binnenste schillen van het afschermingsmateriaal. Het röntgenfoton verdwijnt daardoor geheel en het elektron wordt uit zijn baan gestoten. Er is een ion ontstaan. Wanneer het elektron zich in een van de binnenste schillen bevond, wordt het gat opgevuld door een elektron uit een meer naar buiten gelegen schil, zoals bij een aangeslagen atoom.
Hierbij ontstaat vaak zachte karakteristieke röntgenstraling. Deze straling is vaak niet in staat om het materiaal uit te komen en voor strooistralingsdosis te zorgen.
Het foto-effect is dominant bij lage fotonenergieën en bij afschermingsmateriaal met hoge Z-waarden (zoals lood).
De hoeveelheid strooistraling bij het foto-effect is minimaal.
Compton-effect
Bij het Compton-effect wordt slechts een gedeelte van de energie van het röntgenfoton aan een zwak gebonden elektron (buitenschil) overgedragen. Afhankelijk van de botsingshoeken wordt er meer of minder energie aan het elektron overgedragen. De rest van de oorspronkelijke energie van het primaire foton wordt overgedragen aan een secundair foton. Als gevolg van het Compton-effect ontstaan er secundaire röntgenfotonen, met verschillende energieën en in verschillende richtingen.
Het Compton-effect treedt meer op bij hogere foton energieën en afschermingsmateriaal met lage Z-waarden; zoals water, beton of aluminium. En dus ook in het menselijk lichaam.
De hoeveelheid strooistraling bij het Compton-effect is groot.
Samenvattend kan worden gesteld dat in het lichaam veel strooistraling ontstaat, vooral wanneer er een hoger kV wordt gebruikt en dat er in afschermingsmateriaal veel minder strooistraling ontstaat, vooral wanneer er lood wordt gebruikt.
Waarom is deze informatie interessant?
Het contrast in een opname wordt bepaald door de verschillen in structuren in het te fotograferen onderdeel, maar is ook te sturen door toepassing van een hoger of lager kV: Het foto-effect treedt vooral op bij lagere energie en bij hogere Z-waarden. Het verschil in verzwakking tussen bot, tanden en kiezen en zacht weefsel is groot. Bij een laag kV (figuur 5) zie je grote zwartingverschillen tussen kiezen en zacht weefsel. Wanneer er een hogere buisspanning wordt toegepast (figuur 6), neemt het aandeel Compton-interacties toe. Het Compton-effect is niet zo sterk afhankelijk van de Z-waarde, waardoor het verschil van bot en zacht weefsel veel minder uitgesproken is. Er ontstaat tevens, door de strooistraling, een (homogene) sluier op de opname, die geen beeldinformatie bevat.
Voor de apparatuur in de tandheelkunde is de optimale buisspanning al vastgelegd in de apparatuur. Voor intra-orale opnamen is keuze vaak uitsluitend bij aanschaf mogelijk, alhoewel bijna alle moderne buizen met 70kV werken. Bij OPG’s wordt er vaak wel bij de verschillende programma’s gevarieerd in buisspanning. Het contrast is uiteraard niet de enige parameter waarop u uw keuze bepaald. Ook de benodigde beeldkwaliteit bij de vraagstelling en de dosis voor de patiënt zijn afwegingen die u als tandarts zal maken.
Contrast thoraxfoto
Wist u dat een thoraxfoto (figuur 7) met een veel hogere buisspanning (125 kV) wordt gemaakt dan een bekkenfoto (80 kV)?
De dikte van beide objecten is ongeveer even groot, dus dat is niet de reden. De reden is dat er heel veel intrinsiek contrast in een thorax aanwezig is: ribben (bot) en longweefsel (lucht), om ‘door de ribben heen te kunnen kijken’ wordt er een hoog kV gebruikt.
Afscherming
Het afschermen van straling is efficiënt met een zwaar materiaal (lood), maar tevens ontstaat er erg weinig strooistraling. In lichtere materialen zoals beton, wordt bij zware toepassingen rekening gehouden met een hoge Build-up factor (dat is de bijdrage van secundaire straling aan de transmissie). Er moet extra beton toegevoegd om de secundaire straling weer tegen te houden. Hierover meer in onze les ‘Transmissie’.
Bronnen:
Fysica voor beeldvorming en radiotherapie; J. Scheurleer, 2017
Inleiding tot de Stralingshygiëne; A.J.J. Bos e.a.; 2009
