طیف انرژی اشعه ایکس

تعریف طیف انرژی

طیف انرژی اشعه ایکس توزیع شدت فوتون‌های تولیدشده را برحسب انرژی آن‌ها نشان می‌دهد. برخلاف منابع تک‌انرژی، اشعه ایکس تولیدشده در لامپ رادیولوژی چند‌انرژی (Polyenergetic) است و طیف آن شامل دو مؤلفه اصلی می‌باشد:

            1.        طیف پیوسته ناشی از تابش ترمزی

            2.       خطوط گسسته ناشی از تابش مشخصه

تحلیل این طیف نقش اساسی در درک کیفیت پرتو، کنتراست تصویر، دوز بیمار و طراحی فیلترهای پرتویی دارد.

طیف پیوسته (Bremsstrahlung Spectrum)

بخش عمده طیف انرژی اشعه ایکس از تابش ترمزی حاصل می‌شود. همان‌گونه که در نمودار مفهومی مشاهده می‌شود، این طیف ویژگی‌های زیر را داراست:

            •          پیوستگی انرژی: فوتون‌ها می‌توانند هر مقداری از انرژی بین صفر تا حداکثر انرژی ممکن را داشته باشند.

            •          حد برش انرژی (Cutoff Energy): بیشینه انرژی فوتون‌ها برابر با انرژی جنبشی الکترون‌های برخوردکننده با آند است.

            •          وابستگی به ولتاژ لامپ: با افزایش kVp، حد برش به سمت انرژی‌های بالاتر منتقل می‌شود.

حداقل طول موج یا حداکثر انرژی طیف توسط قانون دوئن–هانت بیان می‌شود:

که در آن V ولتاژ لامپ است. این رابطه نشان می‌دهد که حد نهایی طیف مستقل از جنس آند بوده و تنها به ولتاژ اعمالی بستگی دارد.

خطوط مشخصه (Characteristic Lines)

در کنار طیف پیوسته، پیک‌های باریک و مشخصی در انرژی‌های معین ظاهر می‌شوند که مربوط به تابش مشخصه‌اند. این خطوط زمانی ایجاد می‌شوند که:

            •          الکترون‌های پرانرژی، الکترون‌های لایه‌های داخلی اتم هدف (K یا L) را خارج کنند

            •          انتقال الکترون از تراز بالاتر به تراز پایین‌تر صورت گیرد

            •          اختلاف انرژی ترازها به‌صورت فوتون اشعه ایکس آزاد شود

در نمودار مفهومی، این خطوط به‌صورت قله‌های باریک (مانند Kα و Kβ تنگستن) نمایش داده شده‌اند. انرژی این خطوط:

            •          کاملاً وابسته به عنصر هدف است

            •          مستقل از ولتاژ لامپ (به شرط عبور از انرژی آستانه) می‌باشد

انرژی آستانه تابش مشخصه

برای ایجاد تابش مشخصه، انرژی الکترون‌های برخوردکننده باید از انرژی بستگی الکترون‌های لایه داخلی بیشتر باشد. به این مقدار، انرژی آستانه گفته می‌شود. اگر ولتاژ لامپ کمتر از این حد باشد، خطوط مشخصه در طیف ظاهر نخواهند شد، حتی اگر جریان لامپ افزایش یابد.

تأثیر جریان لامپ (mA) بر طیف

افزایش جریان لامپ منجر به افزایش تعداد الکترون‌های برخوردکننده با آند می‌شود. در نتیجه:

            •          شدت کل طیف افزایش می‌یابد

            •          شکل طیف و حد برش انرژی تغییر نمی‌کند

            •          ارتفاع خطوط مشخصه افزایش می‌یابد، اما محل انرژی آن‌ها ثابت باقی می‌ماند

تأثیر فیلترگذاری بر طیف انرژی

فیلترهای فلزی (معمولاً آلومینیوم) با جذب فوتون‌های کم‌انرژی باعث تغییر شکل طیف می‌شوند:

            •          حذف بخش کم‌انرژی طیف

            •          افزایش انرژی مؤثر پرتو (Beam hardening)

            •          کاهش دوز غیرضروری به بیمار

در نتیجه، طیف خروجی پس از فیلترگذاری باریک‌تر و از نظر بالینی کارآمدتر می‌شود.

انرژی مؤثر اشعه ایکس

از آنجا که طیف اشعه ایکس پیوسته است، برای توصیف کیفی آن از مفهوم انرژی مؤثر استفاده می‌شود. انرژی مؤثر به‌صورت انرژی فوتونی تعریف می‌شود که ضریب تضعیف آن برابر با ضریب تضعیف کل پرتو چندانرژی باشد. این کمیت همواره کمتر از حداکثر انرژی (kVp) است و معمولاً حدود یک‌سوم تا یک‌دوم آن می‌باشد.

اهمیت بالینی طیف انرژی

تحلیل طیف انرژی اشعه ایکس امکان:

            •          بهینه‌سازی کنتراست تصویر

            •          کنترل دوز دریافتی بیمار

            •          انتخاب مناسب kVp و فیلتر

            •          طراحی سیستم‌های تصویربرداری پیشرفته

را فراهم می‌کند و یکی از پایه‌های علمی تصمیم‌گیری در رادیولوژی تشخیصی محسوب می‌شود.

جمع‌بندی

طیف انرژی اشعه ایکس حاصل برهم‌کنش پیچیده الکترون‌های پرانرژی با آند فلزی است و شامل ترکیبی از تابش پیوسته و خطوط مشخصه می‌باشد. درک دقیق رفتار این طیف برای کنترل کیفیت تصویر، افزایش ایمنی پرتویی و توسعه فناوری‌های نوین تصویربرداری امری ضروری است.