Medizinisches Röntgen – warum keine Beugung?

Da der Gitterabstand etwa acht Angström beträgt , handelt es sich nicht um einen ungewöhnlichen Gitterabstand. Stattdessen ist das Problem, dass die Knochen dick sind.

[Eine andere Antwort weist darauf hin, dass die Kristalle auch ziemlich klein sind, aber ich denke nicht, dass dies die folgende Diskussion ungültig macht.]

[Von NASA/JPL-Caltech/Ames - http://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA16217.jpg , Public Domain, Link ]

Bei Röntgenbeugungsexperimenten (und anderen Beugungsexperimenten) ist der häufigste Beugungswinkel$0^\circ$, was manchmal als "Vorwärtsstreuung" bezeichnet wird. In den meisten Röntgenbeugungsbildern gibt es einen sehr hellen Fleck in Vorwärtsstrahlrichtung. Im obigen Bild befinden sich beispielsweise einige rote Pixel in der Nähe des dunklen Halbkreises am unteren Rand der Abbildung. das ist der nach vorne gestreute (oder ungestreute) Teil des Röntgenstrahls. Die hellen Ringe zeigen Ihnen die Winkel an, in denen Licht von verschiedenen Kristallebenen Bragg-gestreut wird; sie sind eher Ringe als Punkte, weil das Material hier (ein Marsfelsen) aus vielen Kristallen bestand und nicht nur aus einem.

Denken Sie jetzt an diese gebeugten Röntgenstrahlen. Wenn sie sich durch mehr Material (in Ihrem Fall Knochen) bewegen, besteht die Möglichkeit, dass sie erneut gebeugt werden , indem sie mit einem anderen Teil des Kristalls interagieren. Um ein schönes Bild wie das obige zu erhalten, müssen Sie Ihre Röntgenstrahlen also durch eine relativ dünne Probe schicken . Das ist ein bisschen Kunst: Je dünner die Probe, desto sauberer die Beugungslinien, aber desto weniger des einfallenden Strahls wird tatsächlich gebeugt. Dickere Proben ergeben hellere Beugungsmuster, aber die Muster sind aufgrund der Mehrfachbeugung unordentlicher.

Eine medizinische Röntgenaufnahme Ihres Skeletts zeigt tatsächlich etwas völlig anderes als ein Beugungsbild wie das obige. Die Knochen sind dick genug, um die durch sie hindurchtretenden Röntgenstrahlen zu absorbieren – oder zumindest alle Röntgenstrahlen von der Vorwärtsstrahlrichtung weg zu streuen. Was auf dem Röntgenfilm aufgezeichnet wird, sind dunkle Stellen, auf die Röntgenstrahlen treffen , und hellere Stellen, auf die Röntgenstrahlen nicht treffen: Die hellen Stellen auf dem Röntgenfilm sind die Schatten der dichten Teile des Objekts. (Fotografen nennen dies ein negatives Bild .) Alle Röntgenstrahlen, die von den Knochen weg gebeugt werden, werden höchstwahrscheinlich in einen Bereich des Films gebeugt, der direkt dem primären Röntgenstrahl ausgesetzt ist, wo sie überwältigt werden.

Quelle

Die Tatsache, dass Knochen weiß sind und die Schatten auf Röntgennegativen weiß sind, ist nur ein Zufall; Diese Links-Rechts-Marker sind nicht wirklich weiß, aber sie werfen trotzdem einen Schatten.

Die Antwort ist sehr einfach: Das sind Nanokristalle, deren Größe kaum über einige hundert Angström hinausgeht. Dies ist viel zu klein, um einen sichtbaren Bragg-Peak zu ergeben, insbesondere nicht bei der typischen Belichtungszeit und Strahlintensität medizinischer Röntgenstrahlen. Ich meine, Freie-Elektronen-Laser machen es jetzt routinemäßig möglich, Beugungsmuster für Nanokristalle zu erhalten, aber Sie würden einen Menschen nicht in einen Strahl dieser Intensität setzen!

Eine schnelle Suche in der Literatur fand [1] für meine Behauptung, dass Hydroxylapatit Nanokristalle in Knochen bildet. Ich zitiere

Zuerst wurden Strukturstudien durchgeführt, um die Kristallgröße zu bestimmen, indem das Ausmaß der Verbreiterung des Röntgenbeugungspeaks gemessen wurde [8], was Kristallgrößen ergab, die von 31 Å bis 290 Å schwankten. Detailliertere Strukturdaten wurden durch das damals kürzlich eingeführte Gebiet der Elektronenmikroskopie und Elektronenbeugung [9-11] erhalten, die zeigten, dass die Knochenkristalle dünne Platten waren, ungefähr 500 Å lang, 250 Å breit und 100 Å dick. Berechnungen aus Kleinwinkel-Röntgenbeugungsstreuungsstudien [12–14] stimmten jedoch eher mit den Schlussfolgerungen überein, dass die Knochenkristalle sehr viel kleiner waren als die von Robinson et al. durch TEM beobachteten Stäbchen mit einer Länge von 250 Å und einer Dicke von 50 Å und nicht Blutplättchen.

[1] Rey, C., Combes, C., Drouet, C., & Glimcher, MJ (2009). Knochenmineral: Update zur chemischen Zusammensetzung und Struktur. Osteoporosis International: A Journal Established as Result of Cooperation between the European Foundation for Osteoporose and the National Osteoporosis Foundation of the USA, 20(6), 1013–1021. http://doi.org/10.1007/s00198-009-0860-y

Der Hauptgrund dafür, dass man keine gebeugten Photonen sieht, liegt darin, dass es in Scannern das sogenannte Streustrahlenraster gibt, das dafür sorgt, dass gestreute Photonen den Detektor nicht erreichen.

Ein weiterer wichtiger Grund ist, dass medizinische Untersuchungen in Röntgenenergien von mehreren zehn KeV durchgeführt werden, wo die elastische Streuung, die XRD erzeugt, sehr schwach ist. Die Compton-Streuung und der Photo-(Absorptions-)Effekt sind in diesen Bereichen viel stärker, und tatsächlich zielt Anti-Streuung hauptsächlich darauf ab, die Compton-Streuung zu eliminieren.

Nun, selbst wenn das Gitter nicht vorhanden war und Untersuchungen bei niedrigeren Energien (10-20 KeV) durchgeführt wurden, würden Sie immer noch keine schönen XRD-Muster sehen, aus dem Grund, der in früheren Antworten angedeutet wurde: Der direkte Strahl ist viel stärker als der gebeugt (um viele Größenordnungen). Wenn also das Streustrahlenraster nicht vorhanden wäre, würden Sie nur eine gewisse Unschärfe des Bildes sehen.

Hoffentlich hilft das!