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Kursus für Radiologieeinschließlich
Strahlenschutzkurs
Sommersemester 2009
Röntgenologische TechnikProf. Dr. J. R. Reichenbach
Arbeitsbereich Medizinische PhysikInstitut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie
Direktor: Prof. Dr. med., Dipl.-Chem. W. A. Kaiser
http://www.mrt.uni-jena.de
Warum braucht man bildgebende Systeme ??
„Sucht“ nach bildlicher Information ??
RSNA (Chicago)
Information in SinnesorganenInformationsaufnahme aus der Umwelt für alle Sinnesorgane: ≈ 109 bit/s
Selektion im Verhältnis 1:10 Millionen !!!
ZNSSehen
Hören
Riechen
Schmecken
108 bit/s
5×104 bit/s
102 bit/s
10 bit/sZuflußkapazität zum Kurzspeicher: 16 bit/s sind dem menschlichen Bewußtsein gegenwärtig
Informationsfluß
Quelle: H. Drischel, „Einführung in die Biokybernetik“, Akademie-Verlag 1972
bewußte Verarbeitung: ~100 bit/skurzfristige Speicherung: ~10 bit/sdauernde Speicherung: ~1 bit/s
FazitBildgebende Systeme
unterstützen den leistungsfähigsten Sensor!!
Anatomie des menschlichen Auges: 1=Linse / 2=Hornhaut / 3=Iris,Regenbogenhaut / 4=Pupille / 5=Gelber Fleck / 6=Blinder Fleck (Bild: NightSky).
Bildgebende Verfahren
Ärztliche Kriterien:• Qualität der anatomischen Darstellung von Organen und Organgrenzen
• Detektion von pathologischen Symptomen
• Differenzierung von pathologischen Strukturen
• sichere Abgrenzbarkeit von gut- und bösartigen Prozessen
• Tumor-Staging (Malignitätsbewertung)
• Belastung des Patienten (so wenig invasiv wie möglich!!)Gefährlichkeit einer Untersuchung für den PatientenStrahlenexpositionpsychologische BelastungUntersuchungsdauerTyp und Menge des eingesetzten Kontrastmittels
• Kosten der Untersuchung
Einsatzgebiete bildgebender Diagnostik
• Diagnostik
• Therapie- und Verlaufskontrolle
• Vorsorgeuntersuchung (Screening)
• Überwachung interventioneller Maßnahmen
• Forschung
Aufgabenschwerpunkte
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Konzept der diagnostischen Radiologie
Bilderzeugung Bildübertragung BilddarstellungBildbearbeitung
Bildperzeption &Diagnosestellung
Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999
Allgemeines Grundprinzip der Bildgebung
Objekt(Mensch, Tier, Pflanze, ...)
Strahlungsquelle(n)externX-Rays (Röntgen)Ultraschall (US)Hochfrequenz (NMR)
internRadioaktive Substanzen(PET, SPECT)
Detektor(en)externFilm (Röntgen)Piezokristall (US)HF-Spule (NMR)
internHF-Spule
Quelle: http://bio.physik.uni-würzburg.de/public/medphys
Zielsetzung
In das Objekt hinein schauen zu können, ohne es aufschneiden zu müssen.
Unterschiedliche Frequenzbereiche des EM-Spektrums für Bildgebung
Ionizing Non-Ionizing
HzHz
Micro-Visible Infrared Milli-
metre waveand RF
THz gap
1015Hz 1014Hz 1013 1012 1011Hz 1010Hz
Ultra-violet
1016Hz1017Hz
MagneticResonanceImagingMRI
Nuclear medicine/PET
1018Hz10 19Hz
X Ray/CTImaging
100keV 10keV
Terahertz Pulse Imaging (TPI)
NIRF
Frequency
TV satellitedish
THz Gap
OCT
X Ray
Bildgebende Verfahren
ohne ionisierende Strahlung
mit ionisierender Strahlung
kernmagn. Resonanz
Ultraschall Röntgen nuklearmed. Verfahren
Spektroskopie Tomografie Tomografie(CT)
planar planar Emissions-Tomografie
(PET)
Mammogramm
Thorax
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Image by courtesy of Helmut Newton
Quelle: ECR Newsletter 4/2002
• unsichtbar und nicht wahrnehmbar• durchdringen Materie• können gebeugt werden• ionisieren Gase• verändern Fotoemulsionen• regen verschiedene Stoffe zu Lichtemission an• verursachen Veränderungen im lebenden Gewebe
Röntgenstrahlen ...
Röntgenstrahlung
Akin UeE ⋅= ν⋅= hEPhoto
ν⋅λ=c
hUe A⋅
=⇒ maxνAUe
ch⋅⋅
=⇒ minλ
][][24.1
min kVUnm
A
=λ
Thermoelektrischer Effekt
Beschleunigung der Elektro-nen durch Hochspannung
Umwandlung der kinetischen Energie in elektromagnetische Strahlung im Anodenmaterial
Strahlentherapie
Zusammenhang zwischen Strahlenhärte, Wellenlänge λund Röhrenspannung Ua
Strahlenhärte Wellenlänge λ [10-12 m] Röhrenspannung Ua [kV]
sehr weich > 60 < 20
weich 60 ..... 20 20 ..... 60
mittelhart 20 ..... 8 60 ..... 150
hart 8 ..... 3 150 ..... 400
sehr hart 3 ..... 0,4 400 ... 3000
ultrahart < 0,4 > 3000 *)
*)Erzeugung mit Linearbeschleuniger oder Betatron.
medizinische Diagnostik
Photonenflußdichte einer Wolframanodenröhre bei verschiedenen Röhrenspannungen
Linienspektrum
Bremsspektrum
Röntgenstrahlen - Bremsspektrum
W.W. der Kathodenelektronen am Atomkern
Abbremsen des Elektrons im Felddes positiven Atomkerns.
Abgabe der Bewegungsenergie teilweise oder ganz in Form vonStrahlungsenergie.
Bremsstrahlung
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Schematisches Modell der Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung
Herausschlagen eines gebundenen Elektrons des Anodenmaterials aus einer der inneren Schalen (K-Schale, L-Schale, ...)
Lα
Energiebilanz:1% Röntgenstrahlung
99% Verlust durch Wärme
Schwächung von Röntgenstrahlung
3λ∝ 3Z∝ ρ∝ d∝
Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999
Drehanoden-Röntgenröhre
Schnitt durch eine Vollschutzhaube mit eingebauter Drehanodenröhre
Quelle: Thurn P, Bücheler E, „Einführung in die diagnostische Radiologie“, Thieme 1992
Standardbauform für diagnostische Röntgenröhren
• thermische Verlustleistungen bis zu 100 kW• drehbarer Anodenteller (ø 20 cm, m = 1 kg)• bis über 10.000 Umdrehungen / min
Schematischer Aufbau einer Drehanodendiagnostikröhre1 Glühkathode, 2 Drehanode
Drehanode in BetriebTellertemperatur ca. 1000°C
Quelle: Dr. Heinrich Behner, Siemens AG, Medical Solutions
Betrieb: Brennbahn-Temperaturverteilung
Eingangsparameter für die Berechnung:Anodendurchmesser von 100 mm, 70 kW Strahlleistung in einen elektronischen Brennfleck von 1 mm x 12 mm (Breite x Länge), Drehzahl 200 Hz, Momentaufnahme nach 10 Umdrehungen (50 ms) nach Belastungsbeginn
Quelle: Dr. Heinrich Behner, Siemens AG, Medical Solutions
A Rotating Anode Damaged by Overheating
www.sprawls.org/ppmi2/XRAYHEAT/
Drehanode
www.deutscher-zukunftspreis.de/newsite/2005/team_04/04_material.pdf
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Das Maß für die Wärmekapazität der Röhre ist die Einheit „heat unit“(HU).
JHU 121 ×=
www.deutscher-zukunftspreis.de/newsite/2005/team_04/04_material.pdf
Bei Aufnahmen mit Hilfe einer Speicherfolie, also bei digitalen Aufnahmen gehört neben der Speicherfolie noch die notwendige Laserauswertung dazu.
• Röntgenstrahler• Hochspannungsgenerator• Lagerungstisch bzw. Rasterwandstativ
• Meßkammern zur Messung der Strahlendosis
• Streustrahlenraster• Filmkassette mit Folien• Bedienpult• Entwicklersystem
Röntgenanlage besteht aus …
"Röntgenzimmer" um 1900
Röntgenfilme
beidseitig beschichteter Röntgenfilm (Querschnitt)Emulsion: Suspension von Bromsilberkristallen in GelatineTrägerschicht: flexibles Polyester oder Zelluloseacetat
Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999
AgBr
AgBr
Scanning electron micrographs.Top: Top-down SEM of tabulargrain emulsion layer. Bottom: Cross section of film
Quelle: Bushberg JT et al. „TheEssential Physics of MedicalImaging“ 2002
Polymer film base
Total mass thickness: 0.80 mg/cm2 of silver halide (dual emulsion film) (typ. values) 0.60-0.70 mg/cm2 of silver halide (single emulsion film)
Quelle: Biehl/Zier, „Röntgenstrahlen - ihre Anwendung in Medizin und Technik“, Leipzig 1980
Schwärzungskurve des Röntgenfilms
Optische Dichte S = Stärke der Schwär-zung eines Films
Steilheit der Schwärzungskurve: γ - Wert
γ groß: großer Kontrast inkleinem Dosisbereichγ klein: mäßiger Kontrast,großer Dosisbereich
Nur etwa 1% der direkt empfangenen Strahlung wird von der Emulsionsschicht des Films absorbiert !
Problem
Die Schwärzung hängt ab von der „Menge“ an Röntgenstrahlen, die an dieser Stelle absorbiert wurden.
Für medizinische Bildgebung ist Röntgenfilm allein nicht geeignet
Röntgenfilm
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Verstärkerfolien
Röntgenfilmkassette mit Verstärkerfolien
Umwandlung der Röntgenstrahlung in sichtbares Licht und danach Nachweis mit einem Film (Lumineszenz).
eingesetzte Leuchtstoffe: Kalziumwolframat (CaWO4)Lanthanoxibromid mit Terbium dotiert (LaOBr:Tb)Gadoliniumoxisulfid mit Terbium dotiert (Gd2O2S:Tb)
Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999
- hohe Röntgenabsorption- hohe Quantenausbeute- gute Anpassung des Leuchtspektrums anFilmempfindlichkeit
Verstärkungsfaktor V einer Folie:
V = Dosis ohne Verstärkerfolie______________________Dosis mit Verstärkerfolie
(gleiche Schwärzung)
typ. Werte: V = 10 - 20
Qualitätskriterien für Verstärkerfolien
Schema eines Festkörper-Detektors (Flächendetektoren)
Detektorfläche:43 cm x 43 cm
Pixelgröße:143 µm
Auflösung:3,5 LP/mm
Streustrahlung
„Streustrahlenschleier“im Absorptionsbild
Homogene Zusatzbelichtung
• Kontrastminderung• Verringerung des Signal-zu-
Rausch-Verhältnisses (SNR)der abzubildenden Details
Streustrahlenraster
typ. Werte: 0,07 mm dick, Abstand: 0,18 mm, Höhe: 1,4 mm zwischen 40 und 75 Linien/cm
Je höher die Rasterwände sind, desto effektiver werden die Streustrahlen absorbiert (desto genauer muß die Richtung stimmen, damit die Strahlen nicht an den Bleiwänden absorbiert werden), aber desto geringer ist die auffallende Intensität.
Unterdrückung von Streustrahlung
Quelle: H. Morneburg, “Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik”, 1995
Aufnahmen eines Beckenphantoms
Hoher Streustrahlenanteil, starke Verschleierung, 75 kV, ohne Raster
geringer Streustrahlenanteil, 75 kV, Raster mit Schachtverhältnis
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RöntgenbildverstärkerImage Intensifier
Elektronischer Bildverstärker für die Röntgendurchleuchtung (zur Einsparung von Dosis)
Röntgenbildverstärker – Image Intensifier
Roche Lexikon Medizin, 4.Auflage; © Urban & Fischer Verlag, München 1999
Ein Primärleuchtschirm (Photokathode in einer Hochvakuumröhre)liefert ein dem Helligkeitsrelief entsprechendes Elektronenrelief, dessen Teilchen beschleunigt u. fokussiert werden (Elektronenoptik), so dass auf dem Sekundärschirm ein umgekehrtes u. verkleinertes, aber 100- bis 1000-fach helleres Bild entsteht, das dann beidäugig mittels umkehrender u. auf Normal vergrößernder Optik betrachtet wird.
Prinzip
Bildverstärkerröhre.
Eingangsleuchtschirm be-steht aus Aluminiumkalotte(1), dem natrium-aktivierten CsJ (2) und Photokathode (SbCs3) (3).
Der Ausgangsschirm besteht aus Al-Schicht (4), der Fluoreszenzschicht (ZnCdS:Ag, Gd2O2S:Tb) (5) und der Faseroptikplatte (6). (7) Elektroden der Elektronen-optik
Cross-sectional diagram of the input screen shows the CsI:Na crystal needles, which serve as the optical guide to the photons, preventing scattering of light photons across the needles and thus improving spatial resolution
Röntgenbildverstärker – Image Intensifier
Schnitt durch einen klassischen RBV aus Glas.Erkennbar ist die gläserne Hülle, das Elektro-densystem aus Blechelektroden und der Ein-gangsschirm im oberen Bildteil sowie der Aus-gangsschirm im unteren Bildteil
Quelle: electromedica 70 (2002) Heft 1
Schnitt durch einen RBV in Keramik-Technologie
Schnitt durch einen RBV in Emaille-Technologie
Röntgenbildverstärker
http://sales.hamamatsu.com/assets/pdf/catsandguides/x-ray_image_intensifiers.pdf
Durchleuchtung
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/b/bd/Philips_II.jpg
1 Röntgenröhre2 Tiefenblende zur Begrenzung
des Röntgenstrahlbündels3 Bleigummi-Abschirmung zum
Schutz nicht untersuchter Körperbereiche des Patienten
4 Strahlentransparente Patientenlagerungsplatte
5 Fernsehmonitor6 Elektronischer Bildverstärker7 Fernseh-Aufnahmeröhre8 Bleiglasbrille des Untersuchers
mit Seitenschutz9 Schilddrüsenschutz10 Strahlenschutzschürze des
Untersuchers (Rundum-Schürze)
11 Bleigummi-Lamellen zum Strahlenschutz des Untersuchers1
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Quelle: BfS 2003
Digitale Subtraktionsangiographie (DSA)
DSA, Darstellung der A. mesentericasuperior (Ast der Bauchaorta)
tomography.files.wordpress.com/2007/10/xray2.jpg
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Gepulster Betrieb bei der digitalen Subtraktionsangiographie
Max. 6 Bilder pro Sekunde mit hoher Dosis pro Einzelpuls
Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999
Knochen und Gelenke Fraktur, UnfallchirurgieOsteoporose (Verminderung des Knochengewebes)BandscheibenvorfallEndoprothetik („künstliche Hüfte“)KnochentumorArthographie (Darstellung der Gelenkhöhlen)
Blutgefäße und Herz Angiographie (Darstellung der Blutgefäße, Verdacht auf Stenosen,Embolie/Thrombose oder Aneurysmen)- Koronarangiographie (Herzkranzgefäße, Herzinfarkt)- Angiographie der Extremitäten (Arme, Beine)- zerebrale Angiographie (Gehirn, Schlaganfall)- renale Angiographie (Nieren)- thorakale Angiographie (Aortenklappen, Aortenbogen)- abdominale Angiographie (abdominale Aorta, Beckenarterie)Phlebographie (Venendarstellung, Verdacht auf Embolien)Ventrikulographie (Darstellung der Herzventrikel)PTCA (perkutane transluminale coronare Angioplastie)
Anwendungen der Röntgentechnik in der Medizin(Projektions-Röntgen)
Gehirn zerebrale Angiographiekraniale Gefäße, Karotis (Halsschlagader)
Niere und Blase renale Angiographie (Darstellung der NierengefäßeLithotripsie (Nierensteinzertrümmerung)
Brust Mammographie (Darstellung der weiblichen Brust)Vorsorge bzw. Verdacht auf Brustkrebs
Lunge ThoraxaufnahmeLungenembolie, Pneumonie (Lungenentzündung), Tuberkulose
Magen, Darm, Blinddarm Gastro-IntestinaltraktAppendizitis (Blinddarmentzündung), Passagestörungen, Volvulus(Darmverschlingungen), Illeus (Darmverschluß)
Anwendungen der Röntgentechnik in der Medizin(Projektions-Röntgen)
Computertomographie
Computertomographie
Godfrey N. Hounsfield1919 - 2004
Erster kommerzieller CT-Scanner EMI Mark I; 1973
1974 Bildmatrix 80 × 80
Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006
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Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006
Volumendatensatz Bildmatrix 1024 × 1024 Kontrast in der CT
Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006
Im einfachsten Fall wird das Objekt für unterschiedliche Winkelstellungenmit einem Nadelstrahl linear abgetastet und das Schwächungsprofil ermittelt.
Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000
Wie wird ein Objekt gemessen? Bildrekonstruktion
Quelle: Kalender WA, Computertomographie, PublicisMCD Verlag 2000
Rückprojektion
CT-Werte geben den linearen Schwächungs-koeffizienten des Gewebes in jedem Volumen-element an, relativ zu dem µ-Wert von Wasser. Dadurch sind die CT-Werte der einzelnen Organe relativ stabil und weit gehend unab-hängig vom Röntgenspektrum.
Computertomographie
HUZahlCTWasser
WasserG 1000⋅−
=−μ
μμ
Computertomographie
Die Hounsfield Skala
Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000
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Computertomographie
Fensterung bei der Darstellung von CT-Bildern
Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000
Typischer CT-Untersuchungsraum
Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000
Messsystem in der Montage mit Schleifringen (links) und Komponenten (rechts)
Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000
Anwendungen der CT
Pankreas (= Bauchspeicheldrüse): EntzündungenVerdauungstrakt: Tumor-Diagnostik und Tumor-Staging
Gastroenterologie
Knochen: CT-geführte BiopsieHüftgelenk: Frakturen (Brüche), orthopädische OP-Planung
Bewegungsapparat
Aorta: Dissektion (= Aufspaltung)Aneurysma (= Aufweitung eines arteriellen Blutgefäßes)
Herz-Kreislauf-System
Thoraxwand: Verdacht auf TumorPleura (= Brustfell): Verdacht auf Tumor oder EntzündungLunge: Verletzungen, Gewebeveränderungen, Verkalkungen, Tumor, Metastasen, Lungenentzündung, Erweiterung der BronchialästeZentrales tracheobronchiales System: Gefäßmalformationen
Thoraxorgane
Intra-okulärer FremdkörperTränen-Nasen-Gang
Augenheilkunde
Kraniofaziales Skelett (kranial = zum Kopf gehörend, facial = zum Gesicht gehörend)Tumorverdacht im Rachen oder Kehlkopf
Hals-Nasen-Ohren
Spinales Trauma (spinal = zum Rückgrat und Rückenmark gehörend)Spinalkanal
Akutes nicht-traumatisches neurologisches Defizit (Blutung, Infarkt)Akutes kranio-cerebrales Trauma mit neurologischen Symptomen(Ödem = Schwellung, Contusion = Prellung/Quetschung, Blutung)Trauma der SchädelbasisAkuter Kopfschmerz mit Meningismus (Erkrankung der Hirnhaut)Akute Bewußtseinsstörung
Kopf-Hals
Unfalldiagnostik im gesamten KörperTrauma
Antoine Béclère (1856 - 1939):
"Die Röntgenstrahlen lügen nie, nur wir irren uns, indem wir ihre Sprache falsch verstehen oder von ihnen mehr verlangen, als sie uns bieten können."
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