Vorlesung zu Q11: Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, Strahlenschutz

Röntgenstrahlung:

Grundlagen und Bildgebung &

CT-Prinzip und Technik

Prof. Dr. Willi Kalender, PhD

Institut für Medizinische Physik

Universität Erlangen

www.imp.uni-erlangen.de

Das pdf ist unter http://www.studon.uni-erlangen.de abrufbar!

Röntgenstrahlung

• Erzeugung von Röntgenstrahlung

• Wechselwirkung mit Materie, Schwächung der Strahlung

• Bildgebung mit Röntgenstrahlung

• CT-Bildgebung

Berta Röntgen 1895

Spiral CT Angiography since 2004

• 64-slice scanner • 3 s total scan time • 0.5 mm isotropic spatial resolution • 2.4 mSv effective dose

Röntgenstrahlung (= „Bremsstrahlung“)

entsteht, wenn energiereiche Elektronen beim Aufprall auf Materie

abgebremst werden.

Erzeugung von Röntgenstrahlung

Röhrenspannung U [kV]

Röntgenröhre

Anodenwinkel z.B. = 10° Röntgenstrahlung

(Zentralstrahl)

Glühdraht/Kathode

Röhrenstrom I [mA]

Achse

Anodenteller (z.B. Wolfram)

Gehäuse (Glas oder Keramik)

Vakuum

+ –

Austrittsfenster

Heizstrom und

-spannung z.B. 15 V, 6 A („Filament“)

e–

e–

g

Moderne Drehanoden-Röntgenröhre

Drehanode

Röntgenspektren bei 40, 60 und 80 kV

0 20 40 60 80 E [keV]

N(E)

Verfügbare Bremsstrahlung gefiltert

K-charakteristische Strahlung

b2

b1

a1

a2

Erzeugte Bremsstrahlung ungefiltert

Photonenergie Emax= eU

Anode: W (Z=74) / Re (Z=75) Winkel = 10° 2.5 mm Al Eigenfilterung

Dosis:

Strom • Zeit [mAs]: I T Spannung [kV]: U Abstand [cm]: R

Röntgenstrahlung

• Erzeugung von Röntgenstrahlung

• Wechselwirkung mit Materie, Schwächung der Strahlung

• Bildgebung mit Röntgenstrahlung

• CT-Bildgebung

CT-Kolonoskopie

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Absorption

Streuung

abhängig von der

• Energie E der Strahlung

• Anzahl der Streuzentren pro

Volumen, d.h. der Dichte r

• Ordnungszahl Z

Photoeffekt „Absorption“

• Wechselwirkung mit

gebundenen Elektronen

• stark abhängig von

Ordnungszahl und Energie

t ~ (Z3 / E3)

• sprunghafter Anstieg von t, wenn E > Ei

• gesamte Energie des Photons

wird am Wechselwirkungsort

als Dosis deponiert

Compton-Effekt „Streuung“

• Wechselwirkung mit

einzelnen Elektronen

• inelastische Streuung mit

Richtungsänderung des Photons

und mit Energieübertrag

• nur geringe Energieabhängigkeit,

aber

sC ~ r

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

• Photoeffekt t ~ r Z3 / E3

• Compton-Effekt sC ~ r

• Rayleigh-Streuung sR ~ r / E2

• Paarbildungseffekt k ~ r Z2 (bei E > 1.022 MeV)

Für die Bildgebung mit Röntgenstrahlung sind

Photo- und Compton-Effekt von Bedeutung!

10 kV: Photoeffekt

(hier Totalabsorption) 30 kV: Photo-

+ Comptoneffekt

60 kV: Photo-

+ Comptoneffekt 300 kV: Comptoneffekt

Schwächung und Kontrast

ca. 1904

Röntgenstrahlung

• Erzeugung von Röntgenstrahlung

• Wechselwirkung mit Materie, Schwächung der Strahlung

• Bildgebung mit Röntgenstrahlung

• CT-Bildgebung

Detektoren in der Radiographie

• Leuchtschirme (Szintillatoren)

• Film, Film-Folien-Systeme

• Bildverstärker

• Speicherfolien

• Festkörperdetektoren indirekt

• Festkörperdetektoren direkt

Filmkassette mit Bleiabschirmung

dünnere vordere Verstärkerfolie

Röntgenfilm

dickere hintere Verstärkerfolie

Andruckschaumstoff

Aufbau einer Röntgenfilmkassette

Festkörperdetektoren Flachdetektor mit direkt elektronischem Auslesen

a.p.

lateral

Röntgenaufnahmen des Schädels

CT-Aufnahmen des Gehirns

1974

1994

Röntgenstrahlung

• Erzeugung von Röntgenstrahlung

• Wechselwirkung mit Materie, Schwächung der Strahlung

• Bildgebung mit Röntgenstrahlung

• CT-Bildgebung

y

S

x

x

y

z

Fächerstrahlgeometrie (x-y-Ebene)

Detektor (typ. 1000 Kanäle)

Röntgenröhre

Messfeld mit Objekt

x

y

y

x

Pro Detektorschicht und Umlauf werden etwa 1000 Projektionen zu je 1000 Kanälen akquiriert.

x

y

y

x

Und wie entsteht das Bild?

Demo zur CT-Bildrekonstruktion

Schädelscan Thoraxscan

Glättend „soft“

Standard Aufsteilend „bone“

Einfluss des Faltungskerns

Glättend Standard Aufsteilend

Einfluss des Faltungskerns

y

S

x

x

y

z

Was wird im CT-Bild dargestellt?

Der lineare Schwächungskoeffizient gemittelt über jedes Volumenelement in Hounsfield-Einheiten

Wasser

Wasser

G CT-Wert 1000 (HU)

m m

m

µG= linearer Schwächungskoeffizient des Gewebes G

Die Hounsfield-Skala

-

-1000

0

1000

2000

3000

Knochenfenster

C/W 1000, 2500

C/W -50, 400

C/W -600, 1700

Mediastinum- fenster

Lungenfenster

CT-Wert, HU

Kalender WA et al. Radiology 1989; 173(P):414 and 1990; 176:181-183

Start ofspiral scan

Path of continuouslyrotating x-ray tubeand detector

Direction of continuouspatient transport 0

0 t, s

z, mm

Spiral CT: Scanning Principle

Spiral-CT = schnelle und lückenlose Abtastung

März 1989

Schichtdicke 8 mm 12 s Scan bei 1s / Rot. Pitch 1 Scanvolumen 96 mm

0.3 mm

Cone-beam Spiral CT (CSCT) here: M = 64

• 0.4 s rotation • 640.6 mm

Rotation time per 360° 0.27 - 0.35 s

Slice width 0.5 - 0.6 mm

Simultaneously scanned slices 64 (- 320)

z-coverage per rotation 40 - 160 mm

Scan times “whole body“ <1 - 20 s

Scan range >1000 mm

Isotropic spatial resolution 0.4 - 0.6 mm

Effective dose <1 - 10 mSv

Typical values for high-performance scanners

35

State of the Art in Multi-slice Spiral CT

28 s scan time at 0.5 mm isotropic resolution

36

Visualization of the complete peripheral artery tree

1889 mm in 42 s with 0.33 mm isotropic resolution

Courtesy of University Hospital Munich-Grosshadern, Germany

Courtesy of University Hospital Munich-Grosshadern, Germany

Visualization of the complete peripheral artery tree

1889 mm in 42 s with 0.33 mm isotropic resolution

Dual-Source CT (DSCT)

Dual Source CT

• System set-up

– 2 Straton tubes and 2 x 64-slice

acquisition with double z-sampling

– 280 ms gantry rotation

– 1.6 tons rotating mass

• X-ray power

– Acquisition with up to 2 x 100 kW

• Cardiac CT

– 75 ms temporal resolution (trot/4)

• Dual Energy CT

– Simultaneous acquisition with 80 kV / 140 kV

* SOMATOM Flash, Siemens Healthcare, Forchheim, Germany

Flash Cardiac

0.26 s

and at minimum radiation dose !!!

Scan

dir

ecti

on

75 ms per

slice

Flash performance: High speed

Scan only for one heart phase and only during one heart beat

Courtesy of S. Achenbach, University of Erlangen

Cardiac CT with Flash

100 kV 320 mAs 59 bpm

triphasic CM injection

60 ml Ultravist 370 + 50 ml saline bolus

Effective dose 0.98 mSv

Spiral CT angiography

scan range 700 mm

pitch 2.8

rot. time 280 ms

scan time 1.8 s

dose 1.4 mSv

DSCT: High scan speed

Und wie schaut’s mit der Dosis aus?

44

Dose Values are no Secret!

BfS 1998

Typical patient dose values in MSCT:

E = 10 mSv (1-20 mSv)

Dose distribution

calculated by Monte Carlo Methods

on cadaver scans

General information regarding CT dose

EC Radiation Protection Report N° 154, 2008

• 63 y, male,

57 b.p.m.

• Pitch 3.2

• E = 0.84 mSv

Dual Source CT at high pitch

Effective dose: 0.07 mSv

80 kV, iterative reconstruction 54 kg, HF 55/min

2010 with “state-of-the-art” detector

Courtesy of S. Achenbach, Cardiology, U of Erlangen

“Ultralow” dose scanning at high pitch

CT mit intelligenten Ansätzen und innovativer Technologie

Courtesy of Stefan Schönberg, U of Mannheim

70 cm/s Tischvorschub bei 70 kV mit TCM, dyn. Kollimierung, iterativer Rekonstruktion

und dosiseffizientem „low noise“-Detektor: 0.22 mSv effektive Dosis!

2D-Projektionsbildgebung

vs.

3D-Schichtbildgebung

Projection image vs. CT image (in the same patient)

Only the structures in the

section of interest

are displayed.

All structures along a ray

are superpositioned and

may obscure important details.

Images: Courtesy of Michael Lell, Erlangen

„90 % of patients could be cured if disease were detected at a very early stage, 70 % if the malignant lesion in the breast is still smaller than 1 cm.“ (Stockinger, Günther: „Katastrophe für die Frauen“, Der Spiegel, Nr.15 (2002), S. 203)

Performance of mammography

in breast cancer screening:

Sensitivity 63% - 78%

Source: Report and metanalysis of state-of-the-art breast

cancer screening and monitoring approaches.

Dep. of Radiology, Erasmus MC, Rotterdam 2009

Performance of mammography

in breast cancer screening:

Sensitivity 62% - 88%

Source: Carney et al. Annals of Internal Medicine 2003

to

Breast CT scanner concept

Transition from

single-circle flat detector

spiral

CT detector

Photon-counting energy-discriminating CdTe detector 100 % geometrical and absorption efficiency

Kalender WA et al. Eur Radiol 2012; 22(1):1-8

Conclusions

High-resolution breast CT based on CdTe

detector technology can outperform DM and BT

with respect to

- 3D spatial resolution, - detectability of microcalcifications and - soft tissue lesions at an AGD below 5 mGy!

Clinical tests are planned to start

at U of Erlangen and U of Aachen

late in 2014.

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

ZMPT Zentrum für Medizinische Physik und Technik, Erlangen, Henkestr. 91