Röntgenstrahlung

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Vorlesung zu Q11: Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, Strahlenschutz
Röntgenstrahlung
Grundlagen & Bildgebung
Prof Dr.
Prof.
Dr Willi Kalender
Kalender, PhD
Institut für Medizinische Physik
Universität Erlangen
www.imp.uni--erlangen.de
www.imp.uni
Das pdf zu dieser Vorlesung ist auf der Homepage zu finden!
Ionisierende Strahlung
• Elektromagnetisch
– Röntgenstrahlung
– Gammastrahlung
G
t hl
Photonen:
Das Thema heute!
• Korpuskular
– geladene Teilchen
» Elektronen
» Pionen
» Protonen
» Alphateilchen
» Ionen
– ungeladene Teilchen
» Neutronen
eπp+
p
α++
X+
n
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1
Berta Röntgen 1895
Röntgenstrahlung
• Erzeugung von
Rö t
Röntgenstrahlung
t hl
• Wechselwirkung mit Materie,
Schwächung der Strahlung
• Bildgebung mit
g
g
Röntgenstrahlung
• CT-Bildgebung
Seite 2
2
Röntgenstrahlung (= „Bremsstrahlung“)
entsteht, wenn energiereiche Elektronen beim Aufprall auf Materie
abgebremst werden.
Erzeugung von Röntgenstrahlung
Röntgenröhr
e
e–
Gehäuse (Glas oder Keramik)
Vakuum
Anodenteller
(z.B. Wolfram)
Achse
Heizstrom
und
-spannung
z.B. 15 V, 6
A
( Filament“
(„Filament
)
γ
Glühdraht/Kathode
e
–
Röhrenstrom
I [mA]
Austrittsfenster
Röntgenstrahlung
(Zentralstrahl)
–
Anodenwinkel
z.B. ϑ = 10°
+
Röhrenspannung U [kV]
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Info zu
Röntgenröhren
• Röntgenstrahlung entsteht in allen Materialien.
Die Ausbeute nimmt mit der Ordnungszahl Z zu (~ Z2).
• Die Anode besteht meistens aus Wolfram (Z = 74)
mit Beimischungen von Rhenium (Z = 75).
Wolfram ist wegen des hohen Schmelzpunktes (T =
3410°C) günstig. Blei ist weich und schmilzt zu schnell.
• Die Ausbeute liegt im Bereich von 0,1 - 1,0% der Energie.
Der Rest der elektrischen Energie geht als Abwärme
verloren!
• Hochspannungswerte liegen typ.
zwischen 25 kV (Mammographie) und
140 kV (Hartstrahltechnik, CT),
Leistungswerte zwischen 10 und 100 kW.
Klassische Röntgenröhre (Stehanode
Stehanode))
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“Frühe
Frühe”
” DrehanodenDrehanoden-Röntgenröhre
Moderne DrehanodenDrehanoden-Röntgenröhre
Drehanode
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5
Linearbeschleuniger
Linearbeschleuniger
Elektronen-- und Photonen von typ. 3 – 25 MeV
Elektronen
Beschleunigungsstrecke
e--Injektor
j
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Röntgenspektrum
Anode:
W (Z=74) / Re (Z=75)
Winkel ϑ = 10°
2.5 mm Al Eigenfilterung
N(E)
Bremsstrahlung ungefiltert
K-charakteristische Strahlung
α1
Dosis:
α2
Strom • Zeit [mAs]: I T
Spannung [kV]:
U
Abstand [cm]:
R
β1
β2
Bremsstrahlung
0
20
40
Photonenergie
60
E [keV]
80
Emax= eU
Charakteristische Strahlung
z.B. Wolfram
Emax= eU ≥ EBindung = –E
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Röntgenstrahlung
• Erzeugung
g g von
Röntgenstrahlung
• Wechselwirkung mit Materie,
Schwächung der Strahlung
• Bildgebung mit
Röntgenstrahlung
• CT-Bildgebung
CT-Kolonoskopie
Wechselwirkung von Photonen mit Materie
abhängig von der
• Energie E der Strahlung
• Anzahl der Streuzentren pro
Volumen, d.h. der Dichte ρ
• Ordnungszahl Z
Absorption
Streuung
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Photoeffekt
• Wechselwirkung mit
gebundenen Elektronen
• stark abhängig von
Ordnungszahl und Energie
τ ~ (Z3 / E3)
• sprunghafter Anstieg von τ, wenn E > Ei
• gesamte
t Energie
E
i des
d Photons
Ph t
wird am Wechselwirkungsort
als Dosis deponiert
Compton--Effekt
Compton
• Wechselwirkung
g mit
einzelnen Elektronen
• inelastische Streuung mit
Richtungsänderung des Photons
und mit Energieübertrag
• nur geringe Energieabhängigkeit,
aber
b
σC ~ ρ
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Wechselwirkung von Photonen mit Materie
• Photoeffekt
τ
~ ρ Z3 / E3
• Compton-Effekt
σC
~ρ
• Rayleigh-Streuung σR
~ ρ / E2
• Paarbildungseffekt κ
~ ρ Z2 (bei E > 1.022 MeV)
Für die Bildgebung mit Röntgenstrahlung sind
Photo- und Compton-Effekt von Bedeutung!
Schwächung und Kontrast
10 kV: Photoeffekt
((hier Totalabsorption)
30 kV: Photo+ Comptoneffekt
60 kV: Photo+ Comptoneffekt
300 kV: Comptoneffekt
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Röntgenstrahlung
• Erzeugung
g g von
Röntgenstrahlung
• Wechselwirkung mit Materie,
Schwächung der Strahlung
• Bildgebung mit
Röntgenstrahlung
• CT-Bildgebung
ca. 1904
Frauenklinik
Erlangen
1918
„Leuchtschirm“,
z.B. CaWO4-Folie,
der Röntgenphotonen absorbiert
und deren Energie in Licht wandelt
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Detektoren in der Radiographie
•
•
•
•
•
•
Leuchtschirme (Szintillatoren)
Film, Film-Folien-Systeme
Bildverstärker
Speicherfolien
Festkörperdetektoren indirekt
Festkörperdetektoren direkt (a-Se)
Filmkassette mit Bleiabschirmung
dünnere vordere Verstärkerfolie
Röntgenfilm
dickere hintere Verstärkerfolie
Andruckschaumstoff
Aufbau einer Röntgenfilmkassette
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Bildverstärker
(X--Ray Image Amplifier
(X
Amplifier))
• Echtzeit
• Gepulste Aufnahmen möglich
• Geometrische Verzerrungen
• Ungünstige Abmessung
Quelle: Schinz, Radiologische Praxis in Klinik und Praxis, Georg Thieme Verlag, 1987
Seite 13
13
2002
Seite 14
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Festkörperdetektoren
Flachdetektor mit direkt elektronischem Auslesen
CT-fähige rotierende C-Bogen-Systeme
Bildverstärker
Flachdetektor
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Röntgenstrahlung
• Erzeugung
g g von
Röntgenstrahlung
• Wechselwirkung mit Materie,
Schwächung der Strahlung
• Bildgebung mit
Röntgenstrahlung
• CT-Bildgebung
Röntgenaufnahmen des Schädels
a.p.
lateral
Seite 16
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CT--Aufnahmen des Gehirns
CT
1974
1994
Fächerstrahlgeometrie
(x--y-Ebene)
(x
Röntgenröhre
y
x
Messfeld mit
Objekt
Detektor (typ. 1000 Kanäle)
y
x
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y
x
U d wie
Und
i entsteht
t t ht das
d Bild?
Pro Detektorschicht und Umlauf
werden etwa 1000 Projektionen
zu je 1000 Kanälen akquiriert.
y
x
Einfluss des Faltungskerns
Glättend
„soft“
Standard
Aufsteilend
„bone“
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Einfluss des Faltungskerns
Glättend
Standard
Aufsteilend
4. Was wird im CTCT-Bild dargestellt?
Der lineare Schwächungskoeffizient
gemittelt über jedes Volumenelement
in HounsfieldHounsfield-Einheiten
Δx
Δy
S
z
y
x
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Die HounsfieldHounsfield-Skala
CT-Wert
μG - μWasser
⋅ 1000 (HU)
μWasser
µG= linearer Schwächungskoeffizient des Gewebes G
CT-Wert, HU
3000
Knochenfenster
C/W 1000, 2500
2000
1000
Mediastinumfenster
C/W -50, 400
0
Lungenfenster
-1000
C/W -600, 1700
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20
Spiral CT: Scanning Principle
Start of
spiral scan
Direction of
continuous
patient transport
Path of continuously
rotating x-ray tube
and detector
0
z, mm
0
t, s
Kalender WA et al. Radiology 1989; 173(P):414 and 1990; 176:181-183
0.3 mm
Cone-beam
ConeSpiral CT
(CSCT)
here:
here:
M = 64
• 0.4 s rotation
• 64×0.6 mm
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21
Stand der Technik in der MSCT 2006
Rotationszeit pro 360°
0,33 – 0,4 s
Min. Schichtdicken
, – 0,6
, mm
0,5
Simultan erfasste Schichten
64
Max. Röntgenleistung
80 – 100 kW
Scanzeiten für „Ganzkörperscans“ 10 - 30 s
Scanbereich
>1000 mm
Isotrope Ortsauflösung
0,4 – 0,6 mm
Effektive Dosis
1 - 20 mSv
Typische Werte für Spitzenscanner
Å 28s Scandauer bei 0,4 mm Auflösung isotrop
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
44
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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
Dual Source Cardiac CT
DIASTOLE
SYSTOLE
Achenbach et al., Eur J Radiol 2006; 57(3):331-335
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Dose Values are no Secret!
Typical patient dose
values in MSCT:
E = 10 mSv (1-20 mSv)
Dose distribution
calculated by Monte Carlo Methods
on cadaver scans
47
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
ZMP
Zentrum für
Medizinische Physik,
Erlangen, Henkestr. 91
Seite 24
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