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 Seite 1 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] Seite 3 3 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)) Seite 4 4 “Frühe Frühe” ” DrehanodenDrehanoden-Röntgenröhre Moderne DrehanodenDrehanoden-Röntgenröhre Drehanode Seite 5 5 Linearbeschleuniger Linearbeschleuniger Elektronen-- und Photonen von typ. 3 – 25 MeV Elektronen Beschleunigungsstrecke e--Injektor j Seite 6 6 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 Seite 7 7 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 Seite 8 8 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 Seite 9 9 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 Seite 10 10 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 Seite 11 11 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 Seite 12 12 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 14 Festkörperdetektoren Flachdetektor mit direkt elektronischem Auslesen CT-fähige rotierende C-Bogen-Systeme Bildverstärker Flachdetektor Seite 15 15 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 16 CT--Aufnahmen des Gehirns CT 1974 1994 Fächerstrahlgeometrie (x--y-Ebene) (x Röntgenröhre y x Messfeld mit Objekt Detektor (typ. 1000 Kanäle) y x Seite 17 17 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“ Seite 18 18 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 Seite 19 19 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 Seite 20 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 Seite 21 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 Seite 22 22 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 Seite 23 23 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 24
