Röntgenstrahlung
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Vorlesung zu Q11: Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, Strahlenschutz Röntgenstrahlung Grundlagen & Bildgebung Prof. Prof Dr. Dr Willi Kalender, Kalender PhD Institut für Medizinische Physik Universität Erlangen www.imp.uni--erlangen.de www.imp.uni 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 Spiral CT Angiography in 2004 • 64-slice scanner • 3 s ttotal t l scan time ti • 0.5 mm isotropic spatial resolution Röntgenstrahlung • Erzeugung von Rö t Röntgenstrahlung t hl • Wechselwirkung mit Materie, Schwächung der Strahlung • Bildgebung mit Röntgenstrahlung g g • CT-Bildgebung Berta Röntgen 1895 Seite 2 2 Röntgenstrahlung (= „Bremsstrahlung“) entsteht, wenn energiereiche Elektronen beim Aufprall auf Materie abgebremst werden. Erzeugung von Röntgenstrahlung Röntgenröhre e– Gehäuse (Glas oder Keramik) Vakuum Anodenteller (z.B. Wolfram) Achse Heizstrom und -spannung z.B. 15 V, 6 A („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) Seite 4 4 “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 Röntgenspektren bei 40, 60 und 80 kV 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 80 E [keV] 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 Filmkassette mit Bleiabschirmung dünnere vordere Verstärkerfolie Röntgenfilm dickere hintere Verstärkerfolie Andruckschaumstoff Aufbau einer Röntgenfilmkassette Seite 12 12 Bildverstärker (X--Ray Image Amplifier) (X • Echtzeit • Gepulste Aufnahmen möglich • Geometrische Verzerrungen • Ungünstige Abmessung Quelle: Schinz, Radiologische Praxis in Klinik und Praxis, Georg Thieme Verlag, 1987 Seite 13 13 CT-fähige rotierende C-Bogen-Systeme Bildverstärker Flachdetektor Seite 14 14 Festkörperdetektoren Flachdetektor mit direkt elektronischem Auslesen Röntgenaufnahmen des Schädels a.p. lateral Seite 15 15 CT--Aufnahmen des Gehirns CT 1974 1994 Röntgenstrahlung • Erzeugung g g von Röntgenstrahlung • Wechselwirkung mit Materie, Schwächung der Strahlung • Bildgebung mit Röntgenstrahlung • CT-Bildgebung Seite 16 16 Entwicklung der CT im historischen Überblick 1895 W.C. Röntgen entdeckt eine 'neue Art von Strahlen', die später nach ihm als Röntgenstrahlen benannt werden 1917 J.H. J H Radon entwickelt die mathematischen Grundlagen zur Errechnung von Querschnittsbildern aus Transmissionsmessungen 1972 G.N. Hounsfield und J. Ambrose führen erste klinische Untersuchungen mit Computertomographie durch 1975 erster Ganzkörpertomograph im klinischen Einsatz 1979 Verleihung g des Nobelpreises p an Hounsfield f und Cormack 1989 erste klinische Untersuchungen mit SpiralSpiral-CT 1998 erste klinische Untersuchungen mit MehrzeilenMehrzeilen-SpiralSpiral-CT 2007 >50.000 klinische Spiral Spiral--CTCT-Installationen CT, was ist das? Seite 17 17 Δx Δy S z y x Fächerstrahlgeometrie (x--y-Ebene) (x Röntgenröhre y x Messfeld mit Objekt Detektor (typ. 1000 Kanäle) y x Seite 18 18 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 Demonstrationen CT--Bildrekonstruktion CT Schädelscan Thoraxscan Seite 19 19 Einfluss des Faltungskerns Glättend „soft“ Standard Aufsteilend „bone“ Einfluss des Faltungskerns Glättend Standard Aufsteilend Seite 20 20 Was wird im CT-Bild dargestellt? Der lineare Schwächungskoeffizient gemittelt über jedes Volumenelement in HounsfieldHounsfield-Einheiten Δx Δy S z y x Die HounsfieldHounsfield-Skala CT-Wert μG - μWasser ⋅ 1000 (HU) μWasser µG= linearer Schwächungskoeffizient des Gewebes G Seite 21 21 CT-Wert, HU 3000 Knochenfenster C/W 1000, 2500 2000 1000 Mediastinumfenster C/W -50, 400 0 Lungenfenster -1000 C/W -600, 1700 Spiral-CT = schnelle und lückenlose Abtastung März 1989 Schichtdicke 8 mm 12 s Scan bei 1s / Rot. Pitch 1 Scanvolumen 96 mm Seite 22 22 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: M = 64 • 0.4 s rotation • 64×0.6 mm Seite 23 23 Stand der Technik in der MSCT Rotationszeit pro 360° 0,3 – 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 48 Seite 24 24 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 CT (DSCT) Dual Seite 25 25 Dual Source CT • System set-up – 2 Straton tubes and 2 x 64-slice acquisition with double z-sampling 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 Dual Source Cardiac CT DIASTOLE SYSTOLE Achenbach et al., Eur J Radiol 2006; 57(3):331-335 Seite 26 26 Temporal Resolution Phase-correlated reconstructions for heart rates of 40 – 120 bpm 60 bpm 80 bpm 100 bpm 120 bpm DSCT SSCT Sphere at rest 40 bpm Ertel … Kalender. Radiology 2008; 248:1013-1017 How about a cardiac exam in about a quarter of a second? Scan range Collimation Pitch Rotation time 12 cm 38.4 mm 3.4 280 ms Î Table speed Scan time 46.6 cm/s 0.26 s = 1.59 km/h !! Seite 27 27 Flash performance: High speed Spiral CT angiography scan range 700 mm pitch 2.8 rot. time 280 ms Î scan time dose 1.8 s 1.4 mSv Flash performance: High speed 0.26 s Scan d direction Flash Cardiac 75 ms per slice Scan only for one heart phase and only during one heart beat and at minimum radiation dose !!! Seite 28 28 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 Courtesy of S. Achenbach, University of Erlangen Surf, sand and ... whole body CT Seite 29 29 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 59 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! ZMP Zentrum für Medizinische Physik, Erlangen, Henkestr. 91 Das pdf ist ab morgen unter http://www.studon.uni-erlangen.de abrufbar! Seite 30 30
