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Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und

Sonographie

Dosimetrie

PD Dr. Frank Zöllner

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 149 I Datum

Dosimetrie

Ziel der Dosimetrie ist, die von einer ionisierenden

Strahlung in einem Material erzeugten

Energiedosis zu bestimmen, z.B. in biologischem

Gewebe

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 150 I Datum

Ionisierende Strahlen

Wikipedia: http://www.wikipedia.org/wiki/Ionisierende_Strahlung

direkt ionisierend

indirekt ionisierend

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 151 I Datum

Strahlenquellen

Natürlich:

� Radon (z.B. in Kellern!)� Kalium-40 und Radionuklide

in Baumaterialen� Kohlenstoff-14 (Nahrung,

Luft)� Kosmische Strahlung

(Flugverkehr)� Strahlung der Sonne (UV

Licht, Sonnenwind)

Zivilisatorisch:

� Medizinische Anlagen � Radioaktives Material

(Kernwaffentest, Nuklearunfälle)

� AKWs + Teilchenbeschleuniger (meist Protonen und Neutronen)

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 152 I Datum

Energiedosis

� Energiedosis die durch eine Masse absorbiert wird

� Physikalische Basisgröße,Einheit Gy (J/kg)

� Kann nicht im Körper direkt gemessen werden

� Energiedosis in Dosimetersonde

� Ionisationskammer (Ionisationsdosis)

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 153 I Datum

Kerma

� Kinetic energy released in matter

� Indirekt ionisierende Strahlung, Sekundärteilchen

� Einheit: Gy

� Nur bei indirekt ionisierenden Strahlen

� ungefähr identisch zur Energiedosis

� Nicht relevant bei Dosimetrieam Menschen

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 154 I Datum

Dosisbestimmung

Äquivalentdosis = Energiedosis * Strahlenqualitätsfaktor

Einheit Sv

Energiedosis = Ionendosis * Umrechnungsfaktor

Einheit Gy

Ionendosismeßwert

Einheit C/kg

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 155 I Datum

Dosis und Gewebe

Strahlen haben unterschiedlichen Wirkungsquerschnitt und Reichweite

� für die Vergleichbarkeit Strahlenwichtungsfaktor

Zusätzlich reagieren Gewebeunterschiedlich stark auf Strahlen

� Gewebewichtungsfaktor

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 156 I Datum

Effektive (Äquivalent-) Dosis

� Berücksichtigt Belastung der einzelnen Organe

� Es wurde stochastische Wirkung verschiedener Organe bei Strahlenexposition ermittelt

� wT Bewertungsfaktor

� HT Äquivalentdosis des Organs

� T Indexierung des Organs

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 157 I Datum

Quiz

Welcher effektiven Dosis war ein Mensch bei folgender Strahlenbelastung ausgesetzt?� Haut: 2 mGy , Alphastrahlung� Keimdrüsen: 5 mGy, Gammastrahlung� Schildrüse: 3 mGy Röntgenstrahlung� Leber: 2mGy Gammastrahlung

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 158 I Datum

Tabellen

Strahlung Qualtätsfaktor

Alpha 20

Beta 1

Gamma 1

Röntgen 1

Ionen 20

Körperteil Bewertungsfaktor

Keimdrüsen 0,2

Knochenmark 0,12

Leber 0,05

Haut 0,01

Schildrüse 0,05

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 159 I Datum

Lösung

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 160 I Datum

Relative biologische Wirksamkeit (RBW)

� Unterscheidung der Strahlen bzgl. Ihrer biologischen Effekte

� Beschaffenheit des Gewebes

� Zeitliche Dosisleistung

� Örtliche Dosisverteilung

� Ionisationsdichte

� Bewertung von Beschädigung der DANN

� Einzelstrangbrüche

� Doppelstrangbrüche

� Berechnung aus Energiedosis einer Referenz Dref zur Dosis einer Strahlung DY

Quelle: http://www.strahlentherapie.ukw.de/fuer-patienten/wie-funktioniert-bestrahlung/strahlenbiologie.html

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 161 I Datum

Beispiele RBW

Röntgenstrahlen: 1000 Einzelstrangbrüche (ESB) pro Zelle und Gray

Alphastrahlen: 250 Einzelstrangbrüche pro Zelle und Gray

RBWα,ESB = 0,25

Röntgenstrahlen: 35 Doppelstrangbrüche (DSB) pro Zelle und Gray

Alphastrahlen: 63 Doppelstrangbrüche pro Zelle und Gray

RBWα,DSB = 1,8

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 162 I Datum

Dosismeßsysteme

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 163 I Datum

Dosismeßung Röntgenanlage

Verschiedene Positionen für die IonisationskammerAbhängig von Aufnahmeobjekt� Hinter Röntgenröhre, z.B.

Dentalaufnahme� Hinter Filmkassette,

gleichbleibende Strahlungsspannung

� Hinter Bildverstärker

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 164 I Datum

Dosismeßung Röntgenanlage (2)

Anordnung für Meßfelder

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 165 I Datum

Dosismessgeräte - Funktion

Geiger-Müller-Zählrohr

� 400 – 600 V

� jedes einfallende ionisierende Teilchen eine selbständigeGasentladung

� Totzeit (ca. 100 ms)

Ionisationskammer

� ab 100 V, alle Elektronen zur Anode

� im Stromkreis messbare Impuls ist damit proportional der Energie, die die Strahlung im Zählrohr abgegeben

� Zwischen Anode und Kathode wird eine Gleichspannung angelegt

� ionisierende Strahlung einfällt, erzeugt sie in der Gasfüllung freie Elektronen

� Zahl der Elektronen proportional der vom einfallenden Teilchen im Gas abgegebenen Energie

� weitere Vorgang hängt wesentlich von der Spannung zwischen Anode und Kathode

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 166 I Datum

Charakteristische Kurve Zählrohre

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 167 I Datum

Zusammenfassung

Dosimetrie� Bestimmung der

Energiedosis im Gewebe

Kann nicht direkt gemessen werden� Messung der Ionendosis

Umrechnungsfaktor f

Äquivalentdosis� Strahlenschutz� Abhängig vom Strahlungstyp

Bewertungsfaktor qEffektive Dosis� Summation der einzelnen

Strahlenexpositionen� Organwichtungsfaktor wT

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Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und

Sonographie

Projektionsgesetze

PD Dr. Frank Zöllner

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 169 I Datum

Projektionsgesetze

Röntgenbildgebung ist eine Projektion� Röntgenstrahlen projezieren

ein Abbild eines Objekts auf eine Fläche

� Strahlen gehen vom Focus (hier Brennfleck) aus

� Strahlenbündel, kegelförmig� Objektebene, zu

durchstrahlendes Objekt� Bildebene, hier Röntgenfilm

Projektionsgesetze beschreiben die Verhältnisse und Strahlengang

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 170 I Datum

Zentralprojektion

Röntgen ist eine Zentralprojektion

� Brennfleck entspricht Projektionszentrum

Typische Anwendungen

� Fotografie

� Architektur

� Kartografie

� Gnomonik (Sonnenuhr)

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 171 I Datum

Focus-Film-Abstand (FfA)

Abstandswert zwischen Focus (F) und Film (f)Gemessen an der Achse des Nutzstrahlbündels

Objekt

Focus

Bild

FfA

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 172 I Datum

Focus-Objekt-Abstand (FOA)

Abstandswert zwischen Focus (F) und Objekt (O)Objekt liegt parallel zur BildebeneGemessen an der Achse des Nutzstrahlbündels

Objekt

Focus

Bild

FOA

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 173 I Datum

Objekt-Film-Abstand (OfA)

Abstandswert zwischen Objekt (O) und Film (f)Differenz von FfA und FOA

Objekt

Focus

Bild

OfA

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 174 I Datum

Übersicht

Objekt

Focus

Bild

OfA

FOAFfA

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 175 I Datum

Strahlensatz

1. Strahlensatz:Werden Strahlenbündel parallel geschnitten, so verhalten sich die Abschnitte auf jedem Strahl gleich

2. Strahlensatz:Werden Strahlenbündel parallel geschnitten, so verhalten sich die Abschnitte auf den Parallelen wie die entsprechenden Scheitelstrecken auf irgendeinem Strahl

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 176 I Datum

Senkrechtstrahl

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 177 I Datum

Zentralstrahl

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 178 I Datum

1. Abbildungsgesetz

Abstandsgesetz:

Parallel zur Bildebene angeordnetes Objekt wird umso mehr vergrößert, je weiter es von der Bildebene entfernt ist.

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 179 I Datum

2. Abbildungsgesetz

Isometriegesetz:

Objekte, die parallel zur Bildebene angeordnet sind erfahren die gleiche Vergrößerung

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 180 I Datum

3. Abbildungsgesetz

Parallaxe:

Verschiebt man den Fokuspunkt parallel in einer Ebene, so verschiebt sich das Bild auch in der Bildebene, jedoch entgegengesetzt

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 181 I Datum

4. Grundregel

Verzeichnung:

Die Abbildung von Objekten die schräg zum Zentralstrahl liegen, ändert sich mit ihrer Lage zum Zentralstrahl

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 182 I Datum

Abstandsquadratgesetz

Die Intensität oder Dosis der von einer Strahlenquelle ausgehenden Strahlung verringert sich mit dem Quadrat ihrer Entfernung von der Quelle.

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 183 I Datum

Superposition

Im Strahlengang projizieren sich zwei oder mehrere Details auf die Bildebene.

Können nicht mehr unterschieden werden im Röntgenbild

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 184 I Datum

Hochkanteffekt

Dünne (feine) Details können abgebildet werden, wenn sich ihre längste Ausdehnung im Strahlengang verläuft

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 185 I Datum

Zusammenfassung

� Röntgenaufnahme ist Projektion

� 4 Abbildungsgesetzte

� Strahlensätze beschreiben math. Streckenverhältnisse

� Positionierung des Patienten unter Berücksichtigung der Projektion

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Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und

Sonographie

Bildqualität

PD Dr. Frank Zöllner

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 187 I Datum

Überblick

Bildqualität abhängig von�Bildkontrast�Unschärfe�Rauschen

StrahlenkontrastFilmkontrast

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 188 I Datum

Geometrische Unschärfe

Keine Unschärfe bei punktförmigem FokusAber: Brennfleck nicht punktförmigmit zunehmender Größe der Lichtquelle wachsen sog. HalbschattenBewirkt Unschärfe im Bild

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 189 I Datum

Geometrische Unschärfe (2)

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 190 I Datum

Bewegungsunschärfe

Tritt auf wenn� Patient sich bewegt� Aufnahmesystem sich

bewegt

Nicht nur nachteilig, genutzt um Details überlagerungsfrei abzubilden

Abhilfe:� Fixierung des Patienten� Atemanhalten� Schnelle Belichtungszeiten

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 191 I Datum

Film- und Folienunschärfe

Abhängig von� Größe der Körner� Streueigenschaften der

Schichten� Statistische Verteilung der

Körner in der Schicht

Es kann kein Detail abgebildet werden, dass kleiner als die Körner (Kristalle)Kann zu örtlichen Häufungen kommen, Eindruck eines „körnigen“ Bildes

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 192 I Datum

Rauschen

Quantenrauschen�Statistische Verteilung der auf dem Detektor

auftreffenden Röntgenquanten

Viele lokale Intensitätsänderungen Erscheinung nicht vorhersagbarEnthält keine diagnostische InformationKann Bilddetails überlagern

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 193 I Datum

Zusammenfassung