29.05.2012

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Querschnittsbereich Bildgebende Verfahren,

Strahlenbehandlung, Strahlenschutz

Teil 1: Grundkurs

Sommersemester 2012

Röntgenologische Technik

Prof. Dr. Jürgen R. Reichenbach

Medizinische Physik Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie I

http://www.mrt.uni-jena.de

• Röntgen

• Ultraschall

• Computertomographie

• Durchleuchtung

• Magnetresonanz-

tomographie

• Angiographie

• …

Bildgebende Verfahren boomen …

www.barmer-gek.de

Warum braucht man bildgebende Systeme ??

„Sucht“ nach bildlicher Information ??

RSNA (Chicago)

Information in Sinnesorganen

Informationsaufnahme aus der Umwelt für alle Sinnesorgane: ≈ 109 bit/s

Selektion im Verhältnis 1:10 Millionen !!!

Quelle: H. Drischel, „Einführung in die Biokybernetik“, Akademie-Verlag 1972

bewußte Verarbeitung: ~100 bit/s

kurzfristige Speicherung: ~10 bit/s

dauernde Speicherung: ~1 bit/s

Sehen

Hören

Riechen

Schmecken

108 bit/s

5x104 bit/s

102 bit/s

10 bit/s Zuflußkapazität zum

Kurzspeicher: 16 bit/s sind dem menschlichen

Bewußtsein gegenwärtig

Informationsfluß

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Fazit

Bildgebende Systeme

unterstützen den

leistungsfähigsten Sensor!!

Bildgebende Verfahren

Ärztliche Kriterien:

• Qualität der anatomischen Darstellung von Organen und Organgrenzen

• Detektion von pathologischen Symptomen

• Differenzierung von pathologischen Strukturen

• sichere Abgrenzbarkeit von gut- und bösartigen Prozessen

• Tumor-Staging (Malignitätsbewertung)

• Belastung des Patienten (so wenig invasiv wie möglich!!)

Gefährlichkeit einer Untersuchung für den Patienten

Strahlenexposition

psychologische Belastung

Untersuchungsdauer

Typ und Menge des eingesetzten Kontrastmittels

• Kosten der Untersuchung

Einsatzgebiete bildgebender Diagnostik

• Diagnostik

• Therapie- und Verlaufskontrolle

• Vorsorgeuntersuchung (Screening)

• Überwachung interventioneller Maßnahmen

• Forschung

Aufgabenschwerpunkte

Konzept der diagnostischen Radiologie

Bilderzeugung Bildübertragung Bilddarstellung

Bildbearbeitung Bildperzeption &

Diagnosestellung

Übersicht Elektromagnetisches Spektrum

http://www1.sura.org/2000/SURA_Electromagnetic_Spectrum_Full_Chart.jpg

Bildgebende Verfahren

ohne ionisierende

Strahlung

kernmagn.

Resonanz

Ultraschall nuklearmed.

Verfahren

Spektroskopie Tomografie planar Emissions-

Tomografie

(PET)

mit ionisierender

Strahlung

Röntgen

Tomografie

(CT)

planar

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Wilhelm Conrad Röntgen (1845 - 1923)

• unsichtbar und nicht wahrnehmbar

• durchdringen Materie

• können gebeugt werden

• ionisieren Gase

• verändern Fotoemulsionen

• regen verschiedene Stoffe zu Lichtemission an

• verursachen Veränderungen im lebenden Gewebe

Röntgenstrahlen ...

Spektren bei verschiedenen Röhrenspannungen

Linienspektrum

Bremsspektrum

Schwächung von Röntgenstrahlung

3 3Z d

Energiebilanz:

1% Röntgenstrahlung

99% Verlust durch Wärme

Drehanoden-Röntgenröhre

Quelle: Thurn P, Bücheler E, „Einführung in die diagnostische Radiologie“, Thieme 1992

Standardform einer diagnostischen Röhre

• thermische Verlustleistung bis zu 100 kW

• rotierender Anodenteller (ø 20 cm, m = 1 kg)

• bis zu 10.000 Umdrehungen / min

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• Röntgenstrahler

• Hochspannungsgenerator

• Lagerungstisch bzw.

Rasterwandstativ

• Meßkammern zur Messung

der Strahlendosis

• Streustrahlenraster

• Filmkassette mit Folien

• Bedienpult

• Entwicklersystem

Röntgenanlage besteht aus …

"Röntgenzimmer" um 1900

Röntgenfilme

beidseitig beschichteter Röntgenfilm (Querschnitt) Emulsion: Suspension von Bromsilberkristallen in Gelatine

Trägerschicht: flexibles Polyester oder Zelluloseacetat

Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999

AgBr

AgBr

Scanning electron micrographs.

Top: Top-down SEM of tabular

grain emulsion layer. Bottom:

Cross section of film

Quelle: Bushberg JT et al. „The

Essential Physics of Medical

Imaging“ 2002

Polymer film base

Nur etwa 1% der direkt empfangenen Strahlung wird

von der Emulsionsschicht des Films absorbiert !

Problem

Die Schwärzung hängt ab von der „Menge“ an Röntgenstrahlen,

die an dieser Stelle absorbiert wurden.

Für medizinische Bildgebung ist Röntgenfilm

allein nicht geeignet

Röntgenfilm

Verstärkerfolien

Röntgenfilmkassette mit Verstärkerfolien

Umwandlung der Röntgenstrahlung in sichtbares Licht und

danach Nachweis mit einem Film (Lumineszenz).

eingesetzte Leuchtstoffe: Kalziumwolframat (CaWO4)

Lanthanoxibromid mit Terbium dotiert (LaOBr:Tb)

Gadoliniumoxisulfid mit Terbium dotiert (Gd2O2S:Tb)

Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999

- hohe Röntgenabsorption

- hohe Quantenausbeute

- gute Anpassung des Leuchtspektrums an

Filmempfindlichkeit

Verstärkungsfaktor V einer Folie:

V = Dosis ohne Verstärkerfolie ______________________

Dosis mit Verstärkerfolie (gleiche Schwärzung)

typ. Werte: V = 10 - 20

Qualitätskriterien für Verstärkerfolien

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Bildaufnahme mit Speicherfolie (Halbleiterfolie einer Schwermetall-

halogenidphosphorverbindung)

Speicherfolien

1. Schritt zur „digitalen Radiologie“

Übergang vom Leuchtzentrum in

den Grundzustand ist „optisch

verboten“

Leuchtzentren bleiben angeregt.

Speicherfolie wird in

lichtdichter Kassette

aus dem Röntgengerät

in ein Auslesesystem

gebracht

Auslesesystem für Speicherfolien: Laserscanner

• Abtastung des gespeicherten

Bildes mit einem Laser mit sehr

kleinem Fokus

• Wellenlänge abgestimmt für

Anregung aus Leuchtzentren

• Detektion des emittierten Lichts

mit PM

• aus PM-Signal wird zeilenweise

Bild digitalisiert

Laubenberger T, Laubenberger J,

„Technik der medizinischen Radiologie“,

Deutscher Ärzte-Verlag 1999

http://en.wikibooks.org/wiki/Basic_Physics_of_Nuclear_Medicine/Dual-

Energy_Absorptiometry

http://www.tuev-nord.de/downloads/DigRad_Kamm.pdf

Quelle: O. Dössel, “Bildgebende Verfahren in der Medizin”, 2000

Signal als Funktion der Dosis für Speicherleuchtstoffe

Lineare Kennlinie über 5 bis 8 Größenordnungen!

digitales Bild, d.h. Weiterverarbeitung im Rechner möglich

unempfindlich gegen Fehlbelichtungen (z.B. Bettaufnahmen) aufgrund

des großen Dynamikbereichs

Linearität

Vorteile:

☺

☺

☺

Digitale Röntgen-Bildaufnehmer

Detektorfläche:

43 cm x 43 cm

Pixelgröße:

143 µm

Auflösung:

3,5 LP/mm

Konverterschicht und Matrix aus Photodiodenarray

Röntgenbildverstärker

Erfindung von

John Coltman Westinghouse

Research Laboratories

1948

http://www.orau.org/ptp/collection/Radiology/imageintensifier.htm

http://sales.hamamatsu.com/assets/pdf/catsandguides/x-ray_image_intensifiers.pdf

Schnitt durch einen RBV

in Keramik-Technologie

Schnitt durch einen RBV

in Emaille-Technologie

Röntgenbildverstärker – Image Intensifier

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Durchleuchtung

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/b/bd/Philips_II.jpg

1 Röntgenröhre

2 Tiefenblende zur Begrenzung

des Röntgenstrahlbündels

3 Bleigummi-Abschirmung zum

Schutz nicht untersuchter

Körperbereiche des Patienten

4 Strahlentransparente

Patientenlagerungsplatte

5 Fernsehmonitor

6 Elektronischer Bildverstärker

7 Fernseh-Aufnahmeröhre

8 Bleiglasbrille des Untersuchers

mit Seitenschutz

9 Schilddrüsenschutz

10 Strahlenschutzschürze des

Untersuchers (Rundum-

Schürze)

11 Bleigummi-Lamellen zum

Strahlenschutz des

Untersuchers 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Quelle: BfS 2003

Digitale Subtraktionsangiographie (DSA)

DSA, Darstellung der A.

mesenterica superior

(Ast der Bauchaorta)

tomography.files.wordpress.com/2007/10/xray2.jpg

Projektions-Radiographie

• Verteilung der durch das Gewebe transmittierten Röntgenphotonen

• 2D-Projektion der Schwächungseigenschaften des Gewebes

Ein Sparschwein im Röntgenbild.

(Bild: Universitätsklinik für Radiologie Magdeburg)

Projektions-Radiographie Schädel

Abschwächung von Röntgenstrahlen

Röntgenröhre

Courtesy M. Günther, Uni Bremen

Abschwächung von Röntgenstrahlen

Röntgenröhre

Courtesy M. Günther, Uni Bremen

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Röntgenröhre

Abschwächung von Röntgenstrahlen

Courtesy M. Günther, Uni Bremen

Röntgenröhre

Computertomographie

Courtesy M. Günther, Uni Bremen

Computertomographie

Courtesy M. Günther, Uni Bremen

?

Eigentlich hat man nur das …

Courtesy M. Günther, Uni Bremen

Wie bekommt man das ganze Bild?

Courtesy M. Günther, Uni Bremen

Wie bekommt man das ganze Bild?

Courtesy M. Günther, Uni Bremen

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Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000

Computertomographie

Bildrekonstruktion

Projektion

Johann Radon (1887 – 1956)

1917 „Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten“

gefilterte Projektion

Godfrey N. Hounsfield

1919 - 2004

Erster kommerzieller CT-Scanner EMI Mark I; 1973

Allan M .Cormack

1924 - 1998

Computertomographie

Nobelpreis

1979

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006

1974 Bildmatrix 80 x 80

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006 Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006

Volumendatensatz Bildmatrix 1024 x 1024

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Kontrast in der CT

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006 Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000

Was wird im CT-Bild dargestellt?

CT-Werte geben den linearen Schwächungs-

koeffizienten des Gewebes in jedem Volumen-

element an, relativ zu dem µ-Wert von Wasser.

Dadurch sind die CT-Werte der einzelnen

Organe relativ stabil und weit gehend unab-

hängig vom Röntgenspektrum.

Computertomographie

H UZ a h lC TW as s er

W as s erG 1 0 0 0

Computertomographie

Die Hounsfield Skala

Computertomographie

Fensterung

bei der

Darstellung

von CT-

Bildern

Typischer CT-Untersuchungsraum

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Messsystem in

der Montage mit

Schleifringen

(links) und

Komponenten

(rechts)

Subsekunden-CT

1 sec. Rotationszeit 0,5 sec. Rotationszeit

Spiral-CT

1989

Mehrschicht-Spiral-CT

Aufbau des Multidetektors

Die Anzahl der erfassten Schichten und ihre Dicke werden durch röhrenseitige Kollimierung

und elektronische Kombination der Signale aus dem Detektorarray festgelegt.

Fokus der Röntgenröhre

Kollimator der Röntgenröhre

4 x 1.25 mm Detektorkonfiguration

16-fach Mosaikdetektor

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, 2. Aufl., Publicis MCD Verlag 2006

Leistungsmerkmale der CT (1972-2005) Anwendungen

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Anwendungen

0.33 seconds rotation

Dual Source CT:

Zwei Röntgenröhren und zwei Detektorsysteme

Dual Source CT

Dual Source CT: Heart rate

independent temporal resolution of 83 msec

single source CT dual source CT single source CT +

multisegment recon.

Patient with varying heart rate between 86 bpm and 122 bpm

Courtesy of University Medical Center Grosshadern / Munich, Germany

Fast visualization of the complete human anatomy

in only 42 sec with 0.33 isotropic resolution

Courtesy of University Hospital of Munich - Grosshadern / Munich, Germany

Anwendungen der CT

Trauma Unfalldiagnostik im gesamten Körper

Kopf-Hals Akutes nicht-traumatisches neurologisches Defizit (Blutung, Infarkt)

Akutes kranio-cerebrales Trauma mit neurologischen Symptomen

(Ödem = Schwellung, Contusion = Prellung/Quetschung, Blutung)

Trauma der Schädelbasis

Akuter Kopfschmerz mit Meningismus (Erkrankung der Hirnhaut)

Akute Bewußtseinsstörung

Spinalkanal Spinales Trauma (spinal = zum Rückgrat und Rückenmark gehörend)

Hals-Nasen-Ohren Kraniofaziales Skelett (kranial = zum Kopf gehörend, facial = zum Gesicht gehörend)

Tumorverdacht im Rachen oder Kehlkopf

Augenheilkunde Intra-okulärer Fremdkörper

Tränen-Nasen-Gang

Thoraxorgane Thoraxwand: Verdacht auf Tumor

Pleura (= Brustfell): Verdacht auf Tumor oder Entzündung

Lunge: Verletzungen, Gewebeveränderungen, Verkalkungen, Tumor, Metastasen,

Lungenentzündung, Erweiterung der Bronchialäste

Zentrales tracheobronchiales System: Gefäßmalformationen

Herz-Kreislauf-

System

Aorta: Dissektion (= Aufspaltung)

Aneurysma (= Aufweitung eines arteriellen Blutgefäßes)

Bewegungsapparat Knochen: CT-geführte Biopsie

Hüftgelenk: Frakturen (Brüche), orthopädische OP-Planung

Gastroenterologie Pankreas (= Bauchspeicheldrüse): Entzündungen

Verdauungstrakt: Tumor-Diagnostik und Tumor-Staging

Antoine Béclère (1856 - 1939):

"Die Röntgenstrahlen lügen nie, nur wir irren uns, indem

wir ihre Sprache falsch verstehen oder von ihnen mehr

verlangen, als sie uns bieten können."