1

Kursus für Radiologieeinschließlich

Strahlenschutzkurs

Sommersemester 2009

Röntgenologische TechnikProf. Dr. J. R. Reichenbach

Arbeitsbereich Medizinische PhysikInstitut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie

Direktor: Prof. Dr. med., Dipl.-Chem. W. A. Kaiser

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

Warum braucht man bildgebende Systeme ??

„Sucht“ nach bildlicher Information ??

RSNA (Chicago)

Information in SinnesorganenInformationsaufnahme aus der Umwelt für alle Sinnesorgane: ≈ 109 bit/s

Selektion im Verhältnis 1:10 Millionen !!!

ZNSSehen

Hören

Riechen

Schmecken

108 bit/s

5×104 bit/s

102 bit/s

10 bit/sZuflußkapazität zum Kurzspeicher: 16 bit/s sind dem menschlichen Bewußtsein gegenwärtig

Informationsfluß

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

bewußte Verarbeitung: ~100 bit/skurzfristige Speicherung: ~10 bit/sdauernde Speicherung: ~1 bit/s

FazitBildgebende Systeme

unterstützen den leistungsfähigsten Sensor!!

Anatomie des menschlichen Auges: 1=Linse / 2=Hornhaut / 3=Iris,Regenbogenhaut / 4=Pupille / 5=Gelber Fleck / 6=Blinder Fleck (Bild: NightSky).

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 PatientenStrahlenexpositionpsychologische BelastungUntersuchungsdauerTyp und Menge des eingesetzten Kontrastmittels

• Kosten der Untersuchung

Einsatzgebiete bildgebender Diagnostik

• Diagnostik

• Therapie- und Verlaufskontrolle

• Vorsorgeuntersuchung (Screening)

• Überwachung interventioneller Maßnahmen

• Forschung

Aufgabenschwerpunkte

2

Konzept der diagnostischen Radiologie

Bilderzeugung Bildübertragung BilddarstellungBildbearbeitung

Bildperzeption &Diagnosestellung

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

Allgemeines Grundprinzip der Bildgebung

Objekt(Mensch, Tier, Pflanze, ...)

Strahlungsquelle(n)externX-Rays (Röntgen)Ultraschall (US)Hochfrequenz (NMR)

internRadioaktive Substanzen(PET, SPECT)

Detektor(en)externFilm (Röntgen)Piezokristall (US)HF-Spule (NMR)

internHF-Spule

Quelle: http://bio.physik.uni-würzburg.de/public/medphys

Zielsetzung

In das Objekt hinein schauen zu können, ohne es aufschneiden zu müssen.

Unterschiedliche Frequenzbereiche des EM-Spektrums für Bildgebung

Ionizing Non-Ionizing

HzHz

Micro-Visible Infrared Milli-

metre waveand RF

THz gap

1015Hz 1014Hz 1013 1012 1011Hz 1010Hz

Ultra-violet

1016Hz1017Hz

MagneticResonanceImagingMRI

Nuclear medicine/PET

1018Hz10 19Hz

X Ray/CTImaging

100keV 10keV

Terahertz Pulse Imaging (TPI)

NIRF

Frequency

TV satellitedish

THz Gap

OCT

X Ray

Bildgebende Verfahren

ohne ionisierende Strahlung

mit ionisierender Strahlung

kernmagn. Resonanz

Ultraschall Röntgen nuklearmed. Verfahren

Spektroskopie Tomografie Tomografie(CT)

planar planar Emissions-Tomografie

(PET)

Mammogramm

Thorax

3

Image by courtesy of Helmut Newton

Quelle: ECR Newsletter 4/2002

• 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 ...

Röntgenstrahlung

Akin UeE ⋅= ν⋅= hEPhoto

ν⋅λ=c

hUe A⋅

=⇒ maxνAUe

ch⋅⋅

=⇒ minλ

][][24.1

min kVUnm

A

=λ

Thermoelektrischer Effekt

Beschleunigung der Elektro-nen durch Hochspannung

Umwandlung der kinetischen Energie in elektromagnetische Strahlung im Anodenmaterial

Strahlentherapie

Zusammenhang zwischen Strahlenhärte, Wellenlänge λund Röhrenspannung Ua

Strahlenhärte Wellenlänge λ [10-12 m] Röhrenspannung Ua [kV]

sehr weich > 60 < 20

weich 60 ..... 20 20 ..... 60

mittelhart 20 ..... 8 60 ..... 150

hart 8 ..... 3 150 ..... 400

sehr hart 3 ..... 0,4 400 ... 3000

ultrahart < 0,4 > 3000 *)

*)Erzeugung mit Linearbeschleuniger oder Betatron.

medizinische Diagnostik

Photonenflußdichte einer Wolframanodenröhre bei verschiedenen Röhrenspannungen

Linienspektrum

Bremsspektrum

Röntgenstrahlen - Bremsspektrum

W.W. der Kathodenelektronen am Atomkern

Abbremsen des Elektrons im Felddes positiven Atomkerns.

Abgabe der Bewegungsenergie teilweise oder ganz in Form vonStrahlungsenergie.

Bremsstrahlung

4

Schematisches Modell der Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung

Herausschlagen eines gebundenen Elektrons des Anodenmaterials aus einer der inneren Schalen (K-Schale, L-Schale, ...)

Lα

Energiebilanz:1% Röntgenstrahlung

99% Verlust durch Wärme

Schwächung von Röntgenstrahlung

3λ∝ 3Z∝ ρ∝ d∝

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

Drehanoden-Röntgenröhre

Schnitt durch eine Vollschutzhaube mit eingebauter Drehanodenröhre

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

Standardbauform für diagnostische Röntgenröhren

• thermische Verlustleistungen bis zu 100 kW• drehbarer Anodenteller (ø 20 cm, m = 1 kg)• bis über 10.000 Umdrehungen / min

Schematischer Aufbau einer Drehanodendiagnostikröhre1 Glühkathode, 2 Drehanode

Drehanode in BetriebTellertemperatur ca. 1000°C

Quelle: Dr. Heinrich Behner, Siemens AG, Medical Solutions

Betrieb: Brennbahn-Temperaturverteilung

Eingangsparameter für die Berechnung:Anodendurchmesser von 100 mm, 70 kW Strahlleistung in einen elektronischen Brennfleck von 1 mm x 12 mm (Breite x Länge), Drehzahl 200 Hz, Momentaufnahme nach 10 Umdrehungen (50 ms) nach Belastungsbeginn

Quelle: Dr. Heinrich Behner, Siemens AG, Medical Solutions

A Rotating Anode Damaged by Overheating

www.sprawls.org/ppmi2/XRAYHEAT/

Drehanode

www.deutscher-zukunftspreis.de/newsite/2005/team_04/04_material.pdf

5

Das Maß für die Wärmekapazität der Röhre ist die Einheit „heat unit“(HU).

JHU 121 ×=

www.deutscher-zukunftspreis.de/newsite/2005/team_04/04_material.pdf

Bei Aufnahmen mit Hilfe einer Speicherfolie, also bei digitalen Aufnahmen gehört neben der Speicherfolie noch die notwendige Laserauswertung dazu.

• 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 GelatineTrägerschicht: 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 tabulargrain emulsion layer. Bottom: Cross section of film

Quelle: Bushberg JT et al. „TheEssential Physics of MedicalImaging“ 2002

Polymer film base

Total mass thickness: 0.80 mg/cm2 of silver halide (dual emulsion film) (typ. values) 0.60-0.70 mg/cm2 of silver halide (single emulsion film)

Quelle: Biehl/Zier, „Röntgenstrahlen - ihre Anwendung in Medizin und Technik“, Leipzig 1980

Schwärzungskurve des Röntgenfilms

Optische Dichte S = Stärke der Schwär-zung eines Films

Steilheit der Schwärzungskurve: γ - Wert

γ groß: großer Kontrast inkleinem Dosisbereichγ klein: mäßiger Kontrast,großer Dosisbereich

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

6

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 anFilmempfindlichkeit

Verstärkungsfaktor V einer Folie:

V = Dosis ohne Verstärkerfolie______________________Dosis mit Verstärkerfolie

(gleiche Schwärzung)

typ. Werte: V = 10 - 20

Qualitätskriterien für Verstärkerfolien

Schema eines Festkörper-Detektors (Flächendetektoren)

Detektorfläche:43 cm x 43 cm

Pixelgröße:143 µm

Auflösung:3,5 LP/mm

Streustrahlung

„Streustrahlenschleier“im Absorptionsbild

Homogene Zusatzbelichtung

• Kontrastminderung• Verringerung des Signal-zu-

Rausch-Verhältnisses (SNR)der abzubildenden Details

Streustrahlenraster

typ. Werte: 0,07 mm dick, Abstand: 0,18 mm, Höhe: 1,4 mm zwischen 40 und 75 Linien/cm

Je höher die Rasterwände sind, desto effektiver werden die Streustrahlen absorbiert (desto genauer muß die Richtung stimmen, damit die Strahlen nicht an den Bleiwänden absorbiert werden), aber desto geringer ist die auffallende Intensität.

Unterdrückung von Streustrahlung

Quelle: H. Morneburg, “Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik”, 1995

Aufnahmen eines Beckenphantoms

Hoher Streustrahlenanteil, starke Verschleierung, 75 kV, ohne Raster

geringer Streustrahlenanteil, 75 kV, Raster mit Schachtverhältnis

7

RöntgenbildverstärkerImage Intensifier

Elektronischer Bildverstärker für die Röntgendurchleuchtung (zur Einsparung von Dosis)

Röntgenbildverstärker – Image Intensifier

Roche Lexikon Medizin, 4.Auflage; © Urban & Fischer Verlag, München 1999

Ein Primärleuchtschirm (Photokathode in einer Hochvakuumröhre)liefert ein dem Helligkeitsrelief entsprechendes Elektronenrelief, dessen Teilchen beschleunigt u. fokussiert werden (Elektronenoptik), so dass auf dem Sekundärschirm ein umgekehrtes u. verkleinertes, aber 100- bis 1000-fach helleres Bild entsteht, das dann beidäugig mittels umkehrender u. auf Normal vergrößernder Optik betrachtet wird.

Prinzip

Bildverstärkerröhre.

Eingangsleuchtschirm be-steht aus Aluminiumkalotte(1), dem natrium-aktivierten CsJ (2) und Photokathode (SbCs3) (3).

Der Ausgangsschirm besteht aus Al-Schicht (4), der Fluoreszenzschicht (ZnCdS:Ag, Gd2O2S:Tb) (5) und der Faseroptikplatte (6). (7) Elektroden der Elektronen-optik

Cross-sectional diagram of the input screen shows the CsI:Na crystal needles, which serve as the optical guide to the photons, preventing scattering of light photons across the needles and thus improving spatial resolution

Röntgenbildverstärker – Image Intensifier

Schnitt durch einen klassischen RBV aus Glas.Erkennbar ist die gläserne Hülle, das Elektro-densystem aus Blechelektroden und der Ein-gangsschirm im oberen Bildteil sowie der Aus-gangsschirm im unteren Bildteil

Quelle: electromedica 70 (2002) Heft 1

Schnitt durch einen RBV in Keramik-Technologie

Schnitt durch einen RBV in Emaille-Technologie

Röntgenbildverstärker

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

Durchleuchtung

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

1 Röntgenröhre2 Tiefenblende zur Begrenzung

des Röntgenstrahlbündels3 Bleigummi-Abschirmung zum

Schutz nicht untersuchter Körperbereiche des Patienten

4 Strahlentransparente Patientenlagerungsplatte

5 Fernsehmonitor6 Elektronischer Bildverstärker7 Fernseh-Aufnahmeröhre8 Bleiglasbrille des Untersuchers

mit Seitenschutz9 Schilddrüsenschutz10 Strahlenschutzschürze des

Untersuchers (Rundum-Schürze)

11 Bleigummi-Lamellen zum Strahlenschutz des Untersuchers1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Quelle: BfS 2003

Digitale Subtraktionsangiographie (DSA)

DSA, Darstellung der A. mesentericasuperior (Ast der Bauchaorta)

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

8

Gepulster Betrieb bei der digitalen Subtraktionsangiographie

Max. 6 Bilder pro Sekunde mit hoher Dosis pro Einzelpuls

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

Knochen und Gelenke Fraktur, UnfallchirurgieOsteoporose (Verminderung des Knochengewebes)BandscheibenvorfallEndoprothetik („künstliche Hüfte“)KnochentumorArthographie (Darstellung der Gelenkhöhlen)

Blutgefäße und Herz Angiographie (Darstellung der Blutgefäße, Verdacht auf Stenosen,Embolie/Thrombose oder Aneurysmen)- Koronarangiographie (Herzkranzgefäße, Herzinfarkt)- Angiographie der Extremitäten (Arme, Beine)- zerebrale Angiographie (Gehirn, Schlaganfall)- renale Angiographie (Nieren)- thorakale Angiographie (Aortenklappen, Aortenbogen)- abdominale Angiographie (abdominale Aorta, Beckenarterie)Phlebographie (Venendarstellung, Verdacht auf Embolien)Ventrikulographie (Darstellung der Herzventrikel)PTCA (perkutane transluminale coronare Angioplastie)

Anwendungen der Röntgentechnik in der Medizin(Projektions-Röntgen)

Gehirn zerebrale Angiographiekraniale Gefäße, Karotis (Halsschlagader)

Niere und Blase renale Angiographie (Darstellung der NierengefäßeLithotripsie (Nierensteinzertrümmerung)

Brust Mammographie (Darstellung der weiblichen Brust)Vorsorge bzw. Verdacht auf Brustkrebs

Lunge ThoraxaufnahmeLungenembolie, Pneumonie (Lungenentzündung), Tuberkulose

Magen, Darm, Blinddarm Gastro-IntestinaltraktAppendizitis (Blinddarmentzündung), Passagestörungen, Volvulus(Darmverschlingungen), Illeus (Darmverschluß)

Anwendungen der Röntgentechnik in der Medizin(Projektions-Röntgen)

Computertomographie

Computertomographie

Godfrey N. Hounsfield1919 - 2004

Erster kommerzieller CT-Scanner EMI Mark I; 1973

1974 Bildmatrix 80 × 80

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006

9

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006

Volumendatensatz Bildmatrix 1024 × 1024 Kontrast in der CT

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006

Im einfachsten Fall wird das Objekt für unterschiedliche Winkelstellungenmit einem Nadelstrahl linear abgetastet und das Schwächungsprofil ermittelt.

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000

Wie wird ein Objekt gemessen? Bildrekonstruktion

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, PublicisMCD Verlag 2000

Rückprojektion

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

HUZahlCTWasser

WasserG 1000⋅−

=−μ

μμ

Computertomographie

Die Hounsfield Skala

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000

10

Computertomographie

Fensterung bei der Darstellung von CT-Bildern

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000

Typischer CT-Untersuchungsraum

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000

Messsystem in der Montage mit Schleifringen (links) und Komponenten (rechts)

Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000

Anwendungen der CT

Pankreas (= Bauchspeicheldrüse): EntzündungenVerdauungstrakt: Tumor-Diagnostik und Tumor-Staging

Gastroenterologie

Knochen: CT-geführte BiopsieHüftgelenk: Frakturen (Brüche), orthopädische OP-Planung

Bewegungsapparat

Aorta: Dissektion (= Aufspaltung)Aneurysma (= Aufweitung eines arteriellen Blutgefäßes)

Herz-Kreislauf-System

Thoraxwand: Verdacht auf TumorPleura (= Brustfell): Verdacht auf Tumor oder EntzündungLunge: Verletzungen, Gewebeveränderungen, Verkalkungen, Tumor, Metastasen, Lungenentzündung, Erweiterung der BronchialästeZentrales tracheobronchiales System: Gefäßmalformationen

Thoraxorgane

Intra-okulärer FremdkörperTränen-Nasen-Gang

Augenheilkunde

Kraniofaziales Skelett (kranial = zum Kopf gehörend, facial = zum Gesicht gehörend)Tumorverdacht im Rachen oder Kehlkopf

Hals-Nasen-Ohren

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

Akutes nicht-traumatisches neurologisches Defizit (Blutung, Infarkt)Akutes kranio-cerebrales Trauma mit neurologischen Symptomen(Ödem = Schwellung, Contusion = Prellung/Quetschung, Blutung)Trauma der SchädelbasisAkuter Kopfschmerz mit Meningismus (Erkrankung der Hirnhaut)Akute Bewußtseinsstörung

Kopf-Hals

Unfalldiagnostik im gesamten KörperTrauma

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."