Röntgenstrahlung
Röntgenstrahlung
Röntgenstrahlung
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
<strong>Röntgenstrahlung</strong><br />
SE+ MED<br />
4. Semester<br />
Werner Backfrieder<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Physik der <strong>Röntgenstrahlung</strong><br />
• C.W. Röntgen entdeckt 1895<br />
x-Strahlen, Würzburg, Experimente<br />
mit Kathodenstrahlröhre<br />
• Beginn der modernen Physik<br />
• Elektron durch Spannung beschleunigt<br />
– Energie: E=Ue<br />
• Elektronen an Anode abgebremst<br />
• Energie umgewandelt in Strahlung<br />
– Bremsstrahlung<br />
hc<br />
– Minimale Wellenlänge<br />
λmin<br />
=<br />
– Medizin E
Röntgenspektrum<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
• Spektren mit<br />
verschiedener<br />
Beschleunigungsspannung<br />
• Charakteristische<br />
Linien überlagern<br />
Bremsspektren<br />
• Minimale<br />
Wellenlänge sinkt<br />
mit steigender<br />
Energie<br />
Charakteristische Strahlung<br />
• Hüllenelektronen werden von ankommenden<br />
Elektronen aus der Bahn geschleudert<br />
• Bremsstrahlung regt Atomhülle an<br />
– Innere Elektronen werden auf höhere Schalen<br />
gehoben<br />
• Bei Rückkehr in Grundzustand wird Quant<br />
mit charakteristischer Energie abgestrahlt<br />
Link zu Animation<br />
2
Historie<br />
• Historischer Versuchsaufbau im<br />
Labor in Würzburg<br />
Historie<br />
• Guido Holzknecht<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
• Pionier der Röntgendiagnostik<br />
• Gründung Zentralröntgenlabors im AKH-Wien (1914)<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Bedeutung<br />
für Medizin<br />
bald erkannt.<br />
3
Röntgenröhren<br />
Röntgenspektrum<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Elektronen werden durch eine<br />
Hochspannung (Röhrenspannung)<br />
beschleunigt und treffen auf die<br />
Anode (Wolfram) auf.<br />
Beim Abbremsen der Elektronen<br />
entsteht <strong>Röntgenstrahlung</strong>:<br />
Bremsstrahlung (kontinuierliches<br />
Spektrum) und charakteristische<br />
Strahlung (Linienspektrum).<br />
Hohe Wärmebelastung:<br />
Verwendung von Drehanoden<br />
• Die Röhrenspannung bestimmt:<br />
• die Energie und Intensität der <strong>Röntgenstrahlung</strong><br />
• den Bildkontrast<br />
• die Dosisbelastung<br />
4
I I e µ<br />
=<br />
.<br />
0 .<br />
x −<br />
Absorption der <strong>Röntgenstrahlung</strong><br />
I 0<br />
Schwächungsgesetz für <strong>Röntgenstrahlung</strong><br />
x<br />
I(x)<br />
I(x) = I 0 . e -µ.x<br />
µ: Linearer Schwächungkoeffizient, hängt ab von<br />
Röntgenenergie (Absorption nimmt mit steigender Energie ab)<br />
Ordnungszahl Z der Atome (Absorption nimmt mit Z³ zu)<br />
Die Schwächung der <strong>Röntgenstrahlung</strong> wird damit bestimmt durch:<br />
• Energie der <strong>Röntgenstrahlung</strong> ( Röhrenspannung)<br />
• elementare Zusammensetzung des Absorbers<br />
• Dichte des Absorbers<br />
• Dicke des Absorbers Backfrieder-Hagenberg<br />
Elementare Zusammensetzung<br />
Art der chemischen Verbindung ist für die Absorption der <strong>Röntgenstrahlung</strong><br />
unerheblich Dichte und (vor allem höhere) Ordnungszahlen Z<br />
Fettgewebe<br />
1H: 11,2<br />
C: 59,8<br />
6<br />
7<br />
8<br />
N: 0,7<br />
O: 27,8<br />
11<br />
16<br />
17<br />
Na: 0,1<br />
S: 0,1<br />
Cl: 0,1<br />
Dichte: 0,95 g/cm³<br />
(Rel. Elementanteil in %.Gewicht)<br />
• Skelettmuskel<br />
• 1H: 10,2<br />
• 6C: 14,3<br />
• 7N: 3,4<br />
• 8O: 71,0<br />
• 11Na: 0,1<br />
• 15P: 0,2<br />
• Dichte: 1,05<br />
g/cm³<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Kortikaler Knochen<br />
1H: 3,4<br />
6C: 15,5<br />
7N: 4,2<br />
8O: 43,5<br />
15P: 10,3<br />
16S: 0,3<br />
Ca: 22,5<br />
20<br />
Dichte: 1,92 g/cm³<br />
5
Aufzeichnung der <strong>Röntgenstrahlung</strong><br />
• Registrierung der <strong>Röntgenstrahlung</strong><br />
(Bildaufzeichnung) mit<br />
• Verstärkerfolien: Seltene Erden<br />
(S.E.)-Leuchtstoffe<br />
• Röntgenfilm: photographische<br />
Emulsion beidseitig<br />
Absorbierte <strong>Röntgenstrahlung</strong><br />
erzeugt Licht wird vom Film<br />
registriert<br />
Bildschärfe ~ 3-9 Lp/mm<br />
<strong>Röntgenstrahlung</strong><br />
Verstärkerfolie<br />
Röntgenfilm<br />
Verstärkerfolie<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Rö.Strahlen<br />
Schwärzungskurve<br />
geringe hohe<br />
mittlere mittlere<br />
starke geringe<br />
Schwächung Schwärzung<br />
6
Dicke, mm<br />
Aluminium<br />
70 kV<br />
100 kV<br />
Objekte aus gleichem Material -<br />
verschiedene Dicke<br />
1 10 19<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Röhrenspannung Bildkontrast<br />
• Bildkontrast ist abhängig von der Röhrenspannung: Bildkontrast<br />
nimmt mit zunehmender Röntgenenergie ab.<br />
70 kV<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
110 kV<br />
7
Bildqualität<br />
• Bildschärfe: entsprechend der radiologischen Fragestellung auszuwählen<br />
(Optimierung: schärfere Aufnahmen höhere Strahlendosis)<br />
Hand von Fr. Röntgen, 22. Dez. 1895<br />
Bildqualität<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
2002<br />
• Bildrauschen: einzelne registrierte Röntgenquanten werden als<br />
‚Pünktchen‘ nachgewiesen Quantenrauschen<br />
Das Quantenrauschen nimmt mit<br />
zunehmender Patientendosis ab,<br />
die Erkennbarkeit von Bilddetails<br />
aber zu.<br />
Bildqualität ~ Patientendosis<br />
Dosis<br />
8
Zentralprojektion<br />
Patient<br />
Vergrösserung<br />
Fokus<br />
Filmkassette<br />
115 cm<br />
• Röhrenfokus: Ausgangspunkt<br />
der <strong>Röntgenstrahlung</strong><br />
• Vergrössernde Abbildung: für<br />
einen bestimmten Fokus-Film-<br />
Abstand (FFA) wird das Bild b<br />
grösser, wenn der Gegenstand g<br />
vom Film weiter entfernt ist.<br />
• Vergrösserungsfaktor v:<br />
• v = FFA / FOA<br />
• (FOA: Fokus-Objekt-Abstand)<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
95 cm<br />
20 cm<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Typische Anordnung für<br />
eine Röntgenaufnahme:<br />
Eintrittsseite:<br />
v = 115/95 = 1,21<br />
Austrittsseite:<br />
v ~ 1<br />
Unterschiedliche Vergrösserung<br />
für die Bilddetails<br />
in einer Aufnahme<br />
9
Quader<br />
Verzerrungen<br />
Fokus<br />
Filmkassette<br />
Abbildung eines Quaders<br />
Großer Abstand bei verzerrungsarmen Backfrieder-Hagenberg<br />
Aufnahmen nötig (Thoraxaufnahmen).<br />
Zentralprojektion<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
• Überlagernde Abbildung<br />
aller Objekte im<br />
Strahlengang:<br />
• Position und Größe der<br />
Objekte kann in der<br />
Zentralprojektion nicht<br />
eindeutig aufgelöst<br />
werden<br />
10
Darstellung in zwei oder mehr Ebenen<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Projektion<br />
a/p seitlich<br />
Röntgenaufnahmen - Bildinformation<br />
• Anatomische bildhafte Information in<br />
überlagerter Darstellung; die Abbildung der<br />
Grösse und Lage von Organen, sowie anderer<br />
Bilddetails wird bestimmt durch:<br />
• Dichte des Organs<br />
• Dicke des Organs<br />
• elementare Zusammensetzung des Organs<br />
• Einstelltechnik und Projektionsrichtung<br />
• die radiologischen Untersuchungs-bedingungen<br />
(Röhrenspannung, Bildschärfe, Gerätetechnik)<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
11
Durchleuchtung<br />
• Darstellung bewegter Vorgänge (z.B. GI-Trakt, Angiographie) und für<br />
radiologische Interventionen.<br />
Bildaufzeichnung: Bildverstärker Fernsehkamera<br />
Computer Monitor<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Kontrastanhebung - Kontrastmittel<br />
Durch den geringen Bildkontrast innerer Organe und die überlagerte<br />
Darstellung sind Kontrastmittel zur Verbesserung des Kontrasts<br />
erforderlich.<br />
Positiv-Kontrast: hohe Röntgenschwächung (höhere Ordnungszahl)<br />
BaSO4 für Magen-Darm-Trakt (unlöslich) (Z=56);<br />
Jod-hältige Kontrastmittel für die Angiographie, etc. (Z=53).<br />
Negativ-Kontrast: geringere Röntgenschwächung (geringe Dichte)<br />
Luft, CO2 , etc. (z.B. Füllung von Magen oder Darm mit CO2 )<br />
Doppelkontrast: Anwendung beider KMs (Gastrointestinale<br />
Untersuchungen)<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
12
Organ<br />
Kontrastanhebung durch<br />
Bildsubtraktion<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Röntgenbild (Überlagerung<br />
aller Strukturen)<br />
Digitale Subtraktionsangiographie<br />
(DSA)<br />
Füllungsbild – Maske = Subtraktionsbild<br />
- =<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
13
DSA<br />
DSA<br />
Artefakte durch<br />
Bildsubtraktion<br />
möglich:<br />
Bewegung von:<br />
Organen (z.B.<br />
Darmbewegung)<br />
Patient<br />
Darstellung invertiert: Kontrastmittel <br />
hohe Absorption ‚schwarz‘<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Maske Subtr. vor KM-Einstrom<br />
Backfrieder-Hagenberg<br />
Subtraktionsbilder<br />
14