Röntgenologische Technik

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1 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 Bildgebende Verfahren boomen Röntgen Ultraschall Durchleuchtung Magnetresonanztomographie Angiographie Warum braucht man bildgebende Systeme?? Sucht nach bildlicher Information?? RSNA (Chicago) Information in Sinnesorganen Informationsaufnahme aus der Umwelt für alle Sinnesorgane: 10 9 bit/s bewußte Verarbeitung: ~100 bit/s kurzfristige Speicherung: ~10 bit/s dauernde Speicherung: ~1 bit/s Selektion im Verhältnis 1:10 Millionen!!! Informationsfluß Sehen 10 8 bit/s Hören 5x10 4 bit/s Riechen Schmecken 10 2 bit/s 10 bit/s Zuflußkapazität zum Kurzspeicher: 16 bit/s sind dem menschlichen Bewußtsein gegenwärtig Quelle: H. Drischel, Einführung in die Biokybernetik, Akademie-Verlag

2 Fazit Bildgebende Systeme unterstützen den leistungsfähigsten Sensor!! Ärztliche Kriterien: Bildgebende Verfahren 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 Konzept der diagnostischen Radiologie Aufgabenschwerpunkte Diagnostik Therapie- und Verlaufskontrolle Vorsorgeuntersuchung (Screening) Überwachung interventioneller Maßnahmen Forschung Bilderzeugung Bildübertragung Bilddarstellung Bildbearbeitung Bildperzeption & Diagnosestellung Übersicht Elektromagnetisches Spektrum Bildgebende Verfahren ohne ionisierende Strahlung mit ionisierender Strahlung kernmagn. Resonanz Ultraschall Röntgen nuklearmed. Verfahren Spektroskopie Tomografie planar Tomografie planar Emissions- (CT) Tomografie (PET) 2

3 Wilhelm Conrad Röntgen ( ) Röntgenstrahlen... unsichtbar und nicht wahrnehmbar durchdringen Materie können gebeugt werden ionisieren Gase verändern Fotoemulsionen regen verschiedene Stoffe zu Lichtemission an verursachen Veränderungen im lebenden Gewebe Spektren bei verschiedenen Röhrenspannungen Schwächung von Röntgenstrahlung Linienspektrum Bremsspektrum 3 Z 3 d Drehanoden-Röntgenröhre Energiebilanz: 1% Röntgenstrahlung 99% Verlust durch Wärme Standardform einer diagnostischen Röhre thermische Verlustleistung bis zu 100 kw rotierender Anodenteller (ø 20 cm, m = 1 kg) bis zu Umdrehungen / min Quelle: Thurn P, Bücheler E, Einführung in die diagnostische Radiologie, Thieme

4 Röntgenanlage besteht aus Röntgenstrahler Hochspannungsgenerator Lagerungstisch bzw. Rasterwandstativ Meßkammern zur Messung der Strahlendosis Streustrahlenraster Filmkassette mit Folien Bedienpult Entwicklersystem "Röntgenzimmer" um 1900 Röntgenfilme Röntgenfilm AgBr AgBr Polymer film base Die Schwärzung hängt ab von der Menge an Röntgenstrahlen, die an dieser Stelle absorbiert wurden. Problem Nur etwa 1% der direkt empfangenen Strahlung wird von der Emulsionsschicht des Films absorbiert! beidseitig beschichteter Röntgenfilm (Querschnitt) Emulsion: Suspension von Bromsilberkristallen in Gelatine Trägerschicht: flexibles Polyester oder Zelluloseacetat 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 Für medizinische Bildgebung ist Röntgenfilm allein nicht geeignet Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, Technik der medizinischen Radiologie, Deutscher Ärzte-Verlag 1999 Verstärkerfolien Qualitätskriterien für Verstärkerfolien - hohe Röntgenabsorption - hohe Quantenausbeute - gute Anpassung des Leuchtspektrums an Filmempfindlichkeit Röntgenfilmkassette mit Verstärkerfolien Umwandlung der Röntgenstrahlung in sichtbares Licht und danach Nachweis mit einem Film (Lumineszenz). eingesetzte Leuchtstoffe: Kalziumwolframat (CaWO 4 ) Lanthanoxibromid mit Terbium dotiert (LaOBr:Tb) Gadoliniumoxisulfid mit Terbium dotiert (Gd 2 O 2 S:Tb) Verstärkungsfaktor V einer Folie: V = Dosis ohne Verstärkerfolie Dosis mit Verstärkerfolie typ. Werte: V = (gleiche Schwärzung) Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, Technik der medizinischen Radiologie, Deutscher Ärzte-Verlag

5 Speicherfolien 1. Schritt zur digitalen Radiologie Bildaufnahme mit Speicherfolie (Halbleiterfolie einer Schwermetallhalogenidphosphorverbindung) Übergang vom Leuchtzentrum in den Grundzustand ist optisch verboten 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 Leuchtzentren bleiben angeregt. Energy_Absorptiometry Speicherfolie wird in lichtdichter Kassette aus dem Röntgengerät in ein Auslesesystem gebracht Laubenberger T, Laubenberger J, Technik der medizinischen Radiologie, Deutscher Ärzte-Verlag 1999 Signal als Funktion der Dosis für Speicherleuchtstoffe Digitale Röntgen-Bildaufnehmer Detektorfläche: 43 cm x 43 cm Vorteile: 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 Quelle: O. Dössel, Bildgebende Verfahren in der Medizin, 2000 Konverterschicht und Matrix aus Photodiodenarray Pixelgröße: 143 µm Auflösung: 3,5 LP/mm Röntgenbildverstärker Röntgenbildverstärker Image Intensifier Erfindung von John Coltman Westinghouse Research Laboratories Schnitt durch einen RBV in Keramik-Technologie Schnitt durch einen RBV in le-Technologie 5

6 Durchleuchtung Digitale Subtraktionsangiographie (DSA) Röntgenröhre 2 Tiefenblende zur Begrenzung des Röntgenstrahlbündels 3 Bleigummi-Abschirmung zum Schutz nicht untersuchter 8 Körperbereiche des Patienten 9 4 Strahlentransparente Patientenlagerungsplatte 5 Fernsehmonitor 6 Elektronischer Bildverstärker 7 Fernseh-Aufnahmeröhre 10 8 Bleiglasbrille des Untersuchers mit Seitenschutz 9 Schilddrüsenschutz 10 Strahlenschutzschürze des Untersuchers (Rundum- Schürze) Bleigummi-Lamellen zum Strahlenschutz des Untersuchers 1 DSA, Darstellung der A. mesenterica superior (Ast der Bauchaorta) Quelle: BfS 2003 tomography.files.wordpress.com/2007/10/xray2.jpg Projektions-Radiographie Projektions-Radiographie Schädel Verteilung der durch das Gewebe transmittierten Röntgenphotonen 2D-Projektion der Schwächungseigenschaften des Gewebes Ein Sparschwein im Röntgenbild. (Bild: Universitätsklinik für Radiologie Magdeburg) Abschwächung von Röntgenstrahlen Abschwächung von Röntgenstrahlen Röntgenröhre Röntgenröhre 6

7 Abschwächung von Röntgenstrahlen Röntgenröhre Röntgenröhre Eigentlich hat man nur das? Wie bekommt man das ganze Bild? Wie bekommt man das ganze Bild? 7

8 Quelle: Kalender WA,, Publicis MCD Verlag 2000 Bildrekonstruktion Projektion gefilterte Projektion Godfrey N. Hounsfield Nobelpreis 1979 Erster kommerzieller CT-Scanner EMI Mark I; 1973 Johann Radon ( ) 1917 Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten Allan M.Cormack Quelle: Kalender WA,, Publicis MCD Verlag Bildmatrix 80 x 80 Volumendatensatz Bildmatrix 1024 x 1024 Quelle: Kalender WA,, Publicis MCD Verlag 2006 Quelle: Kalender WA,, Publicis MCD Verlag

9 Kontrast in der CT Was wird im CT-Bild dargestellt? Quelle: Kalender WA,, Publicis MCD Verlag 2006 Quelle: Kalender WA,, Publicis MCD Verlag 2000 CT Z a h l G W a s s e r HU W a s s e r Die Hounsfield Skala CT-Werte geben den linearen Schwächungskoeffizienten des Gewebes in jedem Volumenelement an, relativ zu dem µ-wert von Wasser. Dadurch sind die CT-Werte der einzelnen Organe relativ stabil und weit gehend unabhängig vom Röntgenspektrum. Typischer CT-Untersuchungsraum Fensterung bei der Darstellung von CT- Bildern 9

10 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 Fokus der Röntgenröhre Kollimator der Röntgenröhre 4 x 1.25 mm Detektorkonfiguration 16-fach Mosaikdetektor Die Anzahl der erfassten Schichten und ihre Dicke werden durch röhrenseitige Kollimierung und elektronische Kombination der Signale aus dem Detektorarray festgelegt. Leistungsmerkmale der CT ( ) Anwendungen Quelle: Kalender WA,, 2. Aufl., Publicis MCD Verlag

11 Anwendungen Dual Source CT Dual Source CT: Zwei Röntgenröhren und zwei Detektorsysteme 0.33 seconds rotation Dual Source CT: Heart rate independent temporal resolution of 83 msec Patient with varying heart rate between 86 bpm and 122 bpm Fast visualization of the complete human anatomy in only 42 sec with 0.33 isotropic resolution single source CT single source CT + multisegment recon. dual source CT Courtesy of University Medical Center Grosshadern / Munich, Germany Courtesy of University Hospital of Munich - Grosshadern / Munich, Germany Trauma Kopf-Hals Spinalkanal Hals-Nasen-Ohren Augenheilkunde Thoraxorgane Herz-Kreislauf- System Anwendungen der CT Unfalldiagnostik im gesamten Körper 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 Spinales Trauma (spinal = zum Rückgrat und Rückenmark gehörend) Kraniofaziales Skelett (kranial = zum Kopf gehörend, facial = zum Gesicht gehörend) Tumorverdacht im Rachen oder Kehlkopf Intra-okulärer Fremdkörper Tränen-Nasen-Gang 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 Aorta: Dissektion (= Aufspaltung) Aneurysma (= Aufweitung eines arteriellen Blutgefäßes) Antoine Béclère ( ): "Die Röntgenstrahlen lügen nie, nur wir irren uns, indem wir ihre Sprache falsch verstehen oder von ihnen mehr verlangen, als sie uns bieten können." Bewegungsapparat Knochen: CT-geführte Biopsie Hüftgelenk: Frakturen (Brüche), orthopädische OP-Planung Gastroenterologie Pankreas (= Bauchspeicheldrüse): Entzündungen Verdauungstrakt: Tumor-Diagnostik und Tumor-Staging 11