Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie. Dosimetrie

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1 1 Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie Dosimetrie PD Dr. Frank Zöllner Dosimetrie Ziel der Dosimetrie ist, die von einer ionisierenden Strahlung in einem Material erzeugten Energiedosis zu bestimmen, z.b. in biologischem Gewebe PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 149 I Datum Seite 1

2 2 Ionisierende Strahlen direkt ionisierend indirekt ionisierend PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 150 I Datum Wikipedia: hlung Strahlenquellen Natürlich: Zivilisatorisch: Radon (z.b. in Kellern!) Kalium-40 und Radionuklide in Baumaterialen Kohlenstoff-14 (Nahrung, Luft) Kosmische Strahlung (Flugverkehr) Strahlung der Sonne (UV Licht, Sonnenwind) Medizinische Anlagen Radioaktives Material (Kernwaffentest, Nuklearunfälle) AKWs + Teilchenbeschleuniger (meist Protonen und Neutronen) PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 151 I Datum Seite 2

3 3 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 152 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 Dosimetrie am Menschen PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 153 I Datum Seite 3

4 4 Dosisbestimmung Ionendosismeßwert Einheit C/kg Energiedosis = Ionendosis * Umrechnungsfaktor Einheit Gy Äquivalentdosis = Energiedosis * Strahlenqualitätsfaktor Einheit Sv PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 154 I Datum Dosis und Gewebe Strahlen haben unterschiedlichen Wirkungsquerschnitt und Reichweite für die Vergleichbarkeit Strahlenwichtungsfaktor Zusätzlich reagieren Gewebeunterschiedlich stark auf Strahlen Gewebewichtungsfaktor PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 155 I Datum Seite 4

5 5 Effektive (Äquivalent-) Dosis Berücksichtigt Belastung der einzelnen Organe Es wurde stochastische Wirkung verschiedener Organe bei Strahlenexposition ermittelt w T Bewertungsfaktor H T Äquivalentdosis des Organs T Indexierung des Organs PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 156 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 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 157 I Datum Seite 5

6 6 Tabellen Strahlung Qualtätsfakto r 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 158 I Datum Lösung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 159 I Datum Seite 6

7 7 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 D ref zur Dosis einer Strahlung D Y Quelle: PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 160 I Datum Beispiele RBW Röntgenstrahlen: Alphastrahlen: 1000 Einzelstrangbrüche (ESB) pro Zelle und Gray 250 Einzelstrangbrüche pro Zelle und Gray RBW α,esb = 0,25 Röntgenstrahlen: Alphastrahlen: 35 Doppelstrangbrüche (DSB) pro Zelle und Gray 63 Doppelstrangbrüche pro Zelle und Gray RBW α,dsb = 1,8 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 161 I Datum Seite 7

8 8 Dosismeßsysteme PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 162 I Datum Dosismeßung Röntgenanlage Verschiedene Positionen für die Ionisationskammer Abhängig von Aufnahmeobjekt Hinter Röntgenröhre, z.b. Dentalaufnahme Hinter Filmkassette, gleichbleibende Strahlungsspannung Hinter Bildverstärker PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 163 I Datum Seite 8

9 9 Dosismeßung Röntgenanlage (2) Anordnung für Meßfelder PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 164 I Datum Dosismessgeräte - Funktion 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 Geiger-Müller-Zählrohr V jedes einfallende ionisierende Teilchen eine selbständige Gasentladung 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 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 165 I Datum Seite 9

10 10 Charakteristische Kurve Zählrohre PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 166 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 q Effektive Dosis Summation der einzelnen Strahlenexpositionen Organwichtungsfaktor w T PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 167 I Datum Seite 10

11 11 Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie Projektionsgesetze PD Dr. Frank Zöllner 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 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 169 I Datum Seite 11

12 12 Zentralprojektion Röntgen ist eine Zentralprojektion Brennfleck entspricht Projektionszentrum Typische Anwendungen Fotografie Architektur Kartografie Gnomonik (Sonnenuhr) PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 170 I Datum Focus-Film-Abstand (FfA) Focus Abstandswert zwischen Focus (F) und Film (f) Gemessen an der Achse des Nutzstrahlbündels FfA Objekt Bild PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 171 I Datum Seite 12

13 13 Focus-Objekt-Abstand (FOA) Focus Abstandswert zwischen Focus (F) und Objekt (O) Objekt liegt parallel zur Bildebene Gemessen an der Achse des Nutzstrahlbündels FOA Objekt Bild PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 172 I Datum Objekt-Film-Abstand (OfA) Focus Abstandswert zwischen Objekt (O) und Film (f) Differenz von FfA und FOA Objekt OfA Bild PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 173 I Datum Seite 13

14 14 Übersicht Focus FfA FOA Objekt OfA Bild PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 174 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 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 175 I Datum Seite 14

15 15 Senkrechtstrahl PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 176 I Datum Zentralstrahl PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 177 I Datum Seite 15

16 16 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 178 I Datum 2. Abbildungsgesetz Isometriegesetz: Objekte, die parallel zur Bildebene angeordnet sind erfahren die gleiche Vergrößerung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 179 I Datum Seite 16

17 17 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 180 I Datum 4. Grundregel Verzeichnung: Die Abbildung von Objekten die schräg zum Zentralstrahl liegen, ändert sich mit ihrer Lage zum Zentralstrahl PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 181 I Datum Seite 17

18 18 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 182 I Datum Superposition Im Strahlengang projizieren sich zwei oder mehrere Details auf die Bildebene. Können nicht mehr unterschieden werden im Röntgenbild PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 183 I Datum Seite 18

19 19 Hochkanteffekt Dünne (feine) Details können abgebildet werden, wenn sich ihre längste Ausdehnung im Strahlengang verläuft PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 184 I Datum Zusammenfassung Röntgenaufnahme ist Projektion 4 Abbildungsgesetzte Strahlensätze beschreiben math. Streckenverhältnisse Positionierung des Patienten unter Berücksichtigung der Projektion PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 185 I Datum Seite 19

20 20 Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie Bildqualität PD Dr. Frank Zöllner Überblick Bildqualität abhängig von Bildkontrast Unschärfe Rauschen Strahlenkontrast Filmkontrast PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 187 I Datum Seite 20

21 21 Geometrische Unschärfe Keine Unschärfe bei punktförmigem Fokus Aber: Brennfleck nicht punktförmig mit zunehmender Größe der Lichtquelle wachsen sog. Halbschatten Bewirkt Unschärfe im Bild PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 188 I Datum Geometrische Unschärfe (2) PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 189 I Datum Seite 21

22 22 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 190 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 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 191 I Datum Seite 22

23 23 Rauschen Quantenrauschen Statistische Verteilung der auf dem Detektor auftreffenden Röntgenquanten Viele lokale Intensitätsänderungen Erscheinung nicht vorhersagbar Enthält keine diagnostische Information Kann Bilddetails überlagern PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 192 I Datum Zusammenfassung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 193 I Datum Seite 23