Fazit ZNS. Röntgenologische Technik. Bildgebende Systeme unterstützen den leistungsfähigsten Sensor!!

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1 Kursus für Radiologie einschließlich Strahlenschutzkurs Sommersemester 2009 Röntgenologische Technik Warum braucht man bildgebende Systeme?? Sucht nach bildlicher Information?? RSNA (Chicago) Prof. Dr. J. R. Reichenbach Arbeitsbereich Medizinische Physik Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie Direktor: Prof. Dr. med., Dipl.-Chem. W. A. Kaiser 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 Fazit Bildgebende Systeme unterstützen den leistungsfähigsten Sensor!! Hören Riechen bit/s 10 2 bit/s Schmecken 10 bit/s ZNS Zuflußkapazität zum Kurzspeicher: 16 bit/s sind dem menschlichen Bewußtsein gegenwärtig Anatomie des menschlichen Auges: 1=Linse / 2=Hornhaut / 3=Iris,Regenbogenhaut / 4=Pupille / 5=Gelber Fleck / 6=Blinder Fleck (Bild: NightSky). Quelle: H. Drischel, Einführung in die Biokybernetik, Akademie-Verlag 1972 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 Aufgabenschwerpunkte Diagnostik Therapie- und Verlaufskontrolle Vorsorgeuntersuchung (Screening) Überwachung interventioneller Maßnahmen Forschung 1

2 Konzept der diagnostischen Radiologie Allgemeines Grundprinzip der Bildgebung Bilderzeugung Bildübertragung Bilddarstellung Bildbearbeitung Bildperzeption & Diagnosestellung Objekt (Mensch, Tier, Pflanze,...) Strahlungsquelle(n) extern X-Rays (Röntgen) Ultraschall (US) Hochfrequenz (NMR) intern Radioaktive Substanzen (PET, SPECT) Detektor(en) extern Film (Röntgen) Piezokristall (US) HF-Spule (NMR) intern HF-Spule Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, Technik der medizinischen Radiologie, Deutscher Ärzte-Verlag 1999 Quelle: Zielsetzung In das Objekt hinein schauen zu können, ohne es aufschneiden zu müssen. Unterschiedliche Frequenzbereiche des EM-Spektrums für Bildgebung Nuclear medicine/pet 100keV 10keV Hz Hz X Ray/CT Imaging X Ray Ionizing Millimetre Ultraviolet OCT Visible Infrared Non-Ionizing NIRF THz Gap gap Microwave and RF Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Frequency Terahertz Pulse Imaging (TPI) TV satellite dish Magnetic Resonance Imaging MRI Bildgebende Verfahren Mammogramm ohne ionisierende Strahlung mit ionisierender Strahlung kernmagn. Resonanz Ultraschall Röntgen nuklearmed. Verfahren Thorax Spektroskopie Tomografie planar Tomografie planar Emissions- (CT) Tomografie (PET) 2

3 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 Image by courtesy of Helmut Newton Quelle: ECR Newsletter 4/2002 Röntgenstrahlung Thermoelektrischer Effekt Zusammenhang zwischen Strahlenhärte, Wellenlänge λ und Röhrenspannung U a Beschleunigung der Elektronen durch Hochspannung Umwandlung der kinetischen Energie in elektromagnetische Strahlung im Anodenmaterial Strahlenhärte Wellenlänge λ [10-12 m] Röhrenspannung U a [kv] sehr weich > 60 < 20 weich E = e = h ν kin U A E Photo c = λ ν mittelhart hart ν max e U = h A λ min h c = e A U A 1.24 [ nm] λmin = U [ kv ] sehr hart , ultrahart < 0,4 > 3000 *) *)Erzeugung mit Linearbeschleuniger oder Betatron. medizinische Diagnostik Strahlentherapie Photonenflußdichte einer Wolframanodenröhre bei verschiedenen Röhrenspannungen Röntgenstrahlen - Bremsspektrum Abbremsen des Elektrons im Feld des positiven Atomkerns. Bremsspektrum Linienspektrum W.W. der Kathodenelektronen am Atomkern Abgabe der Bewegungsenergie teilweise oder ganz in Form von Strahlungsenergie. Bremsstrahlung 3

4 Schematisches Modell der Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung Energiebilanz: 1% Röntgenstrahlung 99% Verlust durch Wärme L α Herausschlagen eines gebundenen Elektrons des Anodenmaterials aus einer der inneren Schalen (K-Schale, L-Schale,...) Schwächung von Röntgenstrahlung Drehanoden-Röntgenröhre Schnitt durch eine Vollschutzhaube mit eingebauter Drehanodenröhre 3 λ 3 Z ρ d Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, Technik der medizinischen Radiologie, Deutscher Ärzte-Verlag 1999 Standardbauform für diagnostische Röntgenröhren thermische Verlustleistungen bis zu 100 kw drehbarer Anodenteller (ø 20 cm, m = 1 kg) bis über Umdrehungen / min Quelle: Thurn P, Bücheler E, Einführung in die diagnostische Radiologie, Thieme 1992 Drehanode Betrieb: Brennbahn-Temperaturverteilung Schematischer Aufbau einer Drehanodendiagnostikröhre 1 Glühkathode, 2 Drehanode Drehanode in Betrieb Tellertemperatur ca C Quelle: Dr. Heinrich Behner, Siemens AG, Medical Solutions 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 4

5 Röntgenanlage besteht aus Röntgenstrahler Hochspannungsgenerator Lagerungstisch bzw. Rasterwandstativ Meßkammern zur Messung der Strahlendosis Streustrahlenraster Filmkassette mit Folien Bedienpult Entwicklersystem Das Maß für die Wärmekapazität der Röhre ist die Einheit heat unit (HU). 1 HU = 2 1J Bei Aufnahmen mit Hilfe einer Speicherfolie, also bei digitalen Aufnahmen gehört neben der Speicherfolie noch die notwendige Laserauswertung dazu. Röntgenfilme AgBr AgBr Polymer film base "Röntgenzimmer" um 1900 beidseitig beschichteter Röntgenfilm (Querschnitt) Emulsion: Suspension von Bromsilberkristallen in Gelatine Trägerschicht: flexibles Polyester oder Zelluloseacetat Total mass thickness: 0.80 mg/cm 2 of silver halide (dual emulsion film) (typ. values) mg/cm 2 of silver halide (single emulsion film) 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 Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, Technik der medizinischen Radiologie, Deutscher Ärzte-Verlag 1999 Schwärzungskurve des Röntgenfilms Optische Dichte S = Stärke der Schwärzung eines Films Steilheit der Schwärzungskurve: γ - Wert γ groß: großer Kontrast in kleinem Dosisbereich γ klein: mäßiger Kontrast, großer Dosisbereich Röntgenfilm 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! Für medizinische Bildgebung ist Röntgenfilm allein nicht geeignet Quelle: Biehl/Zier, Röntgenstrahlen - ihre Anwendung in Medizin und Technik, Leipzig

6 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 1999 Schema eines Festkörper-Detektors (Flächendetektoren) Streustrahlung Streustrahlenschleier im Absorptionsbild Detektorfläche: 43 cm x 43 cm Pixelgröße: 143 µm Homogene Zusatzbelichtung Kontrastminderung Verringerung des Signal-zu- Rausch-Verhältnisses (SNR) der abzubildenden Details Auflösung: 3,5 LP/mm Unterdrückung von Streustrahlung Aufnahmen eines Beckenphantoms 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. Hoher Streustrahlenanteil, starke Verschleierung, 75 kv, ohne Raster geringer Streustrahlenanteil, 75 kv, Raster mit Schachtverhältnis Quelle: H. Morneburg, Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik,

7 Röntgenbildverstärker Image Intensifier Elektronischer Bildverstärker für die Röntgendurchleuchtung (zur Einsparung von Dosis) Röntgenbildverstärker Image Intensifier Prinzip 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. Roche Lexikon Medizin, 4.Auflage; Urban & Fischer Verlag, München 1999 Röntgenbildverstärker Image Intensifier Röntgenbildverstärker Bildverstärkerröhre. Eingangsleuchtschirm besteht aus Aluminiumkalotte (1), dem natrium-aktivierten CsJ (2) und Photokathode (SbCs 3 ) (3). Der Ausgangsschirm besteht aus Al-Schicht (4), der Fluoreszenzschicht (ZnCdS:Ag, Gd 2 O 2 S:Tb) (5) und der Faseroptikplatte (6). (7) Elektroden der Elektronenoptik Schnitt durch einen RBV in Keramik-Technologie Schnitt durch einen RBV in le-Technologie 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 Schnitt durch einen klassischen RBV aus Glas. Erkennbar ist die gläserne Hülle, das Elektrodensystem aus Blechelektroden und der Eingangsschirm im oberen Bildteil sowie der Ausgangsschirm im unteren Bildteil Quelle: electromedica 70 (2002) Heft 1 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 10 7 Fernseh-Aufnahmeröhre 8 Bleiglasbrille des Untersuchers mit Seitenschutz 9 Schilddrüsenschutz 10 Strahlenschutzschürze des Untersuchers (Rundum- Schürze) Bleigummi-Lamellen zum Strahlenschutz des 1 Untersuchers DSA, Darstellung der A. mesenterica superior (Ast der Bauchaorta) Quelle: BfS 2003 tomography.files.wordpress.com/2007/10/xray2.jpg 7

8 Gepulster Betrieb bei der digitalen Subtraktionsangiographie Anwendungen der Röntgentechnik in der Medizin (Projektions-Röntgen) Max. 6 Bilder pro Sekunde mit hoher Dosis pro Einzelpuls Knochen und Gelenke Blutgefäße und Herz Fraktur, Unfallchirurgie Osteoporose (Verminderung des Knochengewebes) Bandscheibenvorfall Endoprothetik ( künstliche Hüfte ) Knochentumor Arthographie (Darstellung der Gelenkhöhlen) 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) Quelle: Laubenberger T, Laubenberger J, Technik der medizinischen Radiologie, Deutscher Ärzte-Verlag 1999 Anwendungen der Röntgentechnik in der Medizin (Projektions-Röntgen) Gehirn Niere und Blase Brust Lunge Magen, Darm, Blinddarm zerebrale Angiographie kraniale Gefäße, Karotis (Halsschlagader) renale Angiographie (Darstellung der Nierengefäße Lithotripsie (Nierensteinzertrümmerung) Mammographie (Darstellung der weiblichen Brust) Vorsorge bzw. Verdacht auf Brustkrebs Thoraxaufnahme Lungenembolie, Pneumonie (Lungenentzündung), Tuberkulose Gastro-Intestinaltrakt Appendizitis (Blinddarmentzündung), Passagestörungen, Volvulus (Darmverschlingungen), Illeus (Darmverschluß) Computertomographie Computertomographie 1974 Bildmatrix Godfrey N. Hounsfield Erster kommerzieller CT-Scanner EMI Mark I; 1973 Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag

9 Volumendatensatz Bildmatrix Kontrast in der CT Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006 Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2006 Wie wird ein Objekt gemessen? Bildrekonstruktion Rückprojektion Im einfachsten Fall wird das Objekt für unterschiedliche Winkelstellungen mit einem Nadelstrahl linear abgetastet und das Schwächungsprofil ermittelt. Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000 Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000 Computertomographie μg μwasser CT Zahl = 1000 HU μ Wasser Computertomographie 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. Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag

10 Computertomographie Typischer CT-Untersuchungsraum Fensterung bei der Darstellung von CT- Bildern Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000 Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000 Messsystem in der Montage mit Schleifringen (links) und Komponenten (rechts) Trauma Kopf-Hals Spinalkanal Hals-Nasen-Ohren Augenheilkunde Thoraxorgane Herz-Kreislauf- System Bewegungsapparat 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) Knochen: CT-geführte Biopsie Hüftgelenk: Frakturen (Brüche), orthopädische OP-Planung Quelle: Kalender WA, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000 Gastroenterologie Pankreas (= Bauchspeicheldrüse): Entzündungen Verdauungstrakt: Tumor-Diagnostik und Tumor-Staging 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." 10