Röntgendiagnostik. Belichtungszeit damals zwanzig Minuten heute Sekunden für Röntgen-Computer-Tomograpie 29

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1 Röntgendiagnostik Belichtungszeit damals zwanzig Minuten heute Sekunden für Röntgen-Computer-Tomograpie 29

2 22. Februar 1890 First radiograph Diagnostik Radiograph of coins made by Goodspeed and Jennings made by accident in Philadelphia on February 22, Neither Goodspeed nor Jennings claimed any priority in the discovery, since the plates lay unnoticed until Roentgen's announcement caused them to review the images 31

3 1896 First radiograph of the human brain Diagnostik Tatsächlich handelt es sich hier um das Gehirn einer Katze 32

4 3. Februar 1896 Erster Einsatz in Diagnostik Diagnostik Aufnahme gebrochenen Handgelenks des Schülers Eddie McCarthy durch Physiker Edwin Frost 33

5 xray imaging Schattenwurf xray source xray dsourceobject object dobject det ector xray sensitive film Diagnostik Röntgenbilder entstehen nicht wie in der Optik durch Abbildung, sondern durch Schattenwurf unterschiedlich stark absorbierender Bereiche des abzubildenden Objekts 34

6 1896 Kosten Kosten für Röntgenapparatur von etwa 10 englichen Pfund entspricht der heutigen Anschaffung eines Laptops 35

7 Röntgenstrahlung Frühe Anwendungen 37

8 1896 Frühe Anwendungen 38

9 Schattenwurf Größe des Quellpunkts Symptome - Ausdehnung der Röntgenlichtquelle hat Auswirkung auf Röntgenbildes - Größerer Quellpunkt der Röntgenstrahlung verschlechtert Qualität der Aufnahme Bunte Schatten 39

10 Röntgenemission Größe des Quellpunkts Durch Optimierung der Anodengeometrie läßt sich Quellpunkt verkleinern 40

11 Schattenwurf Drehanoden Symptome - Fokussierung des Elektronenstrahls reduziert Spotgröße der Röntgenemission - Reduzierter Brennfleck erhöht die thermische Belastung der Kathode Drehanode Motor e - Emitter Brennfleck xrays Rotation der Metallscheibe - erlaubt geringere Spotgröße, - minimiert Aufheizung Anode - erhöht Lebensdauer der Anodenoberfläche Wasserkühlung der Anode durch Wärmeleitung, Konvektion, und Strahlung Drehanode 41

12 Nebelwand Streuung und nicht Absorption von Licht an kleinen Wassertropfen trübt die Sicht 42

13 Röntgendiagnostik Streustrahlung Symptome - Streuung von Röntgenphotonen liefert Beitrag zum Röntgenbild - größere Schichtdicke erhöht Beitrag durch gestreute Röntgenphotonen - größere bestrahlte Fläche erhöht ebenfalls Streubeitrag Vorwärtsstreuung in Richtung Photoplatte Diagnostik - Streuung von Röntgenstrahlung führt zu Kontrastverlust - Streuung reduziert Informationsgehalt des Röntgenbildes - Compton-Effekt liefert erhöhen Beitrag bei kürzeren Wellenlängen 43

14 Röntgendiagnostik Streustrahlung Strohhalmbündel Diagnostik Verwendung von Pb-Kollimatoren zur Unterdrückung von Streustrahlung auf Röntgenbild 44

15 Röntgenabsorption Lambert-Beer Gesetz für Absorption von Strahlung I xray x I exp x 0 xray - Abschwächung von Röntgenstrahlung wird beschrieben durch das Lambert-Beersche Gesetz - Abfall der Strahlintensität in Materie folgt einem Exponentialgesetz 45

16 Lambert-Beer Gesetz für Absorption von Strahlung I xray x I exp x 0 Abschwächung Röntgenabsorption xray Abfall auf die Hälfte der Anfangsintensität I xray I x 0 wichtige Größe in Röntgendiagnostik Halbwertsdicke x ln 2 µ xray 1/ 2 xray Schichtdicke, in der die Intensität der Strahlung auf die Hälfte abgesunken ist 2 exp ln 2 1 exp 2 xray xray x x xray x Dimensionskontrolle 1 x 1 m Abschwächungskoeffizient - Abschwächung Röntgenstrahlung in Gewebe wird beschrieben durch Absorptionskoeffizienten - Absorptionskoeffizienten gibt an, in welcher Tiefe Intensität auf 1/e abgefallen ist - Röntgenabsorptionskoeffizient hängt NUR ab von Wellenlänge und Element ab - Halbwertsdicke ist ein Maß für den Wert des Absorptionskoeffizienten in Materie 46

17 Röntgenabsorption Halbwertsdicke 50% von 100% 50% von 50% 50% von 25% 50% von 12.5% 50% von 6.25% Innerhalb einer Halbwertsdicke fällt jeweils 50% der Strahlintensität ab 47

18 Eindringen von Röntgen in Materie Transparenz Absorptionskoeffizient Halbwertsdicke x 1/ 2 ln 2 xray Absorptionskoeffizient - enger Zusammenhang von Absorptionskoeffizient und Halbwertsdicke - Absorptionskoeffizient nimmt mit der Röntgenphotonenenergie ab - Halbwertsdicke nimmt zu, da proportional reziprokem Wert des Absorptionskoeffizienten - Gewebe wird transparenter für höherenergetische Strahlung 48

19 Röntgendiagnostik Strahlenbelastung Photonenenergie höherenergetische Röntgenstrahlung niederenergetische Röntgenstrahlung - niederenergetische Röngenstrahlung wird von Körper vollständig absorbiert - kein Beitrag zum Informationsgehalt des Röntgenbildes, aber Strahlenbelastung des Gewebes - Ziel ist deutliche Reduktion der Strahlenbelastung des Patienten ohne Informationsverlust 50

20 Frequenzabhängigkeit der Eindringtiefe Muskeln Breites Spektrum Röntgenlichts führt je nach Wellenlänge zu unterschiedlichen Eindringtiefen Symptome - keine Transmission von Strahlung unterhalb 10 kev - steiler Anstieg der Eindringtiefe im Bereich 10 bis 25 kev - nahezu keine Abhängigkeit von Photonenenergie oberhalb 40 kev Eindringtiefe xray xray Entfernung in Intensität der Strahlung auf 1/e abgenommen hat Strahlung aus Röntgenröhre unterhalb von 10 kev wird vom Gewebe vollständig absorbiert und trägt nicht zum Röntgenbild bei 1 Dimensionsanalyse δ m xray 51

21 Spektrum Röntgenquelle ohne Filter Begriff Aufhärtung Röntgenfilter Verwendung von Metallfiltern vor Austritt aus Röntgenquelle absorbiert effektiv niederenergetische Strahlung und reduziert so Strahlenbelastung bei Röntgenuntersuchungen 52

22 Röntgenfilter Symptome Spektrum einer Röntgenröhre enthält alle Frequenzen bis zur Duane-Hunt Grenze - dünne (einige 10 μm Dicke) Röntgenfilter absorbieren niederenergetische Röntgenstrahlung - Gewebe wird durch langwelliges Röntgenlicht nicht belastet 54

23 Röntgendiagnostik Mammographie Symptome - sichere diagnostische Methode zur Erkennung eines Mammakarzioms - Röntgenographischer Nachweis von Mikrokalzifikationen - Problematisch ist geringer Kontrast von Drüsen-, Haut-, Fettgewebe zu Verkalkungsbereichen - gesucht ist OPTIMALE Balance zwischen Dosis und Kontrast - Kontrast und Dosishängen von Photonenenergie der Strahlung ab - geringe Photonenergie: hoher Kontrast ABER geringe Eindringtiefe der Strahlung erfordert hohe Strahlendosis erhöhte Strahlenbelastung des Patienten - hohe Photonenenergien: erhöhte Eindringtiefe verringert Strahlenbelastung ABER reduzierter Kontrast - Einsatz weicher Röntgenstrahlung notwendig - Anode aus Moleybdän erzeugt charakterische Strahlung bei 17.5 und 19.6 kev 56

24 Absorption höherenergetischer Strahlung Röntgenfilter Molybdenum Filter 20 kev - Röntgenfilter absorbieren Strahlung, wenn Photonenenergie Absorptionskante (K-, L-) erreicht - durch Wahl des Filtermaterials kann Spektrum eingestellt werden 57

25 Absorptionskanten Wasserfenster KKante O K Kante C Für Medizin und Biologie interessant Energiebereich zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoff K-Kante - Eindringtiefe weicher Röntgenstrahlung für Gewebe stark von Wellenlänge abhängig - Strahlung zwischen 300 und 500 ev erlaubt Untersuchung von Biomolekülen in Wasser 58

26 Röntgen trifft Gewebe Absorption vs Dichte Tabellierter Absorptionskoeffizient gibt Abschwächung NUR für normalen Festkörper an 59

27 Röntgen trifft Gewebe Massenschwächungskoeffizient µ xray Dimensionskontrolle m m m kg kg tissue Abssorptionskoeffizient gewichtet mit Dichte des Gewebes Massenschwächungskoeffizient für Röntgenstrahlung µ xray tissue - unterschiedliche Dichte des Gewebes ändern Absorptionslängen - Halbwertsdicke hängt neben Element und Photonenenergie von Dichte der Materie ab - tabellierte Werte des Massenschwächungskoeffizienten werden in Medizin verwendet 60

28 Röntgen trifft Gewebe Osteoporose Symptome - keine Modifikation die Elementzusammensetzung des Knochengewebes - Dichte des Gewebes in den Knochen ändert sich I xray x debeer-lambert Gesetz exp 0 I xray tissue x tissue 61

29 Röntgen trifft Gewebe Massenschwächungskoeffizient Symptome Berechnung de Massenschwächungskoeffizienten für unterschiedliche Gewebe µ GesamtMassenschwächungskoeffizient bei Durchtritt durch unterschiedliches Gewebe xray µ 1 µ 2 µ 3 µ 4 wtissue -1 wtissue-2 wtissue-2 wtissue-2... tissue total Additiv und gewichtet ( ) mit Gewebetyp w i µ 1 1 µ 2 2 µ 3 3 µ hängt von der dritten Potenz der Wellenlänge ab je höher die Spannung an der Röntgenröhre, desto geringer ist der Koeffizient -hängt von der dritten Potenz der Kernladung ab je schwerer das Element, desto höher fällt der Koeffizient aus 62

30 Massenschwächungskoeffizient physikalische Prozesse Massenabschwächungskoeffizient für Wasser als Funktion der Photonenenergie - unterschiedliche Prozesse tragen zur Röntgenabsorption in Materie bei - Koeffizient ist Summe der Streu- und Absorptionsquerschnitte der physikalischen Prozesse 63

31 Röntgen trifft Gewebe Massenschwächungskoeffizient Massenschwächungskoeffizient für Röntgenstrahlung µ xray gilt für tissue 3 3 Ctissue Z E 1.0 MeV ph bei Wechselwirkung NUR über Photoeffekt - hängt von der dritten Potenz der Wellenlänge ab je höher Röntgen-Photonenenergie, desto geringer ist Strahlabschwächung - hängt von der dritten Potenz der Kernladung (Ordnungszahl) ab je schwerer das Element, desto höher fällt Massenschwächungskoeffizient aus 64

32 Absorption von Strahlung Knochen vs Muskel Massenschwächungskoeffizient bei geringen Röntgenenergien erhöht gegenüber Muskel 66

33 Allgemeine Abhängigkeiten Röntgenabsorption 3 xray xray 3 xray Z element xray tissue xray xtissue 67

34 Elementabhängigkeit Röntgenabsorption Massenschwächungskoeffizient µ xray tissue Z 3 Vergleich der Massenabschwächungskoeffizienten für schwerer Metall wie Blei zeigt im Vergleich zu Wasser teilweise starke Abschwächung energetischer Strahlung 69

35 Röntgenabsorption Kontrast erzeugen Röntgenschwächungskoeffizient Röntgenabsorptionskanten - Massenschwächungskoeffizient ist abhängig von Element und Photonenenergie - hohe Absorption von Röntgenlicht, wenn Anregung innerer Schalen möglich - Verwendung schwerer Elemente, um Kontrast im Röntgenbild zu erhöhen 70

36 Röntgenabsorption Mosley Gesetz E xray 1 2 Z Energie der Photonen in MeV Beschleunigungsspannung typischer Röntgenröhren C Fe Br Ag Ag W Pb Pb W Pb W Farbskala Massenabschwächungkoeffizient Kernladungszahl des Elements - Röntgenstrahlung je schwerer das Element, wird von leichten Elementen kaum absorbiert -desto je schwerer stärker die das Abschwächung Element, desto stärker Abschwächung kurzwelliger Strahlung 71

37 Elementabhängigkeit der Röntgenabsorption Absorptionskoeffizient Jod-Absorptionskante bei 33 kev Photonenenergie erhöhte Röntgenabsorption durch Zugabe von NaJ Kontrastmittel für mittlere Photonenenergien - Muskeln und Fett absorbieren im Vergleich zu Knochen nur geringeren Anteil der X-Strahlung - Zugabe Jod (schweres Element im Periodensystem ) führt zu erhöhter Absorption - Gewebe, bestehend aus hauptsächlich leichten Elementen, kann sichtbar gemacht werden 72

38 Absorption von Strahlung Knochen vs Kontrastmittel Schwächungskoeffizienten x30 gegenüber Knochen x300 gegenüber Muskel - Absorption durch Zugabe von NaJ oberhalb Jod K-Kante stark erhöht - Massenabschwächungskoeffizient übersteigt deutlich Absorption anderes Gewebe 73

39 Charakteristisch aufgrund der beteiligten Energieniveaus Symptome - Mindestenergie Photon notwendig, um Elektronen aus tiefliegenden Niveaus herauszulösen - Absorptionskante öffnet zusätzlichen Kanal für Energieabgabe - Querschnitt erhöht sich und Strahlung wird effektiver absorbiert Absorptionskante hoher Kontrast möglich Element Ba I Xe Z medizinische Anwendung Darm Blut Lunge, Gehirn Absorptionskanten biologisch relevanter Elemente bei etwa 1 kev - H, C, N, O nahezu transparent bei höheren Photonenenergien - Verwendung schwerer Elemente als KONTRASTMITTEL 74

40 einfaches rechnen Subtraktions-Angiographie Dynamik der Injektion Farben geben an, wie sich Kontrastmittel in Gefäßen ausbreitet Aufnahme von Gefäßbildern ohne störenden Hintergrund durch Substraktion der Röntgenaufnahmen mit und ohne injiziertes Kontrastmittel 75

41 Spektroskopie mit Röntgenlicht Braggstreuung Gitterabstände im Festkörper -10 d FK 10 m n d FK Brack sin xray Bragg 2d FK sin Bragg zusätzliche Wegstrecke für Lichtstrahl d FK sin Bragg geometrischer Wegunterschied im Strahlengang konstruktiv xray 2dFK sin Bragg Braggbedingung für konstruktive Interferenz bei Röntgenlicht - Streuung an Kristallen typisch xray - typische Atomabstände im Festkörper vergleichbar mit Wellenlänge von Röntgenstrahlung - Lichtstreuung mit Röntgenstreuung erlaubt Beobachtung von Interferenzphänomenen - Bragg-Streuung erlaubt Erzeugung monochromatischer Röntgenstrahlung m 77

42 Röntgenlicht Monochromator schwenkbarer Detektor Röntgenröhre min xray U e 39.3 kev m Durchstimmbare Röntgenstrahlung durch Baggstreuung an Kristall 78

43 Linus Pauling Modell Struktur der DNA Linus Pauling Incorrect triple helix model of the structure of DNA (1952) 79

44 Watson-Crick-Wilkins Modell Struktur der DNA Watson & Crick Nobelpreis für Medizin

45 Strukturanalyse Röntgenspektroskopie geringer Wassergehalt höherer Wassergehalt Rosalind Franklin Klärung der Doppelhelix-Struktur der DNA durch Röntgenstreubilder 81