Ionisierende Strahlung

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Clemens Kaufman
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1 Vorlesung zu Q11: Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, Strahlenschutz Grundlagen & Bildgebung Prof. Dr. Willi Kalender, PhD Institut für Medizinische Physik Universität Erlangen www.imp.

1 1 Vorlesung zu Q11: Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, Strahlenschutz Grundlagen & Bildgebung Prof. Dr. Willi Kalender, PhD Institut für Medizinische Physik Universität Erlangen Das pdf zu dieser Vorlesung ist auf der Homepage zu finden! Ionisierende Strahlung Elektromagnetisch Photonen: Gammastrahlung Das Thema heute! Korpuskular geladene Teilchen» Elektronen e-» Pionen π-» Protonen p+» Alphateilchen α++» Ionen X+ ungeladene Teilchen» Neutronen n Seite 1

2 2 Berta Röntgen 1895 Erzeugung von t Wechselwirkung mit Materie, Schwächung der Strahlung Bildgebung mit g CT-Bildgebung Seite 2

3 3 (= Bremsstrahlung ) entsteht, wenn energiereiche Elektronen beim Aufprall auf Materie abgebremst werden. Erzeugung von Röntgenröhr e e Vakuum Heizstrom und -spannung z.b. 15 V, 6 A (Filament ( Filament ) Gehäuse (Glas oder Keramik) Glühdraht/Kathode e Anodenteller (z.b. Wolfram) Röhrenstrom I [ma] Austrittsfenster (Zentralstrahl) + Röhrenspannung U [kv] Achse Anodenwinkel z.b. ϑ = 10 γ Seite 3

4 Info zu Röntgenröhren entsteht in allen Materialien. Die Ausbeute nimmt mit der Ordnungszahl Z zu (~ Z 2 ). Die Anode besteht meistens aus Wolfram (Z = 74) mit Beimischungen von Rhenium (Z = 75).

4 4 Info zu Röntgenröhren entsteht in allen Materialien. Die Ausbeute nimmt mit der Ordnungszahl Z zu (~ Z 2 ). Die Anode besteht meistens aus Wolfram (Z = 74) mit Beimischungen von Rhenium (Z = 75). Wolfram ist wegen des hohen Schmelzpunktes (T = 3410 C) günstig. Blei ist weich und schmilzt zu schnell. Die Ausbeute liegt im Bereich von 0,1-1,0% der Energie. Der Rest der elektrischen Energie geht als Abwärme verloren! Hochspannungswerte liegen typ. zwischen 25 kv (Mammographie) und 140 kv (Hartstrahltechnik, CT), Leistungswerte zwischen 10 und 100 kw. Klassische Röntgenröhre (Stehanode) Seite 4

5 5 Frühe Drehanoden-Röntgenröhre Moderne Drehanoden-Röntgenröhre Drehanode Seite 5

6 6 Linearbeschleuniger Linearbeschleuniger Elektronen- und Photonen von typ MeV Beschleunigungsstrecke e - -Injektor Seite 6

7 7 Röntgenspektrum Anode: W (Z=74) / Re (Z=75) Winkel ϑ = mm Al Eigenfilterung N(E) Bremsstrahlung ungefiltert K-charakteristische Strahlung Dosis: α 1 α 2 Strom Zeit [mas]: I T Spannung [kv]: U Abstand [cm]: R β 1 Bremsstrahlung β E [kev] Photonenergie E max = eu Charakteristische Strahlung z.b. Wolfram E max = eu E Bindung = E Seite 7

8 Erzeugung g g von Wechselwirkung mit Materie, Schwächung der Strahlung Bildgebung mit CT-Bildgebung CT-Kolonoskopie Wechselwirkung von Photonen mit Materie abhängig von der Energie E der Strahlung Anzahl der Streuzentren pro Volumen, d.h. der Dichte ρ Ordnungszahl Z Absorption Streuung Seite 8 8

9 9 Photoeffekt Wechselwirkung mit gebundenen Elektronen stark abhängig von Ordnungszahl und Energie τ ~ (Z 3 / E 3 ) sprunghafter Anstieg von τ, wenn E > E i gesamte Energie des Photons wird am Wechselwirkungsort als Dosis deponiert Compton-Effekt Wechselwirkung mit einzelnen Elektronen inelastische Streuung mit Richtungsänderung des Photons und mit Energieübertrag nur geringe Energieabhängigkeit, aber σ C ~ ρ Seite 9

10 Wechselwirkung von Photonen mit Materie Photoeffekt τ ~ ρ Z 3 / E 3 Compton-Effekt σ C ~ ρ Rayleigh-Streuung σ R ~ ρ / E 2 Paarbildungseffekt κ ~ ρ Z 2 (bei E > 1.

10 10 Wechselwirkung von Photonen mit Materie Photoeffekt τ ~ ρ Z 3 / E 3 Compton-Effekt σ C ~ ρ Rayleigh-Streuung σ R ~ ρ / E 2 Paarbildungseffekt κ ~ ρ Z 2 (bei E > MeV) Für die Bildgebung mit sind Photo- und Compton-Effekt von Bedeutung! Schwächung und Kontrast 10 kv: Photoeffekt (hier Totalabsorption) ) 30 kv: Photo- + Comptoneffekt 60 kv: Photo- + Comptoneffekt 300 kv: Comptoneffekt Seite 10

11 11 Erzeugung g von Wechselwirkung mit Materie, Schwächung der Strahlung Bildgebung mit CT-Bildgebung ca Frauenklinik Erlangen 1918 Leuchtschirm, z.b. CaWO 4 -Folie, der Röntgenphotonen absorbiert und deren Energie in Licht wandelt Seite 11

12 12 Detektoren in der Radiographie Leuchtschirme (Szintillatoren) Film, Film-Folien-Systeme Bildverstärker Speicherfolien Festkörperdetektoren indirekt Festkörperdetektoren direkt (a-se) Filmkassette mit Bleiabschirmung dünnere vordere Verstärkerfolie Röntgenfilm dickere hintere Verstärkerfolie Andruckschaumstoff Aufbau einer Röntgenfilmkassette Seite 12

13 13 Bildverstärker (X-Ray Image Amplifier) Echtzeit Gepulste Aufnahmen möglich Geometrische Verzerrungen Ungünstige Abmessung Quelle: Schinz, Radiologische Praxis in Klinik und Praxis, Georg Thieme Verlag, 1987 Seite 13

14 Seite 14

15 15 Festkörperdetektoren Flachdetektor mit direkt elektronischem Auslesen CT-fähige rotierende C-Bogen-Systeme Bildverstärker Flachdetektor Seite 15

16 16 Erzeugung g von Wechselwirkung mit Materie, Schwächung der Strahlung Bildgebung mit CT-Bildgebung Röntgenaufnahmen des Schädels a.p. lateral Seite 16

17 CT-Aufnahmen des Gehirns 1974 1994 Fächerstrahlgeometrie (x-y-ebene)

17 17 CT-Aufnahmen des Gehirns Fächerstrahlgeometrie (x-y-ebene) Röntgenröhre y x Messfeld mit Objekt Detektor (typ Kanäle) y x Seite 17

18 18 y x Und wie entsteht t das Bild? Pro Detektorschicht und Umlauf werden etwa 1000 Projektionen zu je 1000 Kanälen akquiriert. y x Einfluss des Faltungskerns Glättend soft Standard Aufsteilend bone Seite 18

19 19 Einfluss des Faltungskerns Glättend Standard Aufsteilend 4. Was wird im CT-Bild dargestellt? Der lineare Schwächungskoeffizient gemittelt über jedes Volumenelement in Hounsfield-Einheiten Δy Δx S z y x Seite 19

20 20 Die Hounsfield-Skala CT-Wert μ - μ G Wasser μ Wasser 1000 (HU) µ G = linearer Schwächungskoeffizient des Gewebes G CT-Wert, HU Knochenfenster C/W 1000, Mediastinumfenster C/W -50, Lungenfenster C/W -600, 1700 Seite 20

21 Spiral CT: Scanning Principle Start of spiral scan Path of continuously rotating x-ray tube and detector Direction of continuous patient transport 0 z,

21 21 Spiral CT: Scanning Principle Start of spiral scan Path of continuously rotating x-ray tube and detector Direction of continuous patient transport 0 z, mm 0 t, s Kalender WA et al. Radiology 1989; 173(P):414 and 1990; 176: mm Cone-beam Spiral CT (CSCT) here: M = s rotation mm Seite 21

22 22 Stand der Technik in der MSCT 2006 Rotationszeit pro 360 0,33 0,4 s Min. Schichtdicken 0,5 0,6 mm Simultan erfasste Schichten 64 Max. Röntgenleistung kw Scanzeiten für Ganzkörperscans Scanbereich Isotrope Ortsauflösung Effektive Dosis s >1000 mm 0,4 0,6 mm 1-20 msv Typische Werte für Spitzenscanner 28s Scandauer bei 0,4 mm Auflösung isotrop Visualization of the complete peripheral artery tree 1889 mm in 42 s with 0.33 mm isotropic resolution Courtesy of University Hospital Munich-Grosshadern, Germany 44 Seite 22

23 Visualization of the complete peripheral artery tree 1889 mm in 42 s with 0.33 mm isotropic resolution Courtesy of University Hospital Munich-Grosshadern, Germany Dual Source Cardiac CT DIASTOLE SYSTOLE Achenbach et al., Eur J Radiol 2006; 57(3): Seite 23 23

24 24 Dose Values are no Secret! Typical patient dose values in MSCT: E = 10 msv (1-20 msv) Dose distribution calculated by Monte Carlo Methods on cadaver scans 47 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! ZMP Zentrum für Medizinische Physik, Erlangen, Henkestr. 91 Seite 24

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