Notwendige Vorkenntnisse. Konventionelle Fluoroskopie. Spezielle Verfahren in der Röntgendiagnostik. Schwächung der Röntgenstrahlung.

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1 Notwendige Vorkenntnisse Medizinische Biophysik 11 Schwächung der Röntgenstrahlung Spezielle Verfahren in der Röntgendiagnostik Bildverstärker Direkte Digitaltechnik DSA Dual Energy Konventionelle Fluoroskopie Das Prinzip Szintillationsschirm (ZnS) Bleiglass

2 Vorteile: keine Entwicklungszeit Manipulation sichtbar, kontrollierbar Nachteile: lange Expositionszeit hoche Strahlenbelastung (Patient u. Arzt) schwaches Licht (dunkeler Raum) Bildverstärker Vorteile - Nachteile Licht Bildverstärker + Elektron ++ Vakuum Beschleunigung Fokussierung Elektroden Szintillationsschirm Photokathode +++ Intensiveres Bild + ktron ++ Beschleunigung Fokussierung Elektroden Photokathode Vakuum Bildverstärker +++ Intensiveres Bild Linse Szintillationsschirm Szintillationsschirm Kamera (CCD) Monitor Computer: Speicherung, Verarbeitung Vorteile Niedrigere Röntgenstrahlungsintensität ist notwendig: reduzierte Strahlenbelastung (Patient und Arzt!) Kein dunkler Raum ist notwendig Die Bilder können digitalisiert gespeichert und später manipuliert werden (zb. DSA)

3 Direkte digitale Röntgentechnik Digitaler Detektor Flat Panel Detektor

4 Direkte digitale Röntgentechnik Vorteile digitale (Nach)verarbeitung kontrast grauwertspreizung (Fenster) Filter:Rauschunterdrückung Bildspeicherung, (PACS picture archiving and communication systems) Digitale Substraktionsangiographie (DSA) Basisbild ( digitalisiert gespeichert) Eingabe des Kontrastmittels (zb. durch einem Katheter in die Blutgefässen) Zweites Bild (Füllungsbild) Basisbild aus Füllunsgbild abgezogen. elektronische Weitergebung der Bilder (Internet) (Patient in VS, Arzt in India!) Dual Energy 70 kv 140 kv

5 Röntgentomographie CT (computed tomography) CT Computed tomography (Computer-Tomographie) tomos=schicht (griechisch) Τομοσ => Tomographie =Schichtaufnahme Auf der Körperachse senkrecht stehende Schicht wird abgebildet. Klassifizierung der tomographischen Verfahren Röntgen CT MRI Optische (?) Absorptionstomograpie Emissionstomographie PET SPECT Geschichte der Tomographie Godfrey N. Hounsfield und Allan M. Cormack 1972 Prototyp 1974 erste klinische Anwendung 1976 ganzkörper-ct 1979 Nobel Preis 1990 spiral CT multislice 2006: 64 Schichten

6 Widerholung: Schwächung der Röntgenstrahlung Rtg Röhre J = I 0 I 0 J 0 e ( μ x + μ x 1 1 μ 1 μ 2 μ 3 x 1 x 2 x μ x ) 2 I I 3 3 = J 0 e μ i x i Summationsbild: = konventionelles Röntgenbild Gibt information über die durchschnittlichen Schwächung Rtg Röhre Die Schwärzung des Filmes hängt von der durchtretenden Intensität, d.h. von μ i x i ab. I 0 μ 2 μ 3 μ 1 x 2 x 3 x 1 I Keine Information über der Verteilung der absorbierenen Stoffe

7 Rtg Röhre Grundprinzip der Computertomographie μ 1,1 Spalt j μ 1,N In einem Kästchen ist μ als konstant betrachtet. Rtg Röhre Reihe i => die Einzelheiten die kleiner als die Kästchengröße sind, werden nicht aufgelöst. Bei komplizierten Gegenstände: Aufnahmen aus vielen Richtungen, Auswertung nur mit Computer möglich => CT μ i,j μ i,j ist der Schwächungskoeffizient des j-ten Elementes in der Reihe i. NxN Tabelle (Matrix) Messung und Bildrekonstruktion Messung und Bildrekonstruktion J Rtg 0 Strahlung μ i,j messbar μ 1,1 μ 1,N n D i = D i j= 1, j J i Röntgendichte: J J 0 Di = lg i J i,j,0 μ ij J J i,j i, j,0 D i, j = lg ~ μi, j J i, j zu Bestimmen N x N unbekannte Werte (D i,j oder μ i,j ) eine Aufnahme: N Messwerte um N x N unbekannten zu bestimmen N x N Messwerte sind notwendig Aufnahmen aus mehreren Richtungen

8 Prinzip der Abtastung Prinzip der Abtastung Rtg Röhre Detektor Rtg Röhre Prinzip der Abtastung Bildrekonstruktion Rtg Röhre Gleichungssystem? Praktisch unlösbar! zb: 512x512 Bildpunkte: Unbekannte! Ein einfaches Annäherungsverfahren: Rückprojektion CT von erster Generation

9 Prinzip der Rückprojektion Bildrekonstruktion Das Bild wird verwischt. Die Bildschärfe muss mit einem mathematischen Prozess erhöht werden: Filtrierung Objekt Bild Bild nach Filtrierung

10 Voxel-Pixel Auflösung μ 1,1 Voxel Pixel Darstellung mit Grautonskala je größer der Schwächungskoeffizient (μ) desto heller der Bildpunkt (wie beim Röntgenfilm) 128x x512 Auflösung Kontrast Kleine Objekte können nur dann detektiert werden, wenn sie sich von der Umgebung sehr stark unterscheiden. Hounsfield Skala (CT Wert) HU μ μ wasser relative Skala = 1000 für μ μwasser Wasser = 0 Luft = Knochen Weichteilgewebe 0 Lunge <0

11 CT Werte von einigen Gewebe Fensterung Grautonskala weiss HU WL (center) WW (width) weiss schwarz WL WW Weichteilfenster Lungenfenster Lungenfenster Doppelfenster Mitte = -720 Breite = 750 ( ) Weichteilfenster Mitte = 35 Breite = 400 ( )

12 Technishe Realisierung, Generationen I. Generation II. Generation Technishe Realisierung, Generationen III. Generation IV. Generation Röntgen röhre Detektor stehender Detektoren -ring Entwicklung: wenigere Bewegung Szintillationsdetektoren bewegender Detektorbogen Xe-Detektor (Ionisation) Entwicklung: wenigere bewegende Bauelemente Generationen: spiral CT Multislice CT Halbleiterdetektor z Das schichtbild kann man in einem beliebigen z Position gerechnet werden. 3. Generation Detekorring Fächelbündel 2 Detektoren 4 Detektoren 2 Schichten 4 Schichten Mehrfächelbündel 1998 Area detector Konusbündel heute: Schichten

13 Erste Generation CT Moderne CT (3. o. 4. Generation) 16 Schichten-CT CT Einstellung mit Laserlichtstrahlen

14 Aufbau eines CT-Gerätes (3. Gen.) 21 Feb Röntgenröhre 256 Schichten CT für Kardiologische Untersuchungen Detektor bewegbares Patientenbett Entwicklung der CT-Aufnahmen Jahr Zeit (s)/ Schicht Anzahl d. Aufnahme Dicke Schichten , , ,4 0,5-0, ,33 0,5-0, D Darstellung Bei einem modernen multislice CT: einige 100 Schichtaufnahmen!! Große Datenmenge! Es kann nicht Schicht zu Schicht betrachtet werden => Dreidimensionale (3D) Darstellung

15 3D Darstellung Surface rendering Surface rendering Zeigt die Oberfläche eines Raumteiles der größere CT-Wert hat als ein Schewellenwert. Volume rendering Die Volumenelemente haben unterschiedliche Durchsichtbarkeit, abhängig von ihrem CT-Wert (Weiche Gewebe transparent, Knochen fast intransparent.) (!) Volume rendering Eine drehende Version findet man hier: volpack/movies/colorhead.mpg Strahlenbelastung der CT Untersuchung..survey in the UK, CT scans constituted 7% of all radiologic examinations, but contributed 47% of the total collective dose from medical X-ray examinations in 2000/2001 (Hart & Wall, European Journal of Radiology 2004;50: ). 47% der Strahlenbelastung kam aus der CT Aufnahmen die nur 7% der radiologischen Aufnahmen gaben. 2000/2001

16 Weitere Literatur Siemens: Bildgebende Systeme für medizinische Diagnostik (3. Ausgabe) Publicis MCD Verlag 1999 G. N. Hounsfield: Computed Medical Imaging (Nobel Lecture 1979) Földes Tamás CT vizsgálatok alapjai (előadásjegyzet) (Ungarisch) C. J. Garvey, R. Hanlon: Computed tomography in clinical practice BMJ (2002) H. D. Nagel: Multislice Technology Hart & Wall, European Journal of Radiology (2004) E. K. Fishman: Multidetector-row computed tomography to detect coronary artery disease: the importance of heart rate. Eur. Heart J. Suppl. (2005) Suppl.G pages: G4-G12 Biophysik für Mediziner VIII/3.1.2 VIII/3.1.3 VIII/3.1.4 VIII/4.3 Rechenaufgaben - Praktikum Medizinische Physik Abschnitt: Röntgen-CT