Röntgen-Computertomographie

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Hildegard Schmitt
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1 Röntgen-Computertomographie 1. Strahlungserzeugung 2. Röntgenröhre, Röntgenstrahler, R RöntgengeneratorR 3. Strahlungsdetektion 4. Wechselwirkung von Röntgenstrahlung R mit Materie 5. Aufbau medizinischer CT-Ger Geräte CT-Funktionsprinzip Röntgenstrahler Detektorbogen»1

2 Erzeugung von Röntgenstrahlung Röntgenstrahlerzeugung U - Röhrenspannung I - Strahlstrom I H - Heizstrom Elektronenenergie: Eel = eu e = 1,6 10 Verlustleistung: P = IU Röntgenstrahlleistung: rö 19 P = ηp = ηiu Wirkungsgrad η typisch <1%! As»2

3 Röntgenstrahlerzeugung - charakteristische Strahlung - Intensität I E Rö Quantenenergie E Atomkern M-Schale L-Schale K-Schale Röntgenstrahlerzeugung - Bremsstrahlung - Intensität I Strahlungsenergie E Röntgenbremsstrahlung Atomkern e -»3

4 Röntgenstrahlerzeugung - spektrale Energieflussdichte - Effektive Röntgenenergie: Morneburg (Hrsg.) Bildgebende System... E max Erö, eff = Eψ ( E) de 0 Röntgenstrahlerzeugung - Abstrahlcharakteristik -»4

5 Typen von Strahlerzeugern Typ max. Verlustleitung Betriebsart Feinfokusröhre: bis 300 W kontinuierlich Festanodenröhre: bis 10 kw kontinuierlich Drehanodenröhre: bis 100 kw kontinuierlich Elektronenstrahler: > 100kW kontinuierlich Linearbeschleuniger: > 1MW gepulst Synchrotron: - gepulst Röntgenstrahlerzeugung Auf Grund des geringen Wirkungsgrades bei der Röntgenstrahlerzeugung ist für Röntgenröhren das thermische Design von wesentlicher Bedeutung. Zum Vergleich: Verlustleistung Röntgenstrahler für medizinische CT: bis 100 kw normale Glühlampe: bis 100 W Haushalt-Halogenlampe: bis 300 W Herdplatte: ca. 1 kw»5

6 Festanoden-Röntgenröhre - Aufbau - Drehanoden-Röntgenröhre - Aufbau Glaskolben (evakuiert) 2 - Kathodenanschluss (-...75kV) 3 - Anodenanschluss (+...75kV) 4 - Doppelfokuskathode mit Wehneltelektrode 5 - Anodenteller 6 - Rotor»6

7 Röntgenröhre - Anodenteller - optischer Brennfleck Material Ordnungszahl max. zul. Temp. Wärmeleitfähigkeit C W/(cm K) Cu ,98 Mo ,38 Ag ,18 Ta ,55 W ,30 Re ,71 Röntgenröhre - Anodenteller -»7

8 Röntgenstrahler Röntgenstrahler»8

9 Eigenschaften des Röntgenstrahlers Zusammenfassung Röntgen-Strahlung: Thermische Eigenschaften: hoher Durchlass am Fenster, Vorfilterung der Strahlung, sonst gute Abschirmeigenschaften (Strahlerverbleiung) hohe Temperaturbeständigkeit: W-Re-Target mit hohem Schmelzpunkt und hoher Verschleißfestigkeit Schlitze für Minderung thermischer Materialspannungen Verteilung der Verlustleistung auf Brennring Schrägstellung des geometrisch großen (langen) Brennflecks gute Wärmeabfuhr: Aufbau des W-Targets auf Molybdän-Graphit- oder Kupfersupport Wärmeabgabe über Strahlung an Ölbad Elektrisch Eigenschaften: Vakuum: Ausreichende Hochspannungsisolation (z. B. 2 x 75kV) 10-5 mbar für gesamte Lebensdauer Röntgengenerator Morneburg (Hrsg.) Bildgebende System...»9

10 Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie Die wichtigsten Wechselwirkungsarten Photoabsorption Elastische Streuung Compton-Streuung Paarbildung E γ >1024 kev!»10

11 Strahlschwächung N 0 s N dn N = µ N ds = N e µs 0 µ = µ + µ + µ τ σ χ µ µ τ - Absorptionskoeffizient µ σ - Streukoeffizient µ χ - Paarbildungskoeffizient Massenschwächungskoeffizient und makroskopische Wirkungsquerschnitte Massenschwächungskoeffizient: Unabhängig von Dichte und elementspezifisch ( tabelliert!) Es gilt näherungsweise: für ein Stoffgemisch mit Massenanteilen w i µ ρ µ ρ ρ i i w µ i i Makroskopische Wirkungsquerschnitte: σ A - atomarer Wirkungsquerschnitt (m²) σ E - Elektronenwirkungsquerschnitt (m²) N A - Avogadrozahl (1/mol) A r - relative Atommasse (g/mol) Z - Kernladungszahl µ A N σ A σ E ρ = A = r N AZ A r»11

12 Massenschwächungskoeffizienten für Wasser Massenphotoabsorptionskoeffizient von Xenon (Z=54)»12

13 Halbwertsdicke d=1hwd N=N 0 /16 N N=N 0 /8 N 0 N=N 0 /4 N=N 0 /2 / N = N 2 s HWD 0 Strahlschwächung einiger Abschirmmaterialien»13

14 Röntgendetektoren für die CT Xe-Detektor Xenon-Gas ca. 20 bar»14

15 Warum Xenon? Szintillationsdetektor»15

16 CZT-Halbleiterdetektor Vorverstärker»16

17 Röntgen-Detektorbogen Eine Rechenaufgabe Gegeben: Strahler: Verlustleistung P el 100kW Wirkungsgrad η 1% effektive Rö-Energie E rö,eff 50keV Detektor: Fläche A 1mm² Nachweiseffizienz ε 50% Tomograph: Abstand Quelle-Det. l 1100 mm Rotation n 1s -1 Projektionszahl n p 800 Strahlschwächung: Filter+Konstr.-Material: 50% Objekt: ca. 30cm H 2 O =7HWD weitere: Elektronenladung e 1, As Gesucht: 1) Anzahl Rö-Photonen pro Projektion und Detektor 2) Statistisches SNR»17

18 CT-Scanner Prinzipieller Aufbau eines medizinischen Sektorscanners der 3. Generation»18

19 Technische Lösungen Schleifringsystem Siemens SOMATOM AR Eintank-Röntgensystem mit Röhre und Hochspannungsgenerator Quelle: Morneburg (Hrsg.) Bildgebende System... Technische Lösungen Hochleistungsröntgenröhre ROTALIX Quelle: Siemens Medizintechnik»19

Sinogramme erfolgt mittels spezieller computergestützter Interpolationsverfahren Quelle: Siemens Medizintechnik

20 Spiral-CT Kontinuierlicher axialer Vorschub bietet folgende Vorzüge: beste Zeitauflösung durch kontinuierliches Fahren (kein axialer Start-Stop-Betrieb) homogene axiale Bildauflösung Das Umrechnen der versatzbehafteten Projektionsdaten auf planare Sinogramme erfolgt mittels spezieller computergestützter Interpolationsverfahren Quelle: Siemens Medizintechnik Mehrzeilen-Detektoren Zusätzliche Verbesserung der axialen Auflösung durch gleichzeitiges Messen in mehreren Durchstrahlungsebenen Quelle: Siemens Medizintechnik»20

21 Darstellung der Schwächung in Hounsfield-Units µ µ CT Zahl = 1000 µ H O 2 H O 2»21

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