Bildgebung mit Röntgenstrahlen

Transkript

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2 Inhalt: - geschichtlicher Überblick - physikalische Grundlagen der Röntgenstrahlung - Erzeugung von Röntgenstrahlung - Wechselwirkung mit Materie - Detektoren - Bildgebung mit Röntgenstrahlung Projektions-Radiographie Computer-Tomographie (Bildernachweis: Dössel, 2000; Morneburg, 1995; Kalender, 2000; Siemens, Philips, Internet)

3 Prinzip - aktiver Abbildungsvorgang durch Zuführung von Energie - unterschiedliche Schwächung von Röntgenstrahlen in den Geweben des Körper

4 Historie 1895 Wilhelm Conrad Röntgen ( ) Entdeckung der Röntgenstrahlen am 8. November 1895 Aufnahme der Hand von Frau Röntgen am 22. Dezember Nobel-Preis für Physik an Röntgen 1912 Nachweis als e.m.-welle durch Streuexperimente am Kristall (Friedrich, Knipping, von Laue) 1917 Johann Radon: Radon-Transformation als mathematisches Prinzip für Röntgen-CT (Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten. Ber. vor Sächs. Akad. Wiss., 69, 262) Coolidge: Röntgen-Röhre mit Hochvakuum

5 Und läßt man der Phantasie weiter die Zügel schießen, stellt man sich vor, dass es gelingen würde, die neue Methode des photographischen Prozesses mit Hilfe von Strahlen aus den Crookeschen Röhren so zu vervollkommnen, dass nur eine Partie der Weichteile des menschlichen Körpers durchsichtig bleibt, eine tiefer liegende Schicht aber auf der Platte fixiert werden kann, so wäre ein unschätzbarer Behelf für die Diagnose zahlloser anderer Krankheitsgruppen als die Knochen gewonnen. Anonym, Frankfurter Zeitung, 7. Januar 1896 (zitiert in: W. Kalender Computertomographie, Publicis MCD Verlag, 2000)

6 Frühe Anwendungen der Röntgenstrahlen (ab 1896)

7 Frühe Anwendungen der Röntgenstrahlen (ab 1896)

8 Frühe Anwendungen der Röntgenstrahlen (ab 1896)

9 Frühe Röntgentechnik

10 Historisches Laue-Experiment

11 Historisches Laue-Experiment

12 1938 Gabriel Frank: Verfahren zur Erstellung von Körperschnittbildern mittels Röntgen-Strahlen (Deutsche Patentschrift 1940) 1957/58 S.I. Tetel Baum, B.I. Korenblyum Bau eines der ersten CT-Scanner am Politechnischen Institut, Kiev, Russland 1961 William D. Oldendorf Erste Labor-Röntgen-CT-Bilder eines Kopf-Phantoms (Idee: ortsfester Detektor; rotierende Probe) 1963/64 A.M. Cormack Erste Darstellung der Röntgenschichtaufnahmemethode (~CT) (Representation of a function by its line integrals, with some radiological applications. J Appl Phys, 34, 2722, 1963)

13 1967 Godfrey N. Hounsfield (Ing.) EMI Lab., England; Beginn der Computertomographie M.M. Ter-Pergossian: Die physikalischen Aspekte der diagnostischen Radiologie 1971/72 G.N. Hounsfield, J. Ambrose, J. Perry erstes klinisches CT 1973 Transversale/Axiale CT 1979 A.M. Cormack u. G.N. Hounsfield: Nobelpreis für Physiologie und Medizin 1980 Digitale Radiographie 2000 ca CT-Installationen weltweit

14 Grundlagen Elektromagnetischer Wellen - Röntgenstrahlung: Licht: Teilcheneigenschaften (Photonen, Lichtquanten) E = h. f [E] = 1eV h = MeV s c = m s -1 Welleneigenschaften e.m. Wellen(züge) der (mittleren) Frequenz f bzw. Wellenlänge λ c = λ. f

15 Grundlagen Elektromagnetischer Wellen - Röntgenstrahlung: Wellenlängenbereich der Röntgenstrahlung: λ = m m f = Hz Hz = 10 5 GHz GHz Photonenenergiebereich der Röntgenstrahlung: E 42 ev MeV

16 Grundlagen Elektromagnetischer Wellen - Röntgenstrahlung:

17 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung:

18 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung: Ionisation von Wasser (ca. 80% der Ionisationen) Zellgifte Radikale (z.b. Wasserstoffperoxid) Schäden der Zellbiologie Zellrestitution (99.9% bei kleiner Dosis) direkte Treffer auf Enzyme u. Chromosomen direkte Treffer auf DNS Schäden der DNS Zelltod Mutationen v. Erbanlagen Krebs Inaktivierung v. Zellen/Organe

19 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung:

20 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung: Natürliche Strahlenexposition: kosmische Strahlung terrestrische Strahlung im freien 0.43 msv/a im Haus 0.57 msv/a inkorporierte radioaktive Stoffe Inhalation von Radon-Folgeprodukten 0.3 msv/a 0.5 msv/a 0.3 msv/a 1.3 msv/a

21 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung: Künstliche Strahlenexposition: Anwendung in Medizin Röntgendiagnostik Nuklearmedizin Strahlentherapie Fallout von A-Bombenversuchen Gebrauchsgüter, Forschung techn. Strahlenquellen Industrieprodukte Störstrahler (Fernseher) Beruflich bedingte Exposition friedliche Nutzung Kernenergie 1.30 msv/a 0.07 msv/a 0.03 msv/a 0.01 msv/a 0.01 msv/a 0.01 msv/a 1.4 msv/a 0.01 msv/a 0.03 msv/a 0.01 msv/a 0.01 msv/a Gesamtdosis (natürlich+künstlich) 1-4 msv/a

22 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung: Strahlenschäden - deterministisch: Schwere eines Schadens steigt mit der Dosis ab einer gewissen Schwelle - stochastisch: Wahrscheinlichkeit für Schaden steigt mit mit der Dosis, keine Schwelle somatisch: betreffen den bestrahlten Menschen z.b. Funktionsstörung von Organen genetisch: rezessive Mutationen treten erst in späteren Generationen auf (zwei mutierte Gene treffen aufeinander und Akkumulation in Bevölkerung)

23 Grundgrößen und Einheiten der Dosimetrie: Energiedosis absorbierte Energie D = = Masse Einheit Gy: Gray dw dm 1Gy = 1J/kg Früher rd: Rad 1 rd = 0.01 Gy Energiedosisleistung D & Energiedosis = = Zeit dd dt Einheit Gy/sec Früher rd/sec (oder /min, /h, /d, /a)

24 Grundgrößen und Einheiten der Dosimetrie: Ionendosis gebildete Ladungsmen ge J = = Masse Einheit C/kg = As/kg dq dm Früher R: Röntgen 1 R = C/kg Ionendosisleistung J & = dj dt Einheit: A/kg

25 Grundgrößen und Einheiten der Dosimetrie: Äquivalentdosis H = q D q = strahlenabhängiger Bewertungsfaktor Einheit Sv = Sievert 1 Sv = 1J/kg Früher: rem Strahlungsform 1 rem = 10 msv q Rö.- und Gammastrahlen 1 Betastrahlen 1 Alphastrahlen 20 Neutronenstrahlen 10 Äquivalentdosisleistung H & = dh dt Einheit: Sv/sec (oder /min, /h /d /a)

26 Mikroskopische Verteilung der deponierten Energie verschiedener Strahlenarten:

27 Typische Dosiswerte in der Röntgendiagnostik:

28 Strahlenschutz: Allgemein gilt: - Vermeidung unnötiger Exposition mit ionisierender Strahlung - falls nicht vermeidbar: ALARA (As Low As Reasonably Achievable) - Informationspflicht Dosis nimmt mit Quadrat des Abstandes ab D ~ 1/A 2 Dosis wächst proportional mit Expositionszeit D ~ t exp