Röntgenstrahlung. SE+ MED 4. Semester. Werner Backfrieder. Backfrieder-Hagenberg. Physik der Röntgenstrahlung

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Birgit Breiner
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1 Röntgenstrahlung SE+ MED 4. Semester Werner Backfrieder Physik der Röntgenstrahlung C.W. Röntgen entdeckt 1895 x-strahlen, Würzburg, Experimente mit Kathodenstrahlröhre Beginn der modernen Physik Elektron durch Spannung beschleunigt Energie: E=Ue Elektronen an Anode abgebremst Energie umgewandelt in Strahlung Bremsstrahlung hc Minimale Wellenlänge λ min = Medizin E<140keV (U=?, λ=?) Ue 1

2 Röntgenspektrum Spektren mit verschiedener Beschleunigungsspannung Charakteristische Linien überlagern Bremsspektren Minimale Wellenlänge sinkt mit steigender Energie Charakteristische Strahlung Hüllenelektronen werden von ankommenden Elektronen aus der Bahn geschleudert Bremsstrahlung regt Atomhülle an Innere Elektronen werden auf höhere Schalen gehoben Bei Rückkehr in Grundzustand wird Quant mit charakteristischer Energie abgestrahlt Link zu Animation 2

3 Historie Historischer Versuchsaufbau im Labor in Würzburg Bedeutung für Medizin bald erkannt. Historie Guido Holzknecht Pionier der Röntgendiagnostik Gründung Zentralröntgenlabors im AKH-Wien (1914) 3

4 Röntgenröhren Elektronen werden durch eine Hochspannung (Röhrenspannung) beschleunigt und treffen auf die Anode (Wolfram) auf. Beim Abbremsen der Elektronen entsteht Röntgenstrahlung: Bremsstrahlung (kontinuierliches Spektrum) und charakteristische Strahlung (Linienspektrum). Hohe Wärmebelastung: Verwendung von Drehanoden Röntgenspektrum Die Röhrenspannung bestimmt: die Energie und Intensität der Röntgenstrahlung den Bildkontrast die Dosisbelastung 4

5 I = I e µ.. x 0 Absorption der Röntgenstrahlung Schwächungsgesetz für Röntgenstrahlung I 0 x I(x) I(x) = I 0. e -µ.x µ: Linearer Schwächungkoeffizient, hängt ab von Röntgenenergie (Absorption nimmt mit steigender Energie ab) Ordnungszahl Z der Atome (Absorption nimmt mit Z³ zu) Die Schwächung der Röntgenstrahlung wird damit bestimmt durch: Energie der Röntgenstrahlung ( Röhrenspannung) elementare Zusammensetzung des Absorbers Dichte des Absorbers Dicke des Absorbers Elementare Zusammensetzung Art der chemischen Verbindung ist für die Absorption der Röntgenstrahlung unerheblich Dichte und (vor allem höhere) Ordnungszahlen Z (Rel. Elementanteil in %.Gewicht) Fettgewebe 1H: 11,2 C: 59, N: 0,7 O: 27, Na: 0,1 S: 0,1 Cl: 0,1 Dichte: 0,95 g/cm³ Skelettmuskel 1H: 10,2 6C: 14,3 7N: 3,4 8O: 71,0 11Na: 0,1 15P: 0,2 Dichte: 1,05 g/cm³ Kortikaler Knochen 1H: 3,4 6C: 15,5 7N: 4,2 8O: 43,5 15P: 10,3 16S: 0,3 Ca: 22,5 20 Dichte: 1,92 g/cm³ 5

6 Aufzeichnung der Röntgenstrahlung Registrierung der Röntgenstrahlung (Bildaufzeichnung) mit Verstärkerfolien: Seltene Erden (S.E.)-Leuchtstoffe Röntgenfilm: photographische Emulsion beidseitig Absorbierte Röntgenstrahlung erzeugt Licht wird vom Film registriert Bildschärfe ~ 3-9 Lp/mm Rö.Strahlen Verstärkerfolie Röntgenfilm Verstärkerfolie Röntgenstrahlung Schwärzungskurve geringe hohe mittlere mittlere starke Schwächung geringe Schwärzung 6

7 Objekte aus gleichem Material - verschiedene Dicke Dicke, mm Aluminium kv 100 kv Röhrenspannung Bildkontrast Bildkontrast ist abhängig von der Röhrenspannung: Bildkontrast nimmt mit zunehmender Röntgenenergie ab. 70 kv 110 kv 7

8 Bildqualität Bildschärfe: entsprechend der radiologischen Fragestellung auszuwählen (Optimierung: schärfere Aufnahmen höhere Strahlendosis) Hand von Fr. Röntgen, 22. Dez Bildqualität Bildrauschen: einzelne registrierte Röntgenquanten werden als Pünktchen nachgewiesen Quantenrauschen Dosis Das Quantenrauschen nimmt mit zunehmender Patientendosis ab, die Erkennbarkeit von Bilddetails aber zu. Bildqualität ~ Patientendosis 8

9 Zentralprojektion Röhrenfokus: Ausgangspunkt der Röntgenstrahlung Vergrössernde Abbildung: für einen bestimmten Fokus-Film- Abstand (FFA) wird das Bild b grösser, wenn der Gegenstand g vom Film weiter entfernt ist. Vergrösserungsfaktor v: v = FFA / FOA (FOA: Fokus-Objekt-Abstand) Vergrösserung Fokus Typische Anordnung für eine Röntgenaufnahme: 115 cm 95 cm Eintrittsseite: v = 115/95 = 1,21 Austrittsseite: Patient Filmkassette 20 cm v ~ 1 Unterschiedliche Vergrösserung für die Bilddetails in einer Aufnahme 9

10 Verzerrungen Fokus Abbildung eines Quaders Quader Filmkassette Großer Abstand bei verzerrungsarmen Aufnahmen nötig (Thoraxaufnahmen). Zentralprojektion Überlagernde Abbildung aller Objekte im Strahlengang: Position und Größe der Objekte kann in der Zentralprojektion nicht eindeutig aufgelöst werden 10

11 Darstellung in zwei oder mehr Ebenen a/p Projektion seitlich Röntgenaufnahmen - Bildinformation Anatomische bildhafte Information in überlagerter Darstellung; die Abbildung der Grösse und Lage von Organen, sowie anderer Bilddetails wird bestimmt durch: Dichte des Organs Dicke des Organs elementare Zusammensetzung des Organs Einstelltechnik und Projektionsrichtung die radiologischen Untersuchungs-bedingungen (Röhrenspannung, Bildschärfe, Gerätetechnik) 11

12 Durchleuchtung Darstellung bewegter Vorgänge (z.b. GI-Trakt, Angiographie) und für radiologische Interventionen. Bildaufzeichnung: Bildverstärker Fernsehkamera Computer Monitor Kontrastanhebung - Kontrastmittel Durch den geringen Bildkontrast innerer Organe und die überlagerte Darstellung sind Kontrastmittel zur Verbesserung des Kontrasts erforderlich. Positiv-Kontrast: hohe Röntgenschwächung (höhere Ordnungszahl) BaSO 4 für Magen-Darm-Trakt (unlöslich) (Z=56); Jod-hältige Kontrastmittel für die Angiographie, etc. (Z=53). Negativ-Kontrast: geringere Röntgenschwächung (geringe Dichte) Luft, CO 2, etc. (z.b. Füllung von Magen oder Darm mit CO 2 ) Doppelkontrast: Anwendung beider KMs (Gastrointestinale Untersuchungen) 12

13 Kontrastanhebung durch Bildsubtraktion Organ Röntgenbild (Überlagerung aller Strukturen) Digitale Subtraktionsangiographie (DSA) Füllungsbild Maske = Subtraktionsbild - = 13

14 DSA Darstellung invertiert: Kontrastmittel hohe Absorption schwarz DSA Artefakte durch Bildsubtraktion möglich: Bewegung von: Organen (z.b. Darmbewegung) Maske Subtr. vor KM-Einstrom Patient Subtraktionsbilder 14

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