Röntgen kép és Komputer tomográf (CT) Bevezető. Ujfalusi Zoltán Március 8. PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Átírás

1 Röntgen kép és Komputer tomográf (CT) Március 8. PTE ÁOK Biofizikai ntézet Ujfalusi Zoltán Hand mit Ringen: print of Wilhelm Röntgen's first "medical" x-ray, of his wife's hand, taken on 22 nd December 1895 and presented to Professor Ludwig Zehnder of the Physik nstitut, University of Freiburg, on 1 st January Röntgen sugárzás = X-ray (angol) Kétirányú röntgen felvétel a lábszárról: Növekedésben lévõ csontok normális képe. Az epiphysis fugák nyitottak (nyilak). Egészséges tüdő röntgen képe. Bevezető 1

2 Egyenes vonalú terjedés (kölcsönhatás mentes esetben) Távolságfüggő intenzitás r 0 1. közeg 2. közeg 1. közeg minta DETEKTÁLÁS E=hf 0 minta ~ A 2 : intenzitás A: amplitúdó Reflexió Transzmisszió Abszorpció transzmittancia abszorbancia A Szórás (a fény iránya és intenzitása változik) T 0 log 0 log T Reflexió Transzmisszió Abszorpció Szórás Jelentősége kicsi! Jelentős! Fontos a képalkotáshoz! Képalkotási hibaforrás! ~ n n: fotonszám Az EM-sugárzás intenzitása az anyagon való áthatolása közben csökken, az egyes fotonok energiája nem. Az intenzitás csökkenését exponenciális törvény írja le. x ( x) (0) e Abszorpció: : elemfüggő n=n/v: sűrűségfüggő A ~ λ 3 Z 4 dd Fotoeffektus -> másodlagos RTG sugárzás (karakterisztikus) Compton effektus: - energia -> nem érzékeny a detektor - szórás -> intenzitás csökkenés, életlen kép/kontraszt csökkenés 0 : a kezdeti intenzitás μ: lineáris gyengülési tényező x: a behatolás mélysége lin. attenuációs koefficiens Párképződés (1,02 MeV felett): A nagy energiájú fotonból elektron és pozitron lesz. Ez utóbbi egy másik elektronnal egyesülve megsemmisül (annihiláció) és foton keletkezik. 2

3 Az elektromágneses sugárzás (gamma-, röntgensugárzás) energiáját teljesen elnyeli egy atomi elektron. A foton lendületét (impulzusát) az atom veszi át. Ha a gamma kvantumnak elegendő energiája van, ki tudja szabadítani az elektront a mag vonzásából. Elektromágneses sugárzás kölcsönhatása szabad, vagy gyengén kötött elektronokon. A Compton-effektus során egy E 0 = h energiájú és p 0 = h /c impulzusú foton rugalmasan ütközik egy elektronnal. hν: az elnyelt foton energiája E: az elektron kötési energiája 1/2m 0 v 2 : az elektron mozgási energiája impulzus- és energiamegmaradás Ha az elektromágneses sugárzás energiája meghaladja a 1.02 MeV-ot, akkor a foton energiájának egy része pozitron-elektron párt kelt. Mivel az elektron és a pozitron nyugalmi energiája egyaránt m 0 c 2 =511 kev ezért keletkezésükhöz minimum 1.02 MeV energia szükséges. A foton energiájának 1.02 MeV feletti részét az elektronpozitron pár mozgási energia formájában veszi át. -50 kev : fotoelektromos hatás kev : fotoelektromos hatás és Compton szórás 200 kev-1 MeV : Compton szórás 1 MeV-20 MeV : Párképzés valószínűsége nő 20 MeV - : a párképzés dominál FZKA Fotoelektromos hatás: * gerjesztés * ionizáció Z Z + + e - A detektálás alapja az alapállapotba visszatérő elektron fénykibocsátása. Szcintillációs kristály detektor. KÉMA onizáció Reaktív gyök képződés Kémiai kötés felszakítása fotokémia: fényérzékeny anyag feketedése Röntgen kép BOLÓGA Reaktív gyökök keletkezése felborítja a kémiai anyagokra alapuló biokémiai ciklusok egyensúlyát Enzimeket roncsol (oxidatívan) Sejtszintű mal-/diszfunkció szövet szerv szervezet (pl. rák) A besugárzási dózisra nagyon kell figyelni! 3

4 Relatív intenzitás Wilhelm Conrad Röntgen; 1895 Betegségek diagnosztizálása: mivel a csontot alkotó atomok átlagrendszáma nagyobb a húst alkotó atomok átlagrendszámánál, ezért a csont jobban elnyeli a sugárzást mint a hús, ezáltal a fotolemezt kisebb mértékben feketíti meg. (A csont alkotóelemeinek (CaPO 4 ) rendszáma: Z = 20, 15, 8, az izomszövet alkotóelemeinek ( H, C, N, O ) rendszáma: Z = 1, 6, 7, 8.) A röntgensugárzás alkalmazása megfelelő védekezés nélkül sugársérüléseket okozhat, mint például bőrgyulladás, hajhullás, szemfájdalmak, fehérvérűség, rosszindulatú daganatok stb. A sérülések elkerülése érdekében a röntgencsöveket ólomburkolattal veszik körül, a röntgenberendezéseket ólomfalakkal árnyékolják. A test védelmére ólomkesztyűket, ólomtakarókat, ólomszemüvegeket használnak Nobel-díj A katódsugárcsőből kilépő sugárzás: hatására a sókristály fluoreszkál, elektromos és mágneses mezővel nem téríthető el, különböző anyagokban különböző mértékben nyelődik el. smeretlen forrása miatt X-sugárzásnak (X-ray) nevezte el. Röntgen katódsugárcső katód anód Gáztöltésű röntgencső zzókatódos röntgencső P Rtg 2 cu Z Kilépő rés c: 1,1x10-9 V -1 (konstans) U: gyorsító fesz. (több kv) : áramerősség (~ ma) Z: rendszám (W:74) A betáplált energia kevesebb, mint 1%-a alakul RTG sugárzássá. 99% hő! (hűtés!) Fékezési: folytonos emissziós sugárzás Karakterisztikus: vonalas em. sugárzás Röntgencső Generátor Felvételi egység Vezérlő egység Hullámhossz (nm) 4

5 Probléma: Röntgen kép szummációs kép (az erősebb kontrasztú takar) A rtg. csőből kilépő sugár felnagyítja a képet Szóródó rtg. sugár is exponálja a filmet (szürkeség) Leképezés és térbeli információ Z Oldalnézet (X,Y): Y X Felülnézet (Z): RTG felvétel (emulzió) sík / panoráma Elektronikus képerősítéses RTG Digitális szubsztrakciós angiográfia (DSA) Oldalnézet (Y): Nem egyértelmű! lyen SZUMMÁCÓS képet mutat a Röntgen felvétel! 3D 2D RTG készülék Képerősítő Videokamera Képernyő Előnyök: %-ra csökkenő dózis digitalizálható/digitalizált jobb kontraszt mozgókép készíthető in situ alkalmazható Hátrány: kicsinyített kép csökkent térbeli felbontás közönséges felvétel felvétel kontrasztfeltöltéssel különbség 5

6 A fiatal, gyorsan szaporodó sejtek, mint rosszindulatú daganatok sejtjei igen érzékenyek az ionizáló sugárzással szemben. Ezért lehet felhasználni a daganatok kezelésére a röntgensugarakat és a radioaktív izotópokat. A kezeléssel egyes daganatok terjedése visszaszorítható. Röntgenátvilágítással kimutathatók a fémekben lévő esetleges anyaghibák. Használják a röntgensugarakat a műtárgyak, olajfestmények, régiségek vizsgálatához. Leképezés és térbeli információ A kristályrácsokról visszaverődő röntgensugarak interferenciájából a kristályok szerkezetére következtethetünk. CT történelem J. Radon, matematikai modell 1972 CT klinikai alkalmazása 1979 Orvostudományi Nobel-díj Godfrey Hounsfield Allan Cormack CT alapelvek A hagyományos röntgen felvételek kiküszöbölendő problémái Egyik probléma az, hogy a filmen a nagyobb méretű, nagyobb denzitású objektumok eltakarják a kisebbeket, valamint a kis méretű, de nagy denzitású objektumok ugyanolyan mértékű feketedést idézhetnek elő a filmen, mint a nagyobb méretű, de kis denzitású objektumok. A következő probléma az az, hogy a különböző mélységben elhelyezkedő objektumok különböző méretben jelennek meg a filmen. Siretom fej szkenner (1974) 128x128 felvétel a Siretom készülékkel (1975) Valamint probléma még, hogy a különböző objektumokon szóródó röntgen sugár is exponálja a filmet, ami egy általános szürkeséget hoz létre, melynek információ tartalma nincs. Oldalnézet (X): Oldalnézet (Y): Felülnézet (Z): Y X Z Z Y X Y X 6

7 CT alapelvek d: egy réteg (voxel) mélysége µ x : lineáris attenuációs (sugárgyengítési) együttható A képpontokat pixelnek, a hozzájuk tartozó térfogategységeket voxelnek nevezzük. CT alapelvek A CT egy adott térfogatelem (voxel) sugárgyengítését mutatja a hagyományos technikáknál nagyobb pontossággal Korszerű CT- több mint 1000 projekció (egy projekció- több száz detektor) Modern CT képmátrix: 512x512 pixel / szelet 12 bit színfelbontás CT alapelvek V Pásztázás Képpontok kiszámítása: filtered backprojection, már az adatgyűjtés során elkezdődik a kép kiszámítása. Filtering a nagy sugárgyengítésű szövetek árnyékának kiküszöbölésére. Kernel szűrő segítségével a kép lágysága, keménysége szabályozható. A backprojection az egyes projekció adatait hozzárendeli a képmátrix pixeleihez.. Generáció (1974) Egy mozgó forrás Egy mozgó detektor Pásztázás Pásztázás -V-V. V. V. Együttes (szimultán) forgás generáció Egy mozgó forrás Keskeny legyező alakú nyaláb Több mozgó detektor Szimultán mozgás Csak a forrás forog -V. generáció Egy mozgó forrás Széles legyező alakú nyaláb.: sok detektor ívben V.: körkörösen elhelyezett kristály detektorok ( db) Wolfram gyűrű V. generáció Egy statikus elektron-forrás Eltérítőtekercs wolfrámgyűrű Széles legyező alakú nyaláb Sok kristály detektor 7

8 Pásztázás V Elektronsugár CT (V. generáció) Wolfram gyűrű Detektorok 216 köríven Egy gyűrű több gyűrű Léptetés: a test (asztal) mozgatásával 4 szelet szimultán Multislice CT (V. generáció) Egyszerre több szeletet lehet monitorozni. Egy kép alkotása ms is lehet valós idejű monitorozás (real time) CAT SCAN Computed axial tomography scan A kapott axiális tengelyre merőleges metszetek számítógép segítségével tetszőlegesen átrendezhetők, akár más síkú metszetekké! Emberi test szöveteinek elhelyezkedése a Hounsfield skálán N CT 1000 w w Denzitás: Hounsfield egységek N CT : ill. HU, azaz Hounsfield egység µ: voxel sugárgyengítési együtthatója µ w : víz sugárgyengítési együtthatója Skála: ig 8

9 Gantry (mérőüreg) Páciens asztal Nagyfeszültségű generátor Vezérlőpult Számítógép cm átmérőjű üreg os szögben dönthető Rtg cső, detektorok, adatgyűjtő rendszer Modern készülék: Cső-detektor rendszer csúszóérintkezős (360-0,5 s) Fej, nyak, törzs, szív, tüdő... CT Angiográfia (erek belső vizsgálata) Laparoszkópia Vastagbél tükrözés (kolonoszkópia) 9

10 Spirális CT Virtuális endoszkópia Angiográfia 3D rekonstrukció Nagy atomtömegű elemek: (, Ba, Ce, Gd, Tb, Dy, Yb, Au, Pb, Bi). A kontrasztnövekedés elsősorban a fotoelektroneffektusnak köszönhető amely az attenuációs koefficiens nagy növekedéséhez, és így megnövekedett intenzitás-különbséghez (nagyobb kontraszthoz) vezet. Bejuttatás: A test megfelelő részeibe kell eljuttatni (aktív/passzív). Teljes kiürülés a szervezetből, metabolizáció nélkül. A nehézfémek kedvezőtlen élettani hatásait és korlátozott kiürülésüket előnyösen változtatja meg, ha kelátkomplexeiket használjuk, mert a komplexeknek sokkal kisebb az in vivo kötődésük és így a toxicitásuk is. A jó kontrasztanyag tulajdonságai: - nagy stabilitás és kinetikai inertség, - hatékony kontrasztnövelő hatás 10