Röntgendiagnosztika és CT 2013.04.09. Röntgensugárzás Elektromágneses sugárzás (f=10 16 10 19 Hz, E=120eV 120keV (1.9*10-17 10-14 J), λ<10-11 10-8 m) 0.12-12keV: lágy; 12-120keV: kemény Elektronátmenetek által kiváltott sugárzás (!) ionizáló sugárzás Wilhelm Conrad Röntgen, német fizikus 1895 November 8 X-ray (ismeretlen sugárzás) 1901 Fizikai Nobel-díj elektronátmenetek által kiváltott sugárzás gamma sugárzás: atommag által kibocsátott sugárzás Röntgen W.: Ueber eine neue Art von Strahlen. Sitzungsberichte der Wuerzburger Physik.-medic. Gesellschaft, Wuerzburg, 1895. 1
Röntgen sugárzás előállítása (rtg csövek) vákum Hűtött anód 1 ma -1 A hot cathode: source of electrons 30-150 kv Rtg sugárzás ~ 1%-a az elektornok energiájának. Hő ~ 99%. Gyorsító feszültség (30-150kV) ~ az emittált fotonok energiája ~ áthatolóképesség ~ kontraszt a rtg képeken. Áramerősség (1mA-1A) ~ kibocsátott elektronok száma (dózis) ~ a rtg képek sötétsége. Röntgensugárzás létrejötte Karakterisztikus rtg sugárzás (diszkrét energia átmenetek) becsapódó elektronok kilökődött elektron Távoli kölcsönhatás (alacsony energiájú fékezési sugárzás) K L M Közeli kölcsönhatás (közepes energiájú fékezési sugárzás) 2
Wolfram röntgensugárzási spektruma Kα x-ray: L-shell to K-shell jump Kβ x-ray: M-shell to K-shell jump Fékezési és karakterisztikus rtg sugárzás spektruma (80, 100, 120, 140 kv gyorsítófeszültség és azonos áramerősség). = ( ) Intenzitás gyengülés = µ = abszorpciós együttható = azegyeditérfogatelemekszélessége A rtgsugárzásabszorpciója(µ) függ: abszorbeáló anyag rendszáma anyagsűrűség Rtg sugárzás energiája Az i-ik térfogatelem gyengítési képessége 3
Intenzitás gyengülés I 0 I I 0 I Rtg sugárzás kölcsönhatása az anyaggal Kölcsönhatás típusa Foto-elektromos hatás Compton szóródás Pár képződés Fotodestrukció Koherens szóródás Kölcsönhatás fontossága Diagnosztikus radiológia Diagnosztikus radiológia Terápiás radiológia Terápiás radiológia Nem túl jelentős 4
Abszorpciós folyamatok előfordulásának valószínüsége vízben Rtg sugárzás energiája Fotoelektromoshatás Compton-szóródás Párképződés 10 kev 95% 5% 0% 25 kev (mammográfia) 60 kev (diagnosztika) 50% 50% 0% 7% 93% 0% 150 kev 0% 100% 0% 4 MeV 0% 94% 6% 10 MeV (terápia) 0% 77% 23% 24 MeV 0% 50% 50% Foto-elektromos hatás Belső héjat érintő ionizációs folyamat A foton energiája teljesen elnyelődik Foto-elektronhagyjaelazatomot(E=E beesőfoton E e-kötésienergiája ). Üresedés a belső elektron-héjon. Felsőbb héjról elektron tölti be az üres pozíciót. Alacsonyabb energiájú rtg sugárzás keletkezhet (később teljesen elnyelődik) P~Z 3 /E 3 nagyobb valószínűséggel fordul elő alacsonyabb energiájú rtg sugárzás esetén (10-500keV) nagyobb valószínűséggel fordul elő magas rendszámú elemek esetében (pl.csont( 20 Ca),kontraszt anyag( 55 Ba). Növeli a beteget ért dózist. Nagymértékben felelős a rtg képen kialakuló kontraszt mértékéért. 5
Compton szóródás A rtg foton egy atom külső héjáról elektront lök ki (rugalmatlan ütközés). A rtg foton irányt változtat miközben energiája csökkent (frekvencia csökken, hullámhossz nő). Compton e - szabadul ki az atomból. A Compton effektus bármely szövetben előfordulhat. P ~ elektron sűrűség (nagyjából azonos elemenként nem függ a rendszámtól) Nagyobb valószínűséggel fordul elő magas energiájú rtg sugárzás esetén (100 kev - 10 MeV) A szórt foton nem hordoz hasznos információt. Csökkenti a rtg képen a kontraszt mértékét. Képalkotásban fontos tényezők Áthaladt rtg sugárzás (sötét területeket hoz létre a képen) Foto-elektromos hatás (világos területeket hoz létre a képen) Compton szóródás(nincs hasznos információ) 6
Rtg-felvétel Rtg sugárzás objektum rtg szenzitív film v. digitális detektor 2D-s leképezés Szummációs kép Negatív kép sokrtgfoton sötét részek kevés rtg foton világos rész Röntgenabszorpciós CT 7
Élettani és Orvostudományi Nobel díj- 1979 Allan M. Cormack, Godfrey N. Hounsfield Godfrey N. Hounsfield Born: 28 August 1919, Newark, United Kingdom Died: 12 August 2004, Kingston upon Thames, United Kingdom Az első CT készülék építése 1971-ben. Allan M. Cormack Born: 23 February 1924, Johannesburg, South Africa Died: 7 May 1998, Winchester, MA, USA A CT elméleti hátterének kidolgozása(1963-64). http://www.nobelprize.org Alapelvek A rtg-cső forog a beteg körül. A detektorok a sugárzás gyengülését mérik különböző szögekből. A detektorok egy számítógéphez csatlakoznak. Az adatfeldolgozás megfelelő algoritmus szerint történik. Az egyedi abszorpciós együtthatókat tükröző térbeli eloszlás ábrázolódik. Rtg-kép: szummációs kép = az egyedi térfogatelemek összességének eloszlását megjelenítő felvétel. CT kép: az egyedi térfogatelemek sugárzást elnyelő képességének(µ: abszorpciós együttható) egyedi eloszlását megjelenítő felvétel. 8
Intenzitás gyengülés I 0 I I 0 I Intenzitás gyengülés A=8 B=6 C=2 D=4 µ 1 =14 µ 2 =6 µ 6 =8 µ 5 =10 µ 4 =10 µ 3 =12 µ 1 = A+B µ 2 = C+D µ 3 = A+D µ 4 = B+D µ 5 = A+C µ 6 = B+C A=???? µ 4 µ 3 = B+D-(A+D) = B+D-A-D = B-A B = µ 4 µ 3 + A µ 1 = A+B µ 1 = A+(µ 4 µ 3 +A)= µ 4 µ 3 +2A µ 1 µ 4 +µ 3 = A = 14 10+12 =8 2 9
III. generációs CT készülék A rtg-cső és a detektor is forog. Legyező alakú nyaláb (30-60 ) a beteg teljes lefedésére. 1 szekundumos szkennelési idő. Kitűnő rekonstrukciós és felbontó képesség. V. generációs Spirál CT A rtg- cső 360 fokban forog a beteg körül míg az asztal mozog a felvétel készítése alatt. Nagyszámú detektor együttes használata (akár 14,600 detektor 1.25mm szélességgel) egy szkenneléshez tartozó szeletek száma nő. Csökkent a felvételek elkészítésének ideje (50ms 5min.). 10
Jó kontraszt 3D-s információ Előnyök és hátrányok Magas sugárterhelés (akár 500-600X) a hagyományos rtg felvételekkel összevetve. Vége! 11