1
Seite 1
Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und
Sonographie
Bildaufnahme Röntgen
PD Dr. Frank Zöllner
Computer Assisted Clinical Medicine Faculty of Medicine Mannheim University of Heidelberg Theodor-Kutzer-Ufer 1-3 D-68167 Mannheim, Germany [email protected]
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 93 I Datum
Bildaufnahme
Systeme zur Bildaufnahme ! Verstärkerfolie ! Röntgenfilm ! Kassette ! Filmentwicklung ! Digitale Filmentwicklung/
Aufnahme
Morneburg. “Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik” 1995
2
Seite 2
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 94 I Datum
Schnitt durch eine doppelschichtigen Röntgenfilm
Emulsion: - Suspension aus Silberbromidkristallen in Gelatine
Schichträger: - flexibles Polyester oder Zelloloseazetat
Laubenberger and Laubenberger. „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999
Röntgenfilm: Schema
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 95 I Datum
Einschicht und Doppelschichtfilm
! Warum gibt es Ein- und Doppelschichtfilme?
! Doppelschichtfilme Standard in Routine
! Einschichtfilme für Spezialanwendungen
" Mammographie
" bei indirekter Aufnahme (Video-Imager, DAS, …)
3
Seite 3
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 96 I Datum
Röntgenfilm: Chemische Prozesse
! Film Emulsion aus AgBr
! Röntgenstrahlen: AgBr wird zu Ag und Br reduziert
! Entwicklung: Ag Atome wachsen zu µm Körnern
! Fixierung: Entfernung von restlichem AgBr
Br + hυ → Br + e-
Ag+ + e- → Ag
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 97 I Datum
Röntgenfilm: Chemische Prozesse
4
Seite 4
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 98 I Datum
Biehl and Zier. „Röntgenstrahlen - ihre Anwendung in Medizin und Technik“, Leipzig 1980
Röntgenfilm: Optische Dichtekurve
! optische Dichte S = Grad der Filmschwärzung
! Ableitung der Dichtekurve = γ-Wert
" γ groß: hoher Kontrast bei keiner Dosis
" γ klein: mittlerer Kontrast aber großer Bereich der Dosis
! im lineare Anteill " µ >> Film hell
(Knochen) " µ << Film dunkel (Luft)
Optische Dichte
log (Lichtintensität) oder Dosis ~ µd
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 99 I Datum
Messung der Optischen Dichte ?
5
Seite 5
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 100 I Datum
Beispiele für Kontraste
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 101 I Datum
nur ca. 1% of the intrinsischen Röntgenphotonen werden von der Emulsion des Files absorbiert!
Problem
Schwärzung eines Films abhängig von der Anzahl freier Silberatome und ist daher auch abhängig von der Anzahl
Röntgenphotonen
Röntgenfilme allein nicht anwendbar für die medizinische Bildgebung !
Röntgenfilm: Probleme
6
Seite 6
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 102 I Datum
Röntgenfilmkassette mit Verstärkerfolie
Umwandlung der Röntgenstrahlen in (sichtbares) Licht → Lumineszenzeffekt
Substanzen mit Lumineszenzeffekt: Kalcium / Wolfram (CaWO4) Lanthanumbromid / Terbium (LaOBr:Tb) Gadoliniumsulfid / Terbium (Gd2O2S:Tb)
Laubenberger and Laubenberger. „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999
Verstärkerfolien
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 103 I Datum
Verstärkerfolien: Vorteile
Lumineszenzfolie ! kann eine höhere Abschwächung der Röntgenstrahlen als die
Emulsionschicht
! kann Atome mit höher Dichte und Ordnungszahl (Z) enthalten
! kann dicker sein als Emulsionsschicht, da keine Entwicklung oder Fixierung erfolgt
! kann ein Röntgenquant in viele Lichtphotonen umwandeln
Beispiel: 100 keV-Quant wird zu 100 % absorbiert und dabei zu100 % in (sichtbares) Licht mit 550 nm (2.26 eV) umgewandelt ! → 44.000 Photonen !
7
Seite 7
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 104 I Datum
Verstärkerfolien: Qualitätskriterien
! hohe Absorbtion der Röntgenstrahlen ! hohe Emittierung von Lichtquanten ! gute Adaptation des Lichtemissionsspektrum an die Filmsensibilität
zur Reduzierung der Strahlendosis ! Verstärkungsfaktor V der Folie:
! Ergebnis: niedrige Strahlenbelastung, kurze Strahlenbelastungszeiten, Minimierung von Bewegungsartefakten, kleiner Brennfleck, hoher Kontrast im Bild
(bei gleicher Schwärzung) V =
typische Werte: V = 10 - 20
Dosis mit Verstärkerfolie Dosis ohne Verstärkerfolie
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 106 I Datum
Morneburg. “Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik” 1995
Massenschwächungskoeffizient und Verstärkerfolien Massenschwächungskoeffizient µ/ρ verschiedener licht-emmittierender Materialien als Funktion der Energie der Röntgenstrahlen
Gd2O2S:Tb ! bestes Material ! charakteristische K-Linie bei 50
keV ! passt gut zur Spektralverteilung
der Röntgenstrahlung
8
Seite 8
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 107 I Datum
Dössel. “Bildgebende Verfahren in der Medizin” 2000
Emmisionseigenschaften
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 108 I Datum
source: Dössel. “Bildgebende Verfahren in der Medizin” 2000
Bildunschärfe und dicke Folien ! streuendes Licht: ! fluroszierendes Licht
strahlt in alle Richtungen
! “cross over” Effekt: ! fluoreszierendes Licht
durchdringt Filmschicht ! Entwicklung auf der
rückseitigen Emulsionsschicht
9
Seite 9
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 109 I Datum
Entwicklung von Röntgenfolien: Hardware
traditionell: ! manuelles Entwickeln in der
Dunkelkammer
! entsprach der Entwicklung eines Fotofilms
heute:
! Filmentwicklungsmaschinen
! digitale Entwicklung
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 110 I Datum
Speicherfolien
! Halbleiterfolie mit lichtstimulierbaren Schwermetallhalogenidphosphorver-bindungen
" dotierte Materialien, z.B. Bariumfluorobromid (BaFBr) oder Rhobidiumbromid (RbBr).
! durch Röntgenquanten werden Elektronen in ein höheres Niveau gebracht und dort eingefangen (Aufladung / Speicherung)
" Latentes Bild entsteht ! Auslesen durch Laserlicht und Umwandlung in ein Bild ! Folien können wiederverwandt werden, dazu Löschung durch Licht
Leitungsband
Valenzband
10
Seite 10
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 111 I Datum
Laubenberger and Laubenberger. „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999
Digitale Lumineszenz Radiographie (DLR)
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 112 I Datum
Lineare charakterischtische Kurve!
Dössel. “Bildgebende Verfahren in der Medizin” 2000
Signal / Dosis Verhältnis
11
Seite 11
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 113 I Datum
DLR : Vorteile
! keine falsche Filmentwicklung möglich, großer dynamischer Bereich (keine Schulter / Schleier)
" lineare charakteristische Linie
! Ergebnis ist ein digitales Bild
" einfache Weiterverarbeitung des Bildes mit dem Computer
" einfachere Speicherung und Archivierung
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 114 I Datum
Detektorfläche 43 cm x 43 cm
Pixelgröße: 143 µm
Auflösung: 3.5 LP/mm
Direct Digital Solid State Detector: CsI, aSi
- CCD (charge coupled devices)
12
Seite 12
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 115 I Datum
Erfinder des CCD Chips
George Smith Willard Boyle Nobelpreisträger, Physik 2009
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 116 I Datum
Prinzip CCD
Ladungstransfer in einem 3-Phasen Charge-coupled Device (CCD) Ladungsträger (Elektronen, blau) sammeln sich in Potentialtöpfen (gelb)
Potentialtöpfe werden durch Anlegen einer positiven Spannung an darüberliegende "Gate"-Elektroden (G) erzeugt
d.h. Elektronen werden durch diese Ladungen angezogen.
anlegen der Spannungen in der richtigen Reihenfolge werden die Ladungspakete weitergeschoben
13
Seite 13
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 117 I Datum
Beispiele Flachdetektor
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 118 I Datum
Zusammenfassung Bildaufnahme
! Aufnahme in Röntgenkassette " Besteht aus Film und Folien
! Umwandlung von Röntgenstrahlen in Lichtemissionen
" höherer Kontrast bei geringerer Dosis
" Anwendung von Verstärkerfolien zur Erhöhung der Strahelnausbeute / Gleichmäßigere “Belichtung”
! Entwicklung des Films in speziellen Maschine durch Entwicklungsbäder
! DLR: Verwendung von Speicherfolien, die digital Ausgelesen werden
" Speicherfolien können wiederverwendet werden