2010.05.09.
Röntgen kép és Komputer tomográf (CT) 2010. Március 8. PTE ÁOK Biofizikai Intézet
Ujfalusi Zoltán
Hand mit Ringen: print of Wilhelm Röntgen's first "medical" x-ray, of his wife's hand, taken on 22nd December 1895 and presented to Professor Ludwig Zehnder of the Physik Institut, University of Freiburg, on 1st January 1896.
Röntgen sugárzás = X-ray (angol)
http://en.wikipedia.org/wiki/X-ray
Egészséges tüdő röntgen képe.
Bevezető
Kétirányú röntgen felvétel a lábszárról: Növekedésben lévõ csontok normális képe. Az epiphysis fugák nyitottak (nyilak).
1
2010.05.09.
Egyenes vonalú terjedés (kölcsönhatás mentes esetben) Távolságfüggő intenzitás
I
1. közeg
2. közeg
I0
minta
I0
1 r2
1. közeg
I DETEKTÁLÁS
I0
minta
I
E=hf
Reflexió Transzmisszió Abszorpció
I~n n: fotonszám → transzmittancia
T
I I0
I → abszorbancia A log 0 I
log T
Szórás – (a fény iránya és intenzitása változik)
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)
I
I0: μ: x:
I
I ~ A2 I: intenzitás A: amplitúdó
e
a kezdeti intenzitás lineáris gyengülési tényező a behatolás mélysége
lin. attenuációs koefficiens
Reflexió Jelentősége kicsi! Transzmisszió Jelentős! Abszorpció Fontos a képalkotáshoz! Képalkotási hibaforrás! Szórás
Abszorpció: : elemfüggő n=N/V: sűrűségfüggő
A ~ λ3Z4dD
Fotoeffektus -> másodlagos RTG sugárzás (karakterisztikus) Compton effektus: - energia -> nem érzékeny a detektor - szórás -> intenzitás csökkenés, életlen kép/kontraszt csökkenés 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
2010.05.09.
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.
hν: az elnyelt foton energiája E: az elektron kötési energiája 1/2m0v2 : az elektron mozgási energiája
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 m0c2=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.
FIZIKAI Fotoelektromos hatás: * gerjesztés * ionizáció Z → Z+ + eA detektálás alapja az alapállapotba visszatérő elektron fénykibocsátása. Szcintillációs kristály detektor. KÉMIAI Ionizáció → Reaktív gyök képződés Kémiai kötés felszakítása
Elektromágneses sugárzás kölcsönhatása szabad, vagy gyengén kötött elektronokon. A Compton-effektus során egy E0 = h energiájú és p0 = h /c impulzusú foton rugalmasan ütközik egy elektronnal.
impulzus- és energiamegmaradás
-50 keV : fotoelektromos hatás 50-200 keV : fotoelektromos hatás és Compton szórás 200 keV-1 MeV : Compton szórás 1 MeV-20 MeV : Párképzés valószínűsége nő 20 MeV - : a párképzés dominál
BIOLÓGIAI 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!
fotokémia: fényérzékeny anyag feketedése – Röntgen kép
3
2010.05.09.
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 (CaPO4) 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.
A katódsugárcsőből kilépő sugárzás: • hatására a sókristály fluoreszkál, • elektromos és mágneses mezővel nem téríthető el, • különböző anyagokban különböző mértékben nyelődik el. 1901. Nobel-díj
• Ismeretlen forrása miatt X-sugárzásnak (X-ray) nevezte el.
Röntgen katódsugárcső
katód
anód
Izzókatódos röntgencső Gáztöltésű röntgencső
Kilépő rés
1,1x10-9 V-1 (konstans)
PRtg
c: U: gyorsító fesz. (több kV) cU 2 IZ I: áramerősség (~ mA) Z: rendszám (W:74)
A betáplált energia kevesebb, mint 1%-a alakul RTG sugárzássá. 99% hő! (hűtés!)
Fékezési: folytonos emissziós sugárzás
Relatív intenzitás
Karakterisztikus: vonalas em. sugárzás
Röntgencső Generátor Felvételi egység Vezérlő egység
Hullámhossz (nm)
4
2010.05.09.
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):
RTG felvétel (emulzió)
Felülnézet (Z): Y
sík / panoráma
X
Elektronikus képerősítéses RTG Digitális szubsztrakciós angiográfia (DSA)
Oldalnézet (Y):
Nem egyértelmű!
Ilyen SZUMMÁCIÓS képet mutat a Röntgen felvétel! 3D → 2D
RTG készülék
Képerősítő
Videokamera Képernyő
Előnyök: • 10-20 %-ra csökkenő dózis • digitalizálható/digitalizált • jobb kontraszt • mozgókép készíthető • in situ alkalmazható Hátrány: • kicsinyített kép • csökkent térbeli felbontás
közönséges felvétel
felvétel kontrasztfeltöltéssel
különbség
5
2010.05.09.
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 olajfestmények, régiségek vizsgálatához. A kristályrácsokról interferenciájából a következtethetünk.
a
visszaverődő kristályok
műtárgyak,
Leképezés és térbeli információ
röntgensugarak szerkezetére
CT történelem
CT alapelvek I
1917 - J. Radon, matematikai modell
A hagyományos röntgen felvételek kiküszöbölendő problémái
1972 – CT klinikai alkalmazása 1979 Orvostudományi Nobel-díj Godfrey Hounsfield
Allan Cormack
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.
http://www.sci.u-szeged.hu/foldtan/CT_SPCEKOLL/CT_alap.pdf
Oldalnézet (X):
Oldalnézet (Y):
Felülnézet (Z):
Y X
Z Z
X Y Y
X
6
2010.05.09.
CT alapelvek II
CT alapelvek III d: egy réteg (voxel) mélysége
µx: lineáris attenuációs (sugárgyengítési) együttható
A képpontokat pixelnek, a hozzájuk tartozó térfogategységeket voxelnek nevezzük.
CT alapelvek IV
• 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
Pásztázás I
• 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.
Pásztázás II
I.
Pásztázás III-IV-V
III.
Együttes (szimultán) forgás 1976
Generáció (1974) Egy mozgó forrás Egy mozgó detektor
II. generáció Egy mozgó forrás Keskeny legyező alakú nyaláb Több mozgó detektor Szimultán mozgás
IV. Csak a forrás forog
III-IV. generáció Egy mozgó forrás Széles legyező alakú nyaláb III.: sok detektor ívben IV.: körkörösen elhelyezett kristály detektorok (1200-4800 db)
V. Wolfram gyűrű V. generáció Egy statikus elektron-forrás Eltérítőtekercs → wolfrámgyűrű Széles legyező alakú nyaláb Sok kristály detektor
7
2010.05.09.
Pásztázás V
Wolfram gyűrű
Elektronsugár CT (V. generáció) Detektorok 216° köríven
http://gotoknow.org/file/xraypsu/800px-Spiral_CT.jpg http://kabayim.com/images/spiralCT.jpg
Léptetés: a test (asztal) mozgatásával
Egy gyűrű – több gyűrű Egyszerre több szeletet lehet monitorozni. Egy kép alkotása 30-50 ms is lehet → valós idejű monitorozás (real time)
4 szelet szimultán
Multislice CT (VI. generáció)
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
w
NCT 1000 w
NCT: ill. HU, azaz Hounsfield egység Denzitás: Hounsfield egységek
µ: voxel sugárgyengítési együtthatója µw: víz sugárgyengítési együtthatója Skála: -1000 - +3000-ig
http://www.sci.u-szeged.hu/foldtan/CT_SPCEKOLL/CT_alap.pdf
8
2010.05.09.
• Gantry (mérőüreg) • Páciens asztal • Nagyfeszültségű generátor • Vezérlőpult • Számítógép
• 60-70 cm átmérőjű üreg • 25-30 °-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) http://www.radiologyinfo.org/en/info.cfm?pg=angioct
Laparoszkópia Vastagbél „tükrözés” (kolonoszkópia)
9
2010.05.09.
Spirális CT
Virtuális endoszkópia
Angiográfia 3D rekonstrukció http://dave1.mgh.harvard.edu/media/presentations/C_Hur-Computed_Tomographic_Colonograpy-MGH-0123-06/C_Hur-Computed_Tomographic_Colongraphy_1_23_2006.swf
Nagy atomtömegű elemek: (I, 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
http://www.szote.u-szeged.hu/Radiology/oktatas/2007ea/FogalapIVnet.pdf
10
