4/25/2013
Röntgendiagnosztika és CT 2013.04.08.
Röntgensugárzás • Elektromágneses sugárzás (f=1016 − 1019Hz, E=120eV − 120keV (1.9*10-17−10-14J), λ<10-11 − 10-8m) 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
1
4/25/2013
Történeti háttér Wilhelm Conrad Röntgen
• 1895 november 8: egy ismeretlen sugárzás előállítása és detektálása (“X-rays” vagy Röntgen sugárzás) • 1895 decemer 28: Az eredmények leközlése –
Röntgen W.: Ueber eine neue Art von Strahlen. Sitzungsberichte der Wuerzburger Physik.-medic. Gesellschaft, Wuerzburg, 1895.
• Első fizikai Nobel Díj 1901-ben
Röntgen sugárzás előállítása (rtg csövek) Hűtött anód
vákum
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”.
2
4/25/2013
Rtg sugárzás elleni védelem: Pb(82) ólom
Miért jó? • Összetett, és nagy sűrűségű anyag → A beeső fotonok nagy valószínűséggel találkoznak elektronnal. • olcsó (↔ arany, ezüst) • Kevésbbé toxikus mint a tallium vagy a bizmut • Nagymennyiségben áll rendelkezésre
Rtg sugárzás típusai • Karakterisztikus rtg sugárzás
• fékezési röntgensugárzás („Bremsstrahlung”)
3
4/25/2013
Röntgensugárzás keletkezése • karakterisztikus röntgensugárzás – vonalas spektrum (anód anyagától függ) – Charles Glover Barkla - Fizikai Nobel díj 1917-ben a karakterisztikus rtg sugárzás felfedezéséért – Barkla felvetette, hogy a rtg sugárzás elektromágneses hullám • fékezési röntgensugárzás („Bremsstrahlung”) – folyamatos spektrum
Karakterisztikus rtg sugárzás
̶
̶
̶
vonalas spektrum (anód anyagától függ) Charles Glover Barkla - Fizikai Nobel díj 1917-ben a karakterisztikus rtg sugárzás felfedezéséért Barkla felvetette, hogy a rtg sugárzás elektromágneses hullám
̶
̶
̶
Egy beérkező nagy energiájú elektron az anódban lévő K héjról kiüt egy elektront → üresedés Külső elektron ugrik a helyébe Karakterisztikus rtg sugárzás keletkezik (E=héjak közötti energia különbség)
4
4/25/2013
Fékezési rtg sugárzás • Fékezési rtg sugárzás = „Bremsstrahlung” • folyamatos spektrum • A rtg csőben a felgyorsított elektron lelassul az anódban lévő atomok magjainak elektromos erőterében. • Az energiaveszteség rtg fotonok kibocsátására fordítódik. • Széles, folyamatos spektrumú sugárzás keletkezik.
Röntgensugárzás létrejötte kilökődött elektron
M L becsapódó elektronok
K
Karakterisztikus rtg sugárzás (diszkrét energia átmenetek) Közeli kölcsönhatás (közepes energia) ütközés az atommaggal (maximális energia) Távoli kölcsönhatás (alacsony energia)
5
4/25/2013
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).
Wolfram elektron-szerkezete
K L M N O P
6
4/25/2013
Rtg sugárzás kölcsönhatása az anyaggal Kölcsönhatás típusa
Kölcsönhatás fontossága
Compton szóródás
Diagnosztikus radiológia
Foto-elektromos hatás
Diagnosztikus radiológia
Pár képződés
Terápiás radiológia
Fotodestrukció
Terápiás radiológia
Koherens szóródás
Nem túl jelentős
Abszorpciós folyamatok előfordulásának valószínüsége vízben Rtg sugárzás energiája
Fotoelektromoshatás
Compton-szóródás
Párképződés
10 keV
95%
5%
0%
25 keV (mammográfia)
50%
50%
0%
60 keV (diagnosztika)
7%
93%
0%
150 keV
0%
100%
0%
4 MeV
0%
94%
6%
10 MeV (terápia)
0%
77%
23%
24 MeV
0%
50%
50%
7
4/25/2013
Foto-elektromos hatás • • • • • •
Belső héjat érintő ionizációs folyamat A foton energiája teljesen elnyelődik Foto-elektron hagyja el az atomot (E = Ebeeső foton – E e- kötési energiája). Üresedés a belső elektron-héjon. Felsőbb héjról elektron tölti be az üres pozíciót. Alacsonyabb energiájú rtg sugárzás keletkezhet (később teljesen elnyelődik) • P ~ Z3/E3 – Nagyobb valószínüséggel fordul elő alacsonyag energiájú rtg sugárzás esetén (10-500keV) – magas rendszámú elemek esetében (pl. csont (20Ca), kontraszt anyag (55Ba).
• Növeli a beteget ért dózist. • Nagymértékben felelős a rtg képen kialakuló kontraszt mértékéért.
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 valószínüséggel 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.
8
4/25/2013
Párképződés e-
atommag foton
e+
• Párképződés előfeltétele, hogy a foton energiája legalább 1.022 MeV legyen (0.511MeV – az elektron nyugalmi tömegéhez rendelhető energiamennyiség.) • rtg sugárzás – nagy energiájú fotonok (E>100 keV).
Koherens (Rayleigh, Thomson) szóródás • Klasszikus szóródás (rugalmas ütközés). • A hullámhossza a szóródott sugárzásnak nem változik sem az energiája. • Egyedül a sugárzás iránya változik meg. • Energiában nincs változás.
9
4/25/2013
Fotodestrukció • Egy atommag szétesése nagy energiájú foton energiájának abszorpcióját követően. • Főleg nagy eenrgiájú sugárzás esetén (>8MeV)
(neutron, α-részecske)
Rtg sugárzás fontos kölcsönhatásai – Foto-elektromos hatás • Felelős a kontraszt kialakulásáért a képen
– Compton szóródás • Nincs hasznos információ belőle: a kontrasztot csökkenti
– Pár képződés (nem túl jelentős)
10
4/25/2013
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)
Rtg sugárzás felhasználása • Radiográfia (képalkotás) • Repülőtéri szkenner • Radioterápia (sugárterápia) – malignus sejtek elpusztítása • Ipari felhasználás • Rtg-krisztallográfia
11
4/25/2013
Rtg sugárzás veszélye • Ionizáló sugárzás! • ionizáció: az a folyamat melynek során egy atom vagy molekula ionos formába alakul át azáltal, hogy egy töltött egységet felvesz vagy tőle megszabadul (pl. elektron) → reaktív végtermék
– Káros (e.g. elváltozások)
sugárzási
betegség,
daganatos
Rtg-felvétel • Rtg sugárzás → objektum → rtg szenzitív film v. digitális detektor • 2D-s leképezés • Negatív kép • sok rtg foton → sötét részek • kevés rtg foton → világos rész
12
4/25/2013
Röntgenabszorpciós CT
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
13
4/25/2013
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.
Intenzitás gyengülés I0
I0
I
I
14
4/25/2013
Intenzitás gyengülés • = ∑( )∆ •
= ∑ ∆
Az i-ik térfogatelem gyengítési képessége
µ = abszorpciós együttható ∆ = az egyedi térfogatelemek szélessége
Intenzitás gyengülés
u6=8 u1 = A+B u2 = C+D u3 = A+D u4 = B+D u5 = A+C u6 = B+C
A=8
B=6
u1=14
C=2
D=4
u2=6
u5=10
u4=10
u4 – u3 = B+D-A-D = B-A u1 = A+B u1 = A+(u4 – u3+A)= u4 – u3+2A 1−4 + 3 =A
u3=12
=
14 − 10 + 12 =8 2
15
4/25/2013
A CT készülékek fejlődése • A legújabb készülékek az V. generációs Spirál CT készülékek. • 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 ↔ 5 min.).
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.
16
4/25/2013
Előnyök és hátrányok • Jó kontraszt • 3D-s információ • Rosszabb képminőség a hagyományos rtg képpel összevetve. • Magas sugárterhelés (akár 500-600X) a hagyományos rtg felvételekkel összevetve.
• Vége!
17
