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Vorlesung zu Q11: Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, StrahlenschutzRöntgenstrahlungGrundlagen und Bildgebung&CT-Prinzip und TechnikProf. Dr. Willi Kalender, PhDInstitut für Medizinische PhysikUniversität Erlangenwww.imp.uni-erlangen.deDas pdf ist unter http://www.studon.uni-erlangen.de abrufbar!Ionisierende Strahlung• Elektromagnetisch– Röntgenstrahlung Photonen:– Gammastrahlung Das Thema heute!• Korpuskular– geladene Teilchen» Elektronen e-» Pionen π-» Protonen p+» Alphateilchen α++» Ionen X+– ungeladene Teilchen» Neutronen nElektromagnetische Strahlung• Photonen (Wellen)von Radiowellen bis γ-StrahlungSpiral CT Angiography since 2004• 64-slice scanner• 3 s total scan time• 0.5 mm isotropic spatial resolution• 2.4 mSv effective doseRöntgenstrahlung• Erzeugung vonRöntgenstrahlung• Wechselwirkung mit Materie,Schwächung der Strahlung• Bildgebung mitRöntgenstrahlung• CT-BildgebungRöntgenstrahlung (= „Bremsstrahlung“)entsteht, wenn energiereiche Elektronen beim Aufprall auf Materieabgebremst werden.Berta Röntgen 1895Seite 11


Erzeugung von RöntgenstrahlungRöntgenröhreVakuumHeizstromund-spannungz.B. 15 V, 6 A(„Filament“)Glühdraht/KathodeGehäuse (Glas oder Keramik)–Anodenteller(z.B. Wolfram)Röhrenspannung U [kV]RöhrenstromI [mA]Röntgenstrahlung(Zentralstrahl)Achsee – e – γAustrittsfenster+Anodenwinkelz.B. ϑ = 10°Info zu Röntgenröhren• Röntgenstrahlung entsteht in allen Materialien.Die Ausbeute nimmt mit der Ordnungszahl Z zu (~ Z 2 ).• Die Anode besteht meistens aus Wolfram (Z = 74)mit Beimischungen von Rhenium (Z = 75).Wolfram ist wegen des hohen Schmelzpunktes (T =3410°C) günstig. Blei ist weich und schmilzt zu schnell.• Die Ausbeute liegt im Bereich von 0,1 - 1,0% der Energie.Der Rest der elektrischen Energie geht als Abwärmeverloren!• Hochspannungswerte liegen typ.zwischen 25 kV (Mammographie) und140 kV (Hartstrahltechnik, CT),Leistungswerte zwischen 10 und 100 kW.Klassische Röntgenröhre (Stehanode)“Frühe” Drehanoden-RöntgenröhreModerne Drehanoden-RöntgenröhreLinearbeschleunigerElektronen- und Photonen von typ. 3 – 25 MeVDrehanode… eine Quellehochenergetischer und hochintensiver RöntgenstrahlungSeite 22


Röntgenspektren bei 40, 60 und 80 kVCharakteristische StrahlungAnode:W (Z=74) / Re (Z=75)Winkel ϑ = 10°2.5 mm Al EigenfilterungN(E)Erzeugte Bremsstrahlung ungefiltertK-charakteristische Strahlungz.B. WolframDosis:α 2α 1Strom • Zeit [mAs]: I TSpannung [kV]: UAbstand [cm]: RVerfügbare Bremsstrahlunggefiltertβ 1β 20 20 40 60 80 E [keV]PhotonenergieE max = eUE max = eU ≥ E Bindung = –ERöntgenstrahlungWechselwirkung von Photonen mit Materie• Erzeugung vonRöntgenstrahlung• Wechselwirkung mit Materie,Schwächung der Strahlung• Bildgebung mitRöntgenstrahlung• CT-BildgebungCT-Kolonoskopieabhängig von der• Energie E der Strahlung• Anzahl der Streuzentren proVolumen, d.h. der Dichte ρ• Ordnungszahl ZAbsorptionStreuung• Wechselwirkung mitgebundenen ElektronenPhotoeffekt„Absorption“• stark abhängig vonOrdnungszahl und Energieτ ~ (Z 3 / E 3 )• sprunghafter Anstieg von τ, wenn E > E i• gesamte Energie des Photonswird am Wechselwirkungsortals Dosis deponiert• Wechselwirkung miteinzelnen ElektronenCompton-Effekt„Streuung“• inelastische Streuung mitRichtungsänderung des Photonsund mit Energieübertrag• nur geringe Energieabhängigkeit,aberσ C ~ ρSeite 33


Schwächung und KontrastWechselwirkung von Photonen mit Materie• Photoeffekt τ ~ ρ Z 3 / E 3• Compton-Effekt σ C ~ ρ• Rayleigh-Streuung σ R ~ ρ / E 2• Paarbildungseffekt κ~ ρ Z 2 (bei E > 1.022 MeV)Für die Bildgebung mit Röntgenstrahlung sindPhoto- und Compton-Effekt von Bedeutung!10 kV: Photoeffekt(hier Totalabsorption)30 kV: Photo-+ Comptoneffekt60 kV: Photo-+ Comptoneffekt300 kV: ComptoneffektRöntgenstrahlung• Erzeugung vonRöntgenstrahlung• Wechselwirkung mit Materie,Schwächung der Strahlung• Bildgebung mitRöntgenstrahlung• CT-Bildgebungca. 1904„Leuchtschirm“,z.B. CaWO 4 -Folie,der Röntgenphotonen absorbiertund deren Energie in Licht wandeltFrauenklinikErlangen1918Detektoren in der Radiographie• Leuchtschirme (Szintillatoren)• Film, Film-Folien-Systeme• Bildverstärker• Speicherfolien• Festkörperdetektoren indirekt• Festkörperdetektoren direktFilmkassette mit Bleiabschirmungdünnere vordere VerstärkerfolieRöntgenfilmdickere hintere VerstärkerfolieAndruckschaumstoffAufbau einer RöntgenfilmkassetteSeite 44


Bildverstärker(X-Ray Image Amplifier)• Echtzeit• Gepulste Aufnahmen möglich• Geometrische Verzerrungen• Ungünstige AbmessungQuelle: Schinz, Radiologische Praxis in Klinik und Praxis, Georg Thieme Verlag, 19872002CT-fähige rotierende C-Bogen-SystemeFestkörperdetektorenFlachdetektor mit direkt elektronischem AuslesenBildverstärkerFlachdetektorSeite 55


Röntgenaufnahmen des SchädelsCT-Aufnahmen des Gehirnsa.p.lateral1974 1994Röntgenstrahlung• Erzeugung vonRöntgenstrahlung• Wechselwirkung mit Materie,Schwächung der Strahlung• Bildgebung mitRöntgenstrahlung• CT-BildgebungEntwicklung der CT im historischen Überblick1895 W.C. Röntgen entdeckt eine 'neue Art von Strahlen',die später nach ihm als Röntgenstrahlen benannt werden1917 J.H. Radon entwickelt die mathematischen Grundlagenzur Errechnung von Querschnittsbildern ausTransmissionsmessungen1972 G.N. Hounsfield und J. Ambrose führen erste klinischeUntersuchungen mit Computertomographie durch1975 erster Ganzkörpertomograph im klinischen Einsatz1979 Verleihung des Nobelpreises an Hounsfield und Cormack1989 erste klinische Untersuchungen mit Spiral-CT1998 erste klinische Untersuchungen mit Mehrzeilen-Spiral-CT2010 >50.000 klinische Spiral-CT-InstallationenCT, was ist das?∆y∆xSzyxSeite 66


Fächerstrahlgeometrie(x-y-Ebene)RöntgenröhreyyxMessfeld mitObjektxUnd wie entsteht das Bild?Detektor (typ. 1000 Kanäle)yxPro Detektorschicht und Umlaufwerden etwa 1000 Projektionenzu je 1000 Kanälen akquiriert.yxDemo zur CT-BildrekonstruktionEinfluss des FaltungskernsSchädelscanThoraxscanGlättend„soft“StandardAufsteilend„bone“Einfluss des FaltungskernsWas wird im CT-Bild dargestellt?Der lineare Schwächungskoeffizientgemittelt über jedes Volumenelementin Hounsfield-Einheiten∆y∆xSzyGlättend Standard AufsteilendxSeite 77


Die Hounsfield-SkalaCT-Wert, HU30002000KnochenfensterC/W 1000, 2500CT-Wertµ µG-µWasserWasser⋅ 1000 (HU)10000MediastinumfensterC/W -50, 400µ G = linearer Schwächungskoeffizient des Gewebes G-1000LungenfensterC/W -600, 1700Spiral CT: Scanning PrincipleStart ofspiral scanPath of continuouslyrotating x-ray tubeand detectorSpiral-CT =schnelle undlückenloseAbtastungDirection ofcontinuouspatient transport 00 t, sz, mmKalender WA et al. Radiology 1989; 173(P):414 and 1990; 176:181-183März 1989Schichtdicke 8 mm12 s Scan bei 1s / Rot.Pitch 1Scanvolumen 96 mmState of the art: DetectorsModule:64 rows ×16 channelsanti-scattergridGeometric efficiencyis the weak point!CT Development:from fan beam tocone beamscintillatorreflectoroptical couplingphotodiode?zamplifiersanddigitizersDetector with 55 modules,i.e. 880 channels × 64 rowsN ×Tt rotyear1×5 mm0.75 s19954×1 mm0.5 s199816×0.75 mm64×0.6 mm 320×0.5 mm0.42 s20010.33 s20040.35 s20082048×0.4 mm0.2 s20??4748Seite 88


0.3 mmCone-beamSpiral CT(CSCT)here:M = 64• 0.4 s rotation• 64×0.6 mmStand der Technik in der MSCTRotationszeit pro 360°0,3 – 0,4 sMin. Schichtdicken0,5 – 0,6 mmSimultan erfasste Schichten 64 (-320)Max. Röntgenleistung80 – 100 kWScanzeiten für „Ganzkörperscans“ 10 - 30 sScanbereich>1000 mmIsotrope Ortsauflösung0,4 – 0,6 mmEffektive Dosis1 - 10 mSvTypische Werte für Spitzenscanner 28s Scandauer bei 0,4 mm Auflösung isotropVisualization of the complete peripheral artery tree1889 mm in 42 s with 0.33 mm isotropic resolutionVisualization of the complete peripheral artery tree1889 mm in 42 s with 0.33 mm isotropic resolutionCourtesy of University Hospital Munich-Grosshadern, Germany51Courtesy of University Hospital Munich-Grosshadern, GermanyDual-Source CT (DSCT)Dual Source CT• System set-up– 2 Straton tubes and 2 x 64-sliceacquisition with double z-sampling– 280 ms gantry rotation– 1.6 tons rotating mass• X-ray power– Acquisition with up to 2 x 100 kW• Cardiac CT– 75 ms temporal resolution (t rot /4)• Dual Energy CT– Simultaneous acquisition with 80 kV / 140 kV* SOMATOM Flash, Siemens Healthcare, Forchheim, GermanySeite 99


Dual Source Cardiac CTTemporal ResolutionPhase-correlated reconstructionsfor heart rates of 40 – 120 bpmSphere at rest 40 bpm 60 bpm 80 bpm 100 bpm 120 bpmSSCTDIASTOLESYSTOLEDSCTAchenbach et al., Eur J Radiol 2006; 57(3):331-335Ertel … Kalender. Radiology 2008; 248:1013-1017Flash performance: High speedFlash Cardiac0.26 sCardiac CTwith FlashScan direction75 mspersliceScan only for oneheart phase andonly during oneheart beatand at minimumradiation dose !!!100 kV320 mAs59 bpmtriphasic CM injection60 ml Ultravist 370+ 50 ml saline bolusEffective dose0.98 mSvCourtesy of S. Achenbach, University of ErlangenDSCT: High scan speedDual Energy CT example: Differentiationbetween hard plaques and contrastSpiral CT angiographyscan range 700 mmpitch 2.8rot. time 280 msscan time 1.8 sdose 1.4 mSvCourtesy of F.Civaia, Centre Cardiothoracique de MonacoSeite 1010


Und wie schaut’s mit der Dosis aus?Surf, sand and ...whole body CTDose Values are no Secret!General information regarding CT doseTypical patient dosevalues in MSCT:E = 10 mSv (1-20 mSv)BfS 1998Dose distributioncalculated by Monte Carlo Methodson cadaver scans63EC Radiation Protection Report N°154, 2008Estimates of effective dose Ebased on the dose length product DLPIf the 3D dosedistribution is knownOrgan doseand eff. dose EDual Source CT at high pitch• 63 y, male,57 b.p.m.• Pitch 3.2• E = 0.84 mSv3D dose distributioncalculated byMonte Carlo methodsScan parameters(CTDI, DLP)are knownCF = E/DLPIn general: Effective dose E = CF×DLPSeite 1111


CT-fähige rotierende C-Bogen-SystemeWas gibt es sonst noch in der CT?BildverstärkerFlachdetektorCT Imaging using rotating C-arm SystemsFDCT vs. MSCT3D Angio(since 2000)after intravenous injectionwith flat panel detectorsMechanical thrombolysis of a carotid T-occlusion.Reperfusion resulted in enhancement of the basal ganglia.FDCT (left) was performed to exclude hemorrhage,finding was confirmed by MSCT the next day (right side).Kyriakou Y, Dörfler A, Kalender WA. AJNR 2008FDCT erlaubt Abschätzung der PerfusionFD-CT is still inferior to clinical CTwith respect to image qualityand dose utilisation,but it offers excellent conditionsfor interventional proceduresand for intraoperative imaging!HepatocellularCarcinoma;EmbolizationEmbolisation of a hepatocellular carcinomaImages: Courtesy of PD R. Loose, NurembergCourtesy of A. Dörfler, ErlangenSeite 1212


Robot-driven C-arm SystemsRobot-driven FDCT System forPatient Position VerificationPrototype in operationsince June 2006Product installationin November 2007Examples of modern C-arm systemsfor intraoperative CT imagingExamples of scannersfor ENT and maxillofacial radiologyNewTom 9000• QR s.r.l./AFP Imaging Corp. Italy• 12 bit image intensifier + CCD• Scan volume: 15 x 15 x 20 cm³• 110 kVNewTom 3G• QR s.r.l./AFP Imaging Corp. Italy• 12 bit image intensifier + CCD• Scan volume: 15 x 15 x 20 cm³• 110 kVZiehmVision FDmobile C-armSiemensFeasibility studymobile C-armMedtronicO-armmobile systemPicasso Trio• E-Woo, Korea• 12 bit flat detector(CsI coated, CMOS flat panel)• Scan volume: 12 x 12 x 7 cm³• 75 – 100 kV (85 kV)KaVo 3D eXam• KaVo Dental GmbH, Germany• 14 bit flat detector• Scan volume: 16 x 16 x 13 cm³• 120 kV• with flat detector• 180°rotation range• with flat detector• 360°rotation rangeManufacturers claim offering higher resolution and lower dosethan CT with “Digital Volume Tomography” (DVT).2D-Projektionsbildgebungvs.3D-SchichtbildgebungProjection image vs. CT image(in the same patient)All structures along a rayare superpositioned andmay obscure important details.Only the structures in thesection of interestare displayed.Images: Courtesy of Michael Lell, ErlangenSeite 1313


High-resolution CTMicro-CT scan of surgical specimensPerformance of mammography„90 % of patients could be cured ifdisease werein breastdetectedcancerat a veryscreening:early stage, 70 % if the malignantlesion in the breast Sensitivity is still smaller 62% - 88%than 1 cm.“(Stockinger, Source: Günther: Carney „Katastropheet al. Annals of Internal Medicine 2003für die Frauen“, Der Spiegel, Nr.15Performance of mammography(2002), S. 203)in breast cancer screening:DCIS specimen *embedded in parafinSensitivity 63% - 78%Source: Report and metanalysis of state-of-the-art breastcancer screening and monitoring approaches.Dep. of Radiology, Erasmus MC, Rotterdam 2009Micro-CT40 µm resolution* Specimen provided by M. Beckmann, ErlangenBreast CT scanner conceptsingle-circleflat detectorTransition fromtospiralCT detectorPatient- and biopsy-friendly gantryDemands• Comfortable patient positioning with coverage ofthe full breast and the axilla• Variable table height (ca. 70 - 170 cm)• Sequential and spiral scanning (25 cm in 12 s)• Easy access to the patient for biopsy and therapyPhoton-counting energy-discriminating CdTe detector100 % geometrical and absorption efficiencyKalender WA et al. Eur Radiol 2012; 22(1):1-8Kalender WA, Althoff F. Patent application 2010Dedicated CT of the breastDanke für Ihre Aufmerksamkeit!Kalender WA et al. Eur Radiol 2012; 22(1):1-8ZMPTZentrum fürMedizinische Physikund Technik,Erlangen, Henkestr. 91Seite 1414

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