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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 Frank.Zoellner@MedMa.Uni-Heidelberg.de

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

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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, …)

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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

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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 ?

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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

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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 !

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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