Hur fungerar en radiografi- och genomlysningsapparat? Hur kan man minska patientstråldoserna inom projektionsradiologi?

Transkript

1 Hur fungerar en radiografi- och genomlysningsapparat? Hur kan man minska patientstråldoserna inom projektionsradiologi? 1 Jonas Söderberg Sjukhusfysiker jonas.soderberg@regionhalland.se

2 C-bågar FluoroScan Insight Siemens Siremobil Swemac Biplanar Ziehm Vision Vario 3D Bildgivande detektor Manöverpan el Arbets- och referensmonitor Röntgenstrålning Monitorvagn Röntgenrör, bländare GE Fluorostar Röntgengenerator C-båge

3 Genomlysningslab Siemens Artis Zeego Philips MD Eleva 3

4 Mobiletter Siemens Mobilett XP Sedecal Mobile Dragon Siemens Mobilett Shimadzu Mobile DaRt

5 Slätröntgenlab Mediel Adora RAD Philips Digital Diagnost 5

6 Slätröntgenlab (panoramabild) 6

7 + patient 7

8 = bilder! 8 (Hur svårt kan det vara?)

9 Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild

10 Exempel Bildsignal och "dos-signal" TV-kamerarör, CCD-chip Ljus Utgångsskärm Ingångsskärm Bildförstärkarrör Röntgenstrålning 10

11 Bildgivande strålning strålningens transmission (70 kv) A B C D A 15 cm mjukvävnad 2.7 % B 10 cm mjukvävnad + 5 cm luft 9.0 % C 14 cm mjukvävnad + 1 cm ben 1.5 % D 14.9 cm mjukvävnad cm jodkontrast 1.1 % 11

12 Bildkvalitet 12 Kontrast Skärpa/Upplösning Brus

13 Brus Kontrast Skärpa Brus Kontrast Skärpa Låg-kontrastupplösningen Förmågan att avbilda (lite större objekt) med låg kontrast påverkas av brus Hög-kontrastupplösningen Förmågan att särskilja objekt med hög kontrast påverkas av systemets skärpa 13

14 Högkontrastupplösning Lågkontrastupplösning 14

15 Kontrast Bilden Detektor Signal S 1 C = S 2 S 1 S 2 S 1 (Det finns flera sätt att definiera kontrast.)

17 Röntgenrör röntgenstrålning röntgenstrålning anod fönster katod filamenttråd Bremsstrahlung = röntgenstrålning elektroner anod infallande elektron spridd elektron

18 18

19 Glödström 19

20 + Rörspänning - Rörström Glödström 20

23 Röntgenspektra K α K β N M L K K α, K β, K γ 23

24 Genomlysning 24 Rörspänning kv kv Rörström ma 1-20 ma

25 Konventionellt röntgenlab 25 Rörspänning kv kv Rörström ma 0,5-150 mas

26 Effekten av att ändra kv p 26

27 Rörspänningens inverkan 100 kv 60 kv 27

28 Exempel 100 kv Bilden Detektor Signal

29 Exempel 60 kv Bilden Detektor Signal

30 Men observera!! Exempel 100 kv Bilden Detektor Signal OBS! Ändrat kontrast med bildbehandling

31 Rörspänningens inverkan (med bildbehandling ) 100 kv 60 kv 31

32 Vilken kv är optimal? Historiskt Primärt matcha objektets dynamik med detektorns dynamik (film/skärm). Idag Matcha detektorns känslighet för att maximera SNR. Optimera för attenueringsskillnader för de viktigaste detaljerna. Överväga låg kv (utan raster) hög kv (med raster). Fixa resten med bildbehandling. 32

33 Dynamiskt område skärm/film Aktivt område Svärtning (optisk densitet) Dos Då analog teknik används måste histogrammets bredd anpassas till exponeringsomfånget hos skärm/film-systemet

34 Dynamiskt område skärm/film Svärtning (optisk densitet) mas Rörspänning Dos Rörspänningen (och objektet) styr histogrammets bredd. mas-talet styr läget längs dosaxeln.

35 Dynamiskt område strålkvalitet Hög rörspänning Låg rörspänning Liten objektkontrast Stor objektkontrast Smalt histogram Litet dynamiskt område Brett histogram 35 Stort dynamiskt område

36 Dynamiskt område objekt Tunt objekt Tjockt objekt Liten objektkontrast Stor objektkontrast Smalt histogram Litet dynamiskt område Brett histogram 36 Stort dynamiskt område

37 37

38 Exempel på absorption av röntgenfotoner i bildförstärkarens ingångsskärm OBS! Genom att välja rätt kvp och filtrering kan man maximera antalet fotoner i spektrat som ligger inom CsI K-kant. 70 kv, bakom 15 cm vatten.

39 Effekten av att ändra mas 39

40 Bruset i bilden påverkas av mas 40 minskande mas

41 Fokus 41

42 Fokusdesign 42

43 Geometrisk oskärpa 43 För att minska inverkan av geometrisk oskärpa bör en liten fokusyta och en liten förstoring, användas.

44 Häleffekt 44 Effekten kan vändas till en fördel kliniskt!

45 Filter var sitter dom? Röntgenrör har typiskt 2-3 mm så kallad inre filtrering. Dessutom brukar man kunna välja ytterligare: 1-3 mm Al och/eller 0,1-0,3 mm Cu

46 Filter hur påverkas strålningen? A: Hypotetiskt spektrum B: Spektrum från W-anod C: Filtrerat W-spektrum (2.5 mm Al) 46

47 Filter hur påverkas dosen till patienten?

49 Patienten sprider och absorberar strålning 10-35% sprids tillbaka från patienten. 0-10% når igenom patienten % blir absorberad stråldos i patienten. 49

50 Spridd strålning från patienten Överrör Underrör

51 Patienten sprider strålningen Spridd strålning från patient påverkas av: Strålkvalitet (kv, filter) Inbländning Patientens storlek och därmed även kompression Detta leder till försämrad kontrast men kan bekämpas med raster eller luftgap. 51

52 Spriddstrålning kv 52

53 Spriddstrålning fältstorleken 53

54 Inbländning 18x18cm 2 En inbländning från 23x29 cm 2 till 20x26 cm 2 ger 23% lägre stråldos till patienten! 54

55 Kompression 3-5 cm Minskar den spridande volymen MEN lite beroende på kv ger 3-5 cm komprimering även en halverad stråldos till patienten! 55

56 Spriddstrålning objekttjocklek 6 cm plexiglas 26 cm plexiglas 56

57 Raster 57

58 Spridd strålning - raster Blylamelltjocklek: S typiskt 0.07 mm Mellanrum: W typiskt 0.18 mm Raster tjocklek: T typiskt 1.4 mm Raster ratio, T/W typiskt 8 Linjetal, för lågt linjetal => interferens i bilden, kan lösas mha rörelse, typiskt Primär transmission, typiskt 70% Selektivitet, typiskt 10 Bucky-faktor Infallande/Transmitterat, typiskt 1.5-2

59 Rasterfokusering 59

60 Raster Utan raster Med raster N 36 r 12 60

61 Spriddstrålning luftgap d 1 d 2 61 Ger oftast en geometrisk förstoring. S (d 2 ) 2, P (d 1 ) 2, Effekt=(d 2 /d 1 ) 2 Fungerar endast bättre då man kan använda stort patient detektor avstånd eller små objekt som tex barn, eller extremiteter.

62 Spriddstrålning luftgap/raster 15 cm luftgap Raster 62

63 Bekämpningsmedel mot spridd strålning 63

64 Kontrast med spridd strålning S 1,p +S s S 2,p +S s 64 C = S 1 S 2 S 1 = (S 1,p+S s ) (S 2,p +S s ) S 1,p + S s = = C p 1 + S s S 1,p = C p CCC

66 Bildmottagare Radiografi Bildplatta Direktdigital detektor Fluoroskopi Bildförstärkare Direktdigital detektor

67 Viktiga egenskaper för en detektor Hög absorption av strålningen ger hög känslighet och låg patientdos. Bra skärpa för att kunna avbilda små detaljer. Lågt brus för att kunna detektera låg-kontrast objekt. Stort dynamiskt omfång vilket minskar risken för övereller underexponering. Homogen känslighet över hela detektorytan för att minimera antalet artefakter i bilden. 67

68 Grundfakta typisk detektor 68 Scintillator: CsI (500 μm) Aktive Area: 43 x 43 cm 2 Matrix size: 3k x 3k Pixel Pitch: 143 μm ( Nyquist Limit 3.5 lp/mm) Analog/Digital-Converter: 14 Bit

69 Generell beskrivning av digitala detektorer 69

70 Direkt-digital detektor 70

71 Bildförstärkare Röntgen ljus elektron ljus elektron A/D digital (12 bit) Direktdigital detektor Röntgen ljus A/D digital (14 bit)

72 Dom där bitarna kontrastdjup 72 4 bitar = 16 grånyanser 10 bitar = 1024 grånyanser

73 Lateral signalspridning Direkt Indirekt a-se Reflekterande skikt CsI (Tl) Matris med TFT och kondensatorer Fotodiodmatris med TFT och kondensatorer Signalprofil Signalprofil

74 Olika struktur i scintillatormaterialet Gd 2 O 2 S CsI Kan göras tjockare och därmed känsligare för samma laterala ljusspridning. 74 Detta ger lägre patientstråldos vid samma skärpa och brus.

75 Vilka är kraven på spatiell upplösning? Pixelavståndet sätter en gräns för den högsta frekvens som kan avbildas µn = 1/(2*pixelavstånd) (utmed axlarna) Högsta spatiala frekvensen i en bild Gastro Lunga Skelett Mammografi 0.6 lp/mm 2.5 lp/mm 3.5 lp/mm 12 lp/mm 200 µm pixlar medför 2.5 lp/mm 75

76 Pixlar Hur fungerar en radiografi- och genomlysningsapparat? Pixelstorlek Bild 2: 0,2 mm Bild 8: 13 mm 76

77 Bildplattesystem 18x24-35x43

78 Avläsning av exponerad bildplatta Transportband Svepande He-Ne laserstråle Emitterad luminans proportionell mot absorberad strålningsenergi

79 Lite mer specifikt om genomlysning Bildgivande detektor Arbets- och referensmonitor Manöverpanel Röntgenstrålning Monitorvagn Röntgenrör, bländare Röntgengenerator C-båge 79 C-båge grundkomponenter

80 Genomlysningslab grundkomponenter Bildförstärkare Bildsignal Dos-signal Bildminne Bildarkiv Printer Bildbehandlingsdator Arbetsmonitor Referensmonitor Bländarautomatik Reglersystem för kv / ma kv / ma Röntgengenerator Röntgenrör

81 Automatisk dosreglering kv 120 "Låg-dos" Ökande tjocklek "Hög-kontrast" Återkoppling/ styrning av kv/ma 60 ma 0 10 kv / ma Rörspänning (kv) - bildkontrast - dos

82 Automatisk dosreglering Exempel på kv/ma och stråldoser Hand ( 2 cm ) 40 kv / 0,2 ma Bål ( 20 cm ) 70 kv / 2 ma 0,01 msv / 10 min 0,1 msv / 10 min Spridd strålning i rummet vid genomlysning

83 Skillnad mellan inbländning och förstoring Inbländning Förstoring

84 Inbländning/förstoring % 250 Inbländning BF-storlek 23 cm Spridd strålning cm 18 cm 13 cm Bildfält Max huddos "Effektiv dos" Spridd strålning Effektiv dos till patient Förstoring + automatisk inbländning BF-storlek 23 cm % 250 Max huddos cm 18 cm 13 cm Bildfält Max huddos "Effektiv dos" Spridd strålning Förstoring: Ofta högre huddos!

85 Kontinuerlig strålning pulsad genomlysning Kontinuerlig strålning Pulsbredd Pulsad strålning: 1-60 pulser/s Dos/puls

86 Pulsad genomlysning Dosrat Röntgenrör Display Tid Bildvisning Bilden fylls ut med information från 1 tills 2 kommer, osv. Tid

88 Bildbehandling 88

89 Frekvenser i en bild?? Vi skall nu beskriva en täthetsprofil med hjälp av sinusfunktioner. Först lite grundläggande addering av funktioner. 89

90 Frekvenser i en bild - inledning Betraktning av täthetsprofil (gråtoneprofil) längs en linje i en bild. gråtonevärden Svart x-led Vitt x-led 90

91 Frekvenser i en bild - inledning Betraktning av täthetsprofil (gråtoneprofil) längs en linje i en bild med brus. Svart gråtonevärden x-led Vitt x-led 91

92 Frekvenser i en bild Addering av funktioner x-led x-led 0 x-led 92

93 Frekvenser i en bild Addering av funktioner x-led x-led 0 x-led 93

94 Addering av funktioner x-led 0 x-led x-led -1 Frekvenser i en bild

95 Frekvenser i en bild En sinus-funktion har givna egenskaper Frekvens (hur ofta den svänger) - Många svängar är hög frekvens Amplitud (hur stort utslag svängningen har) - Stor amplitud ger stor invärkan i bilden Genom att addera tillräckligt många sinus-funktioner kan vi framställa en täthetsprofil (Fourier) 95

96 Frekvenser i en bild Addering av sinus funktioner x-led 3 Svart x-led 1 0 x-led Vitt Täthetsprofil x-led 96

97 Frekvenser Svart Ställ upp alla adderade sinusfunktionerna i en tabell Amplitud Vitt Täthetsprofil 97 Låg frekvens Hög frekvens Frekvens

98 Frekvenser Svart Ta bort bidrag från höga frekvenser (brus?) Amplitud Vitt Täthetsprofil 98 Låg frekvens Hög frekvens Frekvens

99 x-led x-led Svart Svart 99 x-led Vitt Vitt x-led

100 Frekvenser i en bild Summering: Täthetsprofil En summa av sinusfunktioner Reducera eller öka bidraget från önskade sinusfunktioner Förstärk kanter Ta bort brus o.s.v. Svart x-led 100 Vitt x-led

101 Flerskalig frekvensåtergivning 2 1,8 1,6 objektstorlek bakgrund lungor revben blodkärl frakturer 1,4 1,2 MTF 1 layer 1 layer 5 layer 6 0,8 0,6 0,4 0, /8192 1/2048 1/512 1/128 1/32 1/8 1/2 2 spatial frequency (cycles/mm)

102 Flerskalig frekvensåtergivning 102 Original P 1 P 2 P 3 P N Slutlig bild

103 Kantförstärkning 2 1,8 1,6 objektstorlek bakgrund lungor revben blodkärl frakturer 1,4 1,2 MTF 1 0,8 0,6 0,4 0, /8192 1/2048 1/512 1/128 1/32 1/8 1/2 2 spatial frequency (cycles/mm)

104 Latitudreduktion 2 1,8 1,6 objektstorlek bakgrund lungor revben blodkärl frakturer 1,4 1,2 MTF 1 0,8 0,6 0,4 0, /8192 1/2048 1/512 1/128 1/32 1/8 1/2 2 spatial frequency (cycles/mm)

105 Exempel 105

106 Hur fungerar en radiografi- och genomlysningsapparat? Exempel 106

107 Exempel 107

108 Flerskalig bildbehandling Med hjälp av olika fönstersättningar kan vi se olika delar av svärningsskalan. 108

109 Flerskalig bildbehandling 109

111 Bildkvalitet 111 Kontrast Skärpa/Upplösning Brus

112 Fysikaliskoptimering (doser) Filtrering, kv-inställning: Fältstorlek/inbländning: 2-1 Kompression: 2-1 Bord: Jonkammare: Raster 2-1 Film/skärm, bildplatta, BF: 5-1 Filmframkallning: Detektorkänslighet Filmdensitet, ljusskåp:

113 Tack för visat intresse!