KOMPENDIUM I RÖNTGENTEKNOLOGI

Transkript

1 KOMPENDIUM I RÖNTGENTEKNOLOGI KAPITEL 2 RÖNTGENRÖR Reviderad:

2 Diagram över det elektromagnetiska strålspektrum och några användningsex. 14 Elektriskt fält Magnetfält Elektromagnetisk våg GAMMASTRÅLNING FRÅN RADIOAKTIVA ISOTOPER ULTRAVIOLETT LJUS INFRARÖDA STRÅLAR VÄRME VÄXELSTRÖM 50 P/S RÖNTGENSTRÅLNING RADIOTERAPI INDUSTRI RÖNTGEN MEDICINSK RADIOGRAFI KRISTALLOGRAFI MYCKET MJUK RÖNTGENSTRÅLNING SYNLIGT LJUS MIKROVÅGOR (RADAR) TELEVISION RADIO VÅGLÄNGDEN I METER 1(2)

3 År 1862 visade Maxwell att en elektrisk fältändring, orsakad av oscillerande elektriska laddningar, skapar ett magnetiskt fält och att dessa fält tillsammans bildar en vågrörelse som utbreder sig med ljusets hastighet. Elektriska laddningar kan svänga med mycket varierande frekvenser. Den vanliga elektriska växelströmmen representerar en så låg frekvens, att endast en försumbar del avges som strålning från en svägningskrets som matas med sådan ström. 14 Endast inom ett mycket smalt frekvensområde, mellan 4-7*10 Hz är den elektromagnetiska strålningen observerbar för det mänskliga ögat. Ljus, radiovågor, röntgenstrålar, värmestrålning etc. är alla exempel på elektromagnetisk vågrörelse Röntgenstrålarnas våglängd är, beroende på användningsområde, mellan 10 till 10 meter. Röntgenstrålarnas karakteristiska egenskaper. Nedan redovisas några karakteristiska egenskaper som röntgenstrålningen uppvisar. * osynliga * fortplantar sig rätlinjigt med ljusets hastighet (3*108 m/s) * påverkas ej av elektriska eller magnetiska fält * ger upphov till fluorescens * svärtar film * har joniserande verkan * har biologiska verkningar * genomtränger all materia men försvagar vilket innebär: -att en del av strålningen absorberas -en del återsändes som sekundärstrålar * försvagningen beror på det absorberande ämnets: - atomnummer, täthet och volym * sprids, reflekteras och polariseras enligt de optiska lagarna * är en elektromagnetisk vågrörelse liksom synligt ljus * uppstår i alla ämnen vid uppbromsning av fria elektroner. 2(2)

4 Röntgenröret Glaskolv av hårt glas som tål hög temperatur. 2. Fokuserande reflektor 3. Anod med hög värmekapacitet. 4. Brännfläck-fokus denna av wolfram pga av metallens goda strålutbyte och höga smältpunkt. 5. Katod med glödtråd av wolfram. 6. Strålfönster med avslipat glas för kontrollerad förfiltering av röntgenstrålarna. 7. Rörkåpa 7 Rörets glaskolv är den enda delen som fixerar anod och katod i sina lägen mot varandra. I glaskolven måste ett mycket gott vaccum råda då detta är ett villkor för rörets funktion och för att förhindra överslag mellan rörets elektroder. Metallen wolfram har en mycket hög smältpunkt, 3370ºC, och är därför lämplig till både glödtråd och anodyta. Nackdelen med wolfram är att metallen är spröd dvs om materialet upphettas så finns risk för att det spricker. Nya rör har därför anoder med legeringar av wolfram och rhenium på en bas av molybden. Röntgenröret monteras i en rörkåpa som har till uppgift att hålla röret på plats på undersökningsstativet, att avskärma de röntgenstrålar som inte strålar i önskad riktning, och att innesluta den olja som omsluter röret för kylning och isolation. Ett sätt att framställa röntgenstrålning är att accelerera fria elektroner till höga energier. För detta innesluts två elektroder, anoden och katoden, i en luftevakuerad behållare. Katoden som är utformad som en spiral upphettas till glödning varvid elektroner emitteras från spiralen. Mellan katod (-) och anod (+) ansluts en hög spänning ( kv) varvid elektronerna vid katoden accelereras mot anoden. När elektronerna med hög hastighet träffar anoden och bromsas upp, avges elektronernas rörelseenergi i form av värme och röntgenstrålning. Den alstrade röntgenstrålningen har ett kontinuerligt energispektrum från noll upp till elektronernas maximala energi. Andelen avgiven elektronenergi som omvandlas till bromsstrålning kan grov uppskattas till E=V*Z*10-6där V=rörspänningen i kv och Z=anodmaterialets atomnummer. 3(2)

5 Fokusbildning vid roterande anod Anodtallrik sedd framifrån Finfokusbana Anodtallrik sedd från sidan Glödtråd för finfokus Rotor Glödtråd Grovfokusbana för grovfokus Grovfokus sedd från glödtråden Fokus sedd i centralstrålens riktning De flesta röntgenrör för diagnostik är utrustade med 2 fokus, ett finfokus för bilder med höga upplösningskrav och ett grovfokus för bildtagning som kräver hög belastbarhet men med lägre krav på upplösningen. För detta har katoden utformats som en dubbelspiral, en finare tråd för finfokus och en grövre tråd för grovfokusspiralen. Varje fokus väljs var för sig, en åt gången. På bilden ovan ser man att de elektroner som genereras av finfokusspiralen, träffar en inre bana på anoden, medan grovfokuselektronerna använder en yttre längre bana. En viktig konstruktionsdetalj hos röntgenröret är anodtallrikens avfasade kant som anger rörets anodvinkel. Mer om detta redovisas under streckfokusprincipen. 4(2)

6 Röntgenrör med roterande anod Hos ett modernt röntgenrör, har anoden utformats som en skiva fäst på en rotoraxel inne i röntgenrörets glaskropp. Utanför glaskroppen sitter statorspolar, som tillsammans med rotorn utgör en asynkronmotor. Då statorn matas med växelspänning börjar anodskivan rotera. Glaskropp STATOR SPOLE Anod Rotor Katod STATOR SPOLE Skyddskåpa klädd med bly Glödtrådsspiral Fönster för röntgenstrålningen Den stora fördelen med att ha en roterande anod i röntgenröret jämfört med att ha en fast anod, är att röret kan belastas mycket mer. Då elektronstrålen från katoden med hög hastighet träffar anoden, värms träffytan snabbt upp, då största delen (99%) av elektronernas rörelseenergi omvandlas till värme. Endast 1% blir röntgenstrålning. Den punkt på anodtallriken som på så vis upphettats, hinner svalna något under den tid det tar för anoden att rotera ett varv. En vanlig rotationshastighet är 8200 varv/min. För att skydda röntgenrörets glaskropp från stötar och slag samt för att förhindra att sk. spridd strålning skall träffa personalen är röntgenröret omgivet av en blyklädd kåpa. Utrymmet mellan rör och skyddskåpan fylls med olja som tjänstgör både som en elektrisk isolator och som kylmedel. Skyddskåpan har en fönsteröppning där röntgenstrålningen tillåts passera. Glaskroppen, oljan runt röntgenröret och fönstermaterialet skapar en filtrering som tar bort de mest lågenergetiska energierna av strålningsspektrat. 5(2)

7 Streckfokus Elektronträffyta (a,b) sedd framifrån a b 2 ANOD (+) 1 3 V 5 4 a a Kassett-filmplan a=bxsinv 1) Elektronstråle 2) Anodplatta av wolfram. Wolfram har atomnummer = 74 och en smältpunkt på 3410 C 0 3) Anodvinkeln V. Vanligtvis är vinkeln mellan grader. 4) Effektiv fokusstorlek. 5) Centralstråle. Som nämnts tidigare är anoden snedställd med anodvinkeln V i förhållande till centralstrålen 5. Elektronerna (nr 1 i bilden), accelereras och träffar anodplattan, ytan a,b. Sett från kassett/bildmottagarplanet däremot, blir projektionen av ytan (a,b) endast (a,a). Streckfokusprincipen innebär alltså, att ett verkligt fokus med en yta (a,b) i bildplanet ger en projektion som blir (a,a). Projektionsytan (a,a) kallas effektivt fokus. Denna teknik ökar bildens upplösning, (litet fokus), men bibehåller en hög belastbarhet som den större träffytan (a,b) ger. 6(2)

8 Häleffekten Anod med vinkeln 20 0 e- Centralstråle Emmisionsvinkel Relativ intensitet ANOD strålningens väg genom anoden d = inträngningsdjup hos elektronen e- 1 kev kev kev 2 3 Strålknippet från röntgenröret är inte homogent utan varierar både i intensitet och energimässigt enligt figurerna ovan. Den relativa intensiteten 100%, anges alltid i centralstrålens riktning. I riktning mot katoden (ökad anodvinkel) ökar inte bara strålningens intensitet utan och energispektrats bredd Med minskad anodvinkel sker det omvända, intensitet och energispektrats bredd avtar. För emisionsvinklar mindre än noll har röntgenstrålningen nästa helt avtagit. Den kritiska kant på anoden (0 grader) där strålningen mer eller mindre skärmas av helt kallas hälen. Effekten av detta benämnes då följdriktigt häleffekten. 7(2)

9 Grader Fokusfläckens geometri Hur elektronerna träffar och distribueras över anodtallriken bestäms av storleken och strukturen hos fokuset. Det effektiva fokuset definieras som fokusytans vinkelräta projektion i bildplanet, dvs. i centralstrålens riktning. Andra projektionsriktningar än vinkelrätt ner, ger varierande projektionsmönster av fokuset och följdaktligen olika skärpa i bilden. Anodtallriken sedd från sidan Glödtråd Rotor Fokusstorlek sedd från glödtråden Då fokus ses i centralstrålens riktning från bildplanet kallas projektionsytan effektivt fokus. Katodriktning Anodriktning Grader Diagrammet visar hur projektionen av fokusytan förändras då betraktningsvinkeln varierar. 8(2)

10 Extrafokal strålning. I ett röntgenrör för diagnostik med roterande anod genereras huvuddelen av strålningen i röntgenrörets fokus. Emellertid alstras även röntgenstrålning i andra delar av röret utanför det verkliga fokus. Det är denna strålning som benämnes extrafokal röntgenstrålning. Anod Elektroner Katod med "fokuseringskopp" Mellan anod och katod appliceras en elektrisk spänning som accelarerar katodens fria elektroner mot anoden. När dessa slår in i anoden växelverkar elektronerna med atomer i anodmaterialet. Ca 1% av rörelseenergi genererar röntgenstrålning. Vid bombardemanget slår elektronerna från katoden ut andra elektroner ur anoden. Dessa sekundärelektroner faller tillbaka till anoden utanför fokus där de genererar den extrafokala strålningen. Extrafokal röntgenstrålning är i princip av ondo då den avbildar objekt utanför primärbländarfältet. Ett exempel på detta är när en bild av ett väl avblända organ, återger partier som ligger utanför själva primärbländarfältet. Den extralfokala strålningen varierar med olika typer av röntgenrör där de modernare rören med sina metallkåpor ger det minsta tillskottet av extrafokala strålning. Att så är fallet beror på att de utkastade elektronerna under bombardemanget lätt fäster på röntgenrörets glaskåpa och där bygger upp en negativ laddning vilken effektivt reflekterar övriga sekundärelektroner mot anoden utanför fokus. Röntgenrör med metallkåpor däremot avleder den negativa laddningen till jord. Hur påverkas bildkvaliten av den extrafokala strålningen? Man kan säga att strålningen från fokus omges av en svag extrafokal strålning som också kan passerar primärbländaröppningen där den via patienten träffar bildmottagare. Strålningen som härrör från fokus tecknar en skarp bild av objektet medan den extrafokala strålningen överlagrar en suddig bild av samma objekt. Skillnaden i intensitet mellan strålningen från fokus och den extrafokala strålningen ger ett direkt förhållande mellan den skarpa och den suddiga bildinformationen. Resultatet blir en sämre bildkontrast Vid stora bildformat (30x40 cm) där den extrafokala strålningen är som störst kan kontastförlusten uppgå till 15% Kassettstorleken dvs bildformatet och fokusnära lameller inverkar på den extrafokala strålningen. Ju större kassettformat ju mer extrafokal strålning. Med fokusnära lameller kan mängden extrafokal strålning begränsas. 9(2)

11 Katod Katoden har till uppgift att generera fria elektroner som kan accelereras mot anoden. För detta har katoden utformats som en spiral med en tråd av wolfram. Då wolframtråden upphettas till glödning med hjälp av en ström I, frigörs löst bundna elektroner och ansamlas runt glödtråden som en sk. rymdladdning. Moln av negetivt laddade elektroner sk. rymdladdning. Emitterande yta, wolfram spiral, positivt laddad. Glödström I Antalet fria elektronerna som genereras av glödtråden bestäms av glödtrådens temperatur som i sin tur styrs av glödströmmen I. De fria negativt laddade elektronerna skapar ett underskott av elektroner hos glödtråden så att en positiv laddning bildas i tråden. Denna laddningsskillnad mellan glödtråd och elektronmoln gör att elektronerna samlas inom en begränsad volym, så länge som ingen annan yttre kraft påverkar elektronerna. 12 mm Fria elektroner Glödspiral Katodblock Diameter typiskt 1,2 mm Glödström I För att få en så skarp röntgenbild som möjligt är det nödvändigt att elektronstrålen fokuseras så att träffytan på anoden, (fokus) blir så litet som möjligt. Av den anledningen placeras glödtråden i en fördjupning som genom elektrostatiska krafter fokuserar elektronstrålen. 10(2)

12 Gallerstyrt röntgenrör med roterande anod STATOR SPOLE Anod ROTOR Katod STATOR SPOLE Slitsad anod klädd med ett grafitskikt på "baksidan" Styrgaller - 4 kv. En fokuserande reflektor som är isolerad från glödtråden tjänstgör som styrgaller. Som nämnts tidigare omvandlas den största delen av elektronernas rörelseenergi till värme i anoden. För att inte anoden skallsmälta eller spricka vid de höga temperaturerna som uppstår när röntgenröret belastas hårt är anodtallriken uppbyggd av en molybdenkärna legerad med wolfram och rhenium. Trots dessa åtgärder är temperaturstegringen i anoden det största problemet. Långa pauser mellan exponeringsserierna för att kyla anoden är ett krav, så att inte sprickbildning eller alltför höga temperatur uppstår i anoden. Ett sätt att undvika dessa skador är att förse anodskivan med slitsar och klä baksidan med grafit. Arrangemanget minskar materialpåkänningar i anoden och ökar strålvärmesutbytet till omgivningen. Värmen i anoden avleds till största delen som strålningsvärme och i mindre grad som ledningsvärme via rotorns kullager. För att minska rörelseoskärpan och öka bildkvaliteten vid genomlysning, samtidigt som dosen till patienten reduceras används sk. pulsad genomlysning. Principen är den, att en hög negativ spänning appliceras på röntgenrörets reflektor som omger katoden. Spänningen hindrar de negativt laddade elektronerna att nå anoden, trots att högspänningen hela tiden finns över röntgenröret. Vid exponering, frånkopplas den negativa spännigen på reflektorn, vilket medför att elektronerna nu kan accelerera mot anoden. 11(2)

13 Nedan symboliseras röntgenröret som en triod, (ett rör med tre elektroder, anod, katod och galler). En negativ spänning på gallret relativt katoden gör att elektronströmmen genom röntgenröret stryps Vid de tillfällen som spänningen på gallret är 0 volt fungerar röntgenröret som ett "vanligt röntgenrör". Diagrammen nedan visar hur högspännings- och doskurvan ser ut vid en kort (<10 ms) exponering. Anod Ett konventionellt röntgenrör med primärspänningsstyrning. Dos kv Galler Katod 0 volt Minus 4 kv Samma exponering med ett gallerstyrt röntgenrör Dos kv "TILL" "FRÅN" I läge "till" har gallret och katoden samma potential. Elektronerna från glödtråden kan då fritt passera till anoden. I läge "från" har gallret en negativ spänning i förhållande till katoden, vilket hindrar elektronerna från att nå anoden. Det finns i huvudsak två fördelar med gallerstyrda röntgenrör jämfört med "vanliga röntgenrör". Gallerstyrda rör matas med en förinställd röntgenrörspänning (kv) och exponeringen kopplas till/från med styrgallret. Vid korta exponeringspulser genereras på detta sätt väldefinierade dospulser som saknar de karakteristiska lutande flankerna på pulsenas främre och bakre kant som vanliga röntgenrör uppvisar. Härigenom minskar också andelen lågenergetiska strålning. De konventionella röntgenrörens flanker dvs. den långsamma dosökning vid exponeringsstart och den långsamma avklingning vid exponeringens slut bidrar endast till en ökad patientdos. En bidragande orsak till den begränsande bildkvalitet vid genomlysning är rörelseoskärpa. För att undvika denna och för att minska dosen till patienten används pulsad genomlysning. Ett gallerstyrt röntgenrör medger pulsad genomlysning, till skillnad från vanlig genomlysning där patienten bestrålas kontinuerligt under genomlysningsfasen. För att inte genomlysningsbilden på monitorn skall försvinna mellan varje puls lagras bildinformationen i ett bildminne som uppdateras för varje ny dospuls. Om pulshastigheten är låg (<12 bilder/sek) kan genomlysningsförloppet upplevas som ryckigt. 12(2)

14 Konventionell röntgenrör med glashölje Metall hölje Röntgenrör med metallhölje Anodtallrik Bilateral anodhållare Keramik isolator för anslutning av högspännings kabel +75 kv -75 kv Stator Katod Röntgenrör med metallhöljen ersätter alltmer röntgenrör av glas. -ett röntgenrör med metallhölje upptar endast en 1/4 av volymen jämfört med ett glasrör med samma prestanda, -ingen försämrad isolation mellan anod och katod då förgasad metall avsätts på höljet, -metallhölje avleder ströelektroner som annars skulle nå anoden och generera extrafokal strålning (upp till 15%), -metallhöljet avleder värme bättre än glas varför kylningen av röret förbättras, -det finns ingen risk för implusion vid ett eventuellt haveri, -det är relativt lätt att anbringa ett beryliumfönster i metallhöljet vilket ger en låg egenfiltreringen, -anslutningsställerna av kerami isolerar spänningskablar och motor från metallhöljet, -metallhöljet är anslutet till jordpotential, varför ingen olja som isolator mellan röntgenrörets hölje och ytterkåpa behövs. Den olja som ändå finns runt röret, kan ha en betydligt lägre renhetsgrad än tidigare, och tjänar bara till som kylning av röntgenröret, -konstruktionen medger också ett mycket litet isolationsavstånd mellan hölje och den ytte skyddskåpan, -den nya friheten att utforma röntgenrörets metallhölje har skapat anodrotationsenheter som är kullagerupphängda i båda ändar. Konstruktionen klarar då att bära anodtallrikar med en diameter upp till 200 mm -det är också möjligt att tillverka röntgenrör med endast en högspänningsanslutningom man så vill. 13(2)

15 Röntgenrör av MRC typ Ett modernt röntgenrör av MRC typ har ett metallhölje och keramik istället för glas. Hölje Anodkylning Spiralrullager Anodtallrik 200 mm Katod Röntgenröret i genomskärning En 200 mm stor anodtallrik är här upphängd i ett sk. spiralrullager istället för vanliga kullager. Det unika spirallagret består av ett stationärt skaft, en mellanliggande metallfilm och en roterande hylsa. Själva lagret utgörs av metallfilmen, som vid rumstemperatur har fast form. När anoden börjar att rotera övergår metallfilmen, pga friktion, till flytande form. Med metalfilmens mycket låga friktion och genom den stora anläggningsyta som skapas mellan skaft och hylsa erhålles en extra god värmeavledning för kylning av anoden. Då förslitningen av metallagret är minimalt, kan anodrotationen startas och upprätthållas så fort röntgenapparaten slås på. Rotationen fortgår hela dagen tills apparaten slås av på kvällen. Nedan redovisas några fördelar med MRC röret: -hög värmeavledning från anoden via metallagret, -hög långtidsbelastningsbarhet (stor anodtallrik), -lång livslängd hos lagret, -kontinuerlig anodrotation vid tillslag av generatorn, dvs ingen väntetid för start av anoden, som fördröjer exponeringen, -direktkylning av anoden är nu möjlig. 14(2)

16 Bilden visar storleksskillnader mellan ett äldre röntgenrör med anodtallriksdiameter 90 mm och ett modernare MRC rör med en 200 mm:s anodtallrik. Slitsarna i den stora anodtallriken minskar tendensen till sprickbildning vid korta exponeringar då endast en sektor av anoden blir exponerad. Anodtallriken har genom upprepade långa exponeringar upphettats till glödning. 15(2)

17 Ett modernt röntgenrör av Straton typ En genomskärning av ett modernt sk. Straton röntgenrören En yttre avlänkningsspole böjer av elektronstrålen mot anodens snedfasade kant. Anodtallriken formar den bakre väggen i metallhöljet. Hela höljet tillsammans med anoden fås att rotera genom att motorns rotordel sitter fast på röntgenrörshalsen. De yttre kullagren som fäster upp kontruktionen i skyddskåpan avleder effektivt värmen via olja mellan rör och hölje. Genom denna konstruktion kan röntgenrörets anoddiameter hållas nere och därmed rörets dimensioner. 16(2)

18 Elektronens växelverkan med materia Röntgenrör Elektroner Anod(+) Katod(--) Två typer av strålning alstras då fria elektroner bomarderar och bromsas upp i materia. Bromsstrålning Fria laddade elektroner genereras genom att upphettning av en glödtråd, som inneslutits i en vakumbehållare. De fria elektronerna accelereras av en högspänning mellan anod och katod till stor rörelseenergi. Rörelseenergin hos elektronerna blir lika med produkten mellan elektronens laddning e och den pålagda spänningen kv. När elektronerna bombarderar och tränger in i anodmaterialet passerar de, de ytligt liggande atomerna i anoden, där elektrostatiska krafter ändrar elektronbanornas riktningar. Vid varje sådan riktningsändring sker en uppbromsning av elektronerna vars rörelseenergi därför minskar. Skillande i energi innan resp. efter uppbromsningen avges i form av sk. bromsstrålning. Bromsstrålningsenergierna varierar kontinuerligt från noll (då ingen uppbromsning sker) till maximal energi då elektronen helt bromsas upp och avger all sin energi som bromsstrålning. Max. energi = e x kv (kiloelektronvolt, kev). L-skal K-skal Uppbromsad elektron med hastigheten v2 Atomkärna Inkommande elektron med hastigheten v1 v1>v2 Bromsstrålning hf 17(2)

19 Karakteristisk strålning Elektroner som infaller mot anoden eller bromsstrålningsfotoner som enl. ovan genereras i anoden, kan, om deras energi är tillräckligt stor, avlägsna banelektroner i de innre skalen hos anodmaterialets atomer. De vakanser som då skapas kommer att ersättas med elektroner från atomens yttre elektronskal. Enär de yttre skalen har högre energi än de inre, kommer skillnaden i energi mellan skalen att avges som karakteristisk strålning. Att strålningen benämnes karakteristisk strålning har sin grund i anodmaterialets atomstruktur eller karakteristik där skillnaden mellan banenergierna fastställer energin hos strålningen. Den karakteristiska strålningen uppträder tillsammans med bromsstrålningen i strålknippet från röntgenröret. L-skal Exiterad banelektron K-skal Inkommande elektron/foton 1 Atomkärna 2 3 Yttre banelektron som intar den vakanta platsen 4 Karakteristisk strålning hv En foton eller elektron (1) slår ut elektronen (2) från den innersta banan i atomen. En elektron (3) från en yttre bana, fyller upp den vakanta platsen och avger överskottsenergin (4) i form av karakteristisk strålning 18(2)

20 Röntgenspektra. Röntgenstrålningen är sammansatt fotonstrålning med energier inom ett kontinuerligt intervall. Den maximala energin bestäms av elektronens rörelseenergi som är produkten av elektronens laddning och den pålagda spänningen över röntgenröret. Hos ett röntgenrör finns möjligheten att: 1) ändra rörströmmen med bibehållen rörspänning. Här varieras glödtrådstemperaturen och därmed antalet fria elektroner = rörströmmen. 2) ändra rörspänningen med bibehållen rörström. 1) Strålningens intensitetsändring vid varierande röntgenrörström och fast rörspänning ma3 ma2 ma1 Medelenergi 70 Fotonenergi (kev) Kurvorna här ovan visar röntgenspektrat vid 3 olika röntgenrörströmmar, ma1, ma2 och ma3. Ser vi närmare på kurvorna finner vi att alla 3 utgår från samma punkt och slutar i punkten 70 kev. Det betyder att energifördelningen hos varje kurva är densamma med en medelenergi ungefär vid halva bredden enligt den markerande linjen. Det som skiljer kurvorna åt är antalet fotoner eller kurvans höjd. Genom att ändra röntgenrörets ström (glödtrådstemperaturen), ändras antalet emmiterade elektroner och därmed antalet röntgenfotoner. Medelenergin hos fotonerna vid varierande röntgenrörström är densamma vid fast röntgenrörspänning. Föremål Vad händer med bildkontrast och filmsvärtning under dessa förhållanden? 19(2)

21 Som vi vet påverkas bildkvaliteten av bla. kontrasten i bilden. Med kontrast menas skillnaden i absorbtion eller svärtning mellan angränsande områden, dvs. trappstegens höjd i figurerna nedan. Då föremålet exponeras med röntgenrörström ma1 får vi en sk. strålningsrelief bakom detta som är sådan, att fler fotoner tränger igenom trappans tunnare parti än genom det tjockaste partiet där strålningen absorberats mest. Detta ger oss en röntgenrelief som ser omvänd ut jämfört med föremålet form. En exponering ger oss på detta sätt en strålningsintensiteten bakom föremålet som speglar absorbtionen i detta. Inkommande röntgenstrålning Föremål "Strålningsreliefer" Röntgenstrålning som passerat föremålet ma1 1 2 Kontrast = =0,33 ma2 2 4 Kontrast = 4-2 =0, ma3 3 6 Kontrast= =0,33 Om vi nu beräknar kontrasten i exemplen ovan, som definieras som skillnaden i strålningsinensitet/svärtning mellan 2 intilliggande steg dividerat med summan av dessa. I vårt exempel får vid kontrasten = 0,33 med rörströmmen ma1. Vid beräkning av de två andra exemplen, med rörström ma2 och ma3 ger de oss samma kontrast. Det som skiljer de tre exemplen åt är exponeringen till bildmottagaren. Med samma kontrast blir tex en film exponerad med strömmen ma2 mörkare än en film exponerad med den lägre rörströmmen ma1. På samma sätt blir en film exponerad med rörströmmen ma3 mörkare än vid en exponering med strömmen ma2. Slutsatsen blir alltså den att med ändrad röntgenrörström varierar intensiten till bildmottagaren tex. med film ändras svärtning, men ej kontrasten. 20(2)

22 Energispektrats variation vid rörspänningsändring och konstant röntgenrörström Fotonenergi (kev) Låt oss se vad som händer med kontrasten och strålintensitet om röntgenrörspänningen varieras men rörstöm och exponeringstid hålls konstant. Vi ser först vad som händer med röntgenspektrat ovan. Med varierande röntgenrörspänning kan fotonenergin maximalt bli produkten av rörspänningen (kv) och elektronens laddning (e). Som de 3 kurvorna ovan visar varierar både den maximala energin och medelenergin då röntgenrörspänningen ändras. Kurvan som slutar vid 150 kev har ett större energiinnehåll än de två andra kurvorna. Det betyder att genomträngningsförmågan hos fotonerna ändras med varierande rörspänning. Om nu vårt trappstegsformade föremål bestrålas med ökad röntgenrörspänning, kommer fotoner med högre energier att till ökad del passera föremålet utan att absorberas. Resultatet blir att ett större antal högenergetiska fotoner passerar stegen utan att absorberas vilket medför att skillnaden iabsobtion mellan stegen minskar. På en film skulle detta innebära att svärtningsskillnaderna mellan stegen minskar. Vid minskad rörspänning blir resultatet det omvända. Procentuellt fler lågenergetiska fotoner ingår i spektrat vilkt ökar spridning av transmitterade fotoner mellan stegen och en ökad bildkontrast på filmen. Vi skall nu beräkna kontrasten för de 3 röntgenrörspänningarna 70, 90 och 150 kv. Föremål Strålningsreliefer 70 kev 2 4 Svärtningsprofil Röntgenstrålning som passerat föremålet 4-2 Kontrast = =0, På samma sätt som tidigare beräknas kontrasten som skillnaden i signal mellan två intilliggande steg dividerat med summan av dessa. I detta fall blir kontrasten 0,33. 21(2)

23 Strålningsrelief 90 kv 4 6 Antal röntgenfotoner som passerat föremålet Kontrast = =0,20 Svärtningsprofil Som figuren visar passerar fler fotoner föremålet vid 90 kv utan att absorberas än vid 70 kv. Skillnaden i antalet fotoner som absorberas mellan stegen blir också mindre, och en beräkning av kontrasten ger oss 0,2 enheter. Röntgenstrålning som passerat föremålet Strålningsrelief kv Kontrast = =0,11 Svärtningsprofil Här vid röntgenrörspänningen 150 kv blir skillnaden i absorbtion mellan stegen än mindre, samtidigt som antalet fotoner som passerar ökar. Beräknad kontrast blir i detta fall 0,11 Med ökad röntgenrörspänning och fast rörström (dvs samma antal elektroner från glödtråden) så ökar elektronernas medelrörelseenergi. Detta resulterar i fler växelverkansprocesser i anodmaterialet, med fler högenergetiska fotoner och en ökad medelenergi i spektrat. På samma sätt ger en sänkt av rörspänning färre fotoner och lägre medelenergi. *Resultat En ökad rörspänning, med bibehållen rörström och exponeringstid (samma mas-tal) resulterar i en ökad svärtning och sänkt kontrast när film används. Med annan bildmottagare ökar bildsignalen med en lägre kontrastinformation. En minska rörspänning ger det omvända. 22(2)

24 Röntgenspektrats förändring från anod till bildmottagare. Primärbländare Raster Röntgenrör inkl. kåpa Patient Bildmottagare Den röntgenstrålning som genereras i röntgenrörets anod filtreras succesivt på sin väg mot bildmottagaren. Bilden nedan visar hur röntgenspektrat förändras under sin väg mot denna. Uppstår i anoden Lämnar anoden Utgår från röret Före patienten Efter patienten kev Genererad röntgenstrålning filtreras i: -anoden, röntgenrörets glaset- och metallkåpa, oljan i rörkåpan, ev. tilläggsfilter, bländarhuset, patientbordsskivan, patienten, och slutligen rastret. -Ca. 50% av kvarvarande strålning absorberas i bildmottagaren. 23(2)

25 Den röntgenstrålning som genereras i röntgenrörets anod filtreras som vi vet succesivt på sin väg mot bildmottagaren. Med ökad filtrering ökar andelen strålning som går igenom kroppen. Nedan visas några exempel på hur huddosen och dosen till detektorn påverkas vid låg resp. hög filtering. Ökad filtrering försämrar bildkontrasten något, från 37% till 34% i vårt fall. Likaså ökar belastningen på röntgenröret Vid samma huddos Låg filtrering Hög filtrering Primärbländare Primärbländare 100% 100% 0,6% 1,1% Röntgenrör Röntgenrör Patient Patient Vid samma dos till detektorn Låg filtrering Hög filtrering Primärbländare Primärbländare 166% 1% 91% 1% Röntgenrör Patient Röntgenrör Patient Exempel på en allvarlig strålskada efter en PTCA undersökning. Uppskattad huddos 20 Sv 6-8 veckor efter behandling månader efter behandling 24(2)

26 Hur uppkommer en röntgenbild? Antag att vi har ett fotonflöde från röntgenröret vid en rörspänning på 80 kv enligt figuren ovan Fotonerna bestrålar en kropp som i vårt exempel innehåller mjukdelar (fett, muskler) och ben. Skillnad i attenueringskoefficienter mellan benets µ och mjukdelarna µ skapar en strålrelief bakom kroppen som ger oss en svärtningsvariation på filmen. 2 1 Ju större skillnaden är mellan kurvorna dessto mer framhävs bildkontrasten. 25(2)

27 Vad händer om rörströmmen ökas? Eftersom en ökad rörström är liktydigt med ett ökat antal elektroner genom röntgenröret, leder detta till att fler fotoner genereras i anoden. Någon ändring av rörspänningen har ej skett varför spektralfördelningen blir densamma. Som framgår av figuren ovan (den streckade kurvan) ökar fotonfluensen. Skillnaden i attenuering i objektet kvarstår varför bildkontrasten blir densamma. En ändring av rörströmen resulterar i: - ändrad filmsvärtning med bibehållen kontrast, - huddosen och dosen till filmen ökar linjärt med ökad rörström, - ökad dos till filmen minskar bruset i bilden. 26(2)

28 Vad händer om rörspänningen ändras? Med ökad rörspänning ökar spektralkurvans övre gräns i överensstämmelse med spänningen. Föutom detta ökar medelenergin hos spektrat och vissa toppar med karakteristisk röntgenstrålning framhävs. En ökad medelenergi hos fotonerna innebär en minskad attenueringsskillnad mellan mjukdelar och ben. Ser vi på attenueringskurvorna ovan så krymper avståndet mellan kurvorna vid ökad fotonenergi. Ökad rörspänning gör att sammanfattningsvis: - strålningens medelenergi och intensitet ökar, - andelen transmitterad strålning genom kroppen ökar, - huddosen sänks för samma dos till filmen, - kontrasten minskar, - en liten förändring av rörspänningen ger en stor förändring i filmdos då både antalet fotoner och dess medelenergi ökar. 27(2)