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

Hur fungerar en radiografi- och genomlysningsapparat? Hur kan man minska patientstråldoserna inom projektionsradiologi? 1 Jonas Söderberg Sjukhusfysiker 0340 64 69 35 0705 71 19 69 jonas.soderberg@regionhalland.se

Radiografi Fluoroskopi 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

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

Slätröntgenlab Mediel Adora RAD Philips Digital Diagnost 5

Genomlysningslab Siemens Artis Zeego Philips MD Eleva 6

Radiografi genomlysning Radiografi, röntgenfotografering Frusen, permanent stillbild. Tolkas i lugn och ro. Exempel: Lungbilder, skelett Genomlysning Kan se rörliga förlopp. Kan ställa diagnos i realtid. 7 Exempel: Ballongvidgning av kranskärl

Genomlysning Se inre organ i rörelse Se instrument inuti patienten, som används för att diagnostisera eller behandla patienten Positionera rätt inför bildtagning Enkelexponering - vanlig bildtagning Seriebilder - angiografi mm DSA Digital subtraktionsangiografi Seriebilder med subtraktion 8

DSA - Digital subtraktionsangiografi En förbild (maskbild) tas innan kontrastmedlet nått blodkärlen. Denna mask subtraheras från de kommande bilderna i serien. Gemensamma bakgrundstrukturer tar ut varandra - endast de kontrastfyllda kärlen blir synliga. Maskbild Subtraktionen sker live.resultatet visas direkt under angio-seriens gång. DSA före kontrastinj. 9 DSA efter kontrastinj.

DSA - Digital subtraktionsangiografi 10

DSA - Digital subtraktionsangiografi 11

Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild 12

C-bågen Bildsignal och "dos-signal" TV-kamerarör, CCD-chip Ljus Utgångsskärm Ingångsskärm Bildförstärkarrör Röntgenstrålning 13 13

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 + 0.1 cm jodkontrast 1.1 % 14

Bildkvalitet 15 Kontrast Skärpa/Upplösning Brus

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 16

Högkontrastupplösning Lågkontrastupplösning 17

Kontrast Bilden 18 Signal Detektor S 1 C = S 2 S 1 S 2 S 1 (Det finns flera sätt att definiera kontrast.)

Bildkvalitet vad påverkar? Metoder: kv ma(s) Kil Objekt Bildgivande system Rådata Bild Visad bild Filter Kompression Raster Avstånd Fältstorlek Kraftig Smal Nervös Barn Känslighet Dynamik Upplösning Bildprocessning Kontrastupplösning Ljusstyrka Rumsbelysning Upplösning Kontrastdjup 19

Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild 20

Röntgenröret Filter Ljusfält Wolfram anod Kollimator e - Katod Vi behöver ha koll på: kv mas Fokus Filter Kollimering 21 Röntgenstrålfält

22

Glödström 23

+ Rörspänning - Rörström Glödström 24

+ Rörspänning - Rörström Glödström 25

+ Rörspänning - Rörström Glödström 26

Röntgenrör röntgenstrålning röntgenstrålning anod fönster katod filamenttråd Bremsstrahlung = röntgenstrålning elektroner anod infallande elektron 27 spridd elektron

Röntgenspektra K α K β N M L K K α, K β, K γ 28

Genomlysning 29 kv 50-110 kv ma 1-20 ma

Konventionellt röntgenlab 30 kv 50-150 kv mas 0,5-150 mas

Effekten av att ändra kv p 31

Exempel 100 kv Bilden Detektor Signal 32

Exempel 60 kv Bilden Detektor Signal 33

Rörspänningens inverkan 100 kv 60 kv 34

Men observera!! Exempel 100 kv Bilden Detektor Signal OBS! Ändrat kontrast med bildbehandling 35

Rörspänningens inverkan (med bildbehandling ) 100 kv 60 kv 36

Effekten av att ändra mas 37

Bruset i bilden påverkas av mas 38 minskande mas

Vilken kv är optimal? Historiskt Primärt matcha objektets dynamik med detektorns dynamik (film/skärm). Idag Matcha detektorns känslighet för att maximera SNR. Matcha attenueringsskillnader för de viktigaste detaljerna. Överväga låg kv (utan raster) hög kv (med raster). Fixa resten med bildbehandling. 39

Vi börjar med histogram Histogram Fördelning av antal pixlar med de olika gråtonerna 0 2 1 1 Antal 3 0 2 0 5 1 0 3 2 0 3 3 2 0 1 2 3 Gråtonevärde 40

Histogram - exempel 41

Dynamiskt område Skärm/film 5.0 4.5 Aktivt område Svärtning (optisk densitet) 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 42 0.0 Dos Då analog teknik används måste histogrammets bredd anpassas till exponeringsomfånget hos skärm/film-systemet

Dynamiskt område objekt Tunt objekt Tjockt objekt Liten objektkontrast Stor objektkontrast 43 Smalt histogram Litet dynamiskt område Brett histogram 43 Stort dynamiskt område

Dynamiskt område strålkvalitet Hög rörspänning Låg rörspänning Liten objektkontrast Stor objektkontrast 44 Smalt histogram Litet dynamiskt område Brett histogram 44 Stort dynamiskt område

Dynamiskt område Skärm/film 5.0 4.5 Svärtning (optisk densitet) 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 mas Rörspänning 0.5 45 0.0 Dos Rörspänningen (och objektet) styr histogrammets bredd. mas-talet styr läget längs dosaxeln.

Vilken kv är optimal? Historiskt Primärt matcha objektets dynamik med detektorns dynamik (film/skärm). Idag Matcha detektorns känslighet för att maximera SNR. Matcha attenueringsskillnader för de viktigaste detaljerna. Överväga låg kv (utan raster) hög kv (med raster). Fixa resten med bildbehandling. 46

47

Fokus 48

Fokusdesign 49

Bilden Oskärpa Oskärpa i bilden kan bero på: Objektsoskärpa Geometriskoskärpa Rörelseoskärpa Detektoroskärpa 50

Bilden Objektsoskärpa (Inherent) Objektets form tillsammans med förstoringsfaktorn kan ge oskärpa under förutsättning att objektet delvis dämpar röntgenstrålning. 51

Geometrisk oskärpa 52 För att minska inverkan av geometrisk oskärpa bör en liten fokusyta och en liten förstoring, användas.

Häleffekt Effekten kan vändas till en fördel kliniskt! 53

Filter var sitter dom? 54

Filter hur påverkas strålningen? A: Hypotetiskt spektrum B: Spektrum från W-anod C: Filtrerat W-spektrum (2.5 mm Al) 55

Röntgenrör Attenuering av strålningen 56

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. ZnCdS: 1950-1970 57 CsI: 1970-

Filter hur påverkas dosen till patienten? 58

Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild 59

Patienten sprider och absorberar strålning 10-35% sprids tillbaka från patienten. 0-10% når igenom patienten. 50-90% blir absorberad stråldos i patienten. 60

Spridd strålning från patienten Överrör Underrör 61

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. 62

Kontrast med spridd strålning S 1,p +S s S 2,p +S s 63 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

Spridd strålning reducerar kontrasten 64

Raster 65

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 40-70. Primär transmission, typiskt 70% Selektivitet, typiskt 10 Bucky-faktor Infallande/Transmitterat, typiskt 1.5-2 66

Rasterfokusering 67

Spriddstrålning luftgap d 1 d 2 68 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.

Spriddstrålning fältstorleken 69

Spriddstrålning kv 70

Raster Utan raster Med raster N 36 r 12 71

Spriddstrålning luftgap/raster 15 cm luftgap Raster 72

Spriddstrålning objekttjocklek 6 cm plexiglas 26 cm plexiglas 73

Inbländning 18x18cm 2 En inbländning från 23x29 cm 2 till 20x26 cm 2 ger 23% lägre stråldos till patienten! 74

Kompression 3-5 cm Beror på kv men 3-5 cm komprimering ger halverad stråldos till patienten! 75

Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild 76

Bildmottagare Radiografi Bildplatta Direktdigital detektor Fluoroskopi Bildförstärkare Direktdigital detektor 77

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 minimera antalet artefakter i bilden. 78

Grundfakta typisk detektor 79 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

Generell beskrivning av digitala detektorer 80

Direkt-digital detektor 81

Olika struktur i scintillatormaterialet Gd 2 O 2 S CsI Kan göras tjockare och därmed känsligare för samma laterala ljusspridning. 82 Detta ger lägre patientstråldos vid samma skärpa och brus.

Lateral signalspridning Direkt Indirekt a-se Reflekterande skikt CsI (Tl) Matris med TFT och kondensatorer Fotodiodmatris med TFT och kondensatorer Signalprofil Signalprofil 83

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 84

Pixlar Hur fungerar en radiografi- och genomlysningsapparat? Pixelstorlek Bild 2: 0,2 mm Bild 8: 13 mm 85

Kontrastupplösning Bestäms i konventionell radiografi av: Strålkvalitet mas-tal Spridd strålning Filmens gamma Bestäms i digital radiografi dessutom av: Kontrastdjup Bildbehandling Monitorn 86

Kontrastdjup 87 4 bitar = 16 grånyanser 10 bitar = 1024 grånyanser

Nya möjligheter med FPD Flera bilder i snabb följd Dual energy Tomosyntes 88

Dual energy 89

Normalbild 90

Skelettbild 91

Mjukvävnadsbild 92

Tomosyntes limited-angle tomography 93 1960-talet: avsaknad av lämpliga detektorer + CT:s intåg Idag: FPD lämpliga detektorer + ökad dosmedvetenhet

Transmissionsbild Skiktbild 94

0.5 mas Hur fungerar en radiografi- och genomlysningsapparat? 95 (3200) 1 mas (1600) 2 mas (800) 4 mas (400) 8 mas (200) 16 mas (100) 32 mas (50) 63 mas (25) Digitalt system Konventionell film 0.5 mas 1 mas 2 mas 4 mas 8 mas 16 mas 32 mas 63 mas 95 underexponerad (400) överexponerad

Digitalt system HÅLL KOLL PÅ EXI-VÄRDET! 0.5 mas 1 mas 2 mas 4 mas 8 mas 16 mas 32 mas 63 mas (3200) 96 (1600) (800) (400) (200) (100) (50) (25)

Exponeringsindex, EXI Exponeringsindex är kopplat till detektordos linjärt förhållande Algoritm för EXI beräkning (SIEMENS) Karaktäristisk kurva för detektor är linjär map detektordos (detektorsignal kan användas som ett relativt mått på stråldos) Exponeringsindex är beräknat som det aritmetiska medelvärdet i den centrala arean 97

Exponeringsindex EXI 98 Exempel 1: Thorax p.a Region beräknad från bild Exempel 2: Thorax lat

EXI Varför är EXI värdena olika? Medelvärdet för den centrala arean beror på organ! Andra orsaker är: Geometri och kollimering, strålkvalitet (kv, filtrering) Hur/när kan exponeringsindex användas?! Förhållandet mellan stråldos och EXI är bara (helt) sant under kalibreringsförhållandena Om allt annat är lika gäller, att ett förändrat EXI är ett resultat av en förändrad detektordos EXI är ett användbart mått för QA EXI är inte lämplig som ersättare för dos-area-produkt 99

Lite mer specifikt om genomlysning Bildgivande detektor Arbets- och referensmonitor Manöverpanel Röntgenstrålning Monitorvagn Röntgenrör, bländare Röntgengenerator C-båge 100 C-båge grundkomponenter

Genomlysningslab grundkomponenter Bildförstärkare Bildsignal Dos-signal Bildminne Bildarkiv Printer Bildbehandlingsdator Arbetsmonitor Referensmonitor Bländarautomatik Reglersystem för kv / ma kv / ma Röntgengenerator Röntgenrör 101

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

Automatisk dosreglering kv 120 "Låg-dos" 100 80 Ökande tjocklek "Hög-kontrast" Återkoppling/ styrning av kv/ma 60 ma 0 10 kv / ma Rörspänning (kv) - bildkontrast - dos 103

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 104 Spridd strålning i rummet vid genomlysning

Inbländning - Förstoring Inbländning Förstoring 105

Inbländning/förstoring % 250 Inbländning BF-storlek 23 cm 200 150 100 Spridd strålning 50 0 23 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 200 150 100 106 50 0 23 cm 18 cm 13 cm Bildfält Max huddos "Effektiv dos" Spridd strålning Förstoring: Ofta högre huddos!

Genomlysning Pulsad genomlysning Kontinuerlig strålning - pulsad genomlysning / bildtagning Kontinuerlig strålning Pulsbredd Pulsad strålning: 1-60 pulser/s Dos/puls 107 Linda Ungsten - 107

Kontinuerlig strålning pulsad genomlysning Kontinuerlig strålning Pulsbredd Pulsad strålning: 1-60 pulser/s Dos/puls 108

Pulsad genomlysning Dosrat 1 2 3 4 Röntgenrör Display 1 2 3 4 Tid Bildvisning 109 Bilden fylls ut med information från 1 tills 2 kommer, osv. Tid

Genomlysning och bildtagning med bildförstärkare Jämförelse genomlysning / bildtagningsserie: Pulsad genomlysning 3 p/s under 1 min: 3.6 µgy (60s x 3 p/s x 0.02 µgy/s) Pulsad genomlysning 15 p/s under 1 min: 18 µgy (60s x 15 p/s x 0.02 µgy/s) Kontinuerlig genomlysning 1 min: 24 µgy (60s x 0.4µGy/s) Bildtagningsserie 15 bilder/s under 1 min: 180 µgy (60s x 15 bilder/s x 0.2 µgy/s) 110

Avstånd utrustning - patient FHA Fokushudavstånd Kort FHA - hög huddos 111 Rekommendation: FHA > 45 cm

Hudskador genomlysning 3 mån efter PTCA X2, 100 min genomlysning 112 6 mån efter RFA, 20 min 2 mån efter PTCAx2 genomlysning American Journal of Roentgenology 2001; 177: 3-25

Hudskada Håravfall pga utarmning av stamceller i hårsäckarna. Ett skalligt område i nacken. Skallen rakad före beh med gammakniv. (5 veckor efter embolisering av en dural AV-fistel) Erytem - tidigt tecken på en strålskada Troligen en reaktion på utarmning av celler i hudens basalcellslager. 113 Bild: Pats armbåge vilade vid röntgenrörets kollimatorer under en cardiac ablation procedure (3 veckor efter us)

Hudskada Patient: 40 årig man Undersökningar (samtliga utförda samma dag): koronarangiografi + koronarangioplasti + ytterligare en angiografi pga komplikationer + en kranskärls by-pass graft. Skadan efter 6-8 veckor Beskrivning det blev rött efter en månad började fjälla någon vecka senare Efter 1,5 månader en 2:a gradens brännskada 114

Hudskada 115 Skada några månader senare; delvis läkt, viss sårighet i centrum. Hudnedbrytning fortsatte under följande månaderna

Stråldoser efter 10 min genomlysning i bålen 0,1 0.1 msv 0,005 msv (under blyf.) 0.005 msv (under förkläde) Effektiv dos: 0,02 0.02 msv 20 msv Effektiv dos 0.2 msv 0,2 msv Effektiv dos: 4 msv 4 msv C-båge-dosimeter Huddos Effektiv dos 20 msv Huddos 116

Patienten nära bildförstärkaren 117

Patientstorlek pat Spridd strålning Max huddos 20 cm pat 30 cm Spridd strålning 0.3 msv/min 0.9 msv/min Max huddos 20 msv/min 80 msv/min 118

Spridd strålning: Avstånd - placering i rummet Avstånd, m 0.4 0.7 1.5 Relativ dos 4 1 0.2 119

Spridd strålning: Avstånd och projektionsriktning 0.3 0.1 0.01 1 0.3 0.03 PA msv / 10 min genomlysning 45 LAO 120

Dags att summera GENOMLYSNINGSTIDEN AVSTÅNDET TILL RÖNTGENRÖRET INBLÄNDNING ANTAL PULSER PER SEKUND 121

Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild 122

Teknikkomponenter påverkar dosen Filtrering, kv-inställning < 50% Fältstorlek/inbländning < 100% Kompression < 100% Bord < 25% Raster 2-1 < 100% Jonkammare < 15% Detektorkänslighet < 500% 123

Fortsättning hantverket Val av dosläge: Låg, Normal, Hög Flera 100% Val av format: förstoringslägen < 100% Genomlysningstid Inbländning < 100% Exponerings- och dosautomatik Omtag, < 50% Avstånd: Utrustning Patient Huddos! < 300% Pulsad genomlysning (se dosläge) 124

Tack för visat intresse!