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
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
Genomlysningslab Siemens Artis Zeego Philips MD Eleva 3
Mobiletter Siemens Mobilett XP Sedecal Mobile Dragon Siemens Mobilett Shimadzu Mobile DaRt
Slätröntgenlab Mediel Adora RAD Philips Digital Diagnost 5
Slätröntgenlab (panoramabild) 6
+ patient 7
= bilder! 8 (Hur svårt kan det vara?)
Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild
Exempel Bildsignal och "dos-signal" TV-kamerarör, CCD-chip Ljus Utgångsskärm Ingångsskärm Bildförstärkarrör Röntgenstrålning 10
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 % 11
Bildkvalitet 12 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 13
Högkontrastupplösning Lågkontrastupplösning 14
Kontrast Bilden Detektor Signal S 1 C = S 2 S 1 S 2 S 1 (Det finns flera sätt att definiera kontrast.)
Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild
Röntgenrör röntgenstrålning röntgenstrålning anod fönster katod filamenttråd Bremsstrahlung = röntgenstrålning elektroner anod infallande elektron spridd elektron
18
Glödström 19
+ Rörspänning - Rörström Glödström 20
+ Rörspänning - Rörström Glödström 21
+ Rörspänning - Rörström Glödström 22
Röntgenspektra K α K β N M L K K α, K β, K γ 23
Genomlysning 24 Rörspänning kv 40-110 kv Rörström ma 1-20 ma
Konventionellt röntgenlab 25 Rörspänning kv 50-150 kv Rörström ma 0,5-150 mas
Effekten av att ändra kv p 26
Rörspänningens inverkan 100 kv 60 kv 27
Exempel 100 kv Bilden Detektor Signal
Exempel 60 kv Bilden Detektor Signal
Men observera!! Exempel 100 kv Bilden Detektor Signal OBS! Ändrat kontrast med bildbehandling
Rörspänningens inverkan (med bildbehandling ) 100 kv 60 kv 31
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
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 33 0.0 Dos Då analog teknik används måste histogrammets bredd anpassas till exponeringsomfånget hos skärm/film-systemet
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 34 0.0 Dos Rörspänningen (och objektet) styr histogrammets bredd. mas-talet styr läget längs dosaxeln.
Dynamiskt område strålkvalitet Hög rörspänning Låg rörspänning Liten objektkontrast Stor objektkontrast Smalt histogram Litet dynamiskt område Brett histogram 35 Stort dynamiskt område
Dynamiskt område objekt Tunt objekt Tjockt objekt Liten objektkontrast Stor objektkontrast Smalt histogram Litet dynamiskt område Brett histogram 36 Stort dynamiskt område
37
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.
Effekten av att ändra mas 39
Bruset i bilden påverkas av mas 40 minskande mas
Fokus 41
Fokusdesign 42
Geometrisk oskärpa 43 För att minska inverkan av geometrisk oskärpa bör en liten fokusyta och en liten förstoring, användas.
Häleffekt 44 Effekten kan vändas till en fördel kliniskt!
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
Filter hur påverkas strålningen? A: Hypotetiskt spektrum B: Spektrum från W-anod C: Filtrerat W-spektrum (2.5 mm Al) 46
Filter hur påverkas dosen till patienten?
Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild
Patienten sprider och absorberar strålning 10-35% sprids tillbaka från patienten. 0-10% når igenom patienten. 50-90% blir absorberad stråldos i patienten. 49
Spridd strålning från patienten Överrör Underrör
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
Spriddstrålning kv 52
Spriddstrålning fältstorleken 53
Inbländning 18x18cm 2 En inbländning från 23x29 cm 2 till 20x26 cm 2 ger 23% lägre stråldos till patienten! 54
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
Spriddstrålning objekttjocklek 6 cm plexiglas 26 cm plexiglas 56
Raster 57
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
Rasterfokusering 59
Raster Utan raster Med raster N 36 r 12 60
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.
Spriddstrålning luftgap/raster 15 cm luftgap Raster 62
Bekämpningsmedel mot spridd strålning 63
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
Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild
Bildmottagare Radiografi Bildplatta Direktdigital detektor Fluoroskopi Bildförstärkare Direktdigital detektor
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
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
Generell beskrivning av digitala detektorer 69
Direkt-digital detektor 70
Bildförstärkare Röntgen ljus elektron ljus elektron A/D digital (12 bit) Direktdigital detektor Röntgen ljus A/D digital (14 bit)
Dom där bitarna kontrastdjup 72 4 bitar = 16 grånyanser 10 bitar = 1024 grånyanser
Lateral signalspridning Direkt Indirekt a-se Reflekterande skikt CsI (Tl) Matris med TFT och kondensatorer Fotodiodmatris med TFT och kondensatorer Signalprofil Signalprofil
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.
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
Pixlar Hur fungerar en radiografi- och genomlysningsapparat? Pixelstorlek Bild 2: 0,2 mm Bild 8: 13 mm 76
Bildplattesystem 18x24-35x43
Avläsning av exponerad bildplatta Transportband Svepande He-Ne laserstråle Emitterad luminans proportionell mot absorberad strålningsenergi
Lite mer specifikt om genomlysning Bildgivande detektor Arbets- och referensmonitor Manöverpanel Röntgenstrålning Monitorvagn Röntgenrör, bländare Röntgengenerator C-båge 79 C-båge grundkomponenter
Genomlysningslab grundkomponenter Bildförstärkare Bildsignal Dos-signal Bildminne Bildarkiv Printer Bildbehandlingsdator Arbetsmonitor Referensmonitor Bländarautomatik Reglersystem för kv / ma kv / ma Röntgengenerator Röntgenrör
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
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
Skillnad mellan inbländning och förstoring Inbländning Förstoring
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 50 0 23 cm 18 cm 13 cm Bildfält Max huddos "Effektiv dos" Spridd strålning Förstoring: Ofta högre huddos!
Kontinuerlig strålning pulsad genomlysning Kontinuerlig strålning Pulsbredd Pulsad strålning: 1-60 pulser/s Dos/puls
Pulsad genomlysning Dosrat 1 2 3 4 Röntgenrör Display 1 2 3 4 Tid Bildvisning Bilden fylls ut med information från 1 tills 2 kommer, osv. Tid
Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild
Bildbehandling 88
Frekvenser i en bild?? Vi skall nu beskriva en täthetsprofil med hjälp av sinusfunktioner. Först lite grundläggande addering av funktioner. 89
Frekvenser i en bild - inledning Betraktning av täthetsprofil (gråtoneprofil) längs en linje i en bild. gråtonevärden Svart x-led Vitt x-led 90
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
Frekvenser i en bild Addering av funktioner 2 1 0 2 1 x-led 3 2 1 0 x-led 0 x-led 92
Frekvenser i en bild Addering av funktioner 2 1 0 2 1 x-led 3 2 1 0 x-led 0 x-led 93
2 1 0 1 Addering av funktioner x-led 0 x-led x-led -1 Frekvenser i en bild 3 2 1 0 94
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
Frekvenser i en bild Addering av sinus funktioner x-led 3 Svart 2 1 0 x-led 1 0 x-led Vitt Täthetsprofil x-led 96
Frekvenser Svart Ställ upp alla adderade sinusfunktionerna i en tabell Amplitud Vitt Täthetsprofil 97 Låg frekvens Hög frekvens Frekvens
Frekvenser Svart Ta bort bidrag från höga frekvenser (brus?) Amplitud Vitt Täthetsprofil 98 Låg frekvens Hög frekvens Frekvens
x-led x-led Svart Svart 99 x-led Vitt Vitt x-led
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
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 0,2 101 0 1/8192 1/2048 1/512 1/128 1/32 1/8 1/2 2 spatial frequency (cycles/mm)
Flerskalig frekvensåtergivning 102 Original P 1 P 2 P 3 P N Slutlig bild
Kantförstärkning 2 1,8 1,6 objektstorlek bakgrund lungor revben blodkärl frakturer 1,4 1,2 MTF 1 0,8 0,6 0,4 0,2 103 0 1/8192 1/2048 1/512 1/128 1/32 1/8 1/2 2 spatial frequency (cycles/mm)
Latitudreduktion 2 1,8 1,6 objektstorlek bakgrund lungor revben blodkärl frakturer 1,4 1,2 MTF 1 0,8 0,6 0,4 0,2 104 0 1/8192 1/2048 1/512 1/128 1/32 1/8 1/2 2 spatial frequency (cycles/mm)
Exempel 105
Hur fungerar en radiografi- och genomlysningsapparat? Exempel 106
Exempel 107
Flerskalig bildbehandling Med hjälp av olika fönstersättningar kan vi se olika delar av svärningsskalan. 108
Flerskalig bildbehandling 109
Principerna för röntgen 1. Strålfält 2. Attenuering och spridning 3. Detektion 4. Bild
Bildkvalitet 111 Kontrast Skärpa/Upplösning Brus
Fysikaliskoptimering (doser) Filtrering, kv-inställning: 1.5-1 Fältstorlek/inbländning: 2-1 Kompression: 2-1 Bord: 1.25-1 Jonkammare: 1.2-1 Raster 2-1 Film/skärm, bildplatta, BF: 5-1 Filmframkallning: Detektorkänslighet 1.5-1 1-5 Filmdensitet, ljusskåp: 1.25-1
Tack för visat intresse!