Innehåll Grundläggande röntgenteknik & fysik Angiografi- och interventionsutrustning Vad är strålning? Röntgenutrustning Teknik Fysik Charlotta Lundh Sjukhusfysiker, MFT 2 Vad är strålning? Vad är strålning? Joniserande strålning Ickejoniserande strålning Joniserande strålning Ickejoniserande strålning Transport av energi! Elektromagnetisk strålning Partikelstrålning Elektromagnetisk strålning Partikelstrålning 3 4
5 Strålning Joniserande strålning Radio Mikrovågor Infrarött Synligt ljus UV-ljus Röntgen Gamma Icke-joniserande Joniserande => Ger stråldos Avlämnar tillräckligt mycket energi för att orsaka jonisationer 6 Röntgenutrustningen Underrör Bilddetektor Vilket är röntgenröret? Strålkälla - röntgenrör
Röntgenutrustningen - Röntgenröret Artificiell strålkälla Kräver ström och spänning för att producera strålning Röntgenröret + + - ma Rörspänning (kv) - 99% blir värme, 1% blir röntgenstrålning! 10 Röntgenstrålning - Principen Glödström Katod (-) Elektroner Rörström (ma) Rörspänning (kv) Anod (+) Röntgenfotoner Glödströmmen upphettar katoden. Elektroner frigörs. Inställd ma styr glödströmmens storlek & elektronernas antal,rörströmmens storlek. Katoden Röntgenröret Glödtråd av wolfram upphettas till 2-3000 K med elström (glödström) Högre glödström högre temperatur fler elektroner högre rörström Rörströmmen styrs med hjälp av glödströmmen Elektronerna accelereras mot anoden av en hög spänning. Hastigheten på elektronerna styrs av rörspänningens storlek. Elektronerna träffar anoden med hög hastighet. Rörelseenergin omvandlas till värme (99%) och röntgenstrålning, fotoner (1%). Katod med fokuseringselektrod Fokuseringselektrod (minusspänning) tvingar elektronerna till ett smalt knippe Hög minusspänning hindrar elektronströmmen helt används för att pulsa röntgenstrålningen 11
Röntgenröret Roterande anodtallrik - streckfokus Anodvinkel Elektroner Röntgenfotoner Streckfokus Anodtallrik av wolfram Rörets fokus är den del av tallriken som träffas av elektronerna I fokus bildas röntgenstrålning och värme Rörspänning - kv Högre kv ökar genomträngningsförmågan påverkar kontrasten påverkar dosen 100 kv 60 kv Streckfokus - ser mindre ut i centralstrålens riktning skarpare röntgenbild - sprider ut värmeproduktionen mindre risk för lokal överhettning Roterande anodtallrik - värmeproduktionen sprids ut över skivan - underlättar kylning 14 Röntgenstrålning - fotonenergi Fotonenergi - enhet elektronvolt (ev) = energin hos en elektron som accelererats med spänningsskillnaden 1 V Röntgenstrålning Två slags röntgenstrålning Exempel Rörspänning Energi hos elektron som når anoden Fotonenergi, maximalt 80 000 V (80 kv) 80 000 ev (80 kev) 80 000 ev (80 kev) Under en röntgenexponering landar många elektroner i anoden Den energi som överförs till en foton kommer att variera inom 0-100 % Fotonerna kommer att få energier inom området 0-80 kev 15 Bromsstrålning Ett spektrum av fotonenergier- låg - hög Karaktäristisk röntgenstrålning Specifika fotonenergier beroende på anodmaterial 16
Röntgenstrålning - spektrum Antal fotoner Bromsstrålning Fotonernas medelenergi Rörström - ma Högre ma ökar mängden röntgenstrålning minskar bruset ökar dosen Karaktäristisk röntgenstrålning Fotonernas maximala energi 0 20 40 60 80 100 120 Fotonenergi, kev Figur x. Röntgenspektrum, rörspänning 80 kv Ökad ma 18 Rörström, exponeringstid, mas Rörström: ma kv, ma, mas s Katod - kv ma Anod + Exponeringstid: s Rörladdning (mas) = Rörström (ma) x Exponeringstid (s) Exempel, pulsad strålning: Rörström: 20 ma Exponeringstid: 0,1 s /puls Rörladdning (mas/puls) = 20 x 0,1 = 2 mas/puls Rörspänning, kv röntgenstrålningens kvalitet, genomträngningsförmåga Rörström, ma röntgenstrålningens kvantitet per sekund Rörladdning: rörström (ma) x exponeringstid (s), mas röntgenstrålningens kvantitet ; per exponerad bild, per puls, per genomlysningspass 20
Röntgenstrålning - filtrering Rörets glasvägg + tillsatsfiltrering = totalfiltrering Tillsatsfiltrering kan varieras (2-6 mm Al, 0.1-1 mm Cu) Filtrering påverkar fördelningen av fotonenergier Röntgenstrålning Antal fotoner 80 kv utan filter på av Pulsad genomlysning pulsad tid Tillsatsfilter Bländare Glasvägg 80 kv med filter kev Katod Anod 0 20 40 60 80 100 120 Röntgenrör Röntgenspektrum med och utan filter 22 Dosrat Pulsad genomlysning Princip för röntgen Display 1 2 3 4 1 2 3 4 Bilden fylls ut med information från 1 tills 2 kommer, osv. Röntgenrör Tid Bildvisning Tid Luft i lungor dämpar röntgentrålningen mycket lite Mjukvävnad dämpar lite mer Skelett dämpar mest Röntgenstrålning ut från kroppsdel 0,1-10 % Bild från Håkan Petersson Linköping 23 24
Röntgenbilden och strålningen Kroppens organ och eventuellt tillförda ämnen och material har olika kemisk sammansättning. Sannolikheten för absorption och spridning i ett organ beror på: - Fotonernas energi - Densitet hos ingående ämnen - Atomnummer hos ingående ämnen - Tjocklek hos organet Röntgenstrålningen absorberas och sprids i varierande grad på vägen genom kroppens organ den strålning som återstår efter passagen fångas upp och ger upphov till röntgenbilden Primärstrålning absorberad strålningsenergi Bildgivande strålning Vad händer med fotonen i primärstrålningen? Spridd strålning till omgivning Spridd strålning till bildmottagare 1. Passerar genom kroppen oförändrad och träffar bildmottagaren 2. Genomgår spridning den spridda strålningen går igenom kroppen och träffar detektorn 3. Genomgår spridning den spridda strålningen går igenom kroppen men missar detektorn och går ut i omgivningen 4. Genomgår spridning den spridda strålningen absorberas i kroppen 5. Absorberas helt 26 Absorption/spridning av röntgenstrålning Röntgenstrålningens transmission (70 kv) Absorption Före Efter Transmission % 10 Transmissionsskillnader: Objektkontrast, röntgenprofil 0 Spridning eller eller blodkärl med jodkontrast Transmission 15 cm lunga kota = röntgenfoton = kroppsdel = energiabsorption Röntgenstrålning 27 28
Interventionsradiologi-röntgenstrålning Spridd strålning bildkvalitet - raster Bildgivande strålning Primärstrålning Spridd strålning Bilddetektor Raster Spridd strålning som träffar bilddetektorn innehåller ingen bildinformation och försämrar bildkontrasten. Mängden spridd strålning bestäms av: - Bildfältets storlek (inbländning!) - Kroppsdelens projicerade tjocklek Röntgenstrålning, röntgenfotoner 29 Rastret minskar den spridda strålningen som når bilddetektorn och i mindre grad även den bildgivande strålningen. 30 Förstoringsfaktor Alla röntgenbilder är föstorade bilder av verkligheten Detektorer FOA = fokus-objekt-avstånd FDA = fokus-detektor-avstånd FOA FFA FDA Förstoringsfaktor: FDA/FOA 31
pixelsize 150 µm x 150 µm Detektorer Ingångsskärm -glas eller titan Bildförstärkare Utgångsskärm -fosfor Infallande röntgenstrålning Elektroner Synligt ljus Fluorescens skikt fosfor (ZnCdS: Ag) Anoder Scintillationsskikt Fokuseringselektroder Cesiumjodid Fotokatod (CsI:Na) Cesium antimonid (CsSb) Bilddetektor intervention Direktdigitalt system X-rays scintillator amorphous Silicon CsJ(Tl) a-si:h photodiodes Bilddetektor: Bildtagning genomlysning - angio cross section signal lines control lines X-rays light image matrix pixelsize 143 x 143 µm Röntgenstrålning Scintillator Ljus Fotodioder i matris Digital bildinformation i matrisform 35 Enkelbild, röntgenbild : En strålningspuls en röntgenbild Genomlysning, angioserie: Pulsad strålning (1-30p/s) 1-30 röntgenbilder/s rörligt förlopp visas på monitor 36
Den digitala detektorn/bilden Detektor-/bildmatris Bildinformationen mäts in, bearbetas och visas i matrisformat Exempel: Detektor- / bildstorlek: 30 x 30 cm Matrisstorlek: 1024 x 1024 (1k) Pixelstorlek: 0,3 x 0,3 mm Dosvärden för strålning till detektor för varje pixel Gråskalevärden (1-256/1024) i bild för varje pixel. 37 120 100 80 60 Dosreglering kv/ma-reglering kv "Låg-dos Ökande tjocklek "Hög-kontrast 0 10 ma Rörspänning (kv) - bildkontrast - dos kv / ma Automatisk exponeringskontroll (AEC) bibehåller konstant dos/puls (ma vid kontinuerlig genomlysning) till bildmottagaren 38 Dosreglering Genomlysning-angioserie Dossignal Styrsignal kv, ma Bilddetektor Dosmätare Röntgenrör Genomlysningsbilden är ett arbetsverktyg vid kateterisering och betraktas som en film där ögat inte urskiljer enstaka bilder. Lägre krav på bildkvalitet i enstaka bildrutor. Röntgengenerator Exponeringen sköts manuellt med fotpedalen Bilddetektorns dosmätare registrerar strålningen till detektorn och styr kv, mas så att strålningsmängden som når detektorn i varje puls är den önskvärda Dos/puls till detektorn väljs med tanke på acceptabel brusnivå i bilderna Den angiografiska bildserien är dokumentation av kärlanatomi och behandlingsresultat. Betraktas som en film och som enstaka bilder. Högre krav på bildkvalitet i enstaka bildrutor. 39
Genomlysning Pulsad genomlysning Genomlysning - angiografi på av pulsad tid Angiografiska bilder efter kontrastmedelsinjektion DSA Nativa bilder: Konventionella röntgenbilder av anatomiska strukturer tillsammans med kontrastmedelsfyllda kärl Subtraherade bilder anatomiska strukturer subtraheras bort, bilder visar enbart kontrastmedelsfyllda kärl Maskbild DSA före kontrastinj. DSA efter kontrastinj. En serie subtraherade stillbilder (1-5 b/s) under kontrastinjektionen läggs samman till en översiktsbild av hela kärlträdet 43
Bildtagning Bildtagning Bildserie på av tid -i Rotationsangiografi Systemdes ign IQ / Dose Alt 1 Alt 2 3D Acquisition Modes 3D DA 3D DSA 3D B&D Fusion 3D CT Rotation: 180-240 grader, 25-50 gr/s Angular segment : 200 Acquisition Frame rate : 30 B/s Rotation speed : 50 /s @ 2 /frame 30 /s @ 1 /frame 25 /s @ 250 Projections 20 /s @ 400 Projections 10 /s @ 600 Projections