Røntgenfysikk Kristin Jensen Kompetansesenter for diagnostisk fysikk Oslo universitetssykehus, Ullevål

Transkript

1 Røntgenfysikk Kristin Jensen Kompetansesenter for diagnostisk fysikk Oslo universitetssykehus, Ullevål

2 Røntgenrør og dannelse av røntgenstråling Røntgenspekter og parametere Attenuasjon Forskjellig apparatur og automatikk Dosebegreper

3 Elektromagnetisk stråling? Alonso og Finn: Physics, 1995 Transport av energi gjennom rommet ved kombinert elektrisk og magnetisk felt Når en ladning beveger seg dannes et elektrisk og et magnetisk felt rundt bevegelsen Innebærer bl.a. radiobølger, ultrafiolett stråling, lys og røntgenstråling

4 Energi E = h*f hvor h = Plancks konstant = 6,62*10-34 Js og f er frekvensen Konstant hastighet (i vakum) c = λ*f = 3,0*10-8 m/s hvor λ er bølgelengden

5

6 Røntgenapparaturen Røntgenrør Kollimatorer Filtre DAP Raster Automatikk Detektor Dowsett et al (2006)

7 Røntgenrøret

8 Røntgenrøret Elektroner akselereres fra katoden mot anoden og utgjør en rørstrøm Glødetråden har annet spenningsnivå enn metallet rundt, slik at et elektrostatisk felt fokuserer elektronene mot anoden

9 Katode Negativ elektrode filament reflektor Filamentet tynn, tvunnet Wolframtråd Elektronkilde elektroner frigis når filamentet varmes opp liten forandring i temperatur, relativt stor endring i strøm

10 Anode Positiv elektrode Stasjonær anode Targetplate av wolfram festet i en kobberblokk Roterende anode Molybdenbasis God varmeabsorbator I konvensjonelt røntgenutstyr: Wolfram/Rhenium (90%/10%) target I mammografi: Molybden (Mo) og Rhodium (Rh)

11 Anodemateriale Krav til targetmateriale: Høyt smeltepunkt God varmeledningsevne Høyt atomnummer Jo høyere atomnummer på anoden, jo større effektivitet på stråleproduksjonen. Styrke/seighet Høy nok tetthet for vekselvirkningsprosesser

12

13 kv ma ms spenningsforskjellen mellom katode og anode bestemmer hastigheten til elektronene og dermed energien bestemmes av hvor mange elektroner som beveger seg fra katode til anode økes ved å varme opp filamentet hvor lenge rørstrømmen er på

14 Dannelse av røntgenstråling Røntgenstråling dannes når elektroner i fart bremses i et target (anoden)

15 Hva skjer i anoden? Røntgenstråling kommer av to ulike vekselvirkninger når elektronstrømmen treffer target: 1. Bremsestråling 2. Karakteristisk stråling Røntgenrøret omdanner elektrisk energi til røntgenstråling (1 %) og varme (99 %)

16 Elektroner beveger seg i baner rundt kjernen Energien som skal til for å rive løs et elektron fra sin bane kalles bindingsenergien

17 Bremsestråling Høyhastighetselektroner vekselvirker med elektronene i atomet eller med kjernen. De mister noe av sin energi, som omdannes til et strålekvant, foton Strålingen inneholder alle energier opp til energien gitt av maks kv

18 Bremsestråling

19 Karakteristisk stråling Dannes ved kollisjon mellom hurtige elektroner og elektroner bundet i det innerste skallet Bundne elektroner slås løs Elektroner fra ytre skall fyller hull og sender ut stråling Energien gitt av anodematerialet teaching.phys.sci.qut.edu.au

20 Curry, Dowdey, Murry: Christensen s Physics of Diagnostic Radiology Røntgenspekter

21 Rørstrøm, ma ma, eller mengden av elektroner, styrer antall røntgenfotoner per tidsenhet mas produktet styrer total mengde røntgenfotoner Høy ma gir høy stråleintensitet Ellers forandres ikke røntgenspekteret Targetmaterialets atomnummer bestemmer mengden røntgenstråler som produseres ved bremsestråling og energien for den karakteristiske strålingen.

22 Høyspenning Høyspenningen kv over røret bestemmer elektronenes energi når de treffer target Elektroner med ladning e - som går over spenningen V har energi E = ev Økning i kv gir flere fotoner totalt og flere med høyere energi Røntgenspekteret flyttes oppover og til høyre

23 Spektre ulik filtrering

24 Dannelse av et røntgenbilde Primær røntgenfotoner Raster Film/folie Svertnings mønster

25 Filtrering Det kreves ekstra filtrering for å fjerne fotoner med lav energi fra strålefeltet for å hindre at huddosen blir for høy I konvensjonelle røntgenrør skjer dette på strålefeltets vei ut av røret og i skiver av aluminium og kobber som legges i feltet I mammografi benyttes molybden og rhodium til filtrering

26 Strålingens vekselvirkning med materie Registrerende system Absorpsjon Transmisjon Spredning Forholdet mellom prosessene avhenger av stråletype, energi og det materialet som bestråles

27 Attenuasjon Attenuasjon = dempning Reduksjon i strålens intensitet når den passerer gjennom et materiale, enten ved absorpsjon eller avbøying Dempningen følger formelen I = I 0 e (-µx) der µ er den totale attenuasjonskoeffisienten og x er dybden i materialet Kommer av ulike vekselvirkninger med materialet koherent spredning, comptonspredning og fotoelektrisk effekt

28 Attenuasjon I = I 0 e (- µ 1x 1 - µ 2 x 2 )

29 Statens strålevern

30 Total attenuasjonskoeffisient, µ Består av summen av attenuasjonskoeffisientene for spredning (koherent og compton), fotoelektrisk effekt og pardannelse µ = µ koherent + µ FE + µ compton + µ pardannelse I diagnostikk er µ pardannelse = 0 µ avhenger av fotonenergi og atomnummer i materiale

31 Spredning Koherent/elastisk spredning: Innkommende foton får endret retning, uten merkbar endring i energi Utgjør under 5% av den spredte strålingen Compton/uelastisk spredning: Elektroner slåes ut av banen Fotonet avbøyes og bidrar til spredt stråling

32 Comptonspredning Innkommende foton vekselvirker med løst bundet elektron (hν >> E b ). Spredning av foton og elektron Fotonet fortsetter med lavere energi i spredt vinkel. Kan gjennomgå ny vekselvirkning Energien til det spredte fotonet bestemmes av energi til innkommende foton og vinkelen det avbøyes Mer energi tapes ved større vinkel Selv ved store vinkler beholdes mesteparten av energien Foton inn Spredt foton n Raskt elektron Curry, Dowdey, Murry: Christensen s Physics of Diagnostic Radiology

33 Fotoelektrisk effekt Røntgenfotonet vekselvirker med elektron i innerste skall og avgir all sin energi. Fotonet forsvinner og elektronet rives løs fra atomet Hullet fylles av elektron fra ytterste skall karakteristisk stråling Atomet har dermed et elektron for lite i ytterste skall og blir et positivt ion Curry, Dowdey, Murry: Christensen s Physics of Diagnostic Radiology

34 Sannsynligheten for fotoelektrisk effekt Innkommende foton må ha høyere energi enn bindingsenergien til elektronet, E B Mest sannsynlig når fotonenergien er litt høyere enn E B FE ~ 1/(energi) 3 Mest sannsynlig for elektroner som er tett bundet FE ~ (atomnummer) 3 Curry, Dowdey, Murry: Christensen s Physics of Diagnostic Radiology

35 K-kant Høyere energi mer transmisjon, men....ikke rundt k-kant Curry, Dowdey, Murry: Christensen s Physics of Diagnostic Radiology

36 K-kant Eksempel praktisk nytte Bruk av kontrast på CT Redusere kv fra 120 til 80 Får bedre kontrast Små pasienter

37 Fotoelektrisk effekt viktigst ved lave energier og høye atomnummer Dose til pasient Comptonspredning dominerende ved lave atomnummer Dose til personale

38 Ved hvilke energier dominerer de ulike vekselvirkningsprosessene? Podgorsak, E.B. (2005), IAEA syllabus, kap 1.

39 Dannelse av et røntgenbilde Primær røntgenfotoner Røntgenstråling går i rette linjer Inhomogen energiavsetning i de ulike organer gir strålekontrast De transmitterte primærfotonene er bærere av diagnostisk informasjon Spredt stråling gir støy i bildet. Raster reduserer dette Deler av informasjonen tapes ved overføring til registrerende system. Raster Film/folie Svertnings mønster

40 Støy Kvantestøy grunnet statistiske variasjoner i antall fotoner som treffer et gitt areal i detektoren Flere fotoner -> sikrere verdi Dowsett, Kenny, Johnston: The Physics of Diagnostic Imaging

41 Automatisk eksponeringskontroll Starte eksponeringen Måle eksponeringstiden eller eksponeringsdose Stoppe eksponeringen Pasienttykkelse og vevstetthet bestemmer antallet fotoner som treffer detektor og er avgjørende for bildekvalitet Høy kvp og lav ma er generelt å foretrekke av dosehensyn

42 Konvensjonelt røntgenutstyr Digitalt eller analogt utstyr Enkelteksponeringer ->bilder Lave pasientdoser Lavkontrastoppløsning er ikke så god

43 Automatisk eksponeringskontroll (AEC) Ionisasjonskammer etter pasienten registrerer når detektoren har fått nok stråling Viktig å plassere pasienten riktig i forhold til ionekamrene Eksponeringstiden, ms, som varieres

44 Gjennomlysningslab Tar dynamiske bildeopptak Til bruk ved: Intervensjonsprosedyrer Angiografi Gjennomlysning ved operasjoner Kontinuerlig og pulset gjennomlysning Tar også eksponeringer i rask rekkefølge (film) Høyere pasientdoser enn ved konvensjonelle undersøkelser, men lavere enn for CT Lav ma, men eksponeringstiden er lang

45 Ref: Pooley et al, RG 2001; 21:

46

47 Automatikk Doseratekontroll (ABC) : Justerer kv og ma slik at doserate til detektor er konstant uavhengig av pasientstørrelse og tetthet Strålingsintensitet (kvp og ma) begrenses kvp justeringer mens ma konstant ma justeringer mens kvp konstant Justering av både ma og kvp Pulslengde justeringer Filter Automatisk forsterkningskontroll (AGD) Videosignalet justeres. NB: Doserate til pasient justeres ikke!!

48 Bildeforsterker merket av hvor ionekammer ligger Flatpanel detektor

49 50 % av senter av detektoren Vekter senter høyest, kanter mindre Ignorerer helt svarte felt Pasienttykkelse Teknikk Pas.dose Det.dose [cm] kv Pulsbredde ma Filtrering mgy/min mgy/min ,0 34,0 0,2 0,21 0, ,5 32,1 0 1,00 0,071

50 Mammografi Digitalt eller analogt utstyr Enkelteksponeringer Lav kv

51 Heeleffekt whs.wsd.wednet.edu

52 CT Snittbilder/ volumskanning Relativt høye pasientdoser Meget god lavkontrastoppløsning Mye diagnostisk informasjon på kort tid

53 Sammenligning av ulike modaliteter Konvensjonelt utstyr Gjennomlysning CT Enkelteksponerninger Lave pasientdoser Avbilder tredimensjonale strukturer todimensjonalt Dårlig lavkontrastoppløsing, god høykontrastoppløsning Kan følge bevegelser Lav ma, men lang eksponeringstid Volum God lavkontrastoppløsning Rask rotasjonstid og flere detektorer ->kort eksponeringstid for store volum Mye diagnostisk info i et skann Høyere pasientdoser Tredimensjonalt

54 Hva er dose? Avsatt energi per kg vev D = J kg [ Gy]

55 Typiske dosestørrelser Stråleterapi av kreft, strålingsulykker: D = J kg [ Gy] Pasientdoser i diagnostikk fra en undersøkelse: mgy = Gy Personaldoser i diagnostikk fra en undersøkelse: µ Gy = mgy

56 Dosebegrepet Absorbert dose: J/kg [Gy] Ekvivalent dose: J/kg [Sv] = W R Absorbert dose W R = strålingsvektfaktor = 1 for røntgen, gamma og elektroner = 5 20 for nøytroner = 5 for protoner = 20 for alfapartikler

57 Effektiv dose Organer har forskjellig følsomhet for senvirkninger av stråling Effektiv helkroppsdose er summen av den absorberte dosen til de ulike organer, vektet med organenes følsomhet for ioniserende stråling E = D ωt Mål på hvor farlig den enkelte undersøkelsen er Effektiv dose måles i Sievert (Sv) Vev/Organ ICRP 103 w T Rød Beinmarg 0,12 Colon 0,12 Lungevev 0,12 Magesekk 0,12 Bryst 0,12 Resten av kroppen 0,12 Gonadene 0,08 Blære 0,04 Spiserør 0,04 Lever 0,04 Skjoldbrukskjertel 0,04 Beinhinne 0,01 Hjerne 0,01 Spytt kjertler 0,01 Hud 0,01 Totalt 1,00

58 Dosebegreper Dybdedose refererer til et punkt 10 mm inne i kroppen gjennomtrengelig stråling dosegrense = 20 msv/år Overflatedose ytterste hudlag ikke-gjennomtrengelig stråling dosegrense = 500 msv/år dosegrense øyets linse = 150 msv/år

59 Naturlig stråling Kosmisk stråling 0,35 msv i året Ekstern gamma-stråling 0,55 msv i året Radioaktivitet i kroppen 0,37 msv i året Radon 2,0 msv i året

60 Flyreiser og stråledoser Det tyske laboratoriet Gesellschaft für Strahlenforschung har målt g- og nøytronstråling om bord i en rekke Lufthansafly. Total årlig oppholdstid på 600 timer: Gjennomsnittlig flyhøyde meter: 3 msv Gjennomsnittlig flyhøyde meter: 5 msv En 8 timers flytur mellom Europa og USA ga fra 0,04 til 0,065 msv (Tilsvarer 2-3 thorax-bilder)

61 Effektiv dose [msv] Antall røntgen thorax Tid med bakgrunnstråling Thorax 0, døgn L-S-Columna 1, mnd og 13 døgn Urografi 2, mnd og 27 døgn CT caput 2, mnd og 27 døgn CT urografi 2, mnd og 18 døgn CT thorax 3, år CT colon 4, år 2 mnd 2 døgn CT L-S columna 6, år 11 mnd CT abdomen 7, år CT coronar angio 18, år 2 mnd 22 døgn Nefrostomi 1, mnd 12 døgn Varicosele 10, år 10 mnd 24 døgn PTA/stent bekken 33, år 6 mnd 9 døgn * Gjennomsnittlig dose fra naturlig stråling ca. 3,5 msv/år

62 Effektiv dose [msv] Antall røntgen thorax Tid med bakgrunnstråling Thorax 0, døgn L-S-Columna 1, mnd og 13 døgn Urografi 2, mnd og 27 døgn CT caput 2, mnd og 27 døgn CT urografi 2, mnd og 18 døgn CT thorax 3, år CT colon 4, år 2 mnd 2 døgn CT L-S columna 6, år 11 mnd CT abdomen 7, år CT coronar angio 18, år 2 mnd 22 døgn Nefrostomi 1, mnd 12 døgn Varicosele 10, år 10 mnd 24 døgn PTA/stent bekken 33, år 6 mnd 9 døgn Nefrostomi 0, mnd 6 døgn Varicosele 3, mnd 9 døgn PTA/stent bekken 12, år 6 mnd 15 døgn * Gjennomsnittlig dose fra naturlig stråling ca. 3,5 msv/år

63 ALARA As Low As Reasonably Achievable Dose må ses i sammenheng med bildeinformasjon