Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Inhalt:
- geschichtlicher Überblick
- physikalische Grundlagen der Röntgenstrahlung
- Erzeugung von Röntgenstrahlung
- Wechselwirkung mit Materie
- Detektoren
- Bildgebung mit Röntgenstrahlung
Projektions-Radiographie
Computer-Tomographie
(Bildernachweis: Dössel, 2000; Morneburg, 1995; Kalender, 2000; Siemens, Philips, Internet)
Prinzip
- aktiver Abbildungsvorgang durch Zuführung von Energie
- unterschiedliche Schwächungvon Röntgenstrahlen in den Geweben des Körper
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Historie
1895 Wilhelm Conrad Röntgen (27.3.1845 - 10.2.1923)Entdeckung der Röntgenstrahlen am 8. November 1895Aufnahme der Hand von Frau Röntgen am 22. Dezember 1895
1901 Nobel-Preis für Physik an Röntgen
1912 Nachweis als e.m.-Welle durch Streuexperimenteam Kristall (Friedrich, Knipping, von Laue)
1917 Johann Radon: Radon-Transformation als mathematisches Prinzip für Röntgen-CT(Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte
längs gewisser Mannigfaltigkeiten. Ber. vor Sächs. Akad. Wiss., 69, 262)
Coolidge: Röntgen-Röhre mit Hochvakuum
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
„Und läßt man der Phantasie weiter die Zügel schießen, stellt man sich vor, dass es gelingen würde, die neue Methode des photo-graphischen Prozesses mit Hilfe von Strahlen aus den Crookeschen Röhren so zu vervollkommnen, dass nur eine Partie der Weichteiledes menschlichen Körpers durchsichtig bleibt, eine tiefer liegende Schicht aber auf der Platte fixiert werden kann, so wäre ein unschätz-barer Behelf für die Diagnose zahlloser anderer Krankheitsgruppen als die Knochen gewonnen.“
Anonym, Frankfurter Zeitung, 7. Januar 1896
(zitiert in: W. Kalender Computertomographie, Publicis MCD Verlag, 2000)
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
1938 Gabriel Frank: Verfahren zur Erstellung von Körperschnitt-bildern mittels Röntgen-Strahlen (Deutsche Patentschrift 1940)
1957/58 S.I. Tetel‘Baum, B.I. KorenblyumBau eines der ersten CT-Scanner am Politechnischen Institut, Kiev,Russland
1961 William D. OldendorfErste Labor-Röntgen-CT-Bilder eines Kopf-Phantoms(Idee: ortsfester Detektor; rotierende Probe)
1963/64 A.M. CormackErste Darstellung der Röntgenschichtaufnahmemethode (~CT)(Representation of a function by its line integrals, with some radiological
applications. J Appl Phys, 34, 2722, 1963)
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
1967 Godfrey N. Hounsfield (Ing.)EMI Lab., England; Beginn der ComputertomographieM.M. Ter-Pergossian: Die physikalischen Aspekte derdiagnostischen Radiologie
1971/72 G.N. Hounsfield, J. Ambrose, J. Perryerstes klinisches CT
1973 Transversale/Axiale CT
1979 A.M. Cormack u. G.N. Hounsfield: Nobelpreis für Physiologie und Medizin
1980 Digitale Radiographie
2000 ca. 30.000 CT-Installationen weltweit
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Grundlagen Elektromagnetischer Wellen - Röntgenstrahlung:
Licht:
Teilcheneigenschaften(Photonen, Lichtquanten)
E = h . f [E] = 1eVh = 4.136.10-21 MeV sc = 2.997.10-8 m s-1
Welleneigenschaftene.m. Wellen(züge) der (mittleren) Frequenz f bzw. Wellenlänge λ
c = λ . f
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Grundlagen Elektromagnetischer Wellen - Röntgenstrahlung:
Wellenlängenbereich der Röntgenstrahlung:λ = 3 . 10-8 m - 3 . 10-14 m⇔f = 1016 Hz - 1022 Hz= 105 GHz - 1013 GHz
Photonenenergiebereich derRöntgenstrahlung:E ≈ 42 eV - 41.36 MeV
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Biologische Wirkung ionisierender Strahlung:
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Ionisation von Wasser(ca. 80% der Ionisationen)
direkte Treffer auf Enzymeu. Chromosomen
direkte Treffer auf DNS
ZellgifteRadikale(z.B. Wasser-stoffperoxid)
Schädender
„Zellbiologie“
Schädender DNS
Zellrestitution(99.9% bei kleiner Dosis)
Zelltod
Mutationen v.Erbanlagen
KrebsInaktivierung v.Zellen/Organe
Biologische Wirkung ionisierender Strahlung:
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Natürliche Strahlenexposition:
kosmische Strahlung 0.3 mSv/aterrestrische Strahlung 0.5 mSv/a
im freien 0.43 mSv/aim Haus 0.57 mSv/a
inkorporierte radioaktive Stoffe 0.3 mSv/aInhalation von Radon-Folgeprodukten 1.3 mSv/a
Biologische Wirkung ionisierender Strahlung:
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Künstliche Strahlenexposition:
Anwendung in Medizin 1.4 mSv/aRöntgendiagnostik 1.30 mSv/aNuklearmedizin 0.07 mSv/aStrahlentherapie 0.03 mSv/a
Fallout von A-Bombenversuchen 0.01 mSv/aGebrauchsgüter, Forschung 0.03 mSv/a
techn. Strahlenquellen 0.01 mSv/aIndustrieprodukte 0.01 mSv/aStörstrahler (Fernseher) 0.01 mSv/a
Beruflich bedingte Exposition 0.01 mSv/afriedliche Nutzung Kernenergie 0.01 mSv/a
Gesamtdosis (natürlich+künstlich) 1 - 4 mSv/a
Biologische Wirkung ionisierender Strahlung:
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Strahlenschäden
- deterministisch: Schwere eines Schadens steigt mit derDosis ab einer gewissen Schwelle
- stochastisch: Wahrscheinlichkeit für Schaden steigt mitmit der Dosis, keine Schwelle
somatisch: betreffen den bestrahlten Menschenz.B. Funktionsstörung von Organen
genetisch: rezessive Mutationentreten erst in späteren Generationen auf(zwei mutierte Gene treffen aufeinanderund Akkumulation in Bevölkerung)
Grundgrößen und Einheiten der Dosimetrie:
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Energiedosis
dmdW
D ==Masse
Energieeabsorbiert
Einheit Gy: Gray 1Gy = 1J/kg
Früher rd: Rad 1 rd = 0.01 Gy
Energiedosisleistung dtdD
D ==Zeit
isEnergiedos&
Einheit Gy/sec(oder /min, /h, /d, /a)
Früher rd/sec
Grundgrößen und Einheiten der Dosimetrie:
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Ionendosis
dmdQ
J ==Masse
geLadungsmengebildete
Einheit C/kg = As/kg
Früher R: Röntgen 1 R = 2.58.10-4 C/kg
Ionendosisleistung dtdJ
J =&
Einheit: A/kg
Grundgrößen und Einheiten der Dosimetrie:
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Äquivalentdosis faktorBewertungshängigerstrahlenab=
⋅=q
DqH
Einheit Sv = Sievert 1 Sv = 1J/kg
Früher: rem 1 rem = 10 mSv
Äquivalentdosisleistung dt
dHH =& Einheit: Sv/sec (oder /min, /h /d /a)
Strahlungsform q
Rö.- und Gammastrahlen 1Betastrahlen 1Alphastrahlen 20Neutronenstrahlen 10
Mikroskopische Verteilung der deponierten Energie verschiedener Strahlenarten:
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Strahlenschutz:
Bildgebung mit Röntgenstrahlen
Allgemein gilt:
- Vermeidung unnötiger Exposition mit ionisierender Strahlung
- falls nicht vermeidbar: ALARA (As Low As Reasonably Achievable)
- Informationspflicht
Dosis nimmt mit Quadrat des Abstandes ab D ~ 1/A2
Dosis wächst proportional mit Expositionszeit D ~ texp