RTG a CT
biofyzika
Pohled do historie
-Wilhelm Conrad Röntgen - objev X-paprsků 11.8.1895,
 Nobelova cena za fyziku - 1901
- 1897 - první vyráběné rentgeny (plynem plněná rentgenka)
- 1902 - změření vlnové délky rtg záření
- 1908 - zesilovací fólie
- 1913 - vakuová rentgenka s wolframovým žhavícím vláknem
- 1914 - rentgenka s rotační anodou (oboje W. D. Coolidge)
- 1948 - zesilovač rentgenového obrazu
- 1963 - teorie počítačové tomografie
- 1971 – výpočetní RTG tomografie (CT RTG)
- 1975-80 – nepřímá digitální radiografie
- 1999 – přímá digitální radiografie
Úvod
 RTG ZS je systém aktivní.
 RTG ZS vytvářejí tzv. sumační obraz, tj. obraz, který vznikl společným
průmětem všech orgánů jimiž prochází RTG záření na detektor.
 pokud se nepoužívají kontrastní látky, jedná se o tzv. prostý (nativní) obraz.
Jinak se jedná kontrastní vyšetřovací metody (za použití kontrastních látek látky,
které zvyšují absorbci RTG záření).
 Skiagrafie – technika pro získání obrazu (statického snímku).
 Skiaskopie – získání sledu RTG obrazů (lékař sleduje obraz na
stínítku/obrazovce).
Vlastnosti RTG záření
Jedná se o elektromagnetické záření v rozsahu krátkých vlnových délek od 10-12 do 10-8 m
(meze se mohou lišit). Fotony mohou způsobit ionizaci atomů a molekul prostředí, kterým
prochází.
V případě živé tkáně je zde nebezpečí nevratných změn.
Poškození tkáně může být somatické (časné, určitá dávka záření) nebo genetické (pozdní,
stačí i jediný foton).
Pozn. Fotonu o vlnové délce l přísluší energie E = h.f, kde f je frekvence (f=c/l). Tedy:
E=h.c/l. Čím menší vlnová délka, tím větší energii má foton.
V „atomovém světě“ se energie uvádí v elektronvoltech
(eV, 1eV = 1,6.10-19J).
1eV je energie, která se rovná práci nutné k přemístění jednoho elektronu mezi dvěma místy
s napěťovým rozdílem 1 V.
h – Planckova konstanta = 6,63 10-34J.s.
Vznik RTG záření
 Elektrony emitované z katody dopadají na anodu (0.6-0.8 násobek rychlosti
světla), pronikají několika vrstvami atomů a ztrácí tak svoji kinetickou
energii.
 Existují dvě základní interakce, které vedou ke vzniku RTG záření:
 interakce s polem jádra atomu – brzdné záření;
 interakce s obalovými elektrony – charakteristické záření;
Pozn.:
Přirozeným zdrojem RTG záření je záření hvězd a dalších kosmických těles,
umělým zdrojem je rentgenka.
Rentgenka s rotační anodou
 Skleněná vakuová (až 10-6 Pa)
baňka se dvěma elektrodami.
 Elektrony jsou emitovány z
katody (žhavené vlákno
proudem IH) a díky velkému
rozdílu potenciálů mezi katodou
a anodou narážejí do rotující
anody s velkou kinetickou
energií a vyvolají vznik brzdného
elmg. záření - RTG záření.
Anodové napětí určuje maximální i střední energii fotonů výsledného RTG-záření
(vlnovou délku a tedy spektrum). Anodový proud protékající rentgenkou určuje
intenzitu RTG-záření emitovaného rentgenkou.
Rentgenka parametry
 Účinnost rentgenky je velmi malá (max. 1%) a velká část energie elektronů se mění na teplo (až
2500°C), které se musí odvádět. (Nejen) proto se používá rotační anoda, která zajišťuje větší
odvod tepla (větší termické ohnisko). Rentgenky s vysokým výkonem je třeba chladit – olej.
 RTM anody: rhénium-wolfram-molybden. Wolfram tvoří aktivní povrch, rhénium zvyšuje odvod
tepla a molybden tvoří základ.
 Průměr anody je v rozmezí od 50 mm do 150 mm.
 Rychlost otáčení: 3000 – 20000 ot/min
 Požadavky na materiál anody:
 vysoké atomové číslo (počet protonů)
 energie zářivého toku bude větší pro materiály
 s větším atomovým číslem při stejném anodovém
 napětí a proudu rentgenky;
 vysoký bod tavení;
 vysoká tepelná vodivost;
 vysoká tepelná kapacita;
Rotující rentgenka - STRATON
Siemens STRATON – 2004 – pro CT výpočetní tomografii
magnetické vychylování elektronového svazku
lepší chlazení díky přímému kontaktu anody s chladícím médiem
Rentgenky - shrnutí
Volbou anodového napětí se mění:
 účinnost přeměny kinetické energie na RTG záření;
 celková energie zářivého toku;
 tvrdost spektra (mezní vlnová délka);
Tvar spektra RTG záření také závisí na tvaru impulsu
anodového napětí.
Volbou anodového proudu se mění pouze
celková energie zářivého toku RTG záření.
Primární parametrické pole
 modulace hustoty toku fotonů je dána prostorově závislým útlumem RTG
záření.
Primární parametrické pole je
dvouparametrické – závisí na velikosti
útlumu a tloušťce materiálu
?
Primární parametrické pole
Mechanismy interakce RTG záření s tkání
 Celá řada mechanismů:
 vnitřní fotoelektrický jev
 koherentní Rayleighův rozptyl
 nekoherentní Comptonův rozptyl
 tvorba iontových párů
 jaderný fotoefekt – vyražení neutronu nebo protonu
Jev utvrzování RTG svazku
Zpracování a detekce RTG záření
Vysoká energie fotonů RTG záření
znemožňuje usměrňování RTG
paprsku. Pro řízení směru RTG svazku
je proto nutné použít absorpční
zpracování. Proto se používají clony,
kolimátory a filtry.
Cílem je:
- vymezit užitečný svazek RTG záření;
- potlačit rozptýlené záření;
- potlačit neužitečné složky spektra;
Sekundární kolimátor
Sekundární kolimátor –
umístěn mezi snímaným
objektem a rovinou
obrazového detektoru RTG
záření.
Je tvořen mřížkou z lamel
absorpčního materiálu
(olovo).
Mřížka směrově konverguje
do ohniska rentgenky.
Filtry
 Používají se k úpravě spektra RTG záření.
 Spojité spektrum obsahuje měkké složky, které jsou absorbovány v
povrchových vrstvách tkáně a neovlivňují proces zobrazení, ale pouze zvyšují
radiační zátěž organismu.
 Velké zastoupení tvrdých složek má za následek velký podíl rozptýleného
záření - zvýšení radiační zátěže obsluhujícího personálu.
 Filtry se vyrábějí jako tenká fólie a umísťují se do primárního svazku.
Využitím materiálů s vyšším atomovým číslem (a zvětšováním tloušťky filtru)
se výstupní spektrum zužuje a utvrzuje.
 Materiál: hliník, měď, tantal
Možnosti detekce RTG záření
RTG ZS s detekční deskou:
- fotografický materiál
- luminiscenční stínítko
- fosforová výpočetní radiografie
RTG ZS s kamerou:
- konvenční přístup
- digitální detekce – přímá vs nepřímá
Kontrastní látky v RTG – subtrakční angiografie
 Cílem je zobrazit pouze cévní struktury (cévní strom) naplněné kontrastní látkouDSA
(Digital Subtraction Angiography).
 Provedeme-li zobrazení snímané scény před aplikací kontrastní látky (získáme
obraz, který bývá obvykle označován jako "maska„ (a)) a následné zobrazení téže
scény po injekční aplikaci kontrastní látky (tzv. postkontrastní obraz (b)), po
subtrakci těchto obrazů obdržíme obraz pouze cévního řečiště naplněného
kontrastní látkou (obraz změny ve scéně (c)).
Aplikace RTG
 V dnešní době mají RTG zobrazovací systémy nepřekonanou roli při zobrazování:
 morfologie kostí (úrazy, zlomeniny, …)
 plic (diagnostika TBC a jiných chorob)
 zubů
 mamografie
 skiaskopie srdce (RTG navádění katétru, implantace
kardiostimulátoru)
 digitální subtrakční angiografie
 skiaskopie trávicího traktu (s kontrastní látkou)
 V ČR bylo v roce 2012 vykázáno 14 mil. vyšetření zobrazovacími metodami, z
toho 59% konvenčními RTG systémy (tedy 8,26 mil. vyšetření)
Ukázky obrázků
Bezpečnost RTG zobrazovacích systémů
•Princip optimalizace dávek – dáno ALARA (As Low as Reasonably Achiavable) –
dávka co nejnižší možná dávka při zachování dostatečné diagnostické informace.
Moderní RTG systémy
RTG Výpočetní tomografie
CT-RTG)
Klasické RTG vs CT
U klasických RTG ZS je zásadní nevýhodou převod 3D na 2D ( vytvoření
sumačního obrazu – tzn. ztrácíme informaci o souřadnici z).
Dále je to obecně malá detekční účinnost, což vede na požadavek větší dávky
RTG záření.
Nízký kontrast ve scéně – velká změna primárního parametru vede na relativně
malou změnu v obraze.
Proto byla snaha o zvýšení diagnostické hodnoty při zachování, nebo zmenšení
aplikované dávky.
Technologicky možné až díky zavedení počítačů do lékařské diagnostiky – konec
60. let 20. století.
Historie CT
 Říjen 1971 – první klinický tomograf Godfrey N. Hounsfield, EMI Lab.
 Nezávisle na něm stejný objev Allan M. Cormack, Tuffs University.
 Oba získali v roce 1979 Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu.
CT RTG zobrazovací systém
Princip CT RTG
Postupně měříme útlum RTG úzce zkolimovaného (tužkového)
svazku – měříme jednotlivé projekce scény
Soustava rentgenkadetektor
se otáčí a postupně
dostáváme soubor projekcí.
Z projekcí jsme schopni,
za pomocí matematických
metod, zrekonstruovat
snímanou tomografickou
vrstvu.
Tomografická akvizice a souřadná soustava
Základní principy konstrukcí CT ZS
 CT RTG ZS:
 1. generace – ukončena.
 2. generace – ukončena.
 3. generace – nejpoužívanější, dále se rozvíjí.
 4. generace – málo používaná.
 5. generace – nákladná, experimentální použití.
 6. generace – 3.generace s technologií „slip-ring“.
 Helical CT – nový přístup k akvizici dat.
 3S CT - Sub Second Spiral CT.
 Multi-slice – nové technologie pro konstrukci snímačů.
 Real Time – 4D, Continual Imaging.
Základní principy konstrukcí CT ZS
CT ZS 1. generace – jeden zdroj a jeden detektor se posouvá a otáčí (cca 1°) kolem
pacienta. Paprsek prochází paralelně. Celkově se rám s detektorem a zdrojem otočí o
180°.
translace rotace
Snímací čas –
několik minut.
Dnes už se
nepoužívá.
Základní principy konstrukcí CT ZS
CT ZS 2. generace – vějířovitý svazek paprsků RTG záření + mozaika detektorů
(desítky). Doba snímání – řádově desítky sekund.
translace rotace
Základní principy konstrukcí CT ZS - 2. generace
Dále se používají kolimátory pro eliminaci
rozptýleného záření na straně detektorů – lamelový
kolimátor.
Zlepšuje prostorové rozlišení – odstraňuje záření,
které dopadá na detektor z jiných úhlů.
Základní princip konstrukce CT ZS – 3.generace
CT RTG další generace
 4. generace – detektory na obvodu celé gantry (pevné), rentgenka rotuje
(různé způsoby)
 5. generace – systémy s elektronovým dělem (náhrada klasické rentgenky)
 Tyto systémy se dnes nepoužívají.
Slip-ring CT RTG
Technologie „slip-ring“
vede na novou generaci CT.
Jelikož není omezený úhel
rotace, může gantry
současně vykonávat rotační
a lineární pohyb v kolmém
směru. Skutečná dráha se
tak mění na šroubovici.
Stoupání šroubovice je
definování tzv. (helikálním)
výškovým „pitch“ faktorem
CT.
Vícevrstvé (multi-slice) CT RTG
Další zvyšování rychlosti rotace je technologicky omezené – zrychlení, které
působí na rotor (rentgenku) je veliké (až 20G!). Váha gantry 900kg.
To vedlo na myšlenku „multi-slice“ systémů – paralelní uspořádání několika řad
detektorů (v ose z).
První multi-slice CT ZS byl konstruován již v roce 1992 (2-vrstvé). V současné
době jsou běžné 16-ti vrstvé (TOSHIBA Aquilion 32, 64, 128 vrstvé). Maximu v
dnešní době je 320 vrstev (Toshiba Aquilion ONE)
Vyrábí se i v kombinaci s „helical“ – snímání několika šroubovic současně.
Dnešní vývoj
 Snaha sejmout celý zájmový objem na jednu rotaci (bez posunu v ose z).
 Dnes až 320-ti vrstvý systém.
 Rychlost rotace <0,3s.
 Systémy s dvěma rentgenkami,
 Výhodou je zkrácení doby akvi
zice, provádět dvouenergetické
 skenování a zobrazení.
Rotace gantry s rentgenkou a detektory
 https://www.youtube.com/watch?v=ra7sw0kNvTw
 https://www.youtube.com/watch?v=2CWpZKuy-NE
 320 vrstev v akci https://www.youtube.com/watch?v=19YaNtu7meg
Ukázky obrázků
Ukázky obrázků