06 rtg záření

RTG záření

Pavel Nedbal

Klinika zobrazovacích metod

Fakultní nemocnice Plzeň

Analogová a digitální skiagrafie

podzim 2015

Pavel Nedbal

název

• RTG záření

• Röntgenovo záření

• rentgenové záření

• X záření

www.radiologieplzen.eu

2

Pavel Nedbal

zdroje

• přírodní zdroje - 90%

–přírodní radionuklidy

– terestrální záření

–kosmické záření

• umělé zdroje - 10%

– rentgenka

–předměty denní spotřeby


3

Pavel Nedbal

vlastnosti a účinky


4

Pavel Nedbal

elektromagnetické vlnění

• „příčné vlnění elmg pole

• elmg záření lze popsat jako vlnu nebo proud částic

• je charakterizováno

• rychlostí šíření (šíří se rychlostí světla (ve vakuu))

• vlnovou délkou

• frekvencí

• ve vodiči může indukovat napětí (antény)

• pokud je pohlcováno může se měnit na teplo

• „částicí“ je foton, f0


5

Pavel Nedbal

elmg záření

• elmg záření o vlnové délce λ má frekvenci f a jemu připisovaný foton má energii E

• vztah mezi tím lze vyjádřit

λ=c/f

E=h.f

• c - rychlost světla (3×108 m/s)

• h = 6,6252×10−34 J·s = 4,1

μeV/GHz (Planckova konstanta)


6

Pavel Nedbal

elmg záření


7

Pavel Nedbal

elmg záření

• podle místa vzniku

• X záření

– vzniká v elektronovém obalu

– energie – E= 40 – 150 keV

– vlnová délka λ = 10 – 0,1 nm

– pronikavost

• záření

– vzniká při jaderných reakcích

– „nejtvrdší“ elmg záření – E > 100 keV

– velká pronikavost

– velmi silně ionizuje


8

Pavel Nedbal

energie

• energie – [J]

• radiační fyzika – [eV]

• 1 eV = 1,60217653 . 10−19 J

• zdroje nejsou monoenergetické

• spektrum spojité

• spektrum čárové

www.radiologieplzen.eu 9

Pavel Nedbal

vlastnosti

• elmg záření

• „proud“ fotonů

• energie – keV

• λ = 10-12 až 10-10 – „tvrdé“

• λ = 10-10 až 10-8 – „měkké“


10

Pavel Nedbal

účinky

• proniká hmotou

• diferencovaná absorpce

• ionizační efekt

• luminiscenční efekt

• fotochemický efekt

• biologický efekt


11

Pavel Nedbal

diferencovaná absorpce

• záleží na Z materiálu, ρ

• větší Z => větší absorpce

• záleží na hustotě a tloušťce materiálu

různá absorpce různými tkáněmi => podstata medicínského využití


Pavel Nedbal

ionizační efekt

• nepřímo ionizuje

• ionizuje vzduch a plyny

• energie rtg záření je dostatečná k ionizaci

• vyražený elektron opouští atom – mění se elektrická rovnováha

• využití v dozimetrii


13

Pavel Nedbal

luminiscenční efekt

• při interakci s vhodným materiálem (ZnS, CdS, oxidy gadolinia a lanthanu, …)

• vyvolání vzniku viditelného světla

• fluorescence

• fosforescence


14

Pavel Nedbal

fotochemický efekt

• zčernání filmu nebo fotografické desky

• čím větší intenzita => větší zčernání


15

Pavel Nedbal

biologický efekt

• biologické změny

• chemické změny

• genetické změny

• účinky deterministické a stochastické


16

Pavel Nedbal

vznik


17

Pavel Nedbal

vznik

• dopad urychleného elektronu na terčík - rentgenka

• změna dráhy elektronu (synchrotron)


18

Pavel Nedbal

synchrotron

• kruhový urychlovač částic (e+, e-)

– elektrony urychleny v LINAC

– zrychleny v BOOSTER

– uchovány v STORAGE RING

• vysokoenergetické rentgeny (MeV)

• vznik záření při prudké změně směru urychlené částice


19

Pavel Nedbal

vznik - rentgenka

• uvolnění e- z katody

–žhavení katody

• urychlení e-

–VN mezi A a K

–přeměna Ep na Ek

–vznik: Ep=U.e

– těsně před dopadem: Ek=Ep=1/2mv2


20

Pavel Nedbal

interakce e-

• elektrony interagují s jádry nebo s elektrony obalu

• vyšší obaly => vznik tepla

• nižší obaly, jádro – brzdné a charakteristické záření


21

Pavel Nedbal

brzdné záření

• brzdění e-

–zpomalení vlivem odpuzování letícího e- elektrony atomů anody

–+ náboj jádra zpomalí a změní směr

–vznik fotonů

–spojité brzdné záření – rozdílné zpomalení elektronů


22

Pavel Nedbal

brzdné záření


23

Pavel Nedbal

brzdné záření

• vysoké Z => vysoká tvorba brzdného záření

• kVp – peak – max hodnota

• spojité = energie 0 – kVp

–ne všechny urychlené elektrony kVp

–více interakcí = méně energie

– filtrace


24

Pavel Nedbal

charakteristické záření

• excitace atomů anody

–přeměna Ek letícího e- na Ep e- atomu

anody – excitace

–vysoké Z = silná interakce – velké energetické rozdíly hladin

• deexcitace atomů anody

–vyzáření „přebytečné energie“ – charakteristické záření


25

Pavel Nedbal


• min 70 kVp (wolfram)

• letící e- vyrazí e- z K vstvy

• vyražený e- je zastoupen e- z vyšší vrstvy

• deexcitací se uvolní kvantum energie


26

Pavel Nedbal



27

Pavel Nedbal



28

Pavel Nedbal


• vazebná energie elektronů

• energie jednotná - závislá na materiálu anody


29

wofram molybden rhodium

Kα1 59,32 17,48 20,22

Kβ 67,24 19,61 22,72

vrstva wofram molybden rhodium

K 69,5 20 23,2

L 12,1/11,5/10,2 2,8/2,6/2,5 3,4/3,1/3

M 2,8 - 1,9 0,5 - 0,4 0,6 - 0,2

Pavel Nedbal


• pro wolfram 15 energií

–5 Kx

–4 Lx

–otatní pro vnější vrstvy


30

Pavel Nedbal

extrafokální záření

• mimoohniskové záření

• dopad e- mimo terčík anody

• neužitečné

• ↑velikost ohniska – ↑ dávka

– ↓kontrast


31

Pavel Nedbal

charakteristiky


32

Pavel Nedbal

energetické spektrum


33

energie

množstv

í

Pavel Nedbal



34

Pavel Nedbal


• vliv exp. hodnot

–mA

–kVp

• vliv ostatních faktorů

–přídavná filtrace

–materiál terčíku

–generátor


35

Pavel Nedbal

změna proudu

• změna mA nebo mAs – proporcionální změna amplitudy – všechny energie


36

Pavel Nedbal

změna napětí

• změna kVp – změna amplitudy i umístění křivky spektra

• ↑ 15% kVp = ↑ 2 x mAs


37

Pavel Nedbal

přídavná filtrace

• mění se amplituda i umístění křivky

• větší filtrace – absorpce více nízkoenergetických fotonů => zvýší se efektivní energie


38

Pavel Nedbal

materiál terčíku

• ovlivní tvar spektra

• posun peaků charakteristického záření

• s vyšším Z se zvyšuje amplituda


39

Pavel Nedbal

generátor

• intenzita záření je neproporcionální ke kV

• kolísání intenzity u generátorů s velkým zvlněním


40

Pavel Nedbal

generátor

• 3 fáze představuje 12% zvýšení

• VF i 16% zvýšení

• mění se amplituda i pozice


41

Pavel Nedbal

expozice


42

Pavel Nedbal

expoziční faktory

• expoziční faktory ovlivňují kvalitu a množství rtg záření

!práce s exp. faktory je náplní práce RA!


43

Pavel Nedbal

expoziční faktory ovlivnitelné RA

• kVp

• mAs

• SID

• volba ohniska

• přídatná filtrace


44

Pavel Nedbal

expoziční hodnoty kVp

• nejdůležitější hodnota!

• velikost napětí mezi A a K

• diagnostika: 40 – 140 kVp

• udává pronikavost záření

• udává kontrast snímku

• částečně ovlivní i množství záření • při ↑kVp více fotonů projde až k snímači


45

Pavel Nedbal

expoziční hodnoty kVp

• ? stane při zvýšení kVp

–zvýší se energie fotonů

–méně fotonů se absorbuje v objektu

–více fotonů prochází na snímač

–dochází k většímu zčernání filmu/zvýšení signálu

• pro konstantní expozici

–15% zvýšení kVp by mělo být kompenzováno snížením mAs na polovinu


46

Pavel Nedbal

tvrdost záření

• ↑efektivní energie = ↑prostupnost

záření

• prostupnost vyjadřuje vzdálenost kterou může záření projít v hmotě

• velká prostupnost = tvrdé záření

• malá prostupnost = měkké záření


47

Pavel Nedbal

expoziční hodnoty mAs

• mA

– množství proudu dodávaného rentgence

– množství vyprodukovaných fotonů

– diagnostika 10 – 1200 mA

• čas

– jak dlouho potrvá produkce záření

– diagnostika 0,001 – 6 s

• elektrické množství

– mAs = mA x s

– automaticky je voleno max mA a min s


Pavel Nedbal

HVL

• prostupnost lze vyjádřit číselně – HVL

• šířka absorpčního materiálu, která sníží intenzitu záření na polovinu

• charakteristika rtg záření

• diagnostika: HVL 3 – 5 mm Al

• ↑ kVp = ↑ HVL


Pavel Nedbal


• mA

– množství proudu dodávaného rentgence

– množství vyprodukovaných fotonů

– diagnostika 10 – 1200 mA

• čas

– jak dlouho potrvá produkce záření

– diagnostika 0,001 – 6 s

• elektrické množství

– mAs = mA x s

– automaticky je voleno max mA a min s


Pavel Nedbal


• množství fotonů je proporcionální

–2x mAs = dvojnásobné množství elektronů z K > A

• 300 mA @ 1/30 s = 10 mAs

• 200 mA @ 1/20 s = 10 mAs

• 100 mA @ 1/10 s = 10 mAs

• 100 mA @ 1/20 s = 5 mAs

• všechny kombinace se stejným mAs vyvolají stejnou densitu


51

Pavel Nedbal


• dávka je proporcionální k mAs

• změna mAs nevyvolá žádnou změnu v kinetické energii elektronů


52

Pavel Nedbal

expoziční hodnoty čas

• čas vždy tak krátký jak je možné

• pohybová neostrost

• jedno 1 pulsní - 17 ms

• jedno 2 pulsní – 8 ms

• VF - <1 ms


53

Pavel Nedbal

vzdálenost

• intenzita záření klesá se 2 vzdálenosti

• na energii má vzdálenost malý vliv

nutná změna mAs

• příklad

–změna vzdálenosti ze 100 cm na 180 cm

–mAs se zvýší 3,5 x


54

Pavel Nedbal

volba ohniska

• např. 0,6 mm; 1mm

• velikost ohniska limituje množství dopadajících elektronů – je nutné na úkor mA zvýšit čas

• malé ohnisko – končetiny, C páteř

• velké ohnisko – plíce, břicho


55

Pavel Nedbal

interakce s hmotou


56

Pavel Nedbal

excitace

• částice předává E elektronu

• e- přeskočí na vyšší energetickou hladinu

–nestabilní stav

–návrat do stabilního – deexcitace

• uvolnění f0

– charakteristické záření – vnitřní slupky

– UV – střední slupky

– vnější slupky – vnější slupky

• uvolnění e- - Auger elektron

– předání energie e- vnější slupky

– z vyšší slupky


Pavel Nedbal

excitace


58

Pavel Nedbal

ionizace

• vzniká e- a kladně nabitý iont

• primární ionizace

–po interakci s f0 má e-dostatečnou energii k opuštění atomu

• sekundární ionizace

–způsobena uvolněným elektronem


59

Pavel Nedbal

interakce RTG záření

• probíhá na atomární úrovní - interakce mezi fotony a strukturami okolních atomů

• průběh interakce závisí na

–charakteru záření

–kinetické energii

–složení látky


60

Pavel Nedbal

interakce RTG záření


61

absorbce pružná srážka nepružná srážka

elektronový obal fotoelektrický jev Rayleighův rozptyl Comptonův rozptyl

atomové jádro fotojaderná interakce jaderný rezonanční

rozptyl

EMG pole tvorba elektron-

pozitronových párů

Pavel Nedbal

interakce s hmotou

• s čím foton interaguje je závislé na jeho energii

–nízkoenergetické záření s celými atomy

–středně energetické s elektrony

–vysoce energetické s jádry


62

Pavel Nedbal

účinný průřez interakce

• vyjadřuje pravděpodobnost interakce částice

• čím větší atom – tím větší pravděpodobnost interakce

• jednotka: barn (bn): 1 bn = 10-28m2


63

Pavel Nedbal

pravděpodobnost interakce


64

Pavel Nedbal

Comptonův rozptyl

• interakce f0 se slabě vázaným elektronem

–vnější slupky

–pružný rozptyl

–změna vlnové délky f0

–změna energie f0


65

Pavel Nedbal

Comptonův rozptyl

• interakce s vnějšími elektronovými obaly

• f0 narazí do e- a sníží svou energii

– i několikrát

• nízkoenergetické f0 – sekundární záření

• f0 se šíří všemi směry – úhel odrazu ψ

– 0° nepředá energii

– 180° 66% energie si zachová


66

Pavel Nedbal

Comptonův rozptyl

• při odražení zpět do směru záření = zpětné sekundární záření – Pb vrstva na zadní stěně kazety

• nakonec fotoefekt

• e- je vyražen = ionizace atomu

–energie předaná elektronu = vazebná + kinetická

–Comptonův elektron


67

Pavel Nedbal

Comptonův rozptyl

σK ~ Z/Ef

úměrná Z nepřímo úměrná h

• pravděpodobnost roste s rostoucí hustotou objektu

• stoupající energie f0 (tzn. stoupající kVp) = pravděpodobnost klesá

• nejčastěji nastává u vyšších energií v objektech s nízkým Z


68

Pavel Nedbal

Comptonův rozptyl


69

Pavel Nedbal

Comptonův rozptyl - shrnutí

• interaguje

–v vnějších elektronových slupkách

–volně vázané e-

• se zvyšující se energií

–zvyšuje se průchodnost bez interakce

–snižuje se pravděpodobnost Comptonova rozptylu

• Z materiálu

–nemá velký vliv na Comptonův rozptyl


70

Pavel Nedbal

fotoefekt

• fotoefekt – fotoelektrický jev

• interakce s elektronovým obalem

• uvolnění elektronu v důsledku absorpce X záření

• fotoelektrická emise

• fotoelektron – ionizuje okolí


Pavel Nedbal

fotoefekt

• reakce při níž f0 zaniká v jediné interakci– předá veškerou energii e-

• část na uvolnění e-

• část jako Ek e-

• e- opouští atom s energií

E = 1/2 mv2 = h - Wb

h - energie dopadajícího fotonu

Wb - vazbová energie elektronu

• malé Z = malé vazebné energie => Ek e-

je téměř totožná s energií f0


Pavel Nedbal

fotoefekt

• pravděpodobnost fotoefektu závisí na energii f0 a Z materiálu objektu

σK ~ Z5/Ef3

za předpokladu že je Ef vyšší než vazebná enerie

• nastává nejčastěji u záření s nižší energií v látkách s velkým Z


73

Pavel Nedbal

fotoefekt

• atom je excitovaný

• aby se vrátil do stabilního stavu – vyzáří kvantum elmg záření – foton (charakteristické záření)

• vzniká také sekundární záření


74

Pavel Nedbal

fotoefekt shrnutí

• interaguje

–v elektronových slupkách

–pokud je energie f0 větší než vazebná energie e-

• se zvyšující se energií

–stoupá pronikavost záření bez interakce

–ubývá fotoefektu v porovnání s Comptonovým rozptylem


75

Pavel Nedbal

fotoefekt shrnutí

• Z materiálu

–má vliv na fotoefekt - ↑Z = ↑pravděpodobnost

–absorpce fotoefektem je u kostí 7 x větší než u měkké tkáně


76

Pavel Nedbal

fotoefekt


77

Pavel Nedbal

interakce

• pro představu

–50 kVp: 79% FE, 21% CR, 1% bez int.

–80 kVp: 46% FE, 52% CR, 2% bez int.

–110 kVp: 23% FE, 70% CR, 7% bez int.

• se stoupajícím % bez interakce stačí menší množství vstupujícího záření => možnost snížit dávku


78

Pavel Nedbal

interakce

• fotoefekt + v zobrazení různých tkání

– rozdílná absorpce různých tkání

• Comptonův rozptyl – v RTG obraze

–vznik sekundárního záření

–neužitečně zatěžuje receptor obrazu – degradace obrazu

• snížení kontrastu

• snížení SNR


79

Pavel Nedbal

procházející záření

• fotony vzniklé při interakcích zatěžují snímač neužitečným – sekundárním zářením

• rozdíl v absorpci různými objekty vytváří obraz objektu na snímači

• méně než 5% záření dopadajícího na objekt projde ke snímači a jen polovina z nich interaguje se snímačem


80

Pavel Nedbal

procházející záření

• rtg obraz je výsledkem 1% záření vycházejícího z rentgenky

• rozdíly v absorpci se zvyšují se snižující hodnotou kVp

• s narůstajícím kVp snižuje se pravděpodobnost jakékoliv interakce => se zvyšujícím se kVp je potřeba snižovat mAs

• pro zobrazení drobných rozdílů – nižší kVp – max rozdíl absorpcí (mamografie)


Pavel Nedbal

hustota materiálu

• ↑ pravděpodobnost interakcí ↑hustota

objektu

kost – 1,85 g/cm-3

sval – 1 g/cm-3

tuk – 0,91 g/cm-3

plíce – 0,32 g/cm-3

barium – 3,5 g/cm-3

jód – 4,93 g/cm-3

olovo – 11,34 g/cm-3


Pavel Nedbal

atenuace

• interakce fotoefektem – absorpce

• interakce Comptonovým rozptylem – rozptyl

• celková redukce množství záření po průchodu objektem - atenuace


83

Pavel Nedbal

kvalita


84

Pavel Nedbal

radiografická kvalita

• věrnost s jakou se anatomické struktury promítnou na film

• tři faktory

–snímač

–geometrické faktory

–vyšetřovaný objekt


85

Pavel Nedbal

prostorové rozlišení

• schopnost zobrazení malých struktur s vysokým kontrastem (např. rozhraní kost/tkáň)

• ovlivněné velkostí ohniska

• popisuje se počtem párů čar na mm (lp/mm)

– film 8-10 lp/mm

– CR 5-7 lp/mm

– DR 10 lp/mm

– mamo 15 lp/mm

– skia 3 lp/mm


86

Pavel Nedbal

prostorové rozlišení

• není ovlivněno expozicí

• u digi ovlivněno

–velikostí pixelu

–velikostí matice

–velikostí detektoru

–CR

• velikost laserového paprsku

• frekvence laseru při čtení dat


87

Pavel Nedbal

rozlišení kontrastu

• rozlišení struktur s podobným kontrastem (sval/tuk)

• rtg 5%

• CT 0,5 %


88

Pavel Nedbal

šum

• nežádoucí fluktuace signálu v odezvě – optické denzitě obrazu

• dva hlavní typy

– zrnitost obrazu – neovlivnitelná

–quantum mottle - ovlivnitelný

• šum výrazně snižuje kontrast


89

Pavel Nedbal

zrnitost obrazu

• dána distribucí a velikostí zrn halogenidů v emulzi

• 400 film je zrnitější než 100

• v CR je reprezentován strukturálním šumem, který vyjadřuje velikost a tvar fotostimulačních krystalů

• v DR – velikost nejmenšího elementu snímače


90

Pavel Nedbal

quantum mottle

• je způsoben nedostatkem záření dopadlého na snímač obrazu

• zvýšením mAs a snížením kVp snížíme QM


91

Pavel Nedbal

kontrast

• celkový kontrast je kombinací kontrastu snímače a kontrastu objektu

• kontrast snímače vychází z charakteristické křivky


92

Pavel Nedbal

geometrické vlastnosti

• hlavní faktory

–zvětšení

–geometrická neostrost

–ohnisková neostrost

• zobrazení neostrého 3D objektu do 2D roviny

• můžeme kompenzovat tuto neostrost pomocí toho co lze ovlivnit – velikost ohniska, SID, OID


93

Pavel Nedbal

zvětšení

• obraz je oproti reálu zvětšený

• většina vyšetření vyžaduje co nejmenší zvětšení

• malé zvětšení

–velké SID

–malé OID


94

Pavel Nedbal

vzdálenost


95

Pavel Nedbal

umbra, penumbra

• umbra (stín)– reálné okraje obrazu

• penumbra (polostín)– rozostřené okraje vzniklé divergencí svazku

• ↑SID = ↓penumbra


96

Pavel Nedbal

OID

• vzdálenost objekt – snímač

• ↓OID - ↓ penumbra ↑ ostrost

• ↑OID - ↑ penumbra ↓ ostrost

• ↓OID - ↓ zvětšení

• vyšetřovanou oblast umístit nejblíže k filmu


97

Pavel Nedbal

faktor zvětšení

• MF=SID/SOD

• SOD – vzdálenost zdroj - objekt

• SOD=SID - OID


98

Pavel Nedbal

distorze obrazu

• zvětšení

• tvarová distorze

–šířka objektu

–pozice objektu

– tvar objektu


99

Pavel Nedbal

šířka objektu

• širší objekty jsou více zkresleny než tenčí


100

Pavel Nedbal

tvar objektu

• umístění objektu zájmu vůči svazku


101

Pavel Nedbal

pozice objektu

• umístění objektu zájmu vůči centrálnímu paprsku


102

Pavel Nedbal

pozice objektu


103

Pavel Nedbal

tvar objektu

• 3D -2D


104

Pavel Nedbal

tvar objektu

• pozice nepravidelného objektu vůči centrálnímu paprsku


105

Pavel Nedbal

neostrost

• rozostření – bluring

• zvětšení obrazu

• geometrická neostrost


106

Pavel Nedbal

geometrická neostrost

• zvyšuje se se zvětšením m

• snímač obrazu co nejblíže objektu

• př. přibližné normální hodnoty

a = 1 mm d1 = 100 cm d2 = 10 cm

m= 110/100 = 1,1

Ug=1.(1-(1/1,1))=0.091 mm


107

Pavel Nedbal

blur


108

Pavel Nedbal

DQE

• detekční kvantová účinnost

• je měřítkem kombinace účinku signálu a šumu

• popisuje jak efektivně může snímač produkovat obrazy s vysokým SNR

• může být použito i jako náhradní měřítko ozáření pacienta

• ↑DQE =>↑ zjistitelnost malých objektů při

stejné dávce


109

Pavel Nedbal

SNR

• poměr úrovně požadovaného signálu k úrovni šumu na pozadí

• čím více absorbovaných fotonů tím větší SNR

• vysoké kV a zesilovací fólie sníží počet fotonů (tím dávka) a SNR

• zvýšení mAs zvýší SNR


110

06 rtg záření

Education