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
www.radiologieplzen.eu
3
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
www.radiologieplzen.eu
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)
www.radiologieplzen.eu
6
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
www.radiologieplzen.eu
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“
www.radiologieplzen.eu
10
Pavel Nedbal
účinky
• proniká hmotou
• diferencovaná absorpce
• ionizační efekt
• luminiscenční efekt
• fotochemický efekt
• biologický efekt
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu 12
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
www.radiologieplzen.eu
13
Pavel Nedbal
luminiscenční efekt
• při interakci s vhodným materiálem (ZnS, CdS, oxidy gadolinia a lanthanu, …)
• vyvolání vzniku viditelného světla
• fluorescence
• fosforescence
www.radiologieplzen.eu
14
Pavel Nedbal
fotochemický efekt
• zčernání filmu nebo fotografické desky
• čím větší intenzita => větší zčernání
www.radiologieplzen.eu
15
Pavel Nedbal
biologický efekt
• biologické změny
• chemické změny
• genetické změny
• účinky deterministické a stochastické
www.radiologieplzen.eu
16
Pavel Nedbal
vznik
• dopad urychleného elektronu na terčík - rentgenka
• změna dráhy elektronu (synchrotron)
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
20
Pavel Nedbal
interakce e-
• elektrony interagují s jádry nebo s elektrony obalu
• vyšší obaly => vznik tepla
• nižší obaly, jádro – brzdné a charakteristické záření
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
22
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
25
Pavel Nedbal
charakteristické záření
• min 70 kVp (wolfram)
• letící e- vyrazí e- z K vstvy
• vyražený e- je zastoupen e- z vyšší vrstvy
• deexcitací se uvolní kvantum energie
www.radiologieplzen.eu
26
Pavel Nedbal
charakteristické záření
• vazebná energie elektronů
• energie jednotná - závislá na materiálu anody
www.radiologieplzen.eu
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
charakteristické záření
• pro wolfram 15 energií
–5 Kx
–4 Lx
–otatní pro vnější vrstvy
www.radiologieplzen.eu
30
Pavel Nedbal
extrafokální záření
• mimoohniskové záření
• dopad e- mimo terčík anody
• neužitečné
• ↑velikost ohniska – ↑ dávka
– ↓kontrast
www.radiologieplzen.eu
31
Pavel Nedbal
energetické spektrum
• vliv exp. hodnot
–mA
–kVp
• vliv ostatních faktorů
–přídavná filtrace
–materiál terčíku
–generátor
www.radiologieplzen.eu
35
Pavel Nedbal
změna proudu
• změna mA nebo mAs – proporcionální změna amplitudy – všechny energie
www.radiologieplzen.eu
36
Pavel Nedbal
změna napětí
• změna kVp – změna amplitudy i umístění křivky spektra
• ↑ 15% kVp = ↑ 2 x mAs
www.radiologieplzen.eu
37
Pavel Nedbal
přídavná filtrace
• mění se amplituda i umístění křivky
• větší filtrace – absorpce více nízkoenergetických fotonů => zvýší se efektivní energie
www.radiologieplzen.eu
38
Pavel Nedbal
materiál terčíku
• ovlivní tvar spektra
• posun peaků charakteristického záření
• s vyšším Z se zvyšuje amplituda
www.radiologieplzen.eu
39
Pavel Nedbal
generátor
• intenzita záření je neproporcionální ke kV
• kolísání intenzity u generátorů s velkým zvlněním
www.radiologieplzen.eu
40
Pavel Nedbal
generátor
• 3 fáze představuje 12% zvýšení
• VF i 16% zvýšení
• mění se amplituda i pozice
www.radiologieplzen.eu
41
Pavel Nedbal
expoziční faktory
• expoziční faktory ovlivňují kvalitu a množství rtg záření
!práce s exp. faktory je náplní práce RA!
www.radiologieplzen.eu
43
Pavel Nedbal
expoziční faktory ovlivnitelné RA
• kVp
• mAs
• SID
• volba ohniska
• přídatná filtrace
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu 48
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
www.radiologieplzen.eu 49
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
www.radiologieplzen.eu 50
Pavel Nedbal
expoziční hodnoty mAs
• 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
www.radiologieplzen.eu
51
Pavel Nedbal
expoziční hodnoty mAs
• dávka je proporcionální k mAs
• změna mAs nevyvolá žádnou změnu v kinetické energii elektronů
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
55
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
www.radiologieplzen.eu 57
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
60
Pavel Nedbal
interakce RTG záření
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
62
Pavel Nedbal
účinný průřez interakce
• vyjadřuje pravděpodobnost interakce částice
• čím větší atom – tím větší pravděpodobnost interakce
• jednotka: barn (bn): 1 bn = 10-28m2
www.radiologieplzen.eu
63
Pavel Nedbal
Comptonův rozptyl
• interakce f0 se slabě vázaným elektronem
–vnější slupky
–pružný rozptyl
–změna vlnové délky f0
–změna energie f0
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
68
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
www.radiologieplzen.eu
70
Pavel Nedbal
fotoefekt
• fotoefekt – fotoelektrický jev
• interakce s elektronovým obalem
• uvolnění elektronu v důsledku absorpce X záření
• fotoelektrická emise
• fotoelektron – ionizuje okolí
www.radiologieplzen.eu 71
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
www.radiologieplzen.eu 72
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
www.radiologieplzen.eu
73
Pavel Nedbal
fotoefekt
• atom je excitovaný
• aby se vrátil do stabilního stavu – vyzáří kvantum elmg záření – foton (charakteristické záření)
• vzniká také sekundární záření
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
76
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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)
www.radiologieplzen.eu 81
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
www.radiologieplzen.eu 82
Pavel Nedbal
atenuace
• interakce fotoefektem – absorpce
• interakce Comptonovým rozptylem – rozptyl
• celková redukce množství záření po průchodu objektem - atenuace
www.radiologieplzen.eu
83
Pavel Nedbal
radiografická kvalita
• věrnost s jakou se anatomické struktury promítnou na film
• tři faktory
–snímač
–geometrické faktory
–vyšetřovaný objekt
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
87
Pavel Nedbal
rozlišení kontrastu
• rozlišení struktur s podobným kontrastem (sval/tuk)
• rtg 5%
• CT 0,5 %
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
90
Pavel Nedbal
quantum mottle
• je způsoben nedostatkem záření dopadlého na snímač obrazu
• zvýšením mAs a snížením kVp snížíme QM
www.radiologieplzen.eu
91
Pavel Nedbal
kontrast
• celkový kontrast je kombinací kontrastu snímače a kontrastu objektu
• kontrast snímače vychází z charakteristické křivky
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
93
Pavel Nedbal
zvětšení
• obraz je oproti reálu zvětšený
• většina vyšetření vyžaduje co nejmenší zvětšení
• malé zvětšení
–velké SID
–malé OID
www.radiologieplzen.eu
94
Pavel Nedbal
umbra, penumbra
• umbra (stín)– reálné okraje obrazu
• penumbra (polostín)– rozostřené okraje vzniklé divergencí svazku
• ↑SID = ↓penumbra
www.radiologieplzen.eu
96
Pavel Nedbal
OID
• vzdálenost objekt – snímač
• ↓OID - ↓ penumbra ↑ ostrost
• ↑OID - ↑ penumbra ↓ ostrost
• ↓OID - ↓ zvětšení
• vyšetřovanou oblast umístit nejblíže k filmu
www.radiologieplzen.eu
97
Pavel Nedbal
faktor zvětšení
• MF=SID/SOD
• SOD – vzdálenost zdroj - objekt
• SOD=SID - OID
www.radiologieplzen.eu
98
Pavel Nedbal
distorze obrazu
• zvětšení
• tvarová distorze
–šířka objektu
–pozice objektu
– tvar objektu
www.radiologieplzen.eu
99
Pavel Nedbal
pozice objektu
• umístění objektu zájmu vůči centrálnímu paprsku
www.radiologieplzen.eu
102
Pavel Nedbal
tvar objektu
• pozice nepravidelného objektu vůči centrálnímu paprsku
www.radiologieplzen.eu
105
Pavel Nedbal
neostrost
• rozostření – bluring
• zvětšení obrazu
• geometrická neostrost
www.radiologieplzen.eu
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
www.radiologieplzen.eu
107
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
www.radiologieplzen.eu
109