Diagnostyka obrazowa z zastosowaniem

promieniowania jonizujacego

Powstawanie promieniowania X
Promieniowanie X lub promieniowanie rentgenowskie jest to fala elektromagnetyczna o długosci w zakresie od 10 nanometrów do 100 pikometrów.
Jest promieniowaniem powodujacym jonizacje materii i z tego powodu może byc grozne dla zdrowia i życia.
Idea wytwarzania promieni RTG polega na nadaniu wolnym elektronomodpowiedniej energii kinetycznej w kierunku od katody do anody i zamianie jej na energie promieniowania rentgenowskiego w wyniku nagłego wyhamowania w miejscu które nazywamy ogniskiem lampy.

Promienie X należa do promieniowania jonizacyjnego, to znaczy wytwarzaja jony materii wybijajac z powłok atomowych elektrony.

Promienie rentgenowskie można wytwarzac bombardujac rozpedzonymi ładunkami ( np. elektronami ) tarcze, gdzie zachodzi zamiana energii kinetycznej elektronu na energie promieniowania.

Powstaja wtedy 2 rodzaje promieniowania:

1. ciagłe czyli prom. hamowania: Zahamowany elektron traci swoja energie w postaci

promieniowania elektromagnetycznego, które może też byc traktowane jako foton obdarzony energia.

2. promieniowanie charakterystyczne, które

powstaje jako skutek oddziaływania rozpedzonych

elektronów z powłokami elektronowymi atomów, z których zbudowana jest tarcza.

Gdy elektron posiada znaczna energie, wieksza od energii wiazania, może usunac elektron orbitalny z orbity atomu. Miejsce usunietego elektronu zajmuje elektron z innej orbity jednoczesnie emitujac różnice energii E w postaci promieniowania.

Budowa lampy

Termoemisja elektronów - wolne elektrony wytwarzane sa w lampie przez spiralnie skrecony drut wolframowy rozgrzany do temperatury 2200°C.

Regulacja parametrów promieniowania RTG:

nateżenie pradu = liczba promieni RTG

napiecie szczytowe = jakosc promieniownia

Tylko niewielka czesc energii kinetycznej elektronów zostaje przekształcona w promieniowanie rentgenowskie.

Dla wolframu efektywnosc wytwarzania promieniowania wynosi ok. 0,4 %. Reszta energii zamieniana jest na ciepło. Z tego wzgledu materiał tarczy ( anody ), powinien charakteryzowac sie wysoka temperatura topnienia. Temperatura anody wzrasta nieustannie w trakcie pracy lampy. Z powodu tych uwarunkowan cieplnych powierzchnia, na której hamowane sa elektrony powinna byc jak najwieksza, aby gestosc mocy była jak najmniejsza. Natomiast z punktu widzenia rozdzielczosci obrazu zródło promieniowania powinno byc punktowe.

Sa to dwa sprzeczne wymagania, których pogodzeniu służy konstrukcja anody – jej kształt... ...i wprawienie w ruch - polega na zastosowaniu obrotowej anody, dzieki czemu moc cieplna wydziela sie na wiekszej powierzchni ni_ przekrój strumienia elektronów. Typowo sa to predkosci 3600 - 10000 obr./min.

Aparaty występują z anodą wirującą lub stałą.

Budowa aparatu rentgenowskiego Schemat układu: aparat-pacjent odbiornik

Podstawowy schemat aparatu rtg

Filtr:

•pochłanianie promieniowania długofalowego

•szkło, olej, filtr aluminiowy

•80% dawki promieniowania padajacego na skóre

Kolimator:

Ogranicznik promieniowania umieszczony przed okienkiem kołpaka służacy własciwemu ukształtowaniu wiazki.

Kolimator nastawny głebinowy - najczestszy - system co najmniej 2 zespołów regulowanych listew ołowianych znajdujacych sie w różnych odległosciach od ogniska, ograniczajacych wiazke do rozmiarów odpowiadajacych kasecie.

Oddziaływanie promieniowania X z materia

np. z tkankami pacjenta – zachodzi na 4 sposoby:

1. całkowite rozproszenie bez straty energii

2. pochłoniecie ze strata całej energii

( zjawisko fotoelektryczne )

3. rozproszenie z czesciowa strata energii ( zj. Comptona )

4. przejscie bez zmiany

W diagnostyce znaczenie mają zj.Fotoelektryczne i zj. Comptona.
Zjawisko fotoelektryczne - przebieg

Foton prom. X oddziałuje na elektron na powłoce wewnetrznej...

...elektron ( fotoelektron ) ulega wybiciu, a foton zostaje całkowicie pochłoniety...

...elektron z powłoki zewnetrznej uzupełnia ubytek na powłoce wewnetrznej, oddajac energie w postaci fotonu prom. X.

Zjawisko fotoelektryczne:

Własnie dzieki temu zjawisku powstaje obraz rtg, ponieważ czestosc takich oddziaływan jest różna dla różnych tkanek - zależy od ich składu pierwiastkowego, gestosci i wymiarów - zmiennosc absorpcji z tym zwiazana skutkuje różnicami kontrastu na zdjeciu.

Uwolniony fotoelektron przechodzi do tkanek i wybija kolejne elektrony, powodujac jonizacje tkanek - ten efekt jest odpowiedzialny za wiekszosc niekorzystnych skutków napromieniowania organizmu.

Natomiast atom odzyskuje stabilnosc przez przyłaczenie wolnego elektronu i powraca do stanu obojetnego.
Zjawisko Comptona - przebieg

Foton prom. X oddziałuje na elektron na powłoce zewnetrznej...

...elektron ( elektron comptonowski ) ulega wybiciu, przejmujac czesc energii fotonu (czesciowa absorpcja ), a foton ulega rozproszeniu.

Zjawisko Comptona:

Nie dostarcza informacji diagnostycznych – zjawisko zachodzi w ten sam sposób w różnych strukturach tkankowych i nie daje różnic kontrastu w obrazie rtg.

Rozproszony foton zachowuje czesc energii i podlega dalszym oddziaływaniom w tkance:

- może ulegac kolejnym zderzeniom Comptona,

- ulegac zderzeniom fotoelektrycznym,

- uciekac poza ciało pacjenta, powodujac dalsza jonizacje powietrza w gabinecie

Wybity elektron comptonowski także ulega dalszym oddziaływaniom w tkance.

Atom odzyskuje stabilnosc przez przyłaczenie wolnego elektronu i powraca do stanu obojetnego.

„kratki”

Kratka przeciwrozproszeniowa zbudowana jest z cienkich ołowiowych listewek poprzegradzanych materiałem łatwo przepuszczajacym promieniowanie rentgenowskie.

Wzmacniacz

Wiazka wtórna trafia na ekran wejsciowy zawierajacy luminofor, gdzie pod jej wpływem zachodzi scyntylacja uwalnianie fotonów swiatła, które z kolei bombarduja fotokatode. Z niej emitowane sa elektrony przyspieszane w polu elektrycznym tworzonym przez elektrody ogniskujace. Przyspieszone elektrony bombardujac luminofor ekranu wyjsciowego powoduja emisje swiatła. Ekran wyjsciowy jest sprzeżony z kamera telewizyjna. Wzmacniacze obrazu łacza zatem funkcje detektorów promieniowania rentgenowskiego i fotopowielaczy optycznych. Obraz na ekranie wyjsciowym jest mniejszy lecz znacznie jasniejszy od wejsciowego. Stosunek jasnosci obydwu obrazów okresla wzmocnienie jasnosci lampy.

Cyfrowy aparat subtrakcyjny

W aparatach tego typu sygnał analogowy ze wzmacniacza TV przetwarzany jest na postac cyfrowa przez przetworniki analogowo-cyfrowe, a dalsza jego obróbka odbywa sie komputerowo. Polega ona najczesciej na subtrakcji ( różnicowaniu czasowym ) obrazów przed i po donaczyniowym podaniu srodka kontrastujacego – stad popularna nazwa tych aparatów „angiograf subtrakcyjny”, a metody - DSA ( Digital Subtraction Angiography ).

Obraz sprzed podania kontrastu jest odejmowany od obrazu fazy kontrastowej badania, co usuwa nienaczyniowe struktury cieniodajne - głównie kosci.

Ograniczeniem tej techniki jest podatnosc na artefakty ruchowe. Nawet nieznaczny ruch w czasie pomiedzy dwoma akwizycjami wywołuje wzrost poziomu szumu w obrazie wynikowym. Metoda "pixel shifting" u_ywana jest do wtórnej poprawy jakosci - jeden z obrazów przesuwany jest w przestrzeni w stosunku do drugiego. Najnowsze konstrukcje tworza modele 3D naczyń.

Odbiorniki promieniowania X

- ograniczona rozdzielczosc obrazu

- potencjalnie wieksze dawki promieniowania

- geometryczne zniekształcenia

Fluoroskopia

Obrazy uzyskiwane w czasie rzeczywistym:

-badania chirurgiczne sródoperacyjne

-angiografia

-procedury gastroenterologiczne

-nietypowe projekcje

-zabiegi ortopedyczne

-ocena ruchomosci oddechowej

KLASYCZNA FOTOGRAFICZNA OBRÓBKA

Odbiorniki promieniowania X – cyfrowe

Wkrótce systemy akwizycji cyfrowej zastapia technike konwencjonalna oparta na kliszach swiatłoczułych. Podstawowym parametrem charakteryzujacym detektory cyfrowe jest rozmiar matrycy - liczba elementów obrazu ( pikseli ) w kierunku pionowymi poziomym. Rozmiar piksela wynosi ok. 0.1 - 0.2 mm w wiekszosci cyfrowych systemów radiologicznych. Rozmiar pikseli determinuje rozdzielczosc przestrzenna, która dla tych systemów osiaga obecnie 2.5 linii/mm dla pikseli o rozmiarze 0.2 mm i 5 linii/mm dla pikseli o rozmiarze 0.1 mm.

Radiografia fosforowa ( Storage Phosphor Radiography ), inaczej półcyfrowa lub cyfrowa posrednia, wprowadzona w latach 80-tych, wykorzystuje kasety kompatybilne z konwencjonalnymi aparatami rtg.

Zamiast zestawu kaseta-film sa to foto-czułe ekrany fosforowe. Zachodza w nich zjawiska analogiczne do procesów we wzmacniaczu TV. Jest to stymulowana swiatłem luminescencja:

Promieniowanie wzbudza elektrony lecz sa one wychwytywane i pozostaja w takim stanie do momentu naswietlenia laserem. Uwalniane ze stanu metastabilnego emituja swiatło, które odbierane jest przez fotopowielacz.

Radiografia fosforowa - zapisywanie utajonego obrazu badania na fosforowej płycie obrazowej - w zwykłym aparacie rtg...

• Kaseta z naswietlona płyta zostaje umieszczona w czytniku obrazu (skaner, digitalizer ). Czytnik automatycznie otwiera kasete, wysuwa płyte obrazowa.

• Obraz w postaci analogowego sygnału elektrycznego zostaje przekonwertowany w postac cyfrowa, a nastepnie przetworzony komputerowo.

• Obraz badania rtg zostaje wyswietlony na monitorze, a nastepnie może byc wydrukowany na filmie oraz zapisany w pamieci komputera.

• Po zeskanowaniu obraz na płycie obrazowej zostaje wykasowany przez lampe kasujaca.

• Wykasowana płyta obrazowa zostaje automatycznie umieszczona w kasecie i może byc ponownie wykorzystana.

• Płyta obrazowa jest wielokrotnego użytku i może byc używana do kilku tysiecy ekspozycji.

Radiografia cyfrowa bezposrednia - nie wymaga posrednich kroków do uzyskania obrazu. Sa to detektory składajace sie z fotoprzewodników ( amorficzny krzem, selen ) tworzacych matryce, przy czym każdy receptor posiada własna regulacje i odpowiada za jeden piksel obrazu.

W procesie odczytywania informacji linia po linii sygnały elektryczne z receptorów sa wzmacniane i przetwarzane na postac cyfrowa. Proces odczytywania i przetwarzania jest szybki i możliwa jest skopia. Uzyskiwana w tych systemach rozdzielczosc osiaga 31 linii/mm.

W czasie ekspozycji promieniami X energia zaabsorbowana przez fotoprzewodnik wywołuje

powstawanie ładunku, który jest przemieszczany w kierunku powierzchni przez pole elektryczne. Ładunek jest zbierany przez elektrode piksela i zapamietywany w pojemnosci do niego przypisanej ( kondensator ).

Zarówno elektroda i pojemnosc sa dołaczone do tranzystora TFT zwiazanego z tym samym pikselem. Podczas odczytu ładunek jest wzmacniany i odczytywany.

Odbiorniki promieniowania X - cyfrowe – wydruki

Systemy mokre - laserowe ( kamera, drukarka laserowa ) wykorzystuja technologie halogenków srebra

- laser naswietla błone swiatłoczuła.

Suche systemy - dwie kategorie:

- urzadzenia wykorzystujace technologie termicznych, bezposrednich płyt drukujacych,

- urzadzenia wykorzystujace technologie stałych atramentów.

Tomografia komputerowa

Do uzyskiwania obrazów tomografia komputerowa wykorzystuje podobnie jak klasyczna rentgenodiagnostyka zródła promieniowania X czyli lampy rentgenowskiej.

Obrazy generowane sa za pomoca lampy RTG wirujacej wokół pacjenta. Rejestracja stopnia pochłaniania promieniowania nastepuje przy użyciu detektorów umiejscowionych po przeciwnej stronie pierscienia (gantry). Uzyskane dane zostaja poddane analizie matematycznej – rekonstrukcji tomograficznej.

Skala Hounsfielda

[ -1000 ---------------- 3000 ]

Współczynnik pochłaniania promieni RTG dla wody wynosi 0 jednostek Hounsfielda dla powietrza −1000 j.H, kosci powyżej 140 j.H, a dla metalu powyżej 1000 j.H.

Srodki kontrastujace:

1. Srodki kontrastujace negatywne

- mały współczynnik pochłaniania promieni X

2. Srodki kontrastujace pozytywne

- zawieraja atomy pierwiastków o współczynniku pochłaniania promieni X 50 - 1000 razy wiekszym od głównych składników tkanek miekkich

PODZIAŁ:

Nierozpuszczalne w wodzie Rozpuszczalne w wodzie

- siarczan baru (baryt, BaSO4) - jodowe srodki kontrastujace

- srodki olejowe

Srodki kontrastujace rozpuszczalne w wodzie

Podziały

Hepatotropowe Urotropowe

Monomery Dimery

Jonowe Niejonowe

Wysokoosmolalne Niskoosmolalne

Biologiczne skutki napromieniowania

Wczesne - choroba popromienna:

a) zespół szpikowy ( krwotoki, obni_enie odpornosci )

b) zespół jelitowy ( biegunki, odwodnienie )

c) zespół mózgowo-naczyniowy ( wahania nastroju, objawy móżdżkowe, drgawki, spiaczka )

Pózne:

a) skrócenie czasu życia, b) choroby nowotworowe, c) zacma, d) bezpłodnosc

e) w życiu płodowym: -obumarcie jaja, -wady rozwojowe, -smierc płodu

Skutki biologiczne promieniowania zależa od:

1. Dawki

2. Rodzaju promieniowania

3. Rodzaju tkanki

4. Wieku

Stochastyczne - bez dawki progowej, Niestochastyczne - o znanej dawce progowej:

o statystycznym ryzyku wystapienia: a) choroba popromienna

a) pózne skutki somatyczne b) zmiany skórne

b) skutki genetyczne c) zacma

Zależnosc od rodzaju tkanki:

1. Tkanki promienioczułe - o dużej aktywnosci podziałowej ( szpik, gonady, gruczoł tarczowy, gruczoł sutkowy )

2. Tkanki promieniooporne - o małej aktywnosci podziałowej ( tkanka kostna, tkanka nerwowa )

Ochrona przed promieniowaniem

Ochrona personelu: Ochrona pacjenta:

a) metody fizyczne ( konstrukcja gabinetów, osłony osobiste ) a) metody fizyczne ( wspólne dla

b) kontrola dawek indywidualnych pacjenta i personelu )

c) kontrola srodowiska pracy b) racjonalne wykorzystanie

d) kontrola lekarska badan ( szczególna ochrona dzieci,reguła 10 dni)