Adobe Systems hounsfield Rentgenové zobrazovací metody rontgen Wilhelm Conrad Roentgen 1845 - 1923 The original image of Roentgen's Wife's hand Godfrey N. Hounsfield 1919 - 2004 apr7xr1a Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno 2 Rentgenové zobrazovací metody ØRentgenové (rtg) zobrazovací metody patří stále mezi nejdůležitější diagnostické metody používané v medicíně. Poskytují především morfologickou (anatomickou) informaci – mohou však také poskytovat informace o funkčním stavu organismu. ØJejich fyzikálním základem je různý útlum (míra průchodu) svazku rentgenového záření v různých tkáních lidského organismu. Ø ØPamatujme, že rentgenové záření může závažně ovlivňovat zdraví (vyvolávat např. rakovinu, zákal čočky aj.) pacientů i zdravotníků. Proto existují přísná zákonná opatření s účelem zabránit zbytečnému exponování pacientů i zdravotníků tímto zářením. 3 Obsah přednášky ØProjekční rentgenová zařízení ØVznik obrazu Ø ØProjekční rentgenová zařízení pro zvláštní účely ØCT ØDávky záření a zdravotní rizika http://www.fnhk.cz/temp/paragraph_center_zoom_1188.jpg 4 Projekční rentgenová zařízení http://www.mephacentrum.cz/_data/section-1/bigs/78.jpg http://www.hdtdental.cz/picture/large/280_intra.jpg 5 Vznik rentgenového záření – schéma nízkovýkonové rentgenky používané např. v zubních rentgenech Schématický řez rentgenkou. K - žhavené vlákno katody, W –wolframový či měděný terčík. rentgenka Moderní rentgenky jsou označovány též jako Coolidgeovy trubice. 6 Výkonová rentgenka s rotující anodou (něco pro filatelisty) Bez názvu6 7 Vznik rentgenového záření ØElektron s elektrickým nábojem e (1,602·10-19 C) v elektrostatickém poli o napětí U (v tomto případě jde o napětí mezi anodou a katodou) má na počátku svého letu k anodě potenciální energii Ep: Ep = U·e ØV okamžiku těsně před dopadem elektronu na anodu je tato potenciální energie Ep zcela transformována v jeho kinetickou energii EK. Platí: Ep = EK = U·e = ½ m·v2 Ø ØPři dopadu je EK transformována v energii fotonů rentgenového záření (méně než 1%) a tepelnou energii (99%). Toto teplo může rentgenku poškodit. Ø Ø 8 Energie fotonů a napětí na rentgence ØJestliže bude veškerá kinetická energie urychleného elektronu transformována do jediného fotonu rtg záření, tento foton bude mít energii: Ø E = h·f = U·e ØJe to maximální energie emitovaných fotonů, přímo úměrná napětí U mezi anodou a katodou. Ø ØChceme-li tedy zvýšit energii fotonů, postačuje zvýšit napětí mezi anodou a katodou! Ø ØČím je vyšší energie fotonů, tím méně jsou zachycovány ve tkáních – tím vyšší mají pronikavost. Je to zvlášť důležité, když snímkujeme silné části těla nebo pacienty obézní! , 9 Histogram energie fotonů (vzniklých na patrně wolframové anodě) E rtgspekt Počet fotonů připadajících na interval energie DE Superponované čáry (vlastně úzká maxima) representují komponentu rentgenového záření, kterou označujeme jako záření charakteristické. Spojitá část křivky representuje záření brzdné. Histogram energie emitovaných fotonů je analogií energetického spektra! 10 Hlavní části rentgenového přístroje ØRengenka Ø ØGenerátor napětí a proudu: -Vysokonapěťový transformátor – poskytuje vysoké napětí (až 150 kV) -Usměrňovač - poskytuje stejnosměrný proud – zajišťuje jednosměrný pohyb proudu elektronů v rentgence. -Jestliže zvýšíme velikost proudu elektronů v rentgence (změnou žhavení katody) hustota toku fotonů (počet fotonů procházejících jednotkovou plochou za sekundu) svazku rtg záření vzroste – ne však energie jednotlivých fotonů. -Energii jednotlivých fotonů můžeme zvýšit zvýšením napětí mezi anodou a katodou. - ØOvládací pult – dnes jsou parametry rentgenových přístrojů ovládány prostřednictvím počítače. Pult je umístěn mimo vyšetřovací místnost nebo za štítem vyrobeným z olovnatého skla (pro ochranu zdravotníků). ØHlavní mechanické části: stojan s rentgenkou, vyšetřovací stůl, Buckyho clona odstraňující rozptýlené fotony. Ø Detektory rentgenového záření: kazeta s rtg filmem a přiléhajícím fluorescenčním stínítkem (při skiagrafii – historie) nebo zesilovač obrazu (historie) nebo plošný digitální snímač (při skiaskopii i obecně). 11 Průchod rtg záření tělem pacienta ØRentgenové záření vycházející z malé ohniskové plošky anody se šíří všemi směry. ØVe skleněné stěně rentgenky se některé fotony s nízkou energií absorbují. ØK další absorpci těchto fotonů dochází v primárním filtru, jenž je vyrobený typicky z hliníkového plechu. Zde absorbované fotony o nízké energii by jinak byly pohlceny povrchovými tkáněmi a nepřispívaly by ke tvorbě obrazu (zbytečné ozařování pacienta). ØSvazek rtg záření je vymezen obdélníkovými kolimátorovými deskami vyrobenými z olova. ØZáření pak prochází tělem, kterým buď může projít nebo je v něm absorbováno či rozptýleno do různých směrů. ØPak prochází Buckyho clonou umístěnou před detektorem, aby zachycovala rozptýlené fotony, které by jinak jen zhoršovaly kvalitu obrazu. 12 Vznik obrazu ØRentgenový snímek je analogií „stínu“ vrženého poloprůhledným vnitřně strukturovaným tělesem, osvětleným z téměř bodového zdroje. ØObraz vzniká různým útlumem svazku v různých tkáních těla a jejich projekcí na detektor rtg záření. ØObraz lze zachytit/zviditelnit pomocí Rentgenového filmu/stínítka a jeho následného vyvolání (při skiagrafii – používá již jen ojediněle) Digitálního plošného snímače obrazu umožňujícího vytvořit obraz na PC monitoru Zesilovače obrazu a digitální CCD kamery spojené s monitorem (při skiaskopii, ojediněle) Jistá znalost starších způsobů detekce obrazu je nutná pro pochopení starších odborných textů. 13 Útlum záření Svazek rentgenového záření (jakéhokoliv záření) prochází látkou: absorpce + rozptyl = útlum Malý pokles intenzity záření -dI v tenké vrstvě látky je úměrný její tloušťce dx, intenzitě I záření dopadajícího na vrstvu a specifické konstantě m: -dI = I·dx·m Po úpravě: dI/I = -dx·m Po integraci: I = I0·e-m·x I je intenzita záření prošlého vrstvou o tloušťce x, I0 je intenzita dopadajícího záření, m je lineární koeficient útlumu [m-1] závislý na druhu záření a na vlastnostech absorbujícího prostředí (jeho složení a hustotě). Hmotnostní koeficient útlumu m/r nezávisí na hustotě. • 14 Kazety pro rentgenový film – již historie, ale důležitý princip FLUORESCENČNÍ stínítka redukují dávku záření přibližně 50x. 15 Digitální plošné snímače obrazu Fotodiodové světelné senzory z amorfního křemíku (aSi) Large grid Plošný snímač obrazu je složen z velmi malých senzorů uspořádaných do čtverce. Luminiscenční vrstva CsI (nutná pro snížení pacientské dávky, protože křemík neabsorbuje dobře rentgenové záření Elektrický signál, následně digitalizovaný Detector_w120_h95 DigitalBucky_unit_w120_h95 Buckyho clona pro digitální přístroje 16 Zesilovač obrazu, historie, ale důležitá ZESILOV R – rentgenka, P - pacient, O1 – primární obraz na fluorescenčním stínítku, G – skleněný nosič, F – fluorescenční stínítko, FK - fotokatoda, FE – fokusující elektrody (elektronová optika), A - anoda, O2 – sekundární obraz na stínítku anody, V – videokamera. Jednotlivé části nejsou zobrazeny proporcionálně. 17 Různé způsoby získávání digitálního obrazu (mammografické systémy) department7fig1 http://www.moffitt.org/moffittapps/ccj/v5n1/department7.html V popisu obrázku je slovo „phosphor“ použito ve smyslu fosforescenční vrstvy. 18 Neostrost obrazu Žádný radiogram (rentgenový snímek) není absolutně ostrý. Rozhraní mezi tkáněmi se zobrazují jako postupná změna odstínu šedi. Tato neostrost (rozmazání) má několik příčin: 1)Pohybová neostrost – náhodné pohyby, dýchání, pulsové vlny, srdeční akce atd. Lze ji omezit kratšími expozičními časy za použití intenzivnějšího rentgenového záření. 2) 2)Geometrická neostrost (polostín) je způsobena plošným charakterem ohniska anody (ohnisko není bod). Paprsky dopadají na rozhraní mezi různě absorbujícími prostředími pod různými úhly, což způsobuje rozmazání jejich obrysů. 3) 3)Světlo emitované fluorescenčními stínítky přiloženými k filmu nebo digitálnímu snímači neosvětluje jen odpovídající část filmu nebo snímače, nýbrž se šíří i do blízkého okolí. 19 Geometrická neostrost (polostín) Geometrická neostrost může být omezena: - zmenšením ohniskové plošky (zvyšuje se však riziko lokálního poškození anody přílišným ohřevem) - zmenšením vzdálenosti mezi pacientem a detektorem (deformuje obraz) - zvětšením vzdálenosti mezi rentgenkou a pacientem (technické problémy a rozptyl rtg záření ve vzduchu) POLOSTIN 20 Interakce fotonů rtg záření s látkou: ABSORPCE fotoelektrickým jevem (FE) ØFoton je absorbován při srážce s atomem a jeden elektron je v důsledku toho vyražen z elektronového obalu (typicky z K-vrstvy). Část energie elektronu h·f je nutná pro ionizaci. Zbytek energie fotonu se mění v kinetickou energii (1/2m·v2) vyraženého elektronu. Vyražené elektrony též ionizují – samy vyrážejí elektrony z jiných atomů. Platí Einsteinova rovnice pro fotoelektrický jev: Ø h·f = Eb + 1/2m·v2, Eb je vazebná (ionizační) energie elektronu. Ø ØPravděpodobnost FE roste s protonovým číslem terčových atomů a klesá s rostoucí energií fotonů (tím se vysvětluje, proč jsou svazky fotonů rtg záření o vyšší energii více pronikavé a proč se pro stínění používá olovo). 21 Fotoelektrický jev u3_18 22 Interakce fotonů rtg záření s látkou: Comptonův ROZPTYL (CR) Při vyšších energiích fotonů není jejich energie plně absorbována – objevuje se foton s nižší energií. Vazebná energie elektronu Eb je zanedbatelná ve srovnání s energií fotonu. Můžeme napsat: h·f1 = (Eb) + h·f2 + 1/2m·v2, kde f1 je frekvence dopadajícího fotonu a f2 je frekvence rozptýleného fotonu. CR je pravděpodobnější než FE u primárních fotonů o energiích 0,5 - 5 MeV, což vysvětluje, proč by obrazy získané pomocí fotonů o takovéto energii byly prakticky nepoužitelné. 23 Comptonův rozptyl U3_19 24 Princip Buckyho Clony pro-213b • http://www.cwm.co.kr/pro213.htm Buckyho clona pohlcuje podstatnou část rozptýlených paprsků, avšak fotonům potřebným pro zobrazení umožňuje projít. Bohužel však absorbuje i část užitečného záření. Proto je nutno zvýšit jeho intenzitu, aby byl vytvořený obraz kvalitní – takto se zvyšuje pacientská dávka záření. Proto se např. Buckyho clona nepoužívá u malých dětí, u kterých je navíc intenzita rozptýleného záření nízká. 25 Použití kontrastních prostředků ØHodnoty útlumu měkkých tkání se od sebe liší jen málo. Proto nemohou být na běžném snímku měkké tkáně rozlišeny. Z tohoto důvodu se používají farmaka zvaná kontrastní prostředky. ØÚtlum určité tkáně může být zvýšen nebo snížen. Pozitivního kontrastu dosahujeme pomocí látek s vyššími protonovými čísly, neboť se takto zvyšuje pravděpodobnost fotoelektrického jevu. Suspenze síranu barnatého, “baryová kaše”, se používá pro zobrazení a funkční vyšetření gastrointestinálního traktu. Při vyšetřování cév, žlučových a močových cest aj. se používají látky s vyšším obsahem jodu. ØDuté vnitřní orgány můžeme zviditelnit pomocí negativního kontrastu. Používá se vzduch či lépe CO2. Dutiny jsou naplněny plynem, nafouknuty, takže se zviditelní jako struktury o velmi nízkém útlumu (střeva, peritoneum, mozkové komory). 26 Pozitivní a negativní kontrast ct215a1 ct199b2 Kontrastní snímek apendixu – divertikulóza – kombinace pozitivního a negativního kontrastu, světlá místa ukazují na přítomnost síranu barnatého. Na apendixu vidíme keříčkovitý divertikl. Kontury střev jsou viditelné díky přítomnosti plynu (negativní kontrast). http://www.uhrad.com/ctarc/ct199b2.jpg Podkovovitá ledvina – pozitivní kontrast. Při pozorném pohledu nám neuniknou močovody. http://www.uhrad.com/ctarc/ct215a2.jpg k42 Pneumoencefalogram – negativní kontrast – historie medicíny. Motýlkovitý útvar je zobrazením mozkových komor, ve kterých se nachází vzduch místo likvoru. http://anatomy.ym.edu.tw/Nevac/class/neuroanatomy/slide/k42.jpg 27 Příklady rtg zařízení pro zvláštní účely ØZubní rentgenové přístroje ØMammografy ØPřístroje pro angiografii (systémy pro odčítání obrazů, dříve založené na zesilovačích obrazu, nyní většinou využívají digitální snímače) Ø 28 Rentgenové přístroje v zubním lékařství 9000 control photo standard pan film 7651m.jpg (126516 bytes) http://www.gendexxray.com/765dc.htm Panoramatické snímky získané pomocí OPG - ortopantomografu http://www.gendexxray.com/orthoralix-9000.htm 3leftbott Snímek zubního implantátu 29 Mammografie Image:Mammogram.jpg Mammografie je postup využívající nízké dávky rentgenového záření (obvykle kolem 0,1 až 0,2 mSv) pro vyšetření prsů, zejména hledání různých druhů nádorů a cyst. V některých zemích je pravidelná (jednou za 1 až 5 roků) mammografie u starších žen podporována jako screeningová metoda pro včasnou diagnostiku rakoviny prsu. Používá se záření o nízké frekvenci (energii), jehož zdrojem je molybdenová nebo beryliová anoda rentgenky.. 30 Digitální subtrakční angiografie ia_dsa http://zoot.radiology.wisc.edu/~block/Med_Gallery/ia_dsa.html polystar Tato metoda je založena na „odečtení“ (subtrakci) digitalizovaných obrazů téže části těla. Odčítané obrazy se od sebe liší přítomností či nepřítomností kontrastní látky. To co vidíme je pak krevní řečiště. Metoda ustoupila do pozadí s rozvojem jiných angiografických metod na bázi CT nebo MRI. 31 Výpočetní tomografie – CT (Computed Tomography) 32 Výpočetní tomografie – CT (Computed Tomography) ØPrvní pacient byl vyšetřen touto převratnou metodou v Londýně v r. 1971. ØZařízení bylo vynalezeno anglickým fyzikem Hounsfieldem (společně s Američanem Cormackem Nobelova cena za medicínu v r. 1979) CT scannner and X-ray table. From http://www.picker.com 33 Princip CT ØPrincip: Výpočetní tomograf je v podstatě přístroj pro měření útlumu rtg záření v jednotlivých voxelech (objemových analogiích pixelů) v tenkých plátcích tkání. ØMetoda měření: Svazek rentgenového záření ve tvaru tenkého vějíře prochází tělem a je měřen obloukem detektorů. Toto se opakuje pod různými úhly tak dlouho, dokud se nezíská dostatek informace pro výpočet koeficientů útlumu ve voxelech odpovídajícího řezu tělem pacienta. Vypočte se „mapa“ útlumu v příčném řezu - tomogram. 34 Příklady výpočetních tomogramů apr7xr1a Rozsáhlý subkapsulární hematom sleziny u pacienta po autonehodě http://www.mc.vanderbilt.edu/vumcdept/emergency/apr7xr1a.html Epidurální hematom vpravo parietálně a zevní komorová drenáž vlevo frontálně 35 Výhody CT oproti projekčnímu rtg zobrazení ØMnohem vyšší kontrast než u projekčního rtg zobrazení – malé rozdíly v útlumu mohou být rozlišeny, protože: je téměř úplně eliminován vliv rozptylu, měření rtg záření probíhá pod mnoha různými úhly. ØZ toho plyne, že můžeme vidět a vyšetřovat různé měkké tkáně. Ø ØAnatomické struktury se vzájemně nepřekrývají. Ø ØDíky měření z mnoha stran dochází k menšímu zkreslení. 36 Čtyři generace CT – užitečná historie CT 37 spiralCT2-eng Princip spirálního (3D) CT Rentgenka a detektory se otáčejí kolem posunujícího se pacienta. Multislice CT a Cone beam CT 38 https://miac.unibas.ch/BIA/08-Xray-media/figs/multislice_CT.png https://carestreamdentalblogdotcom1.files.wordpress.com/2014/02/ct-vs-cbct-graphic.jpg Umožněna rychlá 3D rekonstrukce Další pokrok v oblasti CT Technický rozvoj se v oblasti CT nezastavil. Začínají se uplatňovat tzv. „dual energy“ systémy, označované i jako spektrální, které konstruují obraz nejméně pomocí dvou různých energií rtg záření, které mají různé koeficienty útlumu a tím je umožněna i látková analýza zobrazovaných tkání. 39 Zde bude brzy obrázek od našich radiologů! Obsah obrázku interiér, zeď, lineární urychlovač Popis byl vytvořen automaticky 40 Hounsfieldova (CT) čísla Pro zjednodušení hodnocení obrazů používáme Hounsfieldovu stupnici jednotek (HU) pro velikost útlumu. V této zjednodušené stupnici má voda 0 HU, vzduch -1000 HU a kompaktní kost přibližně +1000 HU. Na rozdíl od hodnot koeficientů útlumu hodnoty HU nejsou závislé na napětí rentgenky – můžeme srovnávat obrázky získané pomocí různých přístrojů. Stupnice čísel HU je k dispozici pro CT vyšetření tělesných tkání. Ve většině případů nemá smysl přiřazovat je všem úrovním stupnice šedi (naše oko je schopno rozlišit pouze asi 250 úrovní šedi). Většina měkkých tkání má hodnoty HU v rozmezí od 0 do +100. Proto v praxi používáme omezené „diagnostické okno“ těchto jednotek, např. od -100 do +100. HU = W – voda T – tkáň k = 1000 41 „Diagnostické okno“ stupnice HU <> http://www.teaching-biomed.man.ac.uk/student_projects/2000/mmmr7gjw/technique8.htm CTokno-english 42 3D CT Výsledek obrázku pro 3D CT gif https://www.carestream.com/en/us/medical/products/carestream-onsight-3d-extremity-system 43 Některé typické dávky ØZ přirozených zdrojů: 2 mSv za rok Ø ØRtg snímek hrudníku: <1 mSv Ø ØSkiaskopie: 5 mSv Ø ØCT vyšetření: 10 mSv Ø ØDávky záření rostou v důsledku až někdy neadekvátní snahy (hraničící s alibismem) o co nejpřesnější diagnózu i v důsledku snadného používání moderních zobrazovacích přístrojů (např. modernější spirální CT je snadněji použitelné než starší konvenční CT). Adobe Systems Dodatek: Zubní rentgenové přístroje Určeno především studentům zubního lékařství! Tento obrázek je zajisté historický! 45 better digdentalintraoralccds Přímá digitální zubní radiografie CDR2 Obrazový detektor se skládá z matice fotodiod pokryté scintilační vrstvou. Nyní jsou dostupné bezdrátové detektory (užívají bluetooth nebo wifi). Bluetooth and Wi-Fi are both wireless networking standards that provide connectivity via radio waves. The main difference: Bluetooth's primary use is to replace local cables, while Wi-Fi is largely used to provide wireless, high-speed access to the Internet or a local area network. First developed in 1994, Bluetooth is a low-power, short-range (30 feet) networking specification with moderately fast transmission speeds of 800 kilobits per second. Bluetooth provides a wireless, point-to-point, "personal area network" for PDAs, notebooks, printers, mobile phones, audio components, and other devices. The wireless technology can be used anywhere you have two or more devices that are Bluetooth enabled. For example, you could send files from a notebook to a printer without having to physically connect the two devices with a cable. 46 Snímky jednotlivých zubů Lze i barevně rozlišit výplň, pulpu a zubní kámen, samozřejmě jde o pseudobarvy. 47 opgunitinuse opgdigital Ortopantomografická (OPG) jednotka 48 Panoramatický snímek získaný pomocí OPG opgimage 49 Cefalometrické vyšetření cephalometric X-ray cephattachment 50 Poznámky k ochraně před zářením Nízká individuální ale vysoká kolektivní dávka, poměrně hodně mladých pacientů Ochrana očí a štítné žlázy (ocitají se někdy přímo ve svazku nebo blízko něj) Protože dávka a tím i riziko pro vyvíjející se plod je nízké, není těhotenství kontraindikací. Vyšetření musí být samozřejmě odůvodněné. Dobrý odkaz: RP136 Evropská směrnice o radiační ochraně v dentální radiologii – Bezpečné použití radiografie v zubním lékařství. 2004. EU. 51 Optimalizace dávek u snímků jednotlivých zubů Přístroj Impulsní režim Filtr: 1,5 mm Al až do 70kV pro redukci kožní dávky Obdélníkový kolimátor doporučován (okrouhlý kolimátor by měl mít průměr svazku na výstupu menší než 60 mm) Digitální snímače umožňují snížit dávku oproti filmu Protokol (lze chápat jako nastavení parametrů pracovního postupu) Používání napětí 60kV v impulsním režimu Minimální vzdálenost zdroje od kůže 200 mm (měl by to zajistit kónický nástavec – kolimátor) Není nutno používat ochranné zástěry z olovnaté gumy (na ochranu gonád, s výjimkou vzácných případů) dokonce ani u těhotných pacientek (někdy se to dělá pro uspokojení pacientek) Někdy je hlavně u mladých pacientů doporučován ochranný límec na štítnou žlázu 52 Jednoduchý nástavec pro přeměnu okrouhlého kolimátoru/kónic-kého nástavce na obdélníkový RINN Logo DENTSPLY’s Rinn Universal Collimator 53 Optimalizace dávek při panoramatickém snímkování (OPG) Přístroj: CP (constant power) generatory Používání kazet s velmi citlivými fluorescenčními stínítky, pokud se pracuje fotografickým materiálem Automatická kontrola expozice Tzv. „tlačítko mrtvého muže“ Protokol: Správné umístění a imobilizace pacienta snižuje počet opakování (např. při OPG brada spočívá na plastové podložce, hlavu drží plastová sluchátka aj.) Omezení ozařovaného pole Ochrana štítné žlázy při OPG překáží svazku (často je však nutná při cefalometrii) Autoři: Vojtěch Mornstein, Carmel J. Caruana Obsahová spolupráce: Ivo Hrazdira Poslední revize a ozvučení: září 2024 pro-213b k42 ia_dsa ct199b2