Radiografie en CT

Basisprincipe

X-stralen leveren informatie op over

weefsels omdat zij op verschillende

wijze interageren met verschillende

gezonde weefsels of met gezonde

versus zieke weefsels.

Aldus ontstaan ‘signalen’ die

verschillen tussen weefsels

onderling of tussen gezond en ziek

weefsel.

Aangepaste detectie-apparatuur

registreert deze signalen. Detector

X-straal

Signaal

Weefsels

X-stralen

Zijn een soort elektromagnetische straling: zie het spectrum hieronder. Bestaan dus uit fotonen. Hun golflengte bedraagt tussen 0.01 en 10 nm; hun energie 0.1 tot 100 keV.

• Om te begrijpen hoe X-stralen weefsels kunnen onderzoeken, moeten we dus weten hoe X-stralen interageren met materie.

• Dergelijke interacties gebeuren zowel in het weefsel als in de detector.

• Drie interacties zijn mogelijk met X-stralen gebruikt voor medische toepassingen:• Foto-elektrisch effect• Compton verstrooiing• Rayleigh verstrooiing: weinig belangrijk, wordt hier verder buiten

beschouwing gelaten

Interactie RX-stralen - materie

Foto-elektrisch effect

Foton

Foto-elektron

Een foton wordt door een atoom geabsorbeerd. Het verdwijnt. De geabsorbeerde energie wordt gebruikt om een elektron uit het atoom te ejecteren. Het geëjecteerde foto-elektron heeft een kinetische energie gelijk aan het verschil tussen de energie van het foton en de bindingsenergie van het elektron.

Compton verstrooiing

Foton Verstrooid fotonVerstrooiingshoek

Recoil elektron

Een foton botst met een weinig gebonden elektron uit de buitenste orbitalen. De baan van het foton wordt afgebogen in een verstrooiingshoek (die kan variëren van 0tot 180). De energie van het verstrooide foton hangt af van de verstrooiingshoek. Het recoil elektron heeft een kinetische energie gelijk aan het verschil tussen de energie van het oorspronkelijke foton en die van het verstrooide foton.

Interactie elektronen - materie

• Zowel bij het foto-elektrisch effect als bij de Compton verstrooiing onstaat dus een elektron.

• Dit elektron ondergaat verdere interacties met de materie. Die interacties zijn uiteindelijk verantwoordelijk voor de energie-afzetting door X-stralen in de materie.

• Elektronen die ontstaan bij interactie van X-stralen met materie ondergaan twee types interacties met de materie: • botsingen• remstraling

Ionisatie

Elektron

Secundairelektron

Een elektron dat een atoom voorbijkomt verwijdert een ander elektron uit het atoom.

Remstraling

Geladen deeltje

Remstraling

Remstraling onstaat door interactie van het voorbijtrekkende elektron met de kern van het atoom. Het elektron wordt afgebogen; het verliest energie die onder de vorm van fotonen wordt vrijgegeven.

Attenuatie

• De waarschijnlijkheid van foto-elektrisch effect en van Compton verstrooiing hangen af van de energie van de RX-stralen (hoe hoger de energie, hoe minder waarschijnlijk), maar vooral ook van de karakteristieken van de tussenstof waarin zij zich bewegen (hoe denser, hoe meer waarschijnlijk).

• Dit heeft voor gevolg dat X-stralen door weefsels met verscheidene samenstelling in verschillende mate worden tegengehouden;

• de X-stralen bundel die op de patiënt wordt afgestuurd wordt dus door verschillende weefsels in verschillende mate verzwakt of ‘geattenueerd’.

• Dit wordt beschreven door de attenuatie-coëfficiënt.

Productie van X-stralen

• X-stralen worden opgewekt in een Röntgenbuis.

• Daarin worden in vacuum snelle elektronen afgeschoten op een doelwit bestaande uit wolfraam.

• Dit geeft aanleiding tot • Remstraling• Karakteristieke X-stralen

Spectrum van Rontgenstraling

In een spectrum wordt aangegeven hoe de RX-straling die wordt opgewekt is samengesteld uit fotonen van diverse energie.

De remstraling is verantwoordelijk voor het continue spectrum. Leg uit waarom dat spectrum ophoudt bij een maximale waarde. De stippellijn is het niet gefilterde spectrum. De X-stralen met de minste energie worden daaruit gefilterd (waarom? hoe?).

Op dit continue spectrum zijn nog lijnen geënt van karakteristieke X-stralen. Zij ontstaan als gevolg van ionisaties in het doelwit (de anode). Elektronen uit hogere schillen gaan de plaats innemen van elektronen die bij die ionisaties verdwijnen uit lagere schillen. Zij verliezen daarbij een hoeveelheid energie die karakteristiek is voor het doelwit, en die onder de vorm van X-stralen-fotonen wordt afgegeven.

Remstraling en karakteristieke X-stralen

Hier wordt nog eens getoond hoe remstraling en karakteristieke X-stralen in de anode worden opgewekt.

X-stralen buisElektronen worden opgewekt door thermionische emissie: een elektrische stroom wordt door een wolfraam filament gestuurd dat daardoor opwarmt en elektronen afgeeft. Die elektroden worden door een hoogspanning versneld naar de anode, een doelwit dat ook uit wolfraam bestaat. Daarin worden de X-stralen opgewekt. Dat is echter een weinig efficiënt proces: 99% van de energie van de elektronen wordt omgezet in warmte. Daarom is de anode gemonteerd op een ronddraaiende schijf, zodat de elektronen niet voortdurend op dezelfde plaats terechtkomen en wordt het geheel gekoeld.

X-stralen buis

Detectie

• Van de detector wordt verwacht dat hij de straling die door de weefsels van de patiënt heen is gegaan gaat opvangen en registreren. Waarom is dat een moeilijke opdracht (denk o.m. aan wat de X-stralen al hebben doorstaan voor ze de detector bereiken)?

• De oudste detector is de fotografische plaat. Nieuwere detectoren zijn beter aangepast voor digitale opslag van de gegevens.

Fotografische plaat

• Gewone fotografische platen zijn weinig gevoelig voor X-stralen. Om een bruikbaar beeld te bekomen zou de patiënt aan een te hoge dosis moeten worden blootgesteld.

• Daarom wordt de fotografische emulsie in contact gebracht met een filmscherm, in een cassette waarin de film wordt geklemd. Het scherm bestaat uit fluorescerende verbindingen (scintillatoren of fosforen) die (een klein aantal fotonen van) X-stralen omzetten naar (een groot aantal fotonen van) zichtbaar licht - de plaat is daar meer gevoelig voor.

Fosforplaten

Bestaan uit photostimulable phosphors (PSPs), fotostimuleerbare fosforen. Scheikundig gaat het om bariumfluorohaliden verontreinigd met europium. Zij zetten de X-stralen om in een latent beeld, dat (tot 8 uur) later kan worden afgelezen door de plaat te scannen met laserlicht.

Fosforplaten

X-straal

Eu+2 Eu+3

F+ F

Conductieband

Valentieband

Laserlicht

Bij blootstelling aan X-stralen wordt een elektron van Eu2+ bevrijd zodat het in de conductieband terechtkomt . Daar kan het worden afgevangen door een F-centrum, waar het in een metastabiele toestand verblijft . Dit maakt het latent beeld uit.Bij het uitlezen scant een laserstraal de plaat . De elektronen die gevangen zitten in de F-centra worden daardoor naar de conductieband gebracht en kunnen zich vervolgens naar de europium atomen begeven. Daarbij zenden ze licht uit dat elektronisch wordt gemeten .

Zo slaat een fosforplaat een latent beeld op (geen examenstof):

Licht

Uitlezen van fosforplaten

De laserstraal scant de fosforplaat lijn per lijn af. Het licht dat ontstaat wordt via een lichtgeleider naar een photomultiplier gebracht. Die zet het licht om in een elektrisch signaal.

Flat panel detectoren

• de scintillator zet X-stralen om in lichtflitsen (zie slide 17).

• de fotodiode (amorf silicium) zet ioniserende straling om in elektrische lading; is weinig gevoelig voor x-stralen maar wel voor zichtbaar licht; wordt daarom gekoppeld aan een scintillator.

• het rooster (array) met Thin Film Transistoren werkt als een schakelaar die de verbinding met de uitleeselektronica tot stand brengt en verbreekt.

• elke fotodiode vertegenwoordigt 1 pixel.

X stralen

Fotodiode

TFT array

Licht

Scintillator

+ - Lading

Gestructureerde scintillatoren

Sommige scintillatoren zijn ‘gestructureerd’. Het gaat dan om lange naaldvormige kristallen van CsI die als voordeel hebben dat ze de lichtflitsen die erin ontstaan a.h.w. naar de fotodiode geleiden. In een ‘niet-gestructureerde’ scintillator daarentegen gaat het licht zich in alle richtingen uitspreiden, het een de ruimtelijke resolutie van de detector uiteraard vermindert. (geen examenstof)

Directe omzetting

• Amorf seleen zet X-stralen rechtstreeks om in ladingen.

• Die worden door een elektrisch veld over het seleen naar ladingscollectoren gebracht voor uitlezing via een TFT array.

• Dit is het enige detectortype waar de X-stralen rechtstreeks in een elektrisch signaal worden omgezet.

• Hier is de fotoconductor verspreid over de hele detector; pixels worden gescheiden doordat het elektrische veld over de fotoconductor ervoor zorgt dat de lading alleen op de overeenkomstige elektrode wordt gecollecteerd.

X straal

Fotoconductor

TFT array

+ - Lading

Topelektrode+++

DetectorenHier nog een overzicht van de huidige evolutie in de detectortechnologie. Charge-coupled devices (CCDs) werden hier niet besproken.

Voor wie meer wil

http://www.e-radiography.net/radtech/radtechindex.htm: een woordenboek over radiologische technologie met heldere uitleg

http://www.medcyclopaedia.com/library/topics/volume_i.aspx:

een encyclopedie over alle aspecten van beeldvorming; deel 1 behandelt “physics, techniques and procedures”