Digitale Projektionsradiographie - Skriptum 2024 - PDF

Digitale Projektionsradiographie Geratetechnik kriptum eil II Version WS2024 Bearbeitung: Bernd Wisgrill Inhalt: Bernd Wisgrill Vortragender: Bernd Wisgrill 1 Skriptum Gerätetechnik ProRäd Pärt II Inhaltsverzeichnis Röntgenuntersuchungsgeräte..................................................................................................4 Stative..................................................................................................................................4 Stativtypen...........................................................................................................................4 Bodenstativ.......................................................................................................................4 Boden-Decken-Stativ...........................................................................................................5 Deckenstativ......................................................................................................................5 C-Bogen-Stativ...................................................................................................................5 Aufnahmegeräte....................................................................................................................6 Aufnahmetisch oder Buckytisch............................................................................................6 Rasterwandstativ oder Bucky-Wandstativ..............................................................................6 Spezialuntersuchungsgeräte....................................................................................................7 Traumabogen....................................................................................................................7 Fahrbare und Tragbare Röntgengeräte..................................................................................7 Transportable Röntgengeräte...............................................................................................8 Mammographie.................................................................................................................8 Tomographiegeräte.............................................................................................................. 12 Prinzip der Tomographie................................................................................................... 12 Geräte für die Pädiatrie......................................................................................................... 13 Pädiatrisches Lungenaufnahmegerät................................................................................... 13 Zahnaufnahmegeräte........................................................................................................... 14 Einzelaufnahmen.............................................................................................................. 14 Panoramaaufnahmen – Pantomographie............................................................................. 14 Fernröntgen – Kephalostat................................................................................................. 15 Knochendichtemessung........................................................................................................ 15 DXA-/DEXA-Messung........................................................................................................ 16 QCT und pQCT................................................................................................................. 16 Durchleuchtung –Fluoroscopie............................................................................................... 17 Leuchtschirm................................................................................................................... 17 Bildverstärker-Fernsehkette............................................................................................... 18 Bildverstärkerbetrachtung..................................................................................................... 19 Röntgenfernsehkette........................................................................................................ 19 2 Entstehung des Fernsehbildes................................................................................................ 20 Fernsehaufnahmeröhre..................................................................................................... 20 Betrachtungsmonitor........................................................................................................ 20 Kinoeffekt....................................................................................................................... 21 Zeilensprungverfahren...................................................................................................... 21 Progressive Abtastung....................................................................................................... 21 Quantenrauschen............................................................................................................. 21 Kontrasthaltung................................................................................................................... 21 Durchleuchtungsgeräte......................................................................................................... 23 C-Bogen.......................................................................................................................... 23 Untertischgeräte.............................................................................................................. 24 Obertischgeräte............................................................................................................... 24 Sonderform 3D-Bildwandler............................................................................................... 24 Betriebsarten................................................................................................................... 25 Bilddokumentation........................................................................................................... 25 Angiographieanlagen............................................................................................................ 26 DSA – Digitale Subtraktions Angiographie............................................................................. 26 Weiter Durchleuchtungsanlagen............................................................................................ 27 Digitale Systeme.................................................................................................................. 29 Signale............................................................................................................................ 29 Arten von Signalen............................................................................................................ 29 Analogsignale................................................................................................................... 29 Wertdiskrete und zeitkontinuierliche Signale........................................................................ 30 Wertkontinuierliche und zeitdiskrete Signale........................................................................ 30 Wertdiskrete und zeitdiskrete Signale.................................................................................. 30 Verarbeitung von Digitalen Signalen....................................................................................... 30 Analog-Digital-Umsetzer....................................................................................................... 32 Arten von ADUS............................................................................................................... 32 Direkte Verfahren............................................................................................................. 32 Indirekte Verfahren.......................................................................................................... 34 Kennzahlen von ADUs....................................................................................................... 35 Umwandlung von Strahlung in elektrische Signale.................................................................... 37 Indirekte Methoden............................................................................................................. 37 Funktionsweise der Fernsehaufnahmeröhre......................................................................... 37 CCD-Chip......................................................................................................................... 39 3 Das Funktionsprinzip von Silizium-Photozellen...................................................................... 40 CCD-Chip Auslesemechanismen.......................................................................................... 41 Speicherfolien.................................................................................................................. 42 Direkte Methoden................................................................................................................ 44 Festkörperdetektor........................................................................................................... 44 Funktionsprinzip Festkörperdetektor................................................................................... 44 Xenondetektor................................................................................................................. 45 Szintillationsdetektor........................................................................................................ 45 Vom Signal zum Bild............................................................................................................. 46 Exposure Index – Belichtungsindex...................................................................................... 49 4 Röntgenuntersuchungsgeräte Als Röntgenuntersuchungsgeräte bezeichnet man alle, Großteiles mechanischen Vorrichtungen, die zur Halterung der Röntgenröhre und der verschiedenen Detektoren, sowie der Positionierung des Patienten bei den verschiedenen Untersuchungen dienen. Dazu gehören:  Stative  Aufnahmegeräte und Durchleuchtungsgeräte  Spezialgeräte  Zusatzgeräte für die Diagnostik Stative Stative sind Vorrichtungen an die die Strahlenquelle (Röntgenröhre) montiert ist. Je nach Ausführung können sie die Röntgenröhre an einem fixen Punkt im Raum tragen oder ermöglichen, dass man die Strahlenquelle im Raum bewegen kann. Die gängigste Bauform besteht aus einer senkrechten Säule an der man die Röhre nach oben und unten fahren kann. Dazu sind im inneren der Säule Gegengewichte an einem Seilzug angebracht welche helfen die schwere Röhre mit dem Schutzgehäuse einfach zu bewegen. Am unteren Ende der Säule ist die Aufnahme angebracht an der Röhren-Schutzgehäuse-Einheit mit den Tiefenblenden montiert ist. Diese Aufnahme beinhaltet meist einen Mechanismus mit dem man die Röhre kippen und drehen kann. Darauf befindet sich auch eine Anzeige die, die eingestellten Winkel anzeigt. Zur Fixierung der Röhre z.B. in der Mitte des Detektors, sind im Stativ Magnetbremsen eingebaut die Röhre auf Position halten.  Verschiedene Typen von Stativen sind:  Je nach Befestigung im Raum unterscheidet man  Bodenstative  Wandstative  Deckenstative (2D, 3D)  Boden-Wandstative  Boden Deckenstative Stativtypen Bodenstativ Die Säule ist fix am Bodenmontiert. Die Röhre lässt sich dabei nur nach oben und unten bewegen. Die Aufnahme der Röhre kann auch die Einstellung von Winkeln oder Drehungen erlaubt. Diese Form des Statives wird in Kombination mit einem Rasterwandstativ verwendet wenn z.B. nur Aufnahmen im Sitzen oder Stehen angefertigt werden sollen. (Lungenraum, Orthopädie) 5 Boden-Decken-Stativ Das Boden-Decken-Stativ besteht aus einer senkrechten Säule die auf Schienen läuft die an der Decke und am Boden montiert sind. Diese Konstruktion erlaubt eine Bewegung der Röhre längs entlang des Tisches und nach oben und unten. Drehung und Winkel der Röhre sind abhängig von der Montageart an der Säule. Dieses System ist auch stabile als ein Bodenstativ da es an zwei Punkten montiert ist. Deckenstativ Das Deckenstativ ist die Stativform die am häufigsten in der Radiologie anzutreffen ist, da es wenig Platz in Anspruch nimmt und am vielseitigsten einzusetzen ist. Dabei ist die Säule die, die Röhre trägt an einem Schienensystem an der Decke montiert. Diese Bauweise kann als 2D-Stativ oder 3D-Stativ umgesetzt sein. Beim 2D-Stativ ist die Säule an einer Schiene an der Decke befestigt. Es bietet die gleichen Möglichkeiten wie das Boden-Decken-Stativ, also eine Verschiebung längs vom Tisch und eine Höhenverstellung. Dies Konstruktion ist selten anzutreffen. Beim 3D-Stativ ist die Säule an zwei Schienen montiert an der Decke montiert. Dies ermöglicht ein Fahren der Röhre in Längs- und Querrichtung zum Tisch (x und y) sowie eine Höhenverstellung (z). Dies bedeutet das Röhre frei im Raum beweglich ist. Auch ein Wechsel zwischen den Aufnahmeplätzen ist dadurch möglich. Es können als Aufnahmen am Tisch sowie am Rasterwandstativ mit einer Röhre angefertigt werden. Bei modernen Geräten können verschiedene Positionen automatisch, motorisiert angesteuert werden. C-Bogen-Stativ Das C-Bogenstativ ist eine Sonderform der Stative das vorwiegend in der Durchleuchtung zum Einsatzkommt. Das Stativ hat die Form eines Halb- Kreis-Bogens, also C-förmig. An einem Ende ist die Röntgenröhre montiert, am anderen der Detektor. Der Abstand zwischen Strahler und Detektor kann dabei nicht verändert werden. Zur Anpassung an den zu untersuchenden Bereich kann der Bogen geschwenkt und gekippt werden. Dadurch sind Aufnahmen in verschiedenen Ebenen möglich ohne den Patienten zu bewegen. Der C-Bogen kann auch als mobiles Gerät gebaut werden. Er ist oft als Standard-Röntgengerät im OP anzutreffen z.B. bei Angiografien oder Orthopädie-OPs. 6 Aufnahmegeräte Als Aufnahmegeräte bezeichnet man Geräte die zur Positionierung des Patienten dienen und ebenfalls Raster, Messkammern und den Detektor beinhalten. Röntgenaufnahmen können im Liegen und im Stehen angefertigt werden. Dazu unterscheidet man zwischen zwei Standard- Aufnahmegeräten:  Aufnahmetisch (im Liegen)  Rasterwandstativ (im Stehen) Aufnahmetisch oder Buckytisch Der Aufnahmetisch dient Großteil zur Anfertigung von Aufnahme im Liegen. Er besteht aus mehreren Komponenten die speziell für Röntgenaufnahmen beschaffen sind. Die Basis bildet eine fest am Boden montierte Säule mit der, der Tisch motorisch höhenverstellt werden kann. Die kann mittels externen Pedalen oder Tastern an der Basis des Bodens geschehen. (2) Als Liegefläche dient eine Platte aus einem strahlendurchlässigen Material das jedoch auch sehr stabil sein muss. Hierfür findet man in modernen Anlagen Carbon-Tischplatten. Die Platte ist als schwimmende Platte montiert. Das bedeutet, dass sich die Platte auf Kugellagern befindet damit sie einfach in x- und y-Richtung bewegt werden kann auch wenn darauf ein Patient liegt. Dadurch kann jeder Organabschnitt in den Strahlengang geschoben werden während Röhre, Raster, Messkammern und Kassette zentriert bleiben. (1) Unter der Tischplatte befindet sich die Rasterlade. In Rasterlade befindet sich das Streustrahlenraster, die Messkammern der Belichtungsautomatik und die ausziehbaren Kassettenlade. Zum Fixieren der Kassette oder des Detektor befinden sich synchron beweglichen Einspannvorrichtung und Markierungen zum Zentrieren in der Kassettenlade. (3) Rasterwandstativ oder Bucky-Wandstativ Das Rasterwandstativ verwendet man für Aufnahmen im Sitzen oder Stehen. Dabei sind eine röntgendurchlässige Platte mit Einstellmarkierungen und Rasterlade senkrecht, höhenverstellbar an einem Bodenstativ montiert. Im Rasterwandstativ findet man alle Raster und Messkammern die man auch im Tisch findet. Zu Positionierung des Patienten können noch zusätzliche Haltegriffe montiert werden. 7 Spezialuntersuchungsgeräte Unter Spezialuntersuchungsgeräte versteht man Röntgenanlage die von der konventionellen Bauform besten aus Stativ, Röhre und Aufnahmegerät abweichen. Diese besitzen Bauformen die speziell auf einen bestimmten Einsatzzweck, bzw. Untersuchung abgestimmt sind. Zu den bekanntesten zählen:  Traumabogen  Transportable Röntgengeräte  Mammographie  Tomographie  Schädelspezialgeräte  Pädiatrie  Zahnröntgen  Knochendichtemessungen DEXA Traumabogen Den Traumabogen findet man in Unfall-Notaufnahmen und Shockräumen. Er ähnelt im Aufbau dem Prinzip des C- Bogens. An einer Seite des Bogens befindet sich die eine konventionelle Röntgenröhreneinheit mit Schutzgehäuse und Tiefenblenden und an der anderen Seite eine Halterung für Kassetten oder Detektoren. Er ermöglicht Aufnahmen aus verschiedenen Perspektiven ohne dabei den Patienten zu bewegen. Nachteil dabei ist das die Patientenliege ebenfalls für solche Aufnahmen geeignet sein muss. Es muss so wenig Streben wie möglich unter dem Tisch geben damit der Bogen in allen Richtungen positioniert werden kann. (siehe Foto) Fahrbare und Tragbare Röntgengeräte Fahrbare Röntgengeräte, so genannte Mobiletts werden dort eingesetzt wo der Patient nicht in die Röntgenabteilung gebracht werden kann z.B. in Ops, Aufwachräumen und Intensivstationen. Im Allgemeinen bestehen Mobiletts aus einem Gehäuse mit Rädern in dem die Akkus (wenn es nicht mit Netzstrom arbeitet), der Generator und sonstige Elektronik untergebracht ist. Die Röntgenröhre ist in einem drehbaren Strahlerkopf, an einem gewichtsentlasteten, frei beweglichen, Tragarm montiert der es erlaubt die Röhre in die gewünschte Position zu bringen. An einem Display kann man kV und mAs frei einstellen. Die Bildqualität ist dabei abhängig von der Generatorleistung des Mobiletts. Heute erzeugt man Aufnahmen Großteiles mit Mobiletts in Kombination mit digitalen Speicherfolien (Kassetten). Moderne Geräte besitzen kabellose, hochauflösende Detektoren die mit dem Mobilett verbunden sind. Dabei können an eingebauten Workstations direkt die Bilder begutachtet werden und über WLan in das Pacs-System der Klinik eingespielt werden. 8 Transportable Röntgengeräte Diese Art von Röntgengeräten findet man besonders im veterinärmedizinischen Bereich. Transportabel Röntgengeräte bestehen aus einem kleinen Gehäuse mit Tragegriffen in dem die komplette Röhrentechnik kompakt und relativ leicht (6kg-12kg) verpackt ist. Diese Geräte sind Einkesselgeräte bei dem Generator und Röhre gemeinsam verbaut sind. Die Anode ist eine Feststehanode. Zur Messung des FOA sind Laserpointer verbaut. Aufgrund der Bauweise sind die Geräte weniger Leistungsfähig, je nach Typ sind kV-Werte zwischen bis max. 80kV-100kV und max. 30mAs-100mAs möglich. Die Aufnahmen können auf Film, Speicherfolie oder Detektor gespeichert werden. Moderne Geräte arbeiten mit tragbaren, kabellosen Detektoren die mit einen Notebook verbunden sind. Dadurch lassen sich Bilder direkt am Erzeugungsort begutachten und bearbeiten. Mammographie Die optimale Röntgendarstellung der Brust bereitet relativ große Schwierigkeiten! Die weibliche Brust kann je Größe und Parenchymanteil große Dichteunterschiede aufweisen. Die einzelnen Strukturen in der Brust weisen aber gleichzeitig nur geringe Absorptionsunterschiede auf. Die Aufnahmen müssen eine hohe Auflösung haben, da Mikrokalzifikationen bis zu 0,1mm Größe für die Befundung darstellbar sein müssen. Für eine genaue Untersuchung der Brust muss das Organ in allen Abschnitten dargestellt sein. Das Brustgewebe ist strahlensensibel, darum muss trotz der hohen Anforderung an die Bildqualität die Dosis so niedrig wie möglich gehalten werden. Das stellt Mammographie-Anlagen vor eine besondere radiologische Herausforderung. Röhrenanforderungen Die Gewebsanteile der Brust wie Parenchym, Fett, Bindegewebe zeigen ihre größten Schwächungsunterschiede in einem niedrigen Energiebereich zwischen 25kV und 40kV. Bei diesen niederenergetischen Strahlen spricht man von so genannter „ weicher Strahlung“. Die Weichstrahltechnik setzt die Anwendung besonderer Röntgenröhren voraus. Im Gegensatz zu konventionellen Röhren werden bei der Mammographie Anoden aus Molybdän als strahlungserzeugende Schicht verwendet. damit die weiche Strahlung die Röhre auch verlassen kann, verwendet man ein Strahlenaustrittsfenster aus Beryllium. 9 Die Molybdänanode sendet einen hohen Anteil an charakteristischer Strahlung, mit zwei Peaks bei 17,5 keV und 19,65 keV aus, die im weichen Bereich liegt. Anders als im konventionellen Röntgen wird hauptsächlich diese Charakteristische Strahlung zur Bilderzeugung genutzt. Ein zusätzlicher Molybdänfilter lässt fast nur diese Strahlenanteile durch und filtert die weicheren Anteile sowie die härtere Bremsstrahlung verhältnismäßig stark heraus. Neuere Entwicklungen von Mammographieröhren verfügen über zwei Brennfleckbahnen, eine aus Molybdän mit Vanadium legiert und eine aus Rhodium. Das Röntgenspektrum von Rhodium ist ähnlich dem Molybdän, jedoch etwas in den höheren kV-Bereich (charakteristische Röntgenstrahlung bei ca. 28 keV) verschoben. Dadurch lässt sich in Kombination mit einem Rhodium- Filter eine Dosisreduktion bei großen Brustdurchmessern erzielen, die eine kV-Anhebung erfordern. Kompression Eine weite Spezialität der Mammographie ist die starke Kompression der Brust. Die weiche Strahlung bei der Mammographie hat durch ihre niedrige Energie eine geringe Durchdringungsfähigkeit. Deshalb muss das Gewebe mit einer Kompressionstubus komprimiert werden. Dadurch lässt sich eine bessere Detailschärfe und Kontrast bei einer geringeren Strahlenbelastung erzielen. Ein Zentimeter Kompression ergibt eine Reduzierung der Dosis um etwa die Hälfte ihres Ausgangswertes. Außerdem erfolgt durch die Kompression auch eine Fixierung der Brust, die Bewegungsunschärfe minimiert. Strahlengeometrie Anders als beim konventionellem Röntgen wo die Röhre auf den Detektor zentriert wird, steht bei der Mammographie der Brennfleck direkt über der Filmkante die der Patientin zugewandt ist. Dadurch können thoraxwandnahen Mammaanteile gut abgebildet werden. Der Fokus bei Mammographieröhren ist sehr klein da eine möglichst hohe Detailauflösung gewünscht wird. Die Röhre ist im Mammographiegerät mit der Anode von der Patientin weg weisend eingebaut. Dadurch kann man sich den Heel-Effekt positiv zu nutzen machen indem er das Dosisgefälle, das durch die dezentrierte Montage der Röhre vorgegeben ist unterstützt. Die Abnahme der Gewebedicke der Brust wird somit ausgeglichen und eine gleichmäßige Belichtung erreicht. 10 Detektoren Als Detektoren werden häufig Speicherfolien mit einer Größe von 24cmx30cm eingesetzt. Neuere Geräte arbeiten mit Festkörperdetektoren mit gleicher Größe aus amorphem Selen welche eine sehr gute Auflösung ermöglichen. ( 2816 x 3584 Pixel bei 24cmx30cm Bildformat) Streustrahlenraster Neuere Geräte erlauben die Verwendung eines Rasters zur Verminderung der Streustrahlen. Dadurch lässt sich der Kontrast besonders bei der radiologisch dichten Mamma deutlich verbessern. Spezielle Raster reduzieren die Streustrahlung auf ein Drittel, sind aber für die bildgebende Primärstrahlung 90% durchlässig. Aufnahmen mit Raster benötigen allerdings eine höhere Strahlendosis! Messkammer Laut der Leitlinie der Bundesärztekammer zur Qualitätssicherung in der Röntgendiagnostik ist die Benutzung einer Belichtungsautomatik vorgeschrieben. Dabei muss die Position des Messfeldes der Belichtungsautomatik variabel einstellbar sein. Eine gute Anpassung an Dicke, Dichte und Röhrenspannung der Belichtungsautomatik muss gegeben sein. Die Messkammer ist bei der Mammographie im Gegensatz zu normalen Röntgengeräten hinter dem Film gelegen. Der Grund dafür ist, dass bei der weichen Strahlung jede Messkammer auf dem Film abgebildet werden würde. Die Position der Messkammer ist im Allgemeinen in 3 Stufen am Rastertisch einstellbar. Ein Lichtvisier erleichtert die Einstellung. Damit die Belichtungsautomatik optimal arbeiten kann, ist die Messkammer im vorderen Brustdrittel zu positionieren. Dabei sollte ein Sicherheitsabstand von 2 cm eingehalten werden, damit die Messkammer keine Luft misst. Ansonsten kann es zu Fehlbelichtungen kommen. 11 Stereotaxie Die Stereotaxie (stereotaktische Brustbiopsie) ist eine spezielle Biopsieuntersuchung der Brust. Unter Röntgenkontrolle werden Gewebeproben aus Tumoren entnommen, die vorher durch eine Mammographie lokalisiert wurden. Die Stereotaxie wird eingesetzt, wenn z. B. verdächtige Kalkspuren in der Brust gefunden wurden. Dazu verwendet man speziell ausgerüstete Mammographiegeräte. Zur genauen Lokalisation der Läsion werden Aufnahmen parallel zur Kompressionsrichtung in 0° und links/rechts verkippt in +15° bzw. -15° angefertigt. Es bewegt sich dabei nur die Röhre während die Patientin mit der komprimierten Mama in Position bleibt. Auf de Auswertegerät wirden auf beiden Bildern ein fester Bezugspunkt und die Läsion anvisiert. Ein Computer errechnet daraus Raumkoordinaten, die dann an der Nadelführung eingestellt werden. Die Stereotaxie kann je nach Gerät im Liegen oder Sitzen durchgeführt werden. Digitale Brust Tomo- synthese DBT Bei der DBT wird die Brust der Patientin fixiert. Danach schwenkt sich der Strahlerkopf im Bogen um die fixierte Brust und erzeugt 2D-Aufnahmen aus verschiedenen Winkeln. Aus den so erzeugten verschiedenen Schichtbilder der Brust wird ein 3D-Volumsdatensatz erzeugt. So können in der herkömlichen Mammographie überlagernde Strukturen separat dargestellt werden. 12 Tomographiegeräte Die konventionelle Röntgenaufnahme ist ein Summationsbild. Gemäß der Regeln der Superposition werden alle Details in den verschiedenen Objektebenen gleich scharf und überlagernd abgebildet. Mit Hilfe der Tomographie ist es möglich, einzelne Körper- schichten hervorzuheben und überlagerungsfrei darzustellen. Prinzip der Tomographie Bei der Tomographie müssen sich Röhre und Film nach bestimmten Gesetzen gegeneinander Bewegen. Die Struktur die sich im Drehmittelpunkt dieser gegenläufigen Bewegung befindet wird scharf dargestellt. Strukturen außerhalb des Drehpunktes werden in Abhängigkeit zu dessen Distanz mehr oder weniger scharf abgebildet. Dazu bedarf es eines Rastertisches mit einem speziellen Tomographie-Aufsatz. Bei solch einem so genannten Schichtarbeitsplatz sind die Röhre und die Kassettenlade über ein Gestänge verbunden und werden motorisch bewegt. Bei der Tomographie sind die beiden Parameter Schichtwinkel und Schichtdicke zu beachten. Diese sind eng miteinander verbunden. Je größer der Schichtwinkel umso dünner ist die scharf dargestellte Schicht. Die Verwischung muss bei der Röntgentomographie nicht unbedingt linear verlaufen. Je nachdem welches Organ untersucht werden soll können auch kompliziertere Verwischungsfiguren gefahren werden. Dabei gilt je komplexer die Figur desto dünner ist die Schichtdicke. Je nach Winkel und Schichtdicke unterscheidet man folgende Verfahren:  Zonographie: Winkel 4°- 8°, Dicke mehrere cm, geeignet für ganze Organe  lineare Tomographie: Winkel 30°- 40°, Dicke unter 1cm  mehrdimensionale Figuren: Dicke 1-2mm Folgende Verwischungsfiguren werden für verschiedene Organe verwendet:  linear (Zonographie, Thorax, einfache Tomographie)  elliptisch (Skelett, Schädel)  rund (Niere, Gallenwege, Zonographie)  spiralförmig (feine Details, z.B. in Mittel- und Innenohr)  hypozykloidal (feine Details) Das Verfahren der Tomographie stellt den Röntgengenerator vor besondere Herausforderungen. Aufgrund der mehr oder weniger komplexen mechanischen Bewegung müssen die Belichtungszeiten lange sein. Bei linearen Figuren liegt die Belichtungszeit zwischen 0,5s und 2s, bei komplexen Figuren sogar bis zu 5s. 13 Dabei ist es wichtig des Generator dabei mit konstanter Last arbeitet da bei fallender Last das Bild ungleichmäßig und verfälscht wäre. Bei Röntgentomographien ist die Zeit fix eingestellt die für die Figur benötigt wird. Die Belichtungsregelung erfolgt über die Einstellung vom Röhrenstrom und Röhrenspannung. Geräte für die Pädiatrie Bei radiologischen Untersuchungen von Kindern liegt besonderes Augenmerk auf den Strahlenschutz. Ein wichtiger Punkt neben der korrekten Einstellung der Parameter und genaues Einblenden ist, die Aufnahme nicht wiederholen zu müssen. Bei Kleinkindern oder Säuglingen besteht ein hohes Risiko das Bild durch Bewegungsunschärfe unbrauchbar zu machen und die Aufnahme wiederholen zu müssen. Durch Hochleistungsgeneratoren lässt sich die Belichtungszeit bei pädiatrischen Röntgenanlagen reduzieren und so die Bewegungsunschärfe zu minimieren. Die anderen Bauteile von Kinderröntgenanalgen können ebenfalls speziell auf die Größe der kleinen Patienten angepasst sein. Um die Bewegungsfreiheit der pädiatrischen Patienten zu reduzieren stehen mehrere verschiedene Fixiereinrichtungen zur Verfügung. Diese können als einfache Riemen und Gurte aber auch als Ganzkörperschalen realisiert sein. Die bekannteste Hilfseinrichtung für die Röntgenuntersuchungen an Säuglingen und Kleinstkindern ist die Babixhülle. Während der Untersuchung sind die Patienten in den Hüllen gut fixiert, ohne daß sich eine oder mehrere Personen zum Festhalten im unmittelbaren Strahlungsbereich aufhalten müssen. Die BABIX-Hüllen können wahlweise hängend an einem Untersuchungsgerät, z.B. für Thorax- oder Abdomenaufnahmen oder liegend auf einem Bucky-Tisch, z.B. für Aufnahmen der Wirbelsäule in jede gewünschte Aufnahmeposition gebracht werden. Die BABIX-Hüllen bestehen aus einem durchsichtigen, röntgenstrahlentransparenten Kunststoff. Am oberen Ende ist ein Bügel befestigt, mit dem die Hülle in die Haltevorrichtung eingehängt werden kann. BABIX-Hüllen gibt es in zwei Ausführungen, U-förmige und flachförmige für Aufnahmen im Liegen und im Hängen. Pädiatrisches Lungenaufnahmegerät Dieses Gerät besteht aus einer normalen Röntgenröhreneinheit mit Tiefenblenden. Die in die Position für Rasterwandaufnahmen gebracht wird. Zur Aufnahme wird der Patient auf einen kleinen Stuhl gesetzt dessen Rückenlehne der Detektor oder die Speicherfolie bildet. Dahinter steht eine Bleischutzwand mit Öffnungen durch die mit Bleihandschuhen das Kind festgehalten werden kann. Die Aufnahme wird automatisch im richtigen Atemzustand ausgelöst. Dazu ist eine Temperatursonde vor dem Gesicht montiert. Ausgeatmete Luft ist wärmer und so kann im richtigen Moment das Bild erzeugt werden. 14 Zahnaufnahmegeräte Bei den Zahnaufnahmegeräten unterscheidet man zwischen Einzelaufnahmen, Panoramaaufnahmen und Fernröntgen. Einzelaufnahmen Für Einzelaufnahmen benutzt man als Strahlenquelle kompakte Einkesselgeräte die an einem Tragarm montiert sind. Ein Tubus dient zur Einblendung auf das Zahnfilmformat und zur Abstandsbegrenzung. Bei analoger Aufnahmetechnik wir dem Patient ein kleiner in Kunststofffolie verpackter Film im Mund, an den zu untersuchenden Zahn, angelegt. Zahnfilme gibt es in den Formaten 2cmx3cm und 4cmx5cm. Pro Film können zwischen drei und 6 Zähne in guter Qualität abgebildet werden. Einzelaufnahmen können auch digital mit einem kleinen Detektor angefertigt werden. Im Ablauf der Untersuchung und bei der Strahlenquelle gibt es dabei keinen Unterschied, jedoch wird anstatt des Zahnfilms ein kleiner Röntgendetektor platziert. Die Vorteile liegen wie allgemein beim digital Röntgen darin, dass die Bilder in real time zur Verfügung stehen, bearbeitet und archiviert werden können. Diese Art der Aufnahme eignet sich nur um einen kleinen Bereich des Kiefers abzubilden. Eine komplette Übersichtsaufnahme in dieser Technik kann unter Berücksichtigung des Strahlenschutzes nicht durchgeführt werden. Panoramaaufnahmen – Pantomographie Panoramaaufnahmen in der Zahnmedizin werden durch das Prinzip der oben erwähnten Röntgentomographie erstellt. Auch hier bewegen sich Film und Röntgenröhre gegengleich. Ein 10cmx24xm großer Film wird auf eine abgedunkelte Rolle gespannt. Wie beim C-Bogen sind die Filmtrommel und die Röntgenröhre gegenüberliegend gegenüberliegen an einem gemeinsamen Arm montiert. Bei der Aufnahme bewegt sich der Arm in einem Kreisbogen um den Kopf des Patienten. Der Film in der Rolle dreht sich gleichzeitig in die entgegengesetzte Richtung. Schmale Schlitzblenden vor der Rolle bewirken dass immer nur ein kleiner Bereich belichtet wird. Bei dieser Aufnahme kann das komplette Ober- und Unterkiefer gleichzeitig auf einer Aufnahme, in für eine Übersicht, ausreichender Qualität dargestellt werden. 15 Moderne Zahnröntgenanlagen arbeiten auch bei Panoramaaufnahmen mit digitaler Technologie. Im Aufbau ähneln sich digitale und analoge Geräte jedoch wird anstatt der Filmtrommel ein Festkörperdetektor verwendet. Man spricht hierbei von einem 3D-Röntgenscan. Eine Aufnahme dauert ca. 14s. Aus den dabei erstellten Aufnahmen wird ein 3D-Datensatz errechnet. Dadurch können verschiedene Ansichten (transversal, sagittal und coronar) rekonstruiert werden und das diagnostizierbare Volumen ist mit bis zu 15cmx15cmx15cm groß genug um den Zahnstatus inklusive Kiefergelenke, Kinnspitzen und Nasenwurzel zu untersuchen. Die Aufnahmen können auch zur Implantatplanung verwendet und direkt in 3D-Drucker oder CNC-Geräte übertragen werden. Die Dosis von ca. 29µSv pro Scan ist bei diesen modernen Geräten sehr gering. Fernröntgen – Kephalostat Das Fernröntgen ist eine Untersuchungsform, die Verlaufsstudien über mehrere Wochen, Monate und Jahre ermöglicht. Es gibt Aufschluss über Veränderungen des knöchernen Aufbau des Gesichtsschädels, Wachstumsrichtung der Kiefer und Achsenstellung der Zähne. Beim Fernröntgen ist eine genaue Reproduzierbarkeit der Aufnahme essenziell. Die Aufnahmen werden mit einem FOA von 150cm und OFA von 15cm durchgeführt um einen konstanten Vergrößerungsfaktor zu erreichen. Außerdem werden die Aufnahmen streng seitlich gemacht während der Kopf durch stützen in der Richtigen Position gehalten wird. Zur besseren Detaildarstellbarkeit werden Weichteilfilter verwendet. Knochendichtemessung Die gebräuchlichen Verfahren zur Osteodensitometrie nutzen die dichteabhängige Schwächung von Röntgenstrahlen. Die Bekanntesten Verfahren sind: Dual-Röntgen-Absorptiometrie (DXA/DEXA) Quantitative Computertomographie (QCT) periphere QCT(pQCT) Ultraschall=Sonographie 16 DXA-/DEXA-Messung Die DXA-Methode oder auch Dual-energy X-ray absorptiometry ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Knochendichtemessung und findet zur Diagnose und Therapiekontrolle Anwendung. Hüfte und Lendenwirbelsäule werden dazu mit Röntgenstrahlung in zwei unterschiedlichen Intensitäten beschossen. Dazu verwendet man zwei verschieden Röntgenquellen mit 40keV und 70keV. Je nach Strahlenstärke wird die Strahlung von unterschiedlich dichtem Gewebe verschieden stark absorbiert. Aus den gemessenen Absorptionsanteilen errechnet man nun die Dichte des Knochens. DEXA ist vielseitig einsetzbar. Es eignet sich auch zur Bestimmung der Körperzusammensetzung aus Knochen-, Fett- und Muskelmasse. Das DEXA-Verfahren ist ein zweidimensionales Verfahren. Es liefert daher keine Informationen über die dreidimensionale Geometrie des Körpers und darum auch keine Dichtewerte in kg/m³ wie man sie im herkömmlichen Sinne kennt. Die DEXA-Messung liefert eine auf die Fläche projizierte Masse in kg/m². Um aus dem der gemessenen flächenprojezierten Masse einen Befund ableiten zu können muss man sich zwei weiteren errechneten Werten, T- und Z-Wert, bedienen. Der T-Wert ist definiert als Abweichungen vom Normalen in Vielfachen einer Standardabweichung (T-Wert, engl. t-score, dimensionslose Größe). Nach der gültigen Definition der WHO liegt eine Osteoporose vor, wenn der Messwert der Knochendichtemessung mindestens 2,5 Standardabweichungen unter dem Durchschnitt der geschlechtsgleichen 30-jährigen Gesunden (peak bone mass) liegt, d. h., ein T-Wert ≤ –2,5 vorliegt. Der T-Wert alleine kann allerdings nicht für die Diagnose verwendet werden. Mit steigendem Alter sinkt die physiologische Knochenmasse auch auf natürlichem Wege ohne entsprechende Pathologie. So würden etwa rein nach dem T-Wert 50% aller 70-jährigen Frauen an Osteoporose leiden. Um diesen natürlich Prozess einzukalkulieren bedient man sich dem Z-Wert. Dabei wird der T-Wert mit den Werten von nachweislich gesunden Individuen gleichen Alters und Geschlecht verglichen. Ein normaler Z-Wert (> –1) zeigt an, dass die Knochendichte alterstypisch ist. QCT und pQCT Die quantitative Computertomographie (QCT, qCT) sowie die periphere quantitative Computertomographie (pQCT) sind Spezialformen der Computertomographie, einem bildgebenden Verfahren auf der Basis von Röntgenstrahlung. Bei herkömmlichen CT-Verfahren wird die exakte Dichte jedes einzelnen Volumenelementes (sogenanntes Voxel) nur als Grauwert ermittelt, der erst nach einer Kalibrierung als Knochendichtewert angegeben werden kann. Im Gegensatz zur herkömmlichen CT bestimmt das QCT/pQCT-Verfahren die physikalische Dichte als Masse/Volumen jedes Voxels sehr genau. Das QCT kann mit einem herkömmlichen CT-Gerät mit der entsprechenden Software gefahren werden. Das pQCT ist ein CT-Gerät das speziell für die Knochendichtemessung entwickelt wurde. Im Gegensatz zur DXA-Methode wird bei der pQCT und QCT ein Volumsdatensatz erzeugt und die tatsächliche Dichte in g/cm³ gemessen und nicht die flächenprojezierte Masse in g/cm². 17 Messpunkte Dosis DEXA LWS, beide Hüften 1-2 μSv pQCT Dist. Radius 1-2 μSv QCT LWS 25-60 μSv Transatlantikflug 50 μSv Nat. Hintergrund ~7 μSv /Tag Durchleuchtung –Fluoroscopie Röntgenaufnahmen bilden statische Bilder eines Istzustandes während deren Erzeugung ab. Um bewegte Vorgänge in Echtzeit darzustellen und verfolgen zu können bedient man sich der Durchleuchtungstechnik. Mit Hilfe der Durchleuchtung kann man organische Bewegungen in Echtzeit sofort darstellen, kann den genauen Lauf von Kontrastmittel durch Blutgefäße verfolgen oder während Operationen die chirurgischen Manipulationen erfassen. Zur Darstellung der Durchleuchtung gibt es drei verschiedenen Verfahren:  Leuchtschirm  Bildverstärker-Fernsehkette  Detektor Leuchtschirm Verschiedene Substanzen haben die Eigenschaft, beim Auftreffen von Röntgenstrahlung sichtbares Licht auszusenden (Fluoreszenz). In Leuchtschirmen sind diese fluoreszierenden Stoffe eingearbeitet. Trifft Röntgenstrahlung diesen Schirm beginnt er je nach Intensität an den verschiedenen Stellen unterschiedlich Hell zu leuchten. Jedoch sind die Leuchtkraft und die Detailerkennbarkeit dieser Schirme sehr gering. Untersuchungen sind nur in völliger Dunkelheit möglich. Eine Verstärkung der Helligkeit ist nur durch eine Erhöhung der Dosis möglich, was aus Strahlenschutzgründen abzulehnen ist. Darum werden Leuchtschirme heute nicht mehr verwendet. 18 Bildverstärker-Fernsehkette Bildverstärker In der heutigen Durchleuchtungstechnik werden hauptsächlich Bildverstärker eingesetzt. Diese erzeugen ein 1000-5000mal heller Bild als Leuchtschirme. Der Bildverstärker besteht aus einem Hochvakuumgefäße aus Glas oder Metall an dessen gewölbter Stirnseite, auch Eingangsschirm genannt, eine Cäsium-Iodid- Schicht aufgedampft wird. Treffen Röntgenstrahlen auf den Eingangsschirm wird die Cäsium- Iodid-Schicht zum Aufleuchten gebracht. Je nach Anwendungsgebiet hat der Eingangsschirm einen Durchmesser zwischen 5 und 22 Zoll. Knapp dahinter befindet sich eine Photokathode die zum Licht proportionale Menge an Elektronen aussendet. Auf der anderen Seite des Vakuumgefäßes befinden sich eine Ringanode und der Ausgangsschirm. Zwischen der Anode und der Kathode liegt eine Hochspannung zwischen 20-35kV, dadurch werden die Elektronen stark beschleunigt und erzeugen auf dem Ausgangsschirm, nachdem sie ein elektrostatisches Linsensystem (Elektronen-Optik) passiert haben, ein stark verkleinertes, verkehrtes, aber wesentlich helleres Bild. Ursachen für die Bildverstärkung sind die starke Beschleunigung der Elektronen und die optische Verkleinerung des Bildes. Die aus der Photokathode ausgelösten Elektronen erzeugen am Ausgangsschirm durch die hohe Beschleunigungsenergie 50 - 75-mal so viele Photonen, wie für die Auslösung erforderlich waren. Die Bildverkleinerung bringt eine erhöhte Flächendichte der Photonen am Ausgangsschirm mit sich, der dem Flächenverhältnis von Eingangs- zu Ausgangsschirm entspricht. Elektronische Vergrößerung Durch die Eingangsfeld-Formateinstellung am BV-Eingang kann der Bildausschnitt in mehreren Stufen verkleinert werden. Der Bildausschnitt dabei über das volle Format des Ausgangsbildschirms wiedergegeben, dies bezeichnet man als elektronische Lupe. Während der Durchleuchtung wird mittels Irisblende die Einblendung des Nutzstrahlenbündels automatisch dem aktuellen Eingangsfelddurchmesser angepasst. Dabei werden kleine Details vergrößert und deutlicher dargestellt und es entsteht ein vergrößertes und höher auflösendes Bild. Die durch das kleinere Feld bedingte geringere Lichtausbeute wird durch Nachregelung der Dosisleistung oder Tandemoptik. Ausgeglichen. 19 Bildverstärkerbetrachtung Der Bildverstärkerausgang hat üblicherweise einen Durchmesser von 2,5cm. Dies ist für eine Betrachtung mit dem menschlichen Auge sehr klein, daher ist eine Optik notwendig. Durch diese wird das Bild vergrößert und zusätzlich umgedreht. Die komplette BV-Einheit bestehend aus BV und Fernsehkette ist relativ schwer. Deshalb gibt es je nach Anwendung verschieden Aufhängevorrichtungen die das Handling erleichtern. Röntgenfernsehkette Die Röntgenfernsehkette ist heute die Standardmethode zu Betrachtung bei der Durchleuchtung da diese vielen Vorteile mit sich bringt. Der Untersucher muss nicht im Strahlenbereich stehen. mehrere Personen können gleichzeitig zusehen große Helligkeit (Tageslichtbetrachtung) Dosiseinsparung durch hohe Systemempfindlichkeit Möglichkeit der elektronischen Bildverarbeitung Das Prinzip der Fernsehkette beruht drauf, dass der BV-Ausgangsbild mit einer Fernsehkamera aufgenommen, in einer Zentraleinheit verstärkt und auf einem Monitor sichtbar gemacht wird. Die Kopplung zwischen dem BV-Ausgang und der Kamera wird durch eine Faseroptik oder eine Tandemoptik aus optischen Linsen erzielt. Die Grafik zeigt die Koppelung mittels Tandemoptik. Bei der Tandemoptik werden zwei Objektive werden gegengleich aneinandergekoppelt. Es liegen also zwei Objektive gegenüber. Dabei lässt sich eine größere Lichtstärke erzielen. Außerdem besteht die Möglichkeit einer Lichtteilung, da halbdurchlässige Umlenkspiegel zwischen den Objektiven montiert werden können. Damit lassen sich weitere Kameras oder Messgeräte anschließen und es können diverse (Patienten-)Daten ins Bild eingeblendet werden. Nachteilig bei dieser Methode sind die große Bauweise (15cm) und das hohe Gewicht (2,5kg). Bei der Faseroptik dienen viele dünne, parallele Glasfasern als Lichtleiter. Dabei bilden BV- Ausgang, Faseroptik und Fernsehkamera eine feste Einheit. Diese Bauweise ist kompakt und im Vergleich auch leicht. Zusätzlich ist der Lichtverlust sehr gering. Nachteilig ist, dass ein zusätzlicher Anschluss einer Film- oder Einzelbildkamera nicht möglich ist. 20 Entstehung des Fernsehbildes Fernsehaufnahmeröhre Durch die Fernsehaufnahmeröhre wird das sichtbare Licht in ein Videosignal umgewandelt. Die Fernsehaufnahmeröhre ist ein luftleerer Glaszylinder mit einer sogenannten Signalplatte an der Stirnseite. Im ersten Schritt wird durch die Optik das Ausgangsbild des BV auf die Signalplatte übertragen. Hinter der Signalplatte befindet sich eine Photohalbleiterschicht, auf der ein elektronisches Ladungsbild entsteht, das genau dem sichtbaren Bild entspricht. Ist das Licht hell entsteht mehr Ladung, ist es geringer entsteht weniger. Am anderen Ende der Röhre wird durch eine Glühkathode ein feiner Elektronenstrahl erzeugt. Dieser wird durch Magnetfelder umgelenkt und zeilenweise über das Ladungsbild geführt. Durch diese Abtastung entsteht eine Folge von Spannungsschwankungen, deren fortlaufende Intensität genau dem zeilenweise zerlegten Bild entspricht. Dieses Videosignal wird verstärkt und in der Zentraleinheit mit Signalen zur Zeitsynchronisation versehen. Folgende Fernsehröhren sind in der Praxis anzutreffen: Vidikon, Plumbikon, Superorthikon und Isicon Moderne Durchleuichtungsgeräte arbeiten mit CCD-Kameras. Dabei wird die Fernsehaufnahme wird durch kleinen und leichten Halbleiterbauteil, genannt CCD-Chip, realisiert. Ein Charge-Coupled Device-Chip ist ein integrierter Bauteil, der aus einer Matrix aus Halbleiterphotoelementen mit Verstärker und Ausleseelektronik besteht. Diese Art von Chips wird auch in Digitalkameras und Mobiltelefonen verwendet. Diese Kameras sind im Vergleich klein und leicht. Betrieben werden CCD- Kameras mit Niederspannung und wenig Strom, zudem benötigen sie keine Vorwärmzeit. Die Zeilen können beliebig ausgelesen werden und es gibt keine Abschwächung. Betrachtungsmonitor Am Betrachtungsmonitor läuft der selbige Prozess rückwärts ab. Aus dem aufbereiteten elektrischen Videosignal aus der Zentraleinheit wird auf dem Bildschirm zeilenweise ein sichtbares Bild zusammengesetzt. Die Bildröhre besteht ebenfalls aus einer Vakuumröhre mit Anode und Kathode zwischen denen Spannung angelegt ist. In der Bildröhre wird ein von einer Glühkathode ausgesandter Elektronenstrahl von der als Bildfläche ausgeführten Anode angezogen. Die Intensität des Strahles wird entsprechend der Videosignalstärke mit einem Steuergitter geregelt. Der Strahl wird dann von der Anode die als Bildfläche dient angezogen. Horizontale und vertikale Ablenkungsspulen führen den Strahl zeilenförmig über den Schirm, wo jeder Punkt der Fluoreszenzschicht in seiner Helligkeit dem Stromfluss entsprechend aufleuchtet. 21 Kinoeffekt Vom menschlichen Auge werden ca. 50 Einzelbilder pro Sekunde als flimmerfreie Darstellung erkannt. Um auch bei der Durchleuchtung ein flimmerfreies Bild zu erzeugen muss man sich folgender technischer Hilfsmittel bedienen um auf eine hohe Bildfrequenz zu kommen. Zeilensprungverfahren Hier wird zur Erzielung der Flimmerfreiheit nicht das komplette Bild auf einmal übertragen, sondern zuerst nur alle ungeraden Zeilen (1,3, 5,...) und danach alle geraden Zeilen. Da die Zeilen sehr eng aneinander liegen, entsteht der Eindruck eines vollständigen Bildes. Beim ersten Zeilendurchlauf wird durch das Zeilensprungverfahren auch die Intensität des verbleibenden Ladungsbildes abgeschwächt. Dadurch entsteht beim zweiten Abtastvorgang ein Bild von etwas geringerer Helligkeit. Bei der Darstellung auf dem Monitor wirkt sich dieser Effekt durch die Trägheit der Leuchtschicht kaum aus. Progressive Abtastung Hierbei wird das BV-Ausgangsbild ebenfalls in Zeilen zerlegt, die aber jetzt nacheinander, in ihrer richtigen Reihenfolge (1,2,3,4,...), abgetastet werden. In schnellen Halbleiterspeichern werden die Bilder zwischengespeichert, analog dem Zeilensprungverfahren wieder ausgelesen und für die Darstellung auf dem Monitor aufbereitet (konvertiert). Diesen Vorgang kann man mit dem Puffern beim Streamen von Videos vergleichen. Durch die Zwischenspeicherung ist es möglich, jeweils zwei oder drei Vollbilder zu integrieren, die schnell bewegten Bildanteile herauszufiltern und ein Bild von hoher Zeichenschärfe zu erzeugen. Diese Methode unterdrückt weitgehend das Quantenrauschen. Quantenrauschen Die Röntgenstrahlen trifft in winzig kleinen Portionen bzw. Energiebündeln auf den Detektor. Aus diesem Grund ist das Röntgenpunkt nicht homogen, sondern besteht aus vielen kleinen Punkten unterschiedlicher Graustufen. Ähnlich wie bunte Tropfen die auf eine Leinwand tropfen und so ein Bild formen. Je geringer die Strahlendosis, desto weniger Quanten fallen pro Zeiteinheit auf das Bildmedium. Bei sehr geringer Dosis und hoher Verstärkung des Fernsehbildes kann dieser Effekt auf dem Bildschirm sichtbar werden. Die Strukturen erscheinen grobkörnig und flimmern stark. Kontrasthaltung Bei der Durchleuchtung von verschiedenen strahlentransparenten Objekten würde sich die Helligkeit des Bildes ständig ändern. Verschieden Organe haben unterschiedliche Abschwächungswerte der Röntgenstrahlung. Da das sichtbare Licht proportional zur am BV-Eingang auftreffenden Röntgenenergie ist ändert sich auch die Helligkeit des Bildes. Um dies zu vermeiden müssen die Unterschiede laufend angepasst werden. Die kann zum ein durch eine Regelung der Fernsehkette oder durch die Regelung der Röntgenstrahlung geschehen. Bei der Regelung der Fernsehkette wird das Videosignal in einer Regeleinrichtung mit einem voreingestellten Sollwert verglichen und nachgeregelt. Die Empfindlichkeit der Kamera oder die 22 Verstärkungsleistung des Systems kann daran angepasst werden. Dadurch ist das Monitorbild immer gleich hell. Es bringt den Vorteil das dadurch die Strahlendosis nicht erhöht werden muss. Im Gegensatz dazu steigt aber das Quantenrauschen bei dicken Objekten. Bei der Regelung der Röntgenstrahlung werden kV und mAs an das durchstrahlte Objekt angepasst. Dabei wird die hinter dem Patienten austretende Strahlendosis konstant gehalten. Die Verstärkerleistung der Fernsehkette bleibt gleich. Die Dosismessung kann mit einer Messkammer zwischen dem BV und dem Patienten erfolgen. Außerdem ist es bei einer Tandemoptik eine Lichtmessung über Spiegel zwischen den Objektiven möglich (siehe Grafik Tandemoptik). Bei einer Faseroptik kann die Regel auch durch die Messung des Videosignals erfolgen. 23 Durchleuchtungsgeräte Durchleuchtungsgeräte mit BV-Fernsehkette gibt es in unterschiedlichen Ausführungsformen:  Untertischgeräte  Obertischgeräte  C-Bogengeräte C-Bogen Der C-Bogen besteht aus einem C-förmigen Arm an dessen einem Ende eine Röntgenröhre und am Ende 1. Elektronikeinheit eine BV-Fernsehkette angebracht. Der Abstand 2. Bedien- und Anzeigenfeld dazwischen ist nicht veränderbar. C-Bögen können 3. Hubsäule mobile Geräte oder Fix verbaut sein. Mobile C-Bögen 4. Horizontaltragarm findet man in vielen OPs. Dort werden sie für 5. C-Bogen Aufnahmen und Durchleuchten während Eingriffen 6. Handgriffe benötigt. Sie sind leicht fahrbar bar und bieten viele 7. Bildversrärker mit integrierter Fernsehkamera mögliche Einstellungen ohne den Patienten umlagern zu 8. Eintank mit Röntgenröhre und Tiefenblende müssen. Der Arm kann gedreht und geschwenkt werden um die Anatomie ideal abbilden zu können. Der C-Arm ist an einer Säule montiert die man motorisch nach oben und unten bewegen kann. Die Elektronikeinheit befindet sich in einem Gehäuse mit Rädern, darauf befindet sich auch das Bedienfeld. 1. Anwahl der Betriebsart 2. Powermode, Parametereinstellung, Bildumkehr 3. Blenden 4. Strahlungsanzeige, Netzschalter, Temperatur 5. Bildnachbearbeitung 6. Bildauswahl und Speicherung 7. Höhenverstellung des C-Bogens 8. Bilddrehung 9. Strahlungszeit 10. Durchleuchtungsparameter, An den mobilen C-Bogen ist oft eine mobile Workstation Laserlichtvisie angeschlossen. Auf ihr kann man die Durchleuchtungsaufnahmen sehen, kann die Bilder Bearbeiten, ausdrucken und via Netzwerkanbindung direkt ins PACS spielen. Starr verbaute C-Bögen sind an Stativen am Boden oder an der Decke angebracht. Dabei werden sie von Aufhängevorrichtungen gehalten, die händisches oder motorisches Drehen und Schwenken des C- Bogens für nahezu jede Projektionsrichtung ermöglicht. Diese Form des C-Bogen ist typisch für die Angiographie. 24 Untertischgeräte Dem Namen Entsprechend befindet sich die Röntgenröhre bei diesen Geräten unter dem Tisch. Das Zielgerät, also die BV-Einheit und ein etwaiger Kassettenhalter sind mit der Röhre gekoppelt. Dadurch können sie gemeinsam über den Untersuchungstisch bewegt werden. Der Untersucher steht bei diesen Anlagen direkt neben dem Zielgerät. Rund um die BV-Einheit sind Bleigummistreifen angebracht um den Untersucher vor Streustrahlung zu schützen. Bei dieser Art der Durchleuchtung herrscht enger Kontakt mit dem Patienten da sich der Untersucher im Raum befindet. Das kann bei ängstlichen oder älteren Patienten von Vorteil sein. Außerdem kann das Gerät per Hand schnell gesteuert werden. Der große Nachteil dieser Technik liegt im Strahlenschutz, da der Untersucher durch die Gerätenähe eine größere Strahlenbelastung erfährt. Bei Untertischgeräten sind außerdem keine Schrägaufnahmen möglich. Obertischgeräte Bei Obertischgeräten ist die Röntgenröhre über einem „schwimmenden Tisch“ angebracht. Der Tisch ist wie bei Röntgenanlagen auf Kugellagern gelagert und kann so fast wiederstandslos in alle Richtungen bewegt werden. Bei dieser Gerätetype sitzt der Untersucher abseits des Gerätes hinter einer Strahlenschutzwand. Das Gerät inklusive Untersuchungstische wird extern von dort aus gesteuert. Was die Bedienung für den Untersucher komfortabler macht. Durch die Entfernung sing auch die Strahlenbelastung des Personals. Bei dieser Bauform sind Schrägaufnahmen und Röntgentomographien möglich. Durch die Bauweise ist auch genug Platz für Eingriffe wie Angiographien. Sonderform 3D-Bildwandler Diese werden zu intraoperativen 3D-Bildgebung verwendet. Vom Erscheinungsbild ähneln sie einem mobilen C-Bogen jedoch ist der Tragarm ist hier ringförmig. BV-Einheit und Röntgenröhre sind gegenüberliegend montiert. Bei einer Aufnahme vollziehen sie ein 360°- Umdrehung. Durch eine angeschlossene Workstation kann man direkt im OP die Bilder sofort abrufen. Dadurch ist ein postoperatives CT oft nicht notwendig. Für die Aufnahmeerstellung werden in einer Rundfahrt, je nach gewählter Bildqualität, 30 2D-Aufnahmen in 50s, bzw. 60 in 100s angefertigt anhand deren ein 3D-Datensatz errechnet wird. 25 Betriebsarten Je nach gewünschter Betriebsart können Durchleuchtungsgeräte in Dauerstrahlung oder Impulsbetrieb betrieben werden. Bei der herkömmlichen Durchleuchtung strahlt die Röntgenröhre mit einer konstanten Dosis. Diese Betriebsart nennt man Dauerstrahlung. Der Bildempfänger auf der entgegengesetzten Seite wandelt die eintreffenden Röntgenquanten in die einzelnen Bilder. Der Vorteil bei der kontinuierlichen Durchleuchtung ist, dass man ruckelfreie Bildabfolgen angezeigt bekommt. Nachteilig hingegen sind der hohe Dosisbedarf und die häufig eher unscharfen bzw. durch die Dynamik im Bild verschwommen wirkenden Bildsequenzen. Beim Impulsbetrieb strahlt die Röhre nicht kontinuierlich sondern erzeugt kurze Röntgenblitze, die genau der gewählten Bildfrequenz entsprechen. Diese Pulse werden mithilfe von elektrischen Schaltröhren und einer Gittersteuerung an der Röhre montiert. (für Gittersteuerung siehe Wehneltzylinder in Part I) Die Energiezufuhr muss über einen HF-Generator erfolgen. Die sehr kurzen Blitzzeiten im Millisekunden-Bereich erzeugen scharfe, ruckelfreie Aufnahmen. Durch strahlungsfreien Intervall zwischen den Pulsen wird eine Dosisreduktion erreicht ohne die Betrachtung zu beeinträchtigen. Bei sehr kurzen Beobachtungen kann es im Impulsbetrieb passieren, dass man sie verpasst oder falsch darstellt. Bilddokumentation Die Dokumentation bzw. Speicherung von Bildern ist für eine spätere Befundung unerlässlich und je nach Land und Zeitraum eine gesetzliche Pflicht! Zusätzlich ist eine Speicherung im Sinne des Strahlenschutzes wichtig um Vorgänge ohne weitere Strahlung wiederholt betrachten zu können. Dazu haben sich im Laufe der Zeit viele Techniken etabliert:  Direktaufnahme  BV-Fotographie  Röntgenkinematographie  Magnetaufzeichnung  Digitale Speicherung Die digitale Speicherung ist heute Stand der Technik. Im ersten Schritt werden die Bilder digitalisiert und können so auch bearbeitet werden. Danach ist eine dauerhafte in platzsparende Archivierung auf Massenspeichermedien wie Festplatten möglich. 26 Angiographieanlagen Als Angiographie bezeichnet man die Darstellung von Gefäßen, meistens Arterien, mit Hilfe von Kontrastmittel unter Durchleuchtung. Dabei wird zwischen diagnostischen und therapetschien Angios unterschieden. Bei diagnostischen Angiographien geht es in erster Linie um die Darstellung von Pathologien wie Stenosen und Aneurysmen. Therapeutische Angiographien beinhalten Interventionen unter Bildgebung, wie das Setzen von Stents oder die Dilation der Gefäße mit Ballonkathetern. Prinzipiell benötigt man für die Durchführung einer Angiographie eine Durchleuchtungseinrichtung, einen schrittweise längsverschiebbaren Patiententisch und ein digitales Aufnahmengerät welches Digitale-Subtraktions- Angiographien (DSA) ermöglicht. Das in der Angiographie am häufigsten verwendete Gerät ist der C-Bogen. Für Schädel- und Koronarangiographien werden biplanare Anlagen, also 2 kombinierte C-Bögen, benötigt damit die Schädel- und Herzkranzgefäße ohne Umlagerungen aus allen Ebenen beurteilt werden können. Durch die zweiten Röhre und Aufnahmeeinheit, kann dies simultan in einem Arbeitsgang erledigt werden. Beide C-Bögen sind bis zu einem gewissen Grad unabhängig voneinander steuerbar. (siehe Skizze) Für die gleichzeitige Darstellung von Aufnahmen aus unterschiedlichen Betrachtung swinkeln und Ebenen sind in diesen Anlagen mehrere Monitore verbaut. Der Tisch kann auch an einem Deckenstativ befestigt sein um größten Möglichen Freiraum für den C-Bogen zu schaffen. DSA – Digitale Subtraktions Angiographie Die DSA ist das wichtigste Tool zur Darstellung von Gefäßen. Dabei handelt es sich um eine elektronische Subtraktion des Röntgenbildes ohne KM von dem Röntgenbild mit KM, übrig bleiben die KM-gefüllten Areale wie Gefäße und Parenchym. Im ersten Schritt wird eine Maske erstellt. Diese entspricht einer nativen Aufnahme des Untersuchungsbereichs (ohne KM). Im zweiten Schritt erfolgen die Applikation des Kontrastmittels und eine Aufnahme des gleichen, jedoch diesmal angereicherten Bereichs. Beide Bilder werden digital fusioniert und subtrahiert. Übrig bleibt dann eine Darstellung des mit KM angereicherten Areals. 27 Weiter Durchleuchtungsanlagen Wie auch bei Röntgenanlagen gibt es auch bei den Durchleuchtungsgeräten spezielle Bauformen für spezielle Untersuchungen. Lungen-Reihenuntersuchungen Diese Durchleuchtungsgeräte werden dort angewendet wo in besonders kurzer Zeit viele Patienten eine Lungenuntersuchung erhalten sollen, z.B. bei der Stellungskommission. Für diesen Zweck dieses Reihenuntersuchungsgerät eine besonders großen BV von 57cm Durchmesser. Diese Geräte erzielen eine 95%ige Dosisersparung gegenüber der heute nicht mehr durchgeführten Leuchtschirmuntersuchung. Außerdem sind die Filmkosten günstiger als bei einem Thoramat. (Thoramaten sind Röntgenanlagen mit Filmmagazin für Reihenuntersuchungen. Nach jeder Aufnahme wird der belichtete Film automatisch ausgegeben und ein neuer eingelegt.) Durch BV-Fotografie lassen sich die Bilder speichern. Geräte für die Urologie Dabei handelt es sich oft um ganze Arbeitsplätze die speziell für instrumentelle, urologische Untersuchungen adaptiert sind. Der Untersuchungstisch, Ultraschall, C-Bogen und eventuell Lithotripsieeinheit sind speziell aufeinander abgestimmt und verbunden. Die Geräte sollen ein angenehmes Arbeiten im Sitzen und im Stehen ermöglichen. Sie müssen leicht zu reinigen sein und resistent gegen das Eindringen von Flüssigkeiten. Beinstützen müssen, für die Lagerung des Patienten in Steinschnittlage, montiert werden können. Bei urologischen Untersuchungen werden Spüleinrichtungen benötigt. Aus radiologischer Sicht sollten für die Aufnahme Tisch kippbar und der C-Bogen in alle Richtungen positionierbar sein. Für diverse Aufnahmen sollen die Geräte eine BV- Kette sowie eine Rasterlade oder Vorrichtung zur BV-Fotografie haben. 28 Lithotripsie Unter Lithotripsie versteht man die Zertrümmerung von Nieren- oder Gallensteinen mithilfe von Stoßwellen. Neben den medizinischen Vorteilen wie Wegfall von Operationen, drastische Reduzierung sonstiger invasiver Eingriffe und Risikominimierung sind die wirtschaftlichen Aspekte bestechend. Lithotripsiegeräte können eigenständige Geräte sein, werden jedoch oft mit interventionellen urologischen Arbeitsplätzen kombiniert (Dunkelblauer Zylinder, siehe Grafik: Explore the platform) Der Patient liegt auf einem beweglichen Tisch und wird an den Koppelbalg, oder dieser an den Patienten herangefahren. Der Koppelbalg besteht aus einer wassergefüllten Silikonhülle, darunter liegt der Stoßwellengenerator. Im Generator wird, wie in einem Lautsprecher, ein elektrisches Signal durch eine Spule geschickt was die Membran in Schwingung versetzt. Die Stoßwellen werden in Form energiereicher kurzgepulster Schallwellen erzeugt. Die Lithotripsieeinheit wird leicht an den Körper des Patienten gepresst, um einen guten Kontakt zum Körper herzustellen. Zusätzlich wird ein wasserhaltiges Gel zwischen die Oberfläche des Koppelbalges und der Haut gebracht, um einen problemlosen Übertritt der Stoßwelle zu gewährleisten. Die Schallwelle läuft im Körper konzentrisch zu einem Focus zusammen. Daher ist die Eintrittsfläche an der Haut relativ groß und die Haut wird nicht stark traumatisiert. Das zu zertrümmernde Konkrement muss möglichst genau im Focus der Stoßwelle positioniert werden. 29 Digitale Systeme Heute sind digitale Systeme in der Röntgendiagnostik unerlässlich. Sie werden zur Bildverarbeitung und Speicherung benötigt. Zusätzlich ermöglichen sie eine bessere Bildqualität bei gleichzeitiger Dosisreduktion. Dazu müssen analoge Daten in digitale Daten umgewandelt werden. Dazu benötigt man Digital-Analog-Umsetzer, so genannte DAUs. Signale Als Signal definiert man im Allgemeinen ein Zeichen mit einer bestimmten Bedeutung. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass durch Signale Information transportiert wird. Dazu benötigt es drei Komponenten. Einen Sender der das Signal abgibt, einen Empfänger der es aufnimmt und eine Regel die besagt was das Signal bedeutet. Die einfachste Form findet man im Straßenverkehr. Sender ist hier die Ampel, Empfänger der Verkehrsteilnehmer und die Regel lautet bei Grün gehen, bei Rot stehen. Unter einem Signal versteht man in der Nachrichtentechnik die Zuordnung einer messbaren physikalischen Größe (z.B. elektrische Spannung) zu einer Information. Signale ändern ihren Betrag als Funktion der Zeit in einer informationstragenden Einheit - Amplitude (A) abhängig von Zeit (t). Das bedeutet, dass sich entlang einer Zeitachse die Amplitude zu jedem Zeitpunkt ändern kann. Die Darstellung von Signalen erfolgt standardmäßig ohne Maßeinheit. Die Eigenschaften der Signalquelle müssen jedoch bekannt sein um aus dem Signal eine Information zu gewinnen. Arten von Signalen Signale können in Wert und Zeit entweder kontinuierlich (=nicht abzählbar) oder diskret (=abzählbar) sein. Wert-kontinuierlich vs. Wert-diskret In einem definierten Bereich kann entweder jeder möglichen Wert auftreten (wertkontinuierlich) oder es sind z.B. nur zwei Werte möglich z.B. zwei (0 und 1) bei einem Binärsignal (wertdiskret). Zeit-kontinuierlich vs. Zeit-diskret Ein Signal ist Zeit-kontinuierlich, wenn die Kenntnis seines Wertes zu jeder Zeit erforderlich ist. Bei Zeit-diskreten Signalen ist die Kenntnis des Wertes nur zu einem Bestimmten Zeitpunkt notwendig. Zusätzlich gibt es noch Mischformen. Analogsignale Bei dieser Art der Signale ist sowohl die Amplitude als auch das Zeitinterval kontinuierlich. Es bildet die Zeit- und Werte- kontinuierliche Vorgang (Änderung einer physikalischen Größe) kontinuierlich ab. Einfach gesagt bedeutet dies, dass das Signal jeden möglichen Amplitudenwert zu jedem möglichen Zeitpunkt haben kann. 30 Wertdiskrete und zeitkontinuierliche Signale Ein Wertdiskreter Verlauf wird durch die Quantisierung der Amplituden erreicht. Amplitudenquantisierung: Dabei werden wird der Wertebereich des Signals in eine endlich Anzahl an abzählbaren Intervallen unterteilt. Alle Amplitudenwerte die in ein Intervall fallen werden zu einem einheitlichen Wert zusammengefasst. Dies bedeutet, dass die Amplitude nicht mehr jeden Wert aufweisen kann sondern nur mehr die, die den Vorgegeben Abstufungen entsprechen. (siehe Grafik) Dabei kommt es zu einer Reduktion des Informationsgehalts für den Empfänger. Dies kann positive und negative Effekte haben. Zum einen sinkt die Genauigkeit, jedoch kann z.B. Rechenleistung eingespart werden. Wertkontinuierliche und zeitdiskrete Signale Ein diskreter Zeitverlauf eines Signals entsteht durch die getaktete (diskrete) Abtastung eines zeitkontinuierlichen Signals. Die Abtastung erfolgt also immer zu definierten Zeitpunkten. Dies ist ein elementarer Bestandteil zur Umsetzung von Analog- in Digitalsignalen. Wertdiskrete und zeitdiskrete Signale Dieses Signal entsteht durch die zeitdiskrete Abtastung mit gleichzeitiger Amplitudenquantisierung eines Analogsignals. Das Wertdiskrete und zeitdiskrete Signale ist das klassische Digitalsignal. In dieser Form kommt das Signal aus dem Ausgang eines Digital- Analog-Umsetzers. Am Diagramm kann sowohl die zeitliche Taktung der Abtastung und die Quantifizierungsschritte der Amplitude erkennen. Verarbeitung von Digitalen Signalen Wert- und zeitdiskrete Signale müssen für die digitale Rechenanlagen verständlich gemacht werden. Dazu eignet sich das Umsetzen in binäre Datenworte. Die Speicherung erfolgt über kleine Speicherelemente die, die Zustände 0 und 1 annehmen können. Dies wird als 1Bit bezeichnet. Mehrere Speicherelemente werden zu binären Datenspeichern zusammengefasst, die entsprechen ihrer Wortlänge z.B. 8 Bit (Byte) längere Befehle, Werte oder andere Daten kodieren können. Mit diesen8 Bit Speichertiefe können 256 Werte dargestellt werden, z.B. als Graustufen eines Bildes. 210 also 1024 Bytes werden als 1 kByte bezeichnet, da dies durch die binäre Zählweise 210 (=1024) praktikabler ist. 31 Das zu messende analoge Signal soll sinngemäß den zeitlichen ändernden Wert der zu messenden Einheit dargestellen. In unserem Fall ist dies die Intensität der Strahlen. Dazu verwendet man Sensoren bzw. Detektoren (z.B. CCD-Chip). Die zu messenden Signale werden für die weitere Verarbeitung in analoge Spannungsverläufe umgewandelt aus der elektronische Komponenten verarbeitbare Binärworte konstruieren. Die elektronischen Komponenten werden Analog-Digital- Umsetzer genannt. Im Prinzip besteht der DAU aus einem Spannungseingang an dem ein Sensor angeschlossen ist. Dieser liefert das analoge Spannungssignal. Nach dem Eingang befindet sich ein Schalter welcher sich entsprechen der Abtastfrequenz öffnet und schließt. Abtaster und Taktgeber ermitteln zeitdiskret die Spannungswerte. Ein Kondensator dient als Halteglied zur Zwischenspeicherung. Das zeitdiskrete Signal wird im nächsten Schritt Amplitudenquantisiert und in Binärform umgesetzt werden. Am Ausgang erfolgt die Ausgabe eines digitalen Signals. Die zeitliche Abtastung muss gemäß einigen Kriterien erfolgen um das Signal fehlerfrei darzustellen. Die berühmteste Abtastregel ist das Theorem nach Shannon und Nyqquist. Es besagt, dass für eine richtige Abtastung die Abtastfrequenz mind. doppelt so hoch sein muss wie die Anologfrequenz bzw. das Abtastintervall 1/(2 x Analogfrequenz).  f entspricht der Frequenz das Analogsignals max  Ƭ entspricht den benötigten Zeitintervallen zwischen den Abtastungen Ein weiteres Problem bei der Abtastung ist das Quantisierungsrauschen. Dies entsteht durch technische Probleme bei der Amplitudenquantisierung. In der Praxis können Amplitudenwerte nicht mit unendlicher Genauigkeit abgebildet werden. Die Genauigkeit ist über die maximal zulässige Datenwortlänge geregelt. Herrscht eine große Differenz zwischen abgetastetem und quantisiertem Wert dann kann sich diese Abweichung als überlagertes Störsignal bemerkbar machen. Die Abtastdauer hat ebenfalls Einfluss auf die richtige Darstellung der Signale. Im Idealfall ist die Abtastungsdauer unendlich kurz, ein so genannter Nadelimpuls. Technisch ist eine unendlich kurze Dauer jedoch nicht erreichbar, da jedes System eine sehr kleine aber trotzdem vorhandene Trägheit besitzt. Ist das Signal schnell und die Abtastdauer lang, kann es bei der Amplitude während der Abtastung zu großen Veränderung kommen und das Signal wird falsch dargestellt. 32 Analog-Digital-Umsetzer ADUs werden eingesetzt um aus umweltbedingten physischen) Phänomenen, also Analogsignale (zumeist elektrische Spannung), in digitale Signale umwandeln bzw. kodieren. Diese Umwandlung beinhaltet eine Reihe von Verarbeitungsschritten: 1. Der Sensor wandelt das physikalische Phänomen in ein analoges Spannungssignal um. 2. Danach wird das Signal gefiltert, z.B. Hochpass oder Tiefpass 3. Anschließen erfolgt die zeitlich Abtastung und die Amplitudenquantisierung im ADU 4. Im Mikrocontroller werden die digitalen Signale weiterverarbeitet. Arten von ADUS Grundsätzlich werden ADUs in direkte und indirekte Messverfahren unterteil. Zu den direkten Verfahren zählen das  Parallelverfahren,  Wägeverfahren,  Zählverfahren. Zu den indirekten Verfahren zählen der  Spannungs-Frequenz-Wandler,  Single-Slope-Verfahren und das  Dual-Slope-Verfahren. Direkte Verfahren Parallelverfahren – Flash-Wandler Der Flashwandler besitzt für jede darzustellende Spannungsstufe einen separaten Komparator. Ein Komparator ist ein Bauteil das zwei verschieden Spannungen vergleichen kann. An einer Seite der Komparatoren liegt eine Referenzspannung zur Kontrolle an, am anderen Eingang das analoge Eingangssignal. Jeder diese Komparatoren vergleicht für sich selbst die Eingangsspannung mit seinem zugewiesenen Spannungswert und schaltet am Ausgang auf "1", wenn die Eingangsspannung grösser ist. Nach den Komparatoren liefert ein Decoder, das korrekte Ausgangssignal. Ein 8-Bit Flash Converter benötigt nach diesem Prinzip 255 Komparatoren. Das macht sie sehr groß, aufwendig und teuer, jedoch aber auch sehr schnell. Die Hauptanwendung solcher ADU ist die Videotechnik. 33 Zählverfahren (Single-Slope) Bildlich kann man sich dieses direkt e Verfahren wie eine Waage vorstellen. Als Waage dient dabei ein Komparator. Die linke Seite entspricht der Referenzspannung, die rechte der zu messenden Spannung. In der Praxis erzeugt man die "Gewichte" der linken Seite mit einem Sägezahngenerator. Ein Sägezahn-Generator ist ein elektronischer Signalgenerator. Er liefert eine linear ansteigende Spannung, die periodisch wieder auf den Anfangswert zurückspringt (Sägezahnschwingung). Beim Zählverfahren werden solange gleiche Gewichte auf die linke Seite der Waage gelegt, bis die Waage kippt. Dann zählt man, wie viele Gewichte sich auf der linken Seite befinden. Das Zählverfahren ist sehr langsam, dafür ist auch die Schaltung relativ einfach. Der Hauptvorteil dieser Schaltung ist jedoch, dass sie gut Abgeglichen werden kann. Dadurch erreicht man sehr hohe Auflösungen von über 20 Bit. Wägevefahren Im Gegensatz zum Zählverfahren steigen hier die Gewichte der Referenzspannung in Zweierpotenzen also 1, 2, 4, 8, 16, 32V…. Die linke Seite entspricht wieder der Referenzspannung, die rechte der zu messenden Spannung. Als "Waage" dient wiederum ein Komparator, der schaltet, sobald die Referenzspannung grösser ist als die zu messende Spannung. Man legt das schwerste Gewicht also die höchste Referenzspannungsstufe nach links. Wenn die Waage kippt, dann nimmt man es wieder weg. Wenn Sie nicht kippt, dann belässt man es. Danach legt man die nächst kleinerer Referenzspannung in die Waagschale. Danach untersucht man wieder ob die Wage kippt usw. Je nach Auflösung Tastet man sich so an den richtigen Wert heran. Dieses Verfahren entspricht einer binären Suche. Jedes Mal wird der Bereich, in dem sich das Gewicht befinden könnte, halbiert. Diese Wandler sind sehr verbreitet und weniger aufwendig als Flashwandler. 34 Indirekte Verfahren Spannungs-Frequenz-Wandler Bei diesem Verfahren erzeugt spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) eine Frequenz, die zur Eingangsspannung proportional ist. Der Mikrokontroller misst dann die Frequenz. Spannungs-Frequenz-Wandler - Single-Slope-Verfahren Das Single-Slope-Verfahren ist eine Art Zählverfahren. Der Vorteil gegenüber dem konventionellen Zählverfahren ist, dass man keinen DA-Wandler benötigt. Das Prinzip beruht darauf, dass man nicht die Eingangsspannung misst, sondern eine dazu proportionale Zeit. Es ist also ebenfalls ein indirektes Verfahren. Der Ausgang des EXOR's ist so lange HIGH, wie sich die Sägezahnspannung (Bild) zwischen den Schranken 0V und Ue befindet. Ein Exklusiv-Oder-Gatter, auch EXOR-Gatter ist ein Gatter mit zwei Eingängen und einem Ausgang, bei dem der Ausgang logisch „1“ ist, wenn an nur einem Eingang „1“ anliegt und an dem anderen „0“. Diese Zeit wird dann gemessen und über die Flankensteilheit des Sägezahngenerator die Eingangsspannung ermittelt. Die Zeit beträgt: Die Zeit wird mit einem Zähler gemessen. Der Zählstand Z beträgt dann: τ/Uref = "Flankensteilheit" des Sägezahngenerators , f Taktfrequenz des Zählers Wie man an der Formel sieht, geht die Zeitkonstante τ voll in die Messgenauigkeit ein. Da τ meistens durch ein RC-Glied bestimmt wird, ist τ temperatur- und alterungsabhängig. Genauigkeiten unter 0.1% sind daher mit diesem Verfahren kaum möglich. Spannungs-Frequenz-Wandler - Dual-Slope-Verfahren Bei diesem indirekten Verfahren wird die Eingangsspannung über die Zeit ermittelt die ein Kondensator für eine komplette entladung benötigt. 35 Dazu passieren in der Schaltung folgende Schritte: 1. Im Ruhezustand ist S3 geschlossen. Der Kondensator ist sicher entladen. 2. In der ersten Phase wird der Kondensator während einer festen Zeit mit der Eingangsspannung geladen. Die Zeit entspricht meistens dem maximalen Zählerwert Zmax. S1 ist geschlossen, S2 und S3 sind offen. 3. In der zweiten Phase wird der Kondensator mit der entgegengesetzt gepolten Referenzspannung wieder entladen. (S1 und S3 offen, S2 geschlossen). Dabei wird mit einem Zähler die Zeit gemessen, bis der Kondensator wieder vollständig entladen ist. 4. Diese Zeit (Z) ist proportional zur Eingangsspannung. Wie man sieht, fallen die Zeitkonstante τ und die Taktfrequenz f heraus. Man muss lediglich fordern, dass τ und f während der Wandlungszeit konstant sind. Dies ist leicht möglich, daher erreicht man Genauigkeiten bis 0.01%. Außerdem ist dieses Verfahren robust gegenüber Störungen wie Rauschen. Es wird daher häufig in Digitalvoltmetern eingesetzt. Als Zähler kann man auch einen BCD -Zähler nehmen, dann muss man den Messwert nicht noch dual/dezimal wandeln. Der Zählerstand berechnet sich wie folgt: Kennzahlen von ADUs Um analoge in digitale Signale richtig umwandeln zu können müssen ADUs mit den dementsprechend passenden Charakteristiken ausgewählt werden. Folgende Eigenschaften müssen berücksichtigt werden:  Auflösung  Linearität  Monotonie der Umsetzung  Skalierungsfehler  Offsetfehler  Informationslücken  Umsetzzeit und Durchsatzrate Ein nicht beachten der Charakteristiken führt zu Fehlern bei der Abtastung. Auflösung Die Auflösung gibt an wie fein unterteilt die analoge Größe am Eingang digital dargestellt werden kann. Hierbei spielt die Speichertiefe bzw. maximale Wortbreite eine entscheidende Rolle. Bei einem 8Bit ADU wär die Unterteilung 1/28 also 1/256. Ein quantisierungsschritt der Amplitude würde ca. 0,4% des Quantisierungsbereiches erfassen z.B. 256 verschiedene Grauwerte eines Bildes. Linearität Durch die Übertragungskennlinie kann den analogen Eingangswerten eines ADU ein digitaler Zahlenwert zugeordnet werden. Entsprechend der Arbeitsweise eines ADU ist diese Kennlinie stufenförmig. Die Stufeneckpunkte gruppieren sich gleichabständig um eine mittlere Kennlinie, eine Gerade mit einer Steigung von 45°. Unter Linearität, bzw. Nicht-Linearität versteht man die maximale 36 Abweichung der Übertragungsfunktion von der linearen Idealkurve. Die Linearität wird in LSB angegeben und darf bei geforderter Monotonie der Übertragungsfunktion den Wert von ±1/2 LSB nicht überschreiten. Monotonie Bei einer monotonen Übertragungsfunktion wechselt die erste Ableitung nie das Vorzeichen. Eine monotone Kurve ist also stetig steigend oder fallend. Wachsende Werte am Eingang bewirken wachsende Werte am Ausgang umgekehrt bewirken Sinkende Werte am Eingang, sinkende Werte am Ausgang. Dies bezeichnet man als Monotonie. Skalierungsfehler Die größte mögliche Eingangsspannung soll größtes mögliches Codewort am Ausgang ausgeben. Ein Skalierungsfehler bewirkt eine von 45° abweichende Steigung der realen Übertragungsfunktion. Seine Grenze wird als Differenz zwischen dem realen und dem idealen analogen Eingangswert ermittelt, der jeweils den letzten Wechsel des verursacht. Ein Skalierungsfehler wird durch falsch eingestellte Referenzspannung oder falsch justierten Verstärker verursacht. Offset-Fehler Der Offset-Fehler gibt die Abweichung der Übertragungsfunktion bei null Volt Eingangsspannung an. Ein Offset-Fehler wird normalerweise durch den Offset-Fehler eines Eingangsverstärkers oder eines Komparators verursacht. Er kann meist durch eine einfache Schaltungsmaßnahme auf null abgeglichen werden. Umsetzzeit Die Verarbeitung von analogen Signalen zu digitalen Signalen im ADU erfordert eine gewisse Zeit. Der ADU und andere Komponenten müssen also so gewählt werden, dass sie für das zu messende Signal passend sind. Verwendet man zu langsame Abtaster kann es z.B. zu einer Unterabtastung (Aliasing) kommen. 37 Umwandlung von Strahlung in elektrische Signale Zur digitalen Bildaufnahme muss die Intensität der Röntgenstrahlung als zeitlich veränderbarer Spannungsverlauf vorliegen. Um dies zu realisieren kann die Umwandlung der Intensität direkt oder indirekt erfolgen. Bei indirekten Methoden wird die Röntgenintensität zuerst vom Röntgenbildverstärker in Licht umgewandelt und im zweiten Schritt in ein elektrisches Signal transformiert. Indirekte Methoden: Direkte Methoden:  Fernsehaufnahmeröhre  Festkörper-Detektor  CCD-Chip  Speicherfolie Indirekte Methoden Funktionsweise der Fernsehaufnahmeröhre Das vom Röntgenverstärker einfallende Licht trifft auf das Target der Röhre. Dort entstehen Ladungen die proportional zur Intensität des einfallenden Lichtes sind. Ein fokussierter Elektronenstrahl tastet die Oberfläche linear von oben nach unten ab und entlädt die Ladungen auf Kathodenpotenzial. Dadurch entsteht der Signalstrom aus dem sich aus dem optischen ein elektronisches Bild herleiten lässt. Die wichtigsten Bauteile sind: Die Elektronengun erzeugt den Elektronenstrahl. Sie ist eine Oxidkathode aus Nickel mit Barium, Strontium, Wolfram oder Calcium dotiert. Das Control Grid übernimmt die Steuerung des Strahls. Außerdem reguliert es, wie der Wehnelt Zylinder, durch das Anlegen einer negativen Spannung den max. Signalstrom. Das Acceleration Grid beschleunigt durch eine angelegt Spannung von 350V den Strahl. Es enthält zudem eine Blende die den Strahl auf 15-45µm begrenzt. Der Anodenzylinder fokusiert und hält den Strahl bis zum Target zusammen. Dies geschieht ebenfalls über eine angelegte Spannung von 650V. Das Field Grid aus einem feinmaschigen Netz mit 1-2mm Öffnungen. An ihm liegt eine Spannung von 1000V an. Es dient dazu den Strahl zur Vermeidung von Sekundärelektronen abzubremsen. 38 Das Target besteht aus eine Glasplatte mit elektrisch leitender Schicht. Darunter befindet sich lichtempfindliche Halbleiterplatte. Die Funktionsweise des Targets entspricht einem Kondensator der via Elektronenstrahl auf die Target- Spannung geladen und über einen veränderbaren Wiederstand entladen wird. Trifft der Elektronenstrahl das Target wird Ct auf die Target- Spannung aufgeladen. Zieht der Elektronenstrahl weiter entlädt sich der Kondensator Ct über den Wiederstand Rp. Der Widerstandswert von Rp ist umso kleiner, je heller das auftreffende Licht ist, also erfolgt die Entladung des Kondensators schneller, je heller ein Bildelement ist. Der Vorgang passiert in jedem Pixel. Die Targetschicht besteht aus Besteht aus Selen, Arsen oder Tellur.Es sind je nach Röhre bis zu 2498 Bildzeilen möglich. Gänge Fernsehröhren sind die SATICON I und SATICON III. Die SATICON I bietet ein sehr gut Auflösung jedoch bei relativ hoher Trägheit. Diese Trägheit wird zusätzlich durch die Helligkeit beeinflusst. Zur Abbildung von schnellen Abläufen muss ein Vorlicht angebracht werden. Die SATICON I eigent sich als Röhre bei Fluoroskopie. Die SATICON III biete eine schlechtere Auflösung, jedoch eine minimale Trägheit. Sie ist weniger Lichtempfindlich. Die SATICON III eignet sich für Angiographieanlagen. 39 CCD-Chip CCD-Chips oder Charged-Coupled-Device- Chips zählen ebenfalls zu den indirekten Methoden. Sie bestehen aus Silizium welches die besondere Eigenschaft hat unter Einfall von Licht bewegliche Ladungsträger zu generieren. Es fließt also ein Strom der direkt proportional zur einfallenden Lichtstärke ist. CCD-Chips bilden die Basis der heute genutzten digitalen Fotografie. Bei der Durchleuchtung sind die CCD- Chips direkt am BV-Ausgang angebracht und nutzen das an der Ausgangsoptik eines Röntgenbildverstärkers austretende sichtbare Licht um ein elektrisches Signal zu generieren. Größere Chips besitzen durch ihre größere Fläche die Fähigkeit mehr Licht aufzufangen. Die Bildqualität, speziell das Rauschen aber auch Auflösung und ist abhängig von der Sensorgröße. Bei Röntgenkameras wird dies durch die Koppelung mehrerer kleiner CCD-Chips erreicht. Standard in der modernen Durchleuchtung sind Matrixgrößen von 1024x1024. Vollformat-Sensoren bieten sogar eine 4096x4096 Matrix. 40 Das Funktionsprinzip von Silizium- Photozellen ähnelt dem von Solarzellen. Die Photozelle besteht aus einer Schicht p-dotiertem Silizium mit einer dünneren (~2µm) n-dotiertem Schicht. CCD-Chips bestehen aus Vielzahl solcher Photozellen.  n-leitend: Dotierelement z.B. P besitzt ein e - mehr als Si und kann sich frei bewegen. Benötigt wenig Energie vom Valenzband ins Leitungsband.  p-leitend: Dotierelement z.B. B besitzt eine e - weniger und können ein Elektron des Si aufnehmen was zu Löchern im Valenzband führt.  Entstehung von freien Elektronen und „Löchern“ Auf einem dotierten Halbleiter liegt eine isolierende Schicht, auf der optisch transparente Elektroden angebracht werden. Das einfallende Licht überträgt durch den inneren photoelektrischen Effekt seine Energie auf die Elektronen des Halbleiters. Dabei entstehen gleichzeitig negativ geladene freie e- und positiv geladene „Löcher“, die sich aufgrund einer angelegten Spannung voneinander trennen. Legt man an eine Elektrode eine Spannung an (positiv bei p- dotiertem Halbleiter, negativ bei n-Dotierung), so bildet sich unterhalb der Isolierschicht an der Oberfläche des Halbleiters ein Gebiet, das als Potentialtopf bezeichnet wird. Die dabei erzeugten zusätzlichen Minoritätsladungsträger, das sind entweder Elektronen oder „Löcher“, sammeln sich im Potentialtopf, während die gleichzeitig erzeugten Majoritätsladungsträger ins Innere des Halbleiters wegfließen. Nach der Belichtung werden die Ladungen (engl. charge) ähnlich einer Eimerkette (daher die Bezeichnung Eimerkettenschaltung) schrittweise verschoben, bis sie schließlich als Ladungspakete, eines nach dem anderen, den Ausleseverstärker erreichen. Es wird eine von der Ladung und somit der Lichtmenge abhängige elektrische Spannung ausgegeben. # 41 CCD-Chip Auslesemechanismen Während die Ladungen im CCD-Chip verschoben werden soll es zu keiner weiteren Belichtung kommen, da diese zusätzlichen Ladungen würden das Bild verfälschen. Dazu gibt es verschiedene Konzepte der Auslesemechanismen, die dies verhindern sollen. Dazu gibt es abgedunkelte Bereiche (Register) in die, die Ladung überführt und weiter verarbeitet werden. Die häufigsten Anordnungen sind FT, IT und FIT. Frame Transfer CCD (FT) Beim FT Verfahren werden die Ladungen nach der Belichtung sehr schnell in einen abgedunkelten Bereich des CCD-Chips verschoben. Das gespeicherte Bild wird während der nächsten Belichtungszeit nach und nach ausgelesen. Die Verschiebezeit muss kürzer als die Belichtungszeit sein, da sonst der Smear-Effekt eintritt. FT-CCDs benötigen für sehr kurze Belichtungszeiten einen mechanischen Verschluss (z.B. rotierender Verschluss). Durch den abgedunkelten Bereich braucht ein FT-CCD doppelt so viele Potentialtöpfe wie Pixel und muss auch doppelt so groß wie die Bildgröße sein. Interline - Transfer CCD (IT) Beim IT-Konzept werden die Ladungen jedes Pixels wird zeitgleich seitlich in eine abgedunkelte Zwischenspeicherzelle übernommen. Dann werden die Ladungen in den abgedunkelten Streifen (Transferregister) und von dort in Richtung Ausleseverstärker verschoben. Dies funktioniert ohne mechanischen Verschluss. Die Belichtungszeit kann elektronisch gesteuert werden, indem die Pixel geleert und nach der Belichtung in das Transferregister übernommen werden. Dies ermöglicht sehr kurze Belichtungszeiten. Die konstruktionsbedingte kleinere lichtempfindliche Fläche und damit geringere Lichtempfindlichkeit wird bei modernen CCDs durch kleine Linsen ausgeglichen. Diese werden über jedem 42 Pixel angebracht und fokussieren das Licht, wodurch die Lichtempfindlichkeit wieder erhöht wird. Das IT-Konzept ist im Vergleich langsamer, da der Verschub in die Speicherzelle und der Abtransport über das Schieberegister Zeit benötigt. Die Speicherzellen des Transferregisters sind trotz Abdunkelung immer noch lichtempfindlich. Photonen können durch Beugung diese Zellen erreichen und dort störende Ladungen erzeugen. Dies erzeugt ebenfalls Smear-Effekte. Frame - Interline - Transfer CCD (FIT) Der Frame-Interline-Transfer ist eine Kombination aus FT- und IT-Konzept. Bei FIT-CCD-Chips werden alle Ladungen sofort in den dunklen Bereich verschoben und danach zeilenweise in den zweiten Zwischenspeicher transportiert. Dadurch kann der Smear-Effekt umgangen werden. Durch die Zwischenspeicherzellen wird gewährleistet, dass die Pixel nicht länger als nötig dem Licht direkt ausgesetzt sind, zusätzlich werden sie schnell aus dem offenen Bereich des Chips ausgelesen. Die Belichtungssteuerung geschieht auch hier elektronisch. Die zusätzlichen Speicherzellen machen den Chip teuer, jedoch ist die kurze Belichtungszeit bei Hochgeschwindigkeitskameras essenziell. Speicherfolien Die Speicherfolie ist das älteste Verfahren zur Digitalisierung in der Radiologie. Sie war das erste Verfahren, das den Röntgenfilm abgelöst hat. Dabei funktioniert die Speicherfolie ähnlich der Leuchtfolien in Röntgenkassetten. Diese Röntgenverstärkerfolien unterstützen Röntgenaufnahmen mit Röntgenfilmen, indem sie die Röntgenstrahlung in einem Zwischenschritt in sichtbares oder ultraviolettes Licht umwandeln, das dann den Röntgenfilm belichtet. Der unterschied zur Speicherfolie ist, dass die Speicherfolien nicht sofort aufleuchten sondern sich die Information „merken“ bzw. speichern. Die bezeichnet man als latentes Bild. Je nach Leuchtstoff bleiben dies Zustände über Tage oder Wochen stabil. Die Leuchtstoffschicht ist auf einer Polyesterschicht aufgetragen. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen befindet sich die Folie in einer Kunststoffkassette. Vorteile der Speicherfolie sind die sehr hohe Dynamik und die Unempfindlichkeit gegenüber Fehlbelichtung. Bilder sind oft durch Nachverstärkung oder Bildbearbeitung trotz suboptimaler Belichtung noch diagnostizierbar. Moderne Speicherfolien können bis zu 10000x wiederverwendet werden. Auch wenn das Material die Bildinformation länge behalten, kann wird empfohlen innerhalb von 60min auszulesen. Bei sehr langer Lagerung ohne Benutzung kann auch Umgebungsstrahlung die Folie anregen, dh. sollte dann vorher gelöscht werden. 43 Funktionsprinzip der Speicherfolie Speicherfolien bestehen aus den radiolumineszenten Materialien Bariumfluorobromid (BaFBr) oder Rhobidiumbromid (RbBr). Man dotiert diese Materialien mit Atomen, die weniger Elektronen haben und erzeugt so Gitterfehler. Dadurch schafft man sog. „Traps“, die die angeregten Elektronen daran hindern, auf die niedrigere Schale zurückzuspringen und das Licht abzugeben. Trifft ein Röntgenstrahl das Material der Speicherfolie beginnen die angeregten Elektronen zu wandern und sammeln sich in den Traps. Betrachtet man das Energieniveau des Punktes, an dem die Röntgenstrahlen auftreffen, so fallen die Elektronen von dem Leitungsband auf das Valenzband. So entsteht ein latentes Bild. Um dieses latente Bild sichtbar zu machen, muss Energie in Form von Laserlicht, im grünen oder roten Spektrum, auf die Folie übertragen werden. Dabei wird die Speicherfolie in der Ausleseeinheit automatisch aus der Kassette entnommen und dabei von dem Laserstrahl Punkt für Punkt (flying Spot) oder Zeilenweise abgetastet. Das Elektron aus dem Trap entkommen und fällt unter Abgabe von Licht wieder in das Leitungsband zurück. Die Intensität der entstehenden Lichtwellen (350nm) wird mit einem Photodetektor gemessen, in elektrische Signale umgewandelt und gespeichert. Nach dem Auslesen wird die Folie mit natürlichem Licht beleuchtet, damit alle Elektronen in das Valenzband zurückkehren. Das Elektron kann sich aus der Trap entkommen und fällt unter Abgabe von Licht wieder in das Leitungsband zurück. Die Intensität der entstehenden Lichtwellen wird mit einem Photodetektor gemessen, in elektrische Signale umgewandelt und gespeichert. Nach dem Auslesen wird die Folie mit natürlichem Licht beleuchtet, damit alle Elektronen in das Valenzband zurückkehren. 44 Direkte Methoden Festkörperdetektor Mittlerweile lösen die Festkörperdetektoren die Speicherfolien immer mehr ab. Bei der Einrichtung neuer radiologischer Untersuchungsplätzen gilt die Verwendung von Festkörperdetektoren mittlerweile als Standard. Der Vorteil dieser Systeme ist, dass das Bild ohne weitere Zwischenschritte sofort zur Verfügung steht. Festkörperdetektoren können fest im Tisch oder dem Rasterwandstativ eingebaut sein. Detektoren können auch die Form von Röntgenkassette haben und in die Rasterlade eingeschoben werden. Dies ermöglicht die Nutzung eines Detektors auf mehreren Aufnahmeplätzen. Diese Detektoren sind dann mit einem Kabel oder durch eine Funkverbindung mit dem Bildverarbeitungssystem verbunden. Bei Festkörperdetektoren wird eine spezielle Leuchtschicht bestehend aus Cäsiumiodid (CsJ) auf Photodioden aus amorphem Silizium (aSi) aufgebracht. Diese Leuchtschicht aus CsJ nennt man auch Szintillator. Sie erzeugt beim Auftreffen von Röntgenstrahlung Licht proportional zur Intensität. Bei aSi ist die Kristallstruktur nicht geordnet gewachsen sondern ungeordnet vernetzt. Dies bringt den Vorteil das Halbleitereigenschaften erhalten sind die optische Absorption jedoch höher ist. Röntgendetektoren können das durch die Röntgenstrahlung entstehende Licht Punkt für Punkt direkt messen und digitalisieren. Funktionsprinzip Festkörperdetektor Die Röntgenstrahlung wird im Szintillator in optische Photonen umgewandelt. Das Licht trifft anschließend auf eine Matrix aus Photodioden aus aSi. Die Photonen entladen die Photodioden, die zuvor durch einen Spannungsimpuls aufgeladen wurden. Es entsteht ein Ladungsbild, welches der Differenz aus Ladung und Entladung entspricht. Dieses Ladungsbild entspricht der Bildinformation. Die einzelnen Bildelemente (Pixel) werden aus einer Photodiode und einem Swicht, z.B. einer Dünnfilm – Diode oder einem Dünnfilm – Transistor gebildet. Jedes dieser Pixel ist in Zeilenrichtung mit einer Ansteuerelektronik und in Spaltenrichtung mit einem Verstärker, Multiplexer und Analog/Digital – Umsetzer verbunden. Das Auslesen der Ladungen erfolgt durch parallele Ansteuerung aller Schaltelemente innerhalb einer Zeile. Sind die Switches aktiviert, fließen die Ladungen 45 gleichzeitig und parallel entlang der Spaltenleitungen auf die Eingänge spezieller der Auslesechips. Hier werden die einzelnen Spannungssignale gewandelt, in ein einziges, komplexen Signals übertragen, verstärkt und in ein Digitalsignal gewandelt. Dies wird für jede Zeile wiederholt, bis das Ladungsbild vollständig ausgelesen ist. Xenondetektor Der Xenondetektor findet seine Anwendung in der Computertomographie, jedoch kann er in Geräten der neuesten Generatio nicht mehr eingesetzt werden. Der Xenondetektor besteht im Allgemeinen aus einer Anode und einer Kathode zwischen denen sich Xenon befindet. Zwischen Anode und Kathode liegt eine Spannung zwischen 0,5kV-1kV an. Xenon ist ein Edelgas und dadurch und dadurch wenig reaktionsfreudig. Durch die eintreffende Röntgenstrahlung wird das Gas ionisiert (Elektron-Ionen- Paarbildung). Die Elektronen produzieren an der Anode einen kleinen Strom der proportional zur eintreffenden Dosis ist. Dadurch entsteht ein Signal. Der Nachteil von Gas-Ionisationskammern ist deren Ineffizienz. Viele Röntgenphotonen durchqueren die Gaskammer, ohne dass diese auf ein Gasatom treffen. Dieser Nachteil kann durch Kompression des Gases reduziert werden. Zudem werden die Kammern relativ lang gebaut; damit steigt die Chance, dass ein Röntgenphoton auf ein Gasatom trifft. Szintillationsdetektor Der Szintillationsdetektor findet seine Anwendung in Computertomographen neuerer Generation. Die Kombination von Szintillationskristall und Lichtdetektor nennt man Szintillationsdetektor. Szintillationskristalle in der Computertomographie sind einzelne Kristalle; sie sind nicht in eine Matrix eingebettet wie dies etwa bei anderen Detektorformen. Szintillationskristalle emittieren Licht, sobald ionisierende Strahlen auf sie treffen. Die Anzahl produzierter Lichtphotonen ist proportional zur Energie der einfallenden Röntgenquanten. Einige der Lichtphotonen werden unmittelbar emittiert, andere werden verzögert produziert, dies bezeichnet man als ,,Nachleuchten". Ein Lichtdetektor, z.B. Photomultiplier, wandelt die Lichtphotonen anschließend in elektrische Signale um. 46 Vom Signal zum Bild Bilddarstellung als Matrix In der digitalen Bildgebung setzt sich das Bild aus einer Vielzahl von einzelnen Bildpunkten zusammen. Diese Bildpunkte werden Pixel genannt. Sie sind in Spalten und Reihen angeordnet. Man spricht von einer sogenannten Bildmatrix. Bilddarstellung - Auflösung Die Größe, nach Anzahl der Felder, einer Matrix wird als Auflösung bezeichnet. In diesem Zusammenhang bedeutet 1024x1024, dass die Matrix 1024 Spalten bzw. 1024 Zeilen besitzt, also aus 1.048.576 einzelnen Pixeln besteht. (1,05 Mpixel) Gebräuchliche Einheiten dieser Matrix sind dpi (dots per inch), ppi (Pixel per inch) oder LP/mm (Linienpaare/mm). Die Angabe der Pixel pro Längenmaß ist ebenfalls wichtig für die Darstellung, da sie auch Aufschluss über die tatsächliche Größe eines Pixels. Die Größe des BV-Eingangs steht in Zusammenhang mit der Matrixgröße und der Auflösung. Bei einem BV mit 250mm Durchmesser und einer 1024x1024 Matrix, erreicht man eine Pixelgröße 0,24mm in Länge und Breite. Dies entspricht einer Auflösung von 2,1LP/mm. Bei einem BV mit 400mm Durchmesser und 1024x1024 Matrix ist die Pixellänge 0,39mm und somit 1,28LP/mm. Für gleiche Auflösung muss also die Matrix vergrößert werden. Mit steigender Auflösung steigt die Bildqualität, jedoch auch der Speicherbedarf. 47 Grauwertkodierung Bei digitalen Systemen ist die Anzahl der darstellbaren Grauwerte endlich. Sie ist durch die sogenannte Speichertiefe limitiert. Die Speichertiefe wird in Bit angegeben. Gemäß der binären Rechenweise entspricht 1bit dem Wert 2 1. Für das Bild würde dies bedeuten, dass es nur zwei möglich Zustände bzw. Farben gibt. In den Monochromen Bereich würde das schwarz und weiß entsprechen. Bei einer Speichertiefe von 8bit können dementsprechend 28 bzw. 256 Graustufen dargestellt werden. Dies bedeutet, dass jeder Pixel in der Matrix eine von 256 Graustufen annehmen kann. Die Summe aller Pixel in den verschiedenen Graustufen stellt so das Bild dar. Histogramm In der digitalen Bildgebung versteht man unter einem Histogramm die statistische Häufigkeit der einzelnen Grauwerte bzw. Farbwerte in einem Bild. Das Histogramm eines Bildes gibt Aufschluss über die Qualität den Kontrastumfang und Helligkeit des Bildes. Bei Low-key-Aufnahmen konzentrieren sich die Details in den niedrigen Tonwerten. Der Ausschlag ist demnach im unteren Bereich am stärksten. (Es liegen viele Pixel mit niedrigen Tonwerten vor.) Für High-key-Aufnahmen gilt das Gegenteil, also viele Pixel mit hohen Tonwerten und kaum ein Ausschlag in den niedrigen Tonwerten. Bei überbelichteten Aufnahmen „schmiegt“ sich die Wahrscheinlichkeitskurve an der rechten (hellen) Seite an und das Maximum wird möglicherweise gar nicht erreicht. Es werde

Digitale Projektionsradiographie - Skriptum 2024 - PDF

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