31500: Billeddiagnostik og strålingsfysik. Jens E. Wilhjelm et al., DTU Elektro Danmarks Tekniske Universitet. Dagens forelæsning

Transkript

1 31500: Billeddiagnostik og strålingsfysik Jens E. Wilhjelm et al., DTU Elektro Danmarks Tekniske Universitet Dagens forelæsning Røntgen Computed tomografi (CT) PET MRI Diagnostisk ultralyd Oversigter Kliniske eksempler Det videre forløb

2 Dagens forelæsning Røntgen Computed tomografi (CT) PET MRI Diagnostisk ultralyd Oversigter Kliniske eksempler Det videre forløb Produktion af Røntgenstråling Vakum Stator Katode Anode ( kv) Anode Fokus

3 Karakteristik af Røntgenstråling Elektromagnetisk stråling (fotoner) 10 pm < < 10 nm c 0 = km/s = c 0 / [Hz] Ioniserende Den individuelle fotons energi: E h [J], hvor Plancks konstant, h = Js Lambert-Beer's lov for monokromatisk stråling I = I 0 exp(- l l) I 0 I l l l = linear dæmpningskoefficient ( l = l ( )) l øges i takt med atomnummeret

4 Traditionelt røntgensystem Beskyttelsesskærm af bly Eksponering: millisekunder til få sekunder kv Primærstråling (fotoelektrisk absorption) Røntgenrør Al-filter (fjerner lavenergistråling) Primærblænde Objekt Sekundærstråling (Comptonspredning) Film Sekundærblænde Skærme Dagens forelæsning Røntgen Computed tomografi (CT) PET MRI Diagnostisk ultralyd Oversigter Kliniske eksempler Det videre forløb

5 Princip for tomografi Princip for tomografi I I

6 Princip for tomografi I I r1 = I I r2 = Princip for tomografi I I r1 = I 0 exp(- 11 l - 12 l ) I I r2 = I 0 exp(- 21 l - 22 l)

7 Princip for tomografi I 0 I 0 I I r1 = I 0 exp(- 11 l - 12 l ) I I r2 = I 0 exp(- 21 l - 22 l) Princip for tomografi I 0 I 0 I I r1 = I 0 exp(- 11 l - 12 l ) I I r2 = I 0 exp(- 21 l - 22 l) I c2 = I 0 exp(- 12 l - 22 l) I c1 = I 0 exp(- 11 l - 21 l)

8 Dagens forelæsning Røntgen Computed tomografi (CT) PET MRI Diagnostisk ultralyd Oversigter Kliniske eksempler Det videre forløb Positron-emissions-tomography Tre "simple" trin: Vælg et biologisk aktivt molekyle Hertil bindes et radioaktivt sporstof der udsender positroner Sprøjt det ind i patienten Inde i kroppen vil positronen på et tidspunkt ramme en elektron og udsende gamme-stråling i hver sin retning. Dette detekteres

9 Positron-emissions-tomography From wikipedia.org Dagens forelæsning Røntgen Computed tomografi (CT) PET MRI Diagnostisk ultralyd Oversigter Kliniske eksempler Det videre forløb

10 Magnetisk resonansbilleddannelse MR er baseret på radiobølger, der udsendes fra kroppen. Magnetisk resonansbilleddannelse Du skal bruge: Magnet Radiobølgesender Radiobølgemodtager Patient

11 Kernemagnetisme Det udnyttes at visse atomkerner har spin, dvs. de roterer om egen akse. Spin gør brintkerner magnetiske. De opfører sig som kompasnåle ( magnetiske dipoler ). Magnetisk resonansbilleddannelse Når kroppen placeres i et kraftigt magnetfelt ensrettes atomkernerne delvis. Derved magnetiseres kroppen

12 Magnetisk resonansbilleddannelse Fire vigtige punkter: Kroppens brintkerner (protoner) er svagt magnetisk og minder om kompasnål Stærkt magnetfelt => "ensrettede" dipoler. Krop opføre sig som en dipol (kompasnål). Når dipol ej peger mod nord, vil dens oscillationer omkring nord medføre udsendelsen af radiobølger. Dette skyldes at radiobølger er oscillerende magnetfelter. MR billeddannelse finder sted ved at måle radiobølger, der udsendes af kroppen. Dagens forelæsning Røntgen Computed tomografi (CT) PET MRI Diagnostisk ultralyd Oversigter Kliniske eksempler Det videre forløb

13 Diagnostisk ultralyd Diagnostisk ultralyd

14 Karakteristik af diagnostisk ultralyd Mekaniske bølger 20 khz < f. Medicinsk: 2 MHz - 20 MHz c = 1540 m/s f = c/ [Hz] Uskadelig ved diagnostiske niveauer Transducer Diagnostisk ultralyd Punktreflektor med anden impedans Modtaget signal Spænding g r (t) d Udsendt puls Ultralydstråle Ekkosignal t? c = Lydhastighed i mediet

15 Transducer Diagnostisk ultralyd Punktreflektor med anden impedans Modtaget signal Spænding g r (t) d Udsendt puls Ultralydstråle Ekkosignal t 2 d c c = Lydhastighed i mediet Diagnostisk ultralyd Input signal g r (t) Indhyllingskurve log( ) g ~ r (t) t t A-line Scanlinje Dybde

16 Diagnostisk ultralyd Dagens forelæsning Røntgen Computed tomografi (CT) PET MRI Diagnostisk ultralyd Oversigter Kliniske eksempler Det videre forløb

17 Billeddiagnostik og strålingsfysik Energi Energi Høj Lav Lav Billede Energi Billede Energi Lav Billeddiagnostik og strålingsfysik Energi Lav Mekanisk Elektromagnetisk Energi Høj Elektromagnetisk Billede Lav Billede Energi Energi Lav

18 Billeddiagnostik og strålingsfysik Energi Energi Billeddiagnostik Mekanisk (ikke-invasiv): Elektromagnetisk Stråleterapi: Ultralyd - mekanisk EBR Røntgen - elektromagnetisk Elektromagnetisk Brachytherapy CT - elektromagnetisk MRI - elektromagnetisk Lav Billede Høj Lav Billede Energi Billeddiagnostik (minimal invasiv): PET - Energi elektromagnetisk SPECT - elektromagnetisk Lav Billeddiagnostik og strålingsfysik Modalitet Invasiv Energiform Energitype Strålingsfysik Ultralyd Billeddiagnostik Planar Røntgen CT MRI PET SPECT Stråleterapi EBR Brachytherapy EMR = Eletromagnetic radiation (elektromagnetisk stråling) IR = Ionising radiation (ioniserende stråling) EBR = External beam radiotherapy (ekstern stråleterapi)

19 Billeddiagnostik og strålingsfysik Modalitet Invasiv Energiform Energitype Strålingsfysik Billeddiagnostik Ultralyd Planar Røntgen CT MRI PET SPECT EBR Brachytherapy Nej Nej Nej Nej Ja Ja Nej Ja EMR = Eletromagnetic radiation (elektromagnetisk stråling) IR = Ionising radiation (ioniserende stråling) EBR = External beam radiotherapy (ekstern stråleterapi) Billeddiagnostik og strålingsfysik Modalitet Invasiv Energiform Energitype Strålingsfysik Ultralyd Nej Mekanisk Billeddiagnostik Planar Røntgen Nej EMR CT Nej EMR MRI Nej EMR PET Ja EMR SPECT Ja EMR Stråleterapi Stråleterapi EBR Nej EMR Brachytherapy Ja EMR EMR = Eletromagnetic radiation (elektromagnetisk stråling) IR = Ionising radiation (ioniserende stråling) EBR = External beam radiotherapy (ekstern stråleterapi)

20 Billeddiagnostik og strålingsfysik Modalitet Invasiv Energiform Energitype Strålingsfysik Ultralyd Nej Mekanisk Ultralyd Billeddiagnostik Planar Røntgen Nej EMR Røntgen (IR) CT Nej EMR Røntgen (IR) MRI Nej EMR Radiobølger PET Ja EMR IR SPECT Ja EMR IR EBR Nej EMR IR Brachytherapy Ja EMR IR EMR = Eletromagnetic radiation (elektromagnetisk stråling) IR = Ionising radiation (ioniserende stråling) EBR = External beam radiotherapy (ekstern stråleterapi) Billeddiagnostik og strålingsfysik Modalitet Invasiv Energiform Energitype Strålingsfysik Ultralyd Nej Mekanisk Ultralyd - Billeddiagnostik Planar Røntgen Nej EMR Røntgen (IR) CT Nej EMR Røntgen (IR) MRI Nej EMR Radiobølger - PET Ja EMR IR SPECT Ja EMR IR Stråleterapi Stråleterapi EBR Nej EMR IR Brachytherapy Ja EMR IR EMR = Eletromagnetic radiation (elektromagnetisk stråling) IR = Ionising radiation (ioniserende stråling) EBR = External beam radiotherapy (ekstern stråleterapi)

21 Lyd: Billedmodaliteter Røntgen: Radioaktive sporstoffer (Nuklearmedicin): Radiobølger: Lyd: Diagnostisk ultralyd Billedmodaliteter Røntgen: Planar (projektion) Computed Tomografi (CT) Radioaktive sporstoffer (Nuklearmedicin): SPECT PET Radiobølger: Magnetisk resonansbilleddannelse

22 Billedmodaliteter Lyd: Diagnostisk ultralyd (akustisk impedansforskel) Røntgen: Planar (projektion) (vægtfylde) Computed Tomografi (CT) (vægtfylde) Radioaktive sporstoffer (Nuklearmedicin): SPECT (intensitet af radioaktivt sporstof) PET (intensitet af radioaktivt sporstof) Radiobølger: Magnetisk resonansbilleddannelse (eg. H 2 O content) Det elektromagnetiske spektrum From wikipedia.org

23 Dagens forelæsning Røntgen Computed tomografi (CT) PET MRI Diagnostisk ultralyd Oversigter Kliniske eksempler Det videre forløb CT-billede af død person Anatomical photograph CT image From Visible Human Project, NIH, USA

24 PET/CT From wikipedia.org MRI

25 Diganostisk ultralyd Diganostisk ultralyd Transducer

26 Diganostisk ultralyd Muskler og bindevæv Transducer Diganostisk ultralyd Muskler og bindevæv Den interne jugularvene Transducer

27 Diganostisk ultralyd Muskler og bindevæv Den interne jugularvene Den eksterne carotisarterie Transducer Diganostisk ultralyd Muskler og bindevæv Den interne jugularvene Den eksterne carotisarterie Den interne carotisarterie Transducer

28 Diganostisk ultralyd Muskler og bindevæv Den interne jugularvene Den eksterne carotisarterie Den interne carotisarterie Transducer Plaque Dagens forelæsning Røntgen Computed tomografi (CT) PET MRI Diagnostisk ultralyd Oversigter Kliniske eksempler Det videre forløb

29 Det videre forløb PET/CT Ultralyd MRI Rundvisning på Rigshospitalet The Web Book of Medical Imaging server.elektro.dtu.dk/personal/jw/webbook/