METODEBESKRIVELSE...5

Transkript

1

2 INDHOLDSFORTEGNELSE INDLEDNING PROBLEMSTILLINGER PROBLEMAFGRÆNSNING PROBLEMFORMULERING NØGLEBEGREBER METODEBESKRIVELSE VALG OG KRITIK AF TEORI VALG OG KRITIK AF ARTIKLER TEORI CR KILOVOLT & MAS ABSORPTIONSPROCESSER Compton effekt Fotoelektrisk effekt FØLSOMHED CR KONTRA FILM-FOLIE BILLEDKVALITET Rumlig opløsning Subjektkontrast Lavkontrastopløsning Støj DOSIS Effektiv dosis Overfladedosis Huddosis EMPIRIAFSNIT ETISKE OVERVEJELSER KRITISK STILLINGTAGEN TIL EMPIRI PILOTFORSØG ÆKVIVALERINGSFORSØG FORSØGET Teori til forståelse af forsøget Visual grading analysis (VGA) CDRAD FORSØGSBESKRIVELSE Forsøgsopstilling og udførelse Omregning fra overfladedosis til effektiv dosis og omvendt FORSØGSRESULTATER STATISTIK Eksponeringer Korrelationsanalyse ANALYSE OG DISKUSSION ERFARINGSAFSNIT KONKLUSION PERSPEKTIVERING REFERENCELISTE INDHOLDSFORTEGNELSE FOR BILAG...47 Side 1af 59

3 Indledning I løbet af de seneste årtier har de fleste røntgenafdelinger i Danmark erstattet det analoge film/foliesystem med digital radiografi. Den digitale radiografi domineres grundlæggende set af to systemer; 1): fosfor-plade-systemet, også kaldet computed radiography (CR) og 2): flat-panel detectors eller direct radiography (DR). De digitale systemer adskiller sig grundlæggende fra det konventionelle film/folie-system. Således er de digitale systemer ikke begrænset af en smal dynamic range, hvilket åbner op for en langt større eksponeringslattitude (1, s. 399). Desuden tilbyder de digitale systemer mulighed for post-processing, hvorved detaljer, som ellers ville være gået tabt, nu kan genskabes ved hjælp af eksempelvis vinduesteknik. Disse forskelle til trods har man, ved implementeringen af digitale systemer, i vid udstrækning adopteret parameterindstillingerne fra film/folie-systemet; rørstrømmen (mas) er måske blevet sænket en smule, mens man ofte har bibeholdt spændingen (kv) ved overgangen fra film/folie til digital radiografi (2, s. 240). En række videnskabelige artikler indikerer imidlertid, at digitale systemer har en højere følsomhed ved lavere kv sammenlignet med film/folie. Hermed antydes det, at en sænkning af kv kan medføre bedre billedkvalitet uden, at dosis til patienten øges. Dette vil være omdrejningspunktet for denne opgave. 1.1 Problemstillinger Optimering og kvalitetssikring er centrale begreber for nutidens radiografstuderende. Vi er således trænet i at forholde os kritisk til eksisterende procedurer, ikke mindst i relation til implementering af nye modaliteter. Ansporet af videnskabelige artikler og med udspring i vores teoretiske viden, giver det således næring til vores kritiske sans, at der tilsyneladende ikke foreligger et reelt optimeringsarbejde i forbindelse med, at man har skiftet fra analoge til digitale systemer på de fleste danske røntgenafdelinger. Adskillige videnskabelige artikler (2, 3, 4) antyder, at kv-niveauet ved en lang række røntgendiagnostiske undersøgelser, ved brug af digitale systemer, er for højt. Dette skyldes, at man ofte benytter sig af samme parametre, som var passende ved film/folie-systemet. Ifølge European Image Criteria (5), anbefales kv-indstillingen til eksempelvis thorax - og pelvisundersøgelser til at være henholdsvis kv og kv. En række udenlandske artikler, heriblandt Tingbjerg og Sjöström (3) dokumenterer imidlertid hvordan sænkning af kv-niveauet resulterer i bedre billedkvalitet uden at gå på kompromis med patientdosis. Side 2af 59

4 Således opnår man i dette studie en betydelig bedre billedkvalitet for thorax og pelvis ved sænkning af kv til henholdsvis 70 og 50. Vel at mærke uden at øge den effektive dosis til patienten. Betyder dette, at vi har et manglende kendskab til følsomheden af den digitale detektor? Og resulterer denne manglende viden i, at vi ikke udnytter de digitale systemer optimalt, og således ikke opnår optimal billedkvalitet? Dette må i værste fald formodes at kunne resultere i fejldiagnosticeringer. I et strålehygiejnisk perspektiv er en sænkning af kv som udgangspunkt problematisk. Således bekendtgør Statens Institut for Strålehygiejne, at røntgenundersøgelser skal udføres med så høj kv som diagnostisk anvendeligt (6, 75). Dette med udgangspunkt i, at en højere kv resulterer i en mere gennemtrængelig stråling, hvorved færre stråler absorberes i patienten. Dog vil høj kv, isoleret set, medføre mere spredt stråling og øget dosis, og kun sammen med en reduktion i mas, vil dette blive strålebesparende. Imidlertid indikerer Tingberg & Sjöström (3), at sammenhængen mellem kv og dosis ikke er så entydig, som ovenstående antyder. Set i relation til dosis vil et øget kendskab til de digitale systemer måske endda bidrage til at patientdosis kan sænkes yderligere. Det er allerede veldokumenteret, at digitale systemers detective quantum efficiancy (DQE) - se afsnit er væsentlig højere end film/folie-systemet, hvorved dosis kan reduceres. Men kan en sænkning af kv, og dermed en formodet bedre udnyttelse af systemets følsomhed, resultere i, at udkoblingsdosis og hermed patientdosis kan sænkes? Som det ses af ovenstående, afføder overgangen fra analoge til digitale systemer en række problemstillinger. Det kræver et dybdegående optimeringsarbejde for at få kendskab til de digitale systemers muligheder og begrænsninger i forhold til film/folie-systemet. Vi vil, i det følgende, afgrænse de nævnte problemstillinger og således indsnævre opgavens fokusområde. 1.2 Problemafgrænsning Denne opgave er centreret omkring en hypotese, som siger, at følsomheden for digitale detektorer er højere ved lavere kv, sammenlignet med film/folie-systemet. Forskellige videnskabelige artikler (2, 3, 4) indikerer, at dette gør sig gældende for såvel CR som DR. Vi vælger dog i denne opgave at holde fokus på CR, da denne modalitet er meget udbredt, og i dag benyttes på de fleste danske røntgenafdelinger i Side 3af 59

5 forbindelse med mange forskellige røntgenundersøgelser. Samtidig er det i et tidligere bachelorprojekt beskrevet, hvordan røntgen af thorax på DR kan optimeres ved sænkning af kv. For at differentiere os yderligere fra ovennævnte projekt vælger vi, i denne opgave, at fokusere på røntgen af pelvis. Vi finder, at denne undersøgelse passer bedre til vores valg af CR som modalitet end eksempelvis thorax, da man mange steder i dag benytter sig af DR ved røntgen af thorax. Pelvis er et anatomisk område indeholdende flere strålefølsomme organer med høje vævsvægtningsfaktorer, og røntgen af pelvis er således et interessant område i en opgave omhandlende optimering af billedkvalitet og dosis. Desuden viser Tingberg & Sjöström (3) at en sænkning i kv har en endnu større indflydelse på billedkvaliteten ved pelvis-optagelser end tilsvarende ved thorax. Set i et dosismæssigt perspektiv fokuserer vi, i opgaven, på effektiv dosis. Der er mange andre måder at måle dosis på (huddosis, overfladedosis, arealdosis, absorberet dosis, ækvivalent dosis mm.), men da strålerisikoen ved en røntgenundersøgelse er relateret til den effektive dosis (7, s. 1) vil denne være vores konstant, og således sikre at kv-nedsættelsen ikke øger den relative risiko forbundet med undersøgelsen. En konstant effektiv dosis vil, ved kv-nedsættelse, øge huddosis til patienten, hvorfor denne også vil blive behandlet kort i opgaven. Desuden beregnes den effektive dosis på baggrund af overfladedosis, og denne vil ligeledes blive beskrevet Der er mange parametre, som har indflydelse på billedkvaliteten, heriblandt mas, kv, film-fokus-afstand, filtrering mm. Som nævnt, er den parametermæssige variabel i vores projekt kv, da vi ønsker at undersøge CR-systemets følsomhed for lavere fotonenergier. I bestræbelsen på at holde den effektive dosis konstant må mas også justeres. Alle andre parametre holdes konstante, og disse behandles således ikke yderligere i opgaven. Der findes mange begreber, som beskriver billedkvaliteten. I denne opgave fokuserer vi på subjektkontrast, lavkontrastopløsning, rumlig opløsning og støj, da disse er centrale i vurderingen af digitale billeders kvalitet. Ovennævnte afgrænsning af opgavens problemstillinger leder os til følgende problemformulering: Side 4af 59

6 1.3 Problemformulering Hvordan kan man opnå en bedre billedkvalitet ved kv-nedsættelse, uden at øge den effektive dosis til patienten, ved røntgen af pelvis på CR? 1.4 Nøglebegreber Billedkvalitet: Effektiv dosis: Bedst mulige forhold mellem subjektkontrast, lavkontrastopløsning, rumlig opløsning og støj se endvidere afsnit 5.5. Den ækvivalerede dosis multipliceret med vævsvægtningsfaktorer se endvidere afsnit CR: Se afsnit Metodebeskrivelse Før jeg ved, hvad jeg skal undersøge, kan jeg ikke vide, hvordan jeg skal gøre det Som udgangspunkt for opgavens metodiske design har vi operationaliseret problemformuleringen (Bilag 4) og heraf udledt følgende forskningsspørgsmål: 1. Hvordan er CR s følsomhed ved forskellige kv-niveauer? 2. Hvilken betydning har kv-nedsættelse for støj? 3. Hvilken betydning har kv-nedsættelse for lavkontrastopløsning og den rumlige opløsning? 4. Hvilken betydning har kv-nedsættelse for dannelsen af compton effekt og den fotoelektriske effekt, og hvordan påvirker disse billedkvaliteten? 5. Hvilken betydning har kv-nedsættelse for overfladedosis? 6. Hvilken betydning har overfladedosis for huddosis? 7. Hvilken betydning har overfladedosis for den effektive dosis? 8. Hvilken betydning har kv-nedsættelse for mas-produktet ved konstant effektiv dosis? Det er hensigten, at hvert enkelt forskningsspørgsmål skal bidrage med præcis viden inden for et afgrænset område af opgaven, så det sikres, at der indsamles al den viden, som ligger til grund for en præcis besvarelse af problemformuleringen. Side 5af 59

7 De opstillede forskningsspørgsmål er således bestemmende for, hvilke områder af opgaven som skal behandles teoretisk og hvilke områder der skal besvares ved hjælp af indsamling af empiri, alt afhængig af, om svaret på spørgsmålet kan indhentes via deduktiv eller induktiv læring altså med udgangspunkt i teori eller praksis. I opgavens første del behandles de forskningsspørgsmål, som er relateret til teoriindsamling. Følgende emner gennemgås således i opgavens teoriafsnit: CR Opgaven tager sit udgangspunkt i CR-systemet, men fokus er rettet mod systemets følsomhed. Derfor behandles CR-systemet blot overfladisk, da en minutiøs gennemgang af modaliteten ikke er nødvendig for forståelse af opgaven. Kilovolt og mas Det er kombinationen af kv og mas, som er afgørende for billedkvalitet og patientdosis. Fotonenergien er forsøgets variabel og rørstrømmen vil ligeledes variere i forhold til at holde den effektive dosis konstant. Disse parametres betydning beskrives således i dette afsnit. Absorptionsprocesser Kilovolt-indstillingen har stor indflydelse på, hvordan de indkommende fotoner reagerer ved vekselvirkning med kroppens atomer. Herved opstår begreberne compton effekt og fotoelektrisk effekt, som har stor betydning for mængden af spredt stråling og hermed også billedkvaliteten. Følsomhed Opgavens hypotese bygger på, at CR-systemet har en højere følsomhed ved lavere kv, sammenlignet med film-folie. Derfor er det nødvendigt at undersøge hvorledes de to systemers fysiske opbygning adskiller sig, og hvilken indflydelse disse forskelle har i forhold til sænkning af fotonenergien. Billedkvalitet Optimeringsfaktoren i vores forsøg er billedkvalitet, og det er således nødvendigt at erhverve et grundigt kendskab til dette område. Ændring i fotonenergien påvirker primært billedkvalitetsmæssige begreber som rumlig opløsning, subjektkontrast, lavkontrastopløsning og støj, og disse behandles således i dette teoriafsnit. Dosisbegreber Begrebet dosis indeholder mange aspekter, og det er således nødvendigt at beskrive, de, for denne opgave relevante dosisbegreber. Side 6af 59

8 Efter gennemgangen af de relevante teoretiske aspekter følger opgavens empiriske perspektiv. Vores empiriindsamling er baseret på et kvantitativt forsøg og forsøgsresultaterne evalueres på baggrund af CDRAD og Visual Grading Analysis (VGA) (se afsnit og ). Ved den kvantitative empiriindsamling indhentes data på baggrund af forsøg, og man kan på den måde undersøge sammenhængen mellem få variabler i vores tilfælde kv og billedkvalitet. De indhentede data er kvantificerbare, og vi vil således benytte os af statistisk test i forbindelse med validering af forsøget. Reliabiliteten søges sikret gennem præcision og punktlighed, og herved minimere forekomsten af bias, således at forsøget kan reproduceres. På baggrund af opgavens validitet og reliabilitet vurderes det, om forsøget kan generaliseres. Efterfølgende sammenholdes empiri og teori i et analyse- og diskussionsafsnit, inden opgaven afslutningsvis konkluderes og perspektiveres. 3 Valg og kritik af teori Radiologic Science for Technologists (1) anvendes gennemgående som kilde i de fleste af opgavens teoriafsnit. Bogen behandler bredt, men også dybdegående, de vigtigste områder indenfor radiografien, og er udbredt som lærebog for radiografstuderende. Forfatteren Stewart Bushong er Ph.D. og professor i radiologi. Bogen er udgivet i 2004, og må derfor betegnes som værende nutidsrelevant. The Essential Physics of Medical Imaging (9) benyttes ligeledes i flere af de teoretiske afsnit. Den beskriver de fleste aspekter inden for moderne radiografi meget dybdegående, og komplementerer Bushong fint i forhold til afdækning af vores opgaves teoretiske områder. Bogens forfattere er alle professorer i radiologi. Bogen anvendes ligeledes som lærebog for radiografstuderende, men henvender sig også til radiologer og hospitalsfysikere. Lærebog i Røntgenfysik for Radiografstuderende (10) benyttes til beskrivelse af absorptionsprocesser og CR-systemets følsomhed. Bogen er ikke publiceret, men da denne anvendes ved undervisning i røntgenfysik for radiografstuderende anses den som værende valid. Seneste udgave er fra 1981, men da bogen behandler grundlæggende røntgenfysiske emner, som må formodes at være uafhængige af tid, vurderes dette ikke til at udgøre et validitetsproblem. Kvantitative Forskningsmetoder (11) anvendes til forståelse af opgavens empiriske forskningsparadigme. Bogen giver et dybt indblik i positivistiske videnskabelighedskriterier, som gælder ved kvantitative undersøgelser. Forfatteren Emil Kruuse har skrevet bøger inden for både kvantitativ og kvalitativ forskning henvendt til det sundhedsvidenskabelige område. Side 7af 59

9 Forskning og Samfund (12) benyttes som supplement til Kruuse i opbygningen af opgavens videnskabsteoretiske indhold. Bogen bruges til forståelse af, hvordan en forskningsproces tilrettelægges, samt videre uddybning af positivismen. Søren Kjørup, bogens forfatter, er professor i videnskabsteori. Desuden benyttes hertil Metodevalg og Metodebruk (8), som er en grundbog i samfundsvidenskabelig metodelære for studerende ved videregående uddannelser. Opgavens statistiske afsnit er baseret på Basal Sundhedsvidenskabelig Statistik (13), som formidler statistik henvendt til det sundhedsvidenskabelige område. Denne suppleres med Statistik i Ord (14), som er skrevet til studerende på videregående uddannelser, der ønsker at sætte sig ind i det statistiske univers. Forfatterne har ikke en statistisk baggrund, men har begge anvendt en del statistik i praksis i forbindelse med deres arbejde hhv. fysioterapi og reumatologi. 4 Valg og kritik af artikler For at vurdere kvaliteten af artiklerne, anvender vi Toulmins Argumentationsmodel til at analysere enkelte argumenter og derefter den overordnede argumentation i den enkelte artikel. Et enkelt argument består af tre elementer: - Påstand hvad er det for et udsagn, læseren skal acceptere gyldigheden af? - Belæg fortæller noget om hvilke konkrete oplysninger der skal få læseren til at acceptere påstanden, og til sidst - Hjemmel. Hjemmel er, som Signe Hegelund skriver: Hvilket generelt synspunkt kan få modtageren til at acceptere at de konkrete oplysninger (belæg) sandsynliggør eller beviser gyldigheden af udsagnet (påstanden)? (15, s. 9) Med disse tre obligatoriske elementer i Toulmins Argumentationsmodel, analyseres artiklen for at vurdere dens kvalitet. Optimisation of Image Plate Radiography with Respect to Tube Voltage, 2005, af Anders Tingberg og David Sjöström (3). Formål: At finde den kv-indstilling på CR, der giver den bedste billedkvalitet pr. effektiv dosis-enhed for thorax- og pelvisoptagelser (3, s. 286). Side 8af 59

10 Påstand: At billedekvaliteten på CR kan, ved en given patientdosis, forbedres ved at reducere kv i forhold til film/folie-parametrene (3, s.286). Belæg: - Kilovolt og dosis, passende parametre til konventionel røntgen, som til stadighed er parametre for de digitale modaliteter. - Digitale systemer er ikke begrænset af en smal dynamic range. Herunder kan et enten over- eller undereksponeret billede reddes på digitale modaliteter vha. diverse postporcessingsmetoder. - IP-pladen ved CR består af BaF og har en k-edge på ~40 kev, hvorimod film/folies k-edge på ~50 kev for gadolinium-baserede folie (3, s. 286). Hjemmel: Tingberg og Sjöström underbygger endvidere deres påstand ved at lave et forsøg og således selv danne belæg for deres udsagn. Artiklen indeholder således en påstand, der er velargumenteret med adskillige belæg. Endvidere danner Tingbjerg og Sjöström selv hjemmel for deres belæg med et forsøg. Validiteten af artiklen øges, da den opfylder Toulmins Argumentationsmodel og da forfatterne stiller sig kritisk over for deres forsøg. De beskriver på side 292 at der er mange fordele ved at reducere kv, men at der også er ulemper. Huddosis vil under alle omstændigheder øges, men i forsøget holdes den effektive dosis konstant, hvorfor risikoen for at påføre patienten en stråleinduceret cancer ikke øges. Investigation of Optimum Energies for Chest Imaging using Film-screen and Computed Radiography, 2005, af I D Honey, A Mackenzie og D S Evans (4). Formål: Formålet med artiklen skrevet af Honey, Mackenzie og Evans er at finde den optimale rørspænding ved thoraxoptagelser, hvor CR benyttes. Endvidere ønsker de at sammenligne billedkvaliteten på CR og filmfolie som funktion af kv (4). Side 9af 59

11 Påstand: At de parametre man benytter til film/folie ikke direkte kan overføres til de digitale modaliteter (CR) og at der mangler optimeringsarbejde omkring dette (4). Belæg: - Dymanic range er ikke smal på de digitale modaliteter. - Ionising Radiation Regulation fra 2000 kræver optimering af hver undersøgelsestype. - Der er ingen accepterede guidelines for digital radiografi. - Ved CR er der mulighed for image processing, hvor man kan forstærke detaljer i lungevæv og mediastinum. - CR og film/folie har forskellig opbygning og forskellige k-edges. - Andre videnskabelige studier konkluderer, at billedkvaliteten vil forbedres, hvis man sænker kv på CR i forhold til film/folie. Hjemmel: I artiklen anvender forfatterne adskillige andre videnskabelige studier som argumentation for deres belæg. Desuden vil de forsøge at finde hjemmel ved hjælp af egen-empiri. Artiklen, skrevet af Honey, Mackenzie og Evans, opfylder også Toulmins Argumentationsmodel ved at udfylde de tre obligatoriske elementer, påstand, belæg og hjemmel. Endvidere taler deres kritisk stillingtagen overfor deres egen og andres empiri for artiklens validitet. De nævner blandt andet, at man skal passe på med at sammenligne andre studier, da der her er anvendt forskellige metoder for at nå frem til resultatet. De beskriver fordele, såvel som ulemper ved både film/folie og CR. 5 Teori I dette afsnit, behandles opgavens teoretiske perspektiv. 5.1 CR CR-systemet består grundlæggende af to enheder; en fosforplade-detektor af forskellige dimensioner svarende til konventionelle film-folie-kassetter, og en image processor, også kaldet aflæseren, som aflæser det latente røntgenbillede opfanget af detektoren (16, s. 154). Side 10af 59

12 Fosfor-pladen består barium-flouro-bromid/iodid (BaFBr/I) aktiveret med europium. Ved eksponering, absorberer fosforpladen energien fra røntgenstrålingen. Den absorberede energi exciterer elektroner fra europium-atomer til en højere energitilstand, hvor de kan befinde sig i kortere eller længere tid, strækkende sig fra dage til uger. De exciterede elektroner udgør det latente billede (9, s. 294). Efterfølgende aflæses det latente billede i aflæseren ved hjælp af stimulering med laserlys. Herved frigives de exciterede elektroner til deres grundtilstand, hvorved der udsendes energi i form af synligt lys. Dette fænomen kaldes stimuleret fosfor- luminescens (1, s. 403). Intensiteten af det udsendte lys er ligefrem proportional med den oplagrede energi i europium-atomerne. Det udsendte lys opfanges af en photomultiplier, som omdanner det til et elektrisk signal, der efterfølgende digitaliseres. Efter aflæsningen af det latente billede og konvertering til digitalt signal, opsamles billeddata i et 2- dimensionelt matrix og videreføres til en arbejdsstation. Her kan billedet manipuleres ved hjælp af forskellige algoritmer, inden det er klar til udprintning eller overføring til PACS (9, s. 294). 5.2 Kilovolt & mas Strålingskvaliteten styres af kv. Derfor afhænger strålernes gennemtrængelighed også af kv. Da strålingskvaliteten styres af kv, har denne også en mindre indvirkning på strålingskvantiteten. Strålingskvantiteten defineres som det antal producerede røntgenstråler, altså ma. Sammen med eksponeringstiden (s), er mas bestemmende for sværtningen til filmen, men også dosis til patienten. Strålingskvaliteten, altså kv, kontrollerer om billedet skal have høj kontrast eller lav kontrast meget gennemtrængelig eller lidt gennemtrængelig (1, s ). Strålingskvaliteten og kvantiteten skal i symbiose give en god billedkvalitet ved den lavest mulige dosis (ALARA 1 ) (9 s. 792). Endvidere vil en 15 % forøgelse af kv kunne resultere i en halvering af mas, og derfor også en reduktion af dosis til patienten (1, s. 157). 5.3 Absorptionsprocesser. For at kunne forstå, hvilken indflydelse kv, altså fotonenergien, har på billedkvaliteten, er det vigtigt at tilegne sig et kendskab om, hvordan fotoner vekselvirker med en absorber, eksempelvis patienten. Det vil sige de fotoner, som ikke transmitteres direkte gennem absorberen. Ved vekselvirkning vil den enkelte 1 As Low As Reasonable Achiveable - ALARA Side 11af 59

13 foton afgive sin energi til én eller flere elektroner (energien absorberes), og/eller til en eller flere fotoner (energien spredes) (10, s. 95). Compton effekt og fotoelektrisk effekt er de to processer, som har betydning for absorption og spredning inden for det diagnostiske energispektrum ( kev) (10, s. 95) Compton effekt Når en røntgenfoton vekselvirker med en elektron i absorber-atomets ydre skaller, tales der om compton effekt. Herved overføres en del af fotonens energi til elektronen, som fjernes fra skallen, og fotonen afbøjes og fortsætter i en anden retning som spredt stråling (10, s. 100). Jo højere energi absorbermaterialet tilføres fra den indkommende røntgenfoton, desto højere bliver den tilførte energi til den ydre skals elektronen og den afbøjede foton. Øget kv vil altså således give den afbøjede foton, og hermed den spredte stråling, mere energi, hvilket øger sandsynligheden for, at den spredte stråling bliver billeddannende. I modsætning til vekselvirkning ved fotoelektrisk effekt, må den indkommende fotons energi være betydelig højere end absorberens bindingsenergi for, at compton effekten finder sted. Derfor vil sandsynligheden for, at vekselvirkningen sker ved compton effekt, frem for fotoelektrisk effekt, øges i takt med, at fotonenergien stiger (10, s. 103). Compton effekten resulterer altså i spredt stråling. Øges kv vil mere spredt stråling blive billeddannende og reducere kontrasten, og hermed medføre forringet billedkvalitet. Samtidig vil andelen af vekselvirkninger ved compton effekt øges i takt med kv-stigning Fotoelektrisk effekt Opstår når en foton vekselvirker med en elektron fra absorber-atomets indre skaller. Elektronen fjernes fra skallen, hvorved der udsendes karakteristisk stråling. Dennes energi er dog så ringe, at den absorberes tæt ved det sted, hvorfra den udsendes. Herved absorberes fotonenergien fuldstændigt, og hele fotonens energi overføres til atomet, således at ingen spredt stråling udsendes. Fotoelektrisk effekt kan ikke optræde, medmindre den indkommende fotons energi er større eller lig elektronens bindingsenergi i den pågældende absorber (10, s. 97). Sandsynligheden for at en fotoelektrisk effekt optræder, afhænger af såvel fotonenergien som absorberens atomnummer. Side 12af 59

14 For en bestemt absorber vil sandsynligheden for fotoelektrisk effekt aftage med fotonenergien i 3. potens. En fordobling af kv vil altså reducere chancen for en fotoelektrisk absorption med 2 3 = 8 gange. For samme fotonenergi vil sandsynligheden for fotoelektrisk effekt vokse med atomnummeret i 4. potens. Derfor er den fotoelektriske effekt dominerende, når lave fotonenergier vekselvirker med stoffer med højt atomnummer, eksempelvis knogle og bariumholdige fosforplader. Omvendt vil compton effekten dominere i materialer med lavere atomnummer, som bløddele og vand (10, s. 99). Fotonenergien har altså stor indflydelse på fordelingen af de fotoner, som ikke transmitteres direkte gennem patienten. Høj kv giver en relativ større andel compton effekt, hvilket resulterer i øget spredt stråling og heraf nedsat billedkvalitet. Lav kv øger andelen af fotoelektrisk effekt i forhold til compton, hvorved billedkvaliteten, alt andet lige, forbedres da mængden af spredt stråling reduceres. Figur 1. Viser den procentvise fordeling af vekselvirkninger ved compton effekt og fotoelektrisk effekt ved bestråling af 10 cm tykt bløddelsvæv (1, s. 237). 5.4 Følsomhed CR kontra film-folie I bestræbelsen på at skabe forståelse for, hvordan CR-systemets følsomhed for kv adskiller sig fra filmfolie-systemets ditto, vil vi i dette afsnit se nærmere på de to systemers absorptionskoefficienter. Opbygningen af fosfor-pladen, Bariumflurobromid/iodid (BaFBr/I), adskiller sig grundlæggende fra det konventionelle folie, som er opbygget af gadolinium (Gd 2 O 2 S). Dette resulterer i, at de to systemer har forskellige absorptionskoefficienter, hvilket illustreres af nedenstående figur (4). På figuren ses Side 13af 59

15 massesvækkelseskoefficienterne for henholdsvis BaFBr/I (fed linje) og Gd 2 O 2 S (tynd linje) som en funktion af fotonenergien. Figur 2 Barium og gadolinium har henholdsvis atomnummer 56 og 64 i det Periodiske system. Dette betyder, at de har forskellige bindingsenergier. Således har barium en k-skals bindingsenergi på 37 kev, mens gadoliniums k-skals bindingsenergi er 50 kev (9, s. 886), hvilket illustreres som pludselige, kraftige stigninger på de to kurver. Ved meget lave energier er den fotoelektriske absorption meget høj, men i takt med at fotonenergien øges, falder absorptions-sandsynligheden drastisk indtil fotonenergien ækvivalerer bindingsenergien. Ved energier lavere end bindingsenergien har røntgenstrålingen for lidt energi til at ionisere k- skalselektronerne (1, s. 228). Når fotonenergien ækvivalerer bindingsenergien, muliggøres fotoelektrisk interaktion med k-skalselektronerne, og sandsynligheden for fotoelektrisk absorption stiger pludseligt. Denne pludselige stigning i absorption kaldes k-shell absorption edge, eller bare k-edge. Umiddelbart efter falder sandsynligheden for fotoelektrisk absorption igen drastisk i takt med, at fotonenergien øges (1, s. 228). På ovenstående figur ses det altså, at den barium-baserede fosforplade har en betydelig højere sandsynlighed for fotoelektrisk absorption i energiintervallet fra kev. Dette skal ses i relation til, at det gennemsnitlige energiniveau ved almindelige røntgenundersøgelser ligger på kev, (1, s. 230) idet den udsendte røntgenstråling jo er polyenergisk (9, s. 50). Side 14af 59

16 Ved energier på >50 kev absorberer det gadolinium-baserede film-folie flere røntgenfotoner end fosforpladen, dog i en relativ mindre grad. Ovenstående indikerer altså, at barium har en højere detective quantum efficiancy (DQE) ved lavere kv sammenlignet med gadolinium. DQE definerer et systems effektivitet i forhold til den indkommende fotonenergi (9, s. 308). Det vil sige, at den procentvise absorption af røntgenfotoner er højere ved lavere kv for CR-systemet sammenlignet med film-folie systemet. Honey, Mackenzie & Evans (4) illustrerer forskellen på de to systemers følsomhed ved hjælp af nedenstående figur (4). Den kontinuerlige linje repræsenterer CR, mens film-folie er angivet ved den brudte linje. Figur 3 Figur 3 kan ikke umiddelbart sammenholdes med figur 2, da den er fremkommet ud fra en helt anden beregning. Her har man beregnet hvor stor en del af de transmitterede fotoner, som absorberes i detektoren ved hjælp af nedenstående formel (4): Figur 4 Side 15af 59

17 Det ligger uden for denne opgaves rammer at redegøre for elementerne og fremkomsten af denne komplicerede formel, men vi finder figur 3 meget illustrativ i forhold til at vise forskellen på følsomheden på CR og film-folie. Figur 3 viser, at absorptionen af de transmitterede fotoner i området fra ca kv, er højere ved CR end film-folie. Tilsvarende absorberer film-folie flere af de transmitterede fotoner i området over 80 kv. Figuren understøtter altså vores hypotese om, at CR systemet har en højere følsomhed ved lavere kv sammenlignet med film-folie. 5.5 Billedkvalitet Billedkvalitet kan defineres som den præcision, hvormed patientens anatomi er repræsenteret på et røntgenbillede (1, s. 272). Der eksisterer talrige begreber, som benyttes til at beskrive og vurdere billedkvalitet, men vi vil i dette afsnit kun behandle de parametre, vi finder relevante i forhold opgavens tematiske fokus Rumlig opløsning Det digitale billede er et matrix, som består af rækker og kolonner, der tilsammen danner en masse små celler, som benævnes pixel. Størrelsen af matrix, og hermed antallet og størrelsen af pixel, angiver hvor mange punkter et billede består af. Dette har afgørende betydning for billedkvaliteten, da den rumlige opløsning, altså evnen til at detektere små objekter, er begrænset af pixelstørrelsen (1, s. 397). Udover antallet og størrelsen af pixel er den rumlige opløsning også påvirket af dosis til detektoren, idet dårligere signal/støj-forhold ved lavere doser mindsker opløsningen. Ved utilstrækkelig rumlig opløsning er der således risiko for, at små strukturer overses. Ved CR er den rumlige opløsning desuden afhængig af fosforpladens opbygning, tykkelse, lysspredning og efterslæb i fosforen (17, s. 6) Subjektkontrast I en opgave som denne, hvor kv benyttes som variabel i forhold til at optimere billedkvaliteten, er det essentielt at have et kendskab til billedets subjektkontrast, da denne i høj grad påvirkes af ændringer i kv. Begrebet subjektkontrast bruges til at beskrive forskellen i sværtning mellem forskellige væv. Store forskelle i sværtning indikerer, at billedet har høj kontrast. Således vil et billede med høj kontrast fremstå hvidt, svarende til områder i patienten med høj absorptionskoefficient, mens områder af billedet, svarende til lave absorptionskoefficienter i patienten, fremstår meget mørke (9, s. 256). Side 16af 59