Radiológiai képalkotás elemei

   Tankönyv Fizikusoknak  »  A röntgendiagnosztika alapjai  »  Radiológiai képalkotás elemei

Az 1. fejezetben részletezettek szerint anyagi közegen áthaladó röntgennyaláb abszorbeálódik a közismert Beer-Lambert törvény (10) szerint. A különböző abszorbeáló rétegeken áthaladó nyaláb különböző részei más-más mértékben gyengülnek, attól függően, hogy az átvilágított mintatérfogat abszorpcióképessége mekkora. Az objektumon áthaladó röntgennyaláb két-dimenziós metszetben, terjedés irányára nagyjából merőleges síkban detektálva a kapott síkbeli mintázat információt hordoz az átvilágított anyagrétegek abszorbeáló képességéről. A radiológiai képalkotás abszorpción alapuló elvét a 17. ábra szemlélteti.

17. ábra. Különböző abszorpciós rétegek hatása egy röntgennyaláb intenzitására.

 
A vetítéssel kapott kép különböző szürkeségi fokozatokat tartalmaz, amelyet egységes elvek és az emberi érzékeléshez is igazított skálára vetítenek le, amit a CT egyik kidolgozójáról G. N. Hounsfield-ről neveztek el:

 
ahol a teljes skála egy (-1000,3000) tartományra van levetítve. Ezt a széles szürkeségi skálát az emberi szem természetesen nem képes felbontani, mivel kb. 30-40 szürkeárnyalatot tud megkülönböztetni. Az egyes szövetek HU értékét a 3. táblázat tartalmazza. Ahhoz, hogy a Hounsfield skálára vetített szürkeségi mintázat egyes részeit emberi szemmel is meg lehessen különböztetni az ú. n. ablakolási technikát lehet alkalmazni. Ha a teljes skála helyett csak annak egy olyan részlete van megjelenítve, amely az adott vizsgálathoz szükséges, kizárhatjuk a megfigyelést zavaró egyéb skálarészeket, és ebben az esetben már meg lehet különböztetni a kiablakolt részben lévő szürkeségi fokozatokat, azaz ha az ablakba eső szürkeségi skálához egy, a teljes HU skálához képest jóval kisebb tartományt rendelünk, akkor az abban lévő árnyalatokat szabad szemmel is meg lehet különböztetni.

2. táblázat Különböző anyagok és szövetek Hounsfield-értékei

 
Attól függően, hogy a vizsgált objektum Hounsfield-egysége a fenti 3. táblázatban megadott valamelyik tartományba esik az ablak közepét a skála megfelelő részéhez kell igazítani.

18. ábra. Koponyafelvétel különböző ablakolással: (a) agyszövet, (b) koponyacsont vizsgálatára

 
Az ablak alkalmazását mutatja be a 18. ábra ugyanazon a röntgenfelvételen, ahol az (a) fotó az agyszövetre optimalizált ablakkal készült felvételt, míg a (b) fotó a koponyacsont vizsgálatára alkalmas ablakkal ellátott esetet mutatja be.
A radiológiai leképezés során a nyert kép integrálisan tartalmazza a röntgen-nyalábbal átvilágított közeg abszorpciós tulajdonságaira vonatkozó információt.

 
A (28)-as összefüggés megadja egy d vastagságú µ abszorpcióval rendelkező közeg gyengítő hatását egy adott geometria pontban és E energián. Ennek megfelelően a röntgennyalábbal végzett leképezés eredménye függ a vizsgált pont helyzetétől (leképezésre merőleges síkban) és a röntgennyaláb energia-eloszlásától az abszorpciós együttható energiafüggésén keresztül. Az abszorpciós együttható általában csökken a röntgensugárzás energiájának növekedésével és növekszik az abszorbeáló anyag rendszámával. Ennek megfelelően, az abszorbeáló közeg az összetételétől függően szelektíven gyengíti az átvilágító nyalábot. A kisenergiájú spektrumtartomány nagyobb része abszorbeálódik ugyanazon anyagon történő áthaladás során, mint a spektrum nagyobb energiájú tartománya. Ez azt jelenti, hogy a vizsgált szövettípushoz kell igazítani a leképező nyaláb spektrális eloszlását, hiszen erősen abszorbeáló közeg esetén a kis-energiájú komponensek nem adnak járulékot a leképezéshez, mert nagyobb részük teljesen vagy részlegesen abszorbeálódik. Ez a folyamat ráadásul csak az elnyelt dózist növeli anélkül, hogy érdemben hozzájárulna a kép létrejöttéhez. Ezzel ellentétben, kisebb gyengítő tulajdonsággal rendelkező közeg esetén (pl. lágy részek) a nagyobb energiájú komponensek alig gyengülnek az átvilágítás során, azaz a leképezés eredménye kevés információt tartalmaz a minta belsejéről. Ilyen esetekben kisebb energiájú komponenseket kell alkalmazni az átvilágításhoz.
A röntgensugárzás spektrális összetételének befolyásolásának az egyik módja a röntgencső feszültségének változtatása, amely hatással van a csőspektrum alakjára. A másik megoldás, ha a megvilágító nyaláb útjába egy meghatározott vastagságú és anyagú lemezt (szűrő) helyeznek a röntgencső és az objektum közé.

19. ábra. Lineáris abszorpciós együttható változása az energia függvényében néhány tiszta elem esetén.

 

A szűrő a röntgenenergiától függően az egyes spektrumrészeket szelektív módon gyengíti az energiafüggő abszorpciója révén. Mivel az egyes elemek abszorpciós függvénye meglehetősen bonyolult matematikai formalizmussal írható le, így annak hatása a röntgenspektrum alakjára a szűrő elemi összetételétől függően nagyon változatos és szinte bármilyen tetszőleges spektrumalakot eredményezhet. Néhány ilyen esetet mutat be a 20. ábra, ahol egy kisteljesítményű (4W) analitikai célokra alkalmazott transzmissziós röntgencső spektrumai láthatóak 40 kV anódfeszültség esetén különböző vastagságú és anyagú szűrőkkel.

20.ábra. Röntgencső spektruma különböző szűrők alkalmazása esetén(U=40 kV, anód: Ag, transzmissziós elrendezés.)

 
A spektrumban láthatóak az anód anyagának karakterisztikus röntgenvonalai (Ag-Kα, Ag-Kβ) is. A Cu és a Mo szűrők esetén megfigyelhető az abszorpciós élek hatása a spektrum gyors, akár nagyságrendi változásában. Az abszorpciós együtthatók és transzmisszió számítására a http://physics.nist.gov/cgi-bin/Xcom/xcom2 és a http://henke.lbl.gov/optical_constants/ oldalak nyújtanak jól alkalmazható segítséget.
A röntgennyalábbal átvilágított anyagréteg belsejében a röntgen-fotonok és az atomi elektronok között többféle kölcsönhatás lejátszódhat, amelyek közül a szórási jelenségek megváltoztatják a folyamat végén emittált foton terjedési irányát a folyamatot létrehozó elsődleges foton irányához képest (l. (5) egyenlet és a 2. ábra). Ez azt jelenti, minél nagyobb a Compton-folyamat valószínűsége a leképzett objektum belsejében, annál több lesz az olyan foton, amelyik nem az eredeti irányban terjed tovább, azaz a leképezés minőségét rontja. Ekkor a kép pontjaiban számos olyan foton érkezik, amely nem egyenes vonalban terjedt ezért az általa szállított információ nem az eredeti terjedési irányban lévő atomoktól származik. Az ilyen leképezés eredménye sok homályos területet tartalmaz, és csökken a kontraszt. A szórás képminőséget rontó hatását speciálisan kialakított kollimátorokkal lehet csökkenteni.
A legegyszerűbb kollimátor egy egyszerű cső, amelynek hossztengelye a vetítő kúp tengelyének irányába esik, aminek következtében ehhez az egyeneshez képest nagy szögben érkező fotonok (pl. Compton-szórás következtében) a tubus falával ütközve elnyelődnek.

21. ábra. Kollimáló tubus alkalmazása

 
Gyakran alkalmaznak a vizsgált objektum méreteihez és egyedi abszorpciós sajátosságaihoz illeszkedő, változtatható méretű kollimátorokat. Ez négy nagy rendszámú abszorbeáló lemezből áll, amelyek helyzete motorokkal állítható, ezzel a megvilágított terület kiválasztható, illetve az objektum többi részét nem világítjuk meg. A másik gyakran alkalmazott eszköz a rács, aminek szerkezete révén hasonló hatás érhető el a vetítő röntgennyalábra, mint a tubus alkalmazása esetén. Mivel a rács sok egymás mellé helyezett tubusnak felel meg, ezért a fentiekben is bemutatott képminőség javító hatás a vetítő nyaláb teljes keresztmetszetében érvényesül. A rácsokat két főbb csoportba lehet sorolni: (a) hagyományos szerkezettel rendelkező rácsok, amikor hosszában váltakozva vannak elhelyezve nagy és kis abszorpcióval rendelkező rétegek.

22. ábra. Hagyományos rács szerkezeti felépítése.

 
Lényegesen nagyobb transzmisszióval rendelkeznek a (b) négyzetes alakban elrendezett üres cellákat tartalmazó rács, ami a jóval kisebb abszorpciót jelent a leképező röntgensugarak számára, de továbbra is érvényesül a kollimáló hatás a nagy abszorpciós tulajdonságú rács anyag következtében (Pb, W). A rácsokra jellemző méretek: vastagság 4-5 mm, magasság 8-10 mm, rácselemek távolsága 1 mm. A rácsok geometriai méreteinek változtatásával, illetve a rácssíkok meghatározott szögű döntésével a beállított leképezési paraméterekhez (kép és tárgy távolság) lehet optimalizálni a kollimáló hatást. Fokozott hatás érhető el, ha a felvétel időtartamában a rács mozog a leképező nyaláb irányára merőleges síkban. A rácsok helyes geometriai beállításánál a röntgencső által emittált nyaláb divergenciáját is figyelembe kell venni.