Podcasts about streustrahlung

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Analyse einer neuartigen abbildenden Optik mit dem Ziel, das räumliche Auflösungsvermögen im Röntgenband zwischen 1 keV und 20 keV auf wenigstens 1 mas zu verbessern. Aufgrund ihrer hohen Toleranz gegenüber Fertigungsfehlern besitzen transmissive Linsen das prinzipielle Potential zur beugungsbegrenzten Abbildung. Je nach Ausführung dürfen Abweichungen von mehreren 100 – 1000 nm gegenüber der idealen Formgebung auftreten. Im Gegensatz zur absorptionsbehafteten, massiven Version weist die diffraktive, profiloptimierte Fresnel-Linse auch in höheren Ordnungen eine Beugungseffizienz zwischen 40% und 100% auf. Der Kontamination der Bildebene durch Streustrahlung benachbarter Ordnungen ist ggf. durch eine ausreichende Zentralobstruktion zu begegnen, deren Radius dem doppelten Detektor-Halbmesser entspricht. Strahlenoptische Berechnungen weisen diffraktive Linsen als vergleichsweise tolerant gegenüber Aberrationen sphärischen wie winkelabhängigen Ursprungs aus. Typische Öffnungsverhältnisse f von (10^4 – 10^5) erlauben Verkippungen von bis zu 1°. Die Lichtstärke, definiert als Produkt von effektiver Sammelfläche und Bandpass, skaliert für Fresnel-Linsen ausschließlich linear mit der Brennweite, bleibt allerdings selbst für Fokaldistanzen von wenigen 100 km auf wenige cm^2 keV beschränkt. Mit der segmentierten Apertur lässt sich jedoch die Lichtstärke erhöhen, ohne das Prinzip der beugungsbegrenzten Abbildung und den klassischen Einzelfokus aufzugeben. Bei einer Ortsauflösung von 1 mm erreichen derlei inkohärent operierende Objektive eine Lichtstärke von über 1000 cm^2 keV. Unter Einsatz eines dem diffraktiven Bandpass adäquaten Kristallspektrographen bedarf es dazu tendenziell großer Radien von rund 10 m und typischer Brennweiten im Bereich einiger 100 km. Ferner wurden im Rahmen dieser Arbeit mutmaßlich erstmals Multiband-Objektive zur wissenschaftlich vorteilhaften Simultanfokussierung von bis zu drei Energiebändern implementiert. Bestehend aus Partial-Linsen unterschiedlicher Gitterfrequenz, erweisen sie sich der Monoband-Ausführung als bzgl. Auflösung, Brennweite und Lichtstärke prinzipiell ebenbürtig. Die Dispersionskorrektur mittels eines additiven refraktiven Linsenprofils erweitert den spektralen Bandpass auf dem Detektor direkt zugängliche 100 eV oder mehr. Mit der Absorption geht eine reduzierte Sammelfläche für kompakte Hybridlinsen einher. Trotzdem resultiert unter Beibehalt der Winkelauflösung für Materialien wie Li oder Be jenseits weniger keV eine gegenüber dem diffraktiven Analogon verbesserte Lichtstärke. Optimiert bzgl. Material und Energie, steigern derartige Achromaten die Nachweisempfindlichkeit um das bis zu 40-fache – entsprechend einer Lichtstärke von rund 100 cm^2 keV bei Brennweiten von 100 km oder mehr. Wiederum segmentiert, wirkt sich die Absorption vergleichsweise geringfügig auf die Winkelauflösung aus, die Sensitivität des dispersionskorrigierten Objektivs steigt gegenüber der diffraktiven Version unter sonst gleichen Bedingungen jetzt um bis zu zwei Größenordnungen. Bei gegebener Ortsauflösung von 0.75 mm ergeben sich für Li oberhalb von 6 keV und Be jenseits von 8 keV optimierte Lichtstärken zwischen 10^3 und 10^4 cm^2 keV, vergleichbar jenen der gegenwärtig aktiven Observatorien Chandra und XMM-Newton. Die Winkelschärfe skaliert invers mit der Fokaldistanz, für höchstens 1 mas ergeben sich Brennweiten von rund 100 – 1000 km. Plankonvexe Profile werden den zumeist kleinen Krümmungsradien der refraktiven Komponente hinsichtlich ihrer Aberrationen dritten Grades im allgemeinen nicht gerecht. Hingegen reduziert das aplanatische, nahezu bikonvexe Profil sowohl sphärische als auch winkelabhängige Bildfehler auf ihre diffraktiven Beiträge und legt daher im segmentierten Hybrid-Achromaten die Konstruktion symmetrischer, prismen-ähnlicher Bausteine nahe. Die mit der kohärenten Profilreduktion einhergehende Interferenz erfordert den Einsatz abbildender Spektrographen mit einer Auflösung nahe 1 eV. Vor allem optisch schwache Materialien wie z.B. Polycarbonat (C16H14O3) profitieren von der erhöhten Transparenz bei konstanter Orts- und Winkelauflösung; im Energieintervall zwischen 9 keV und 12 keV optimierte Beispielkonfigurationen liefern eine Lichtstärke von wenigstens rund 1000 cm^2 keV. Modelle aus Li und Be erreichen oberhalb von 4 keV bzw. 7 keV eine ähnliche Leistungsfähigkeit. Multiband-Hybridsysteme gestatten anders als diffraktiv simultan fokussierende Objektive die Detektion mittels konventioneller CCD. Die aus Li und Be bestehenden Konfigurationen bilden jeweils zwei Energiebänder gleichzeitig ab und erweisen sich bei einer Ortsauflösung im Sub-mm-Bereich sowie Brennweiten von wenigen 100 km als eine hinsichtlich ihrer Gesamt-Lichtstärke konkurrenzfähige Alternative zum Monoband-Teleskop: Man erhält im Idealfall 4000 cm^2 keV bis 7000 cm2 keV. Dialytische Modell-Teleskope, deren refraktive Komponente von der diffraktiven räumlich separiert ist, bieten zum einen die Option einer über mehrere keV durchstimmbaren, dispersionskorrigierten Optik. Unter Variation des Linsenabstandes ergibt sich ein nutzbares Energieintervall zwischen 6 keV und 14 keV. Die Lichtstärke nimmt dabei von 1000 cm^2 keV in zweiter bis auf 4000 cm^2 keV in dritter Dispersionsordnung zu. Kompakte Dialyten mit Durchmessern von 1 m besitzen das Potential zu einer Winkelauflösung von wenigen 10 Mikrobogensekunden sowie einer Lichtstärke von mehreren 1000 cm^2 keV. Der spektrale Bandpass solcher Modelle beträgt rund 1 keV oder mehr. Abschätzungen zum Signal-Rausch-Verhältnis zeigen, dass bei ausreichender Abschirmung des Detektors und moderatem Quellfluss mit einer signal- oder photonenlimitierten Beobachtungssituation zu rechnen ist. Dies gilt angesichts des diskreten Röntgen-Hintergrundes weitgehend auch dann, wenn mehrere Teleskope parallel geschaltet werden. Ergänzende Betrachtungen zu potentiellen astronomischen Beobachtungsobjekten zeigen, dass Koronae benachbarter Sterne, Jets von Röntgen-Doppelsternen und aktiven Galaxienkernen, Supernova-Überreste bzgl. ihrer Ausdehnung einer Auflösung von 1 mas genügen. Von großem Interesse dürften im Hinblick auf künftige Gravitationswellen-Experimente ferner Betrachtungen verschmelzender, supermassiver Schwarzer Löcher sein.

In dieser experimentellen Arbeit wurde die Strahlenbelastung in Zusammenschau mit der Bildqualität des neuen C-Bogens Siremobil ISO-C-3D evaluiert. Mit Hilfe eines Alderson-Phantoms wurden die Organ- und Effektivdosen ermittelt und mit der CT verglichen. Anhand von Leichenpräparaten wurde analog den Dosismessungen die Bildqualität beurteilt. Die Patientendosen des ISO-C-3D liegen in der Größenordnung einer Spiral-CT. Besonders zu berücksichtigen sind die Im Vergleich zur CT hohe Streustrahlung und Gonadendosen bei Untersuchungen beispielsweise der LWS, in der die Gonaden nicht direkt im Strahlengang liegen. Dadurch entsteht durch die Streustrahlung eine höhere Effektivdosis als in der CT. Deshalb sollte die Indikation zur Anwendung des ISO-C-3D streng gestellt werden. Der Vorschlag, mit dosisreduzierenden Protokollen die Patienten zu entlasten, wird sich aufgrund der begrenzten Bildqualität nicht durchsetzten. Die Bildgebung mittels des Standard-Protokolls des ISO-C-3D reicht für intraoperative Zwecke, z.B. Stellungskontrolle von Osteosynthesematerial, völlig aus. Zur praeoperativen Diagnostik wird allerdings die CT weiterhin Methode der 1. Wahl sein und vom ISO-C-3D nicht abgelöst werden, weil auch dem Standardprotokoll des ISO-C-3D Grenzen gesetzt sind.

Die Computertomographie wird seit Jahren zur Durchführung von diagnostischen und therapeutischen Interventionen als Planungs- und Zielgerät eingesetzt. Durch die Entwicklung der CT-Fluoroskopie wurde die direkte Echtzeitsteuerung von komplexen Interventionen ermöglicht, die teilweise hochinvasive Verfahren wie z.B. operative Eingriffe ersetzen konnten. Mit dieser Arbeit wollen wir in erster Linie den Arzt betrachten, der während der Intervention der Röntgenstrahlung ausgesetzt ist. Nachdem die CT für die CT-Fluoroskopie lediglich Schichtbilder in einer vorgegebenen Ebene berechnet, ist im Allgemeinen die Manipulation mit Interventionsmaterial im oder Nahe des Strahlenganges notwendig. Hierdurch stellt die Nähe der Hände zum Strahlengang und deren Strahlenexposition (Körperteildosis) das größte Problem dar. Die Entwicklung von Führungsgeräten wurde in den letzten Jahren zwar vorangetrieben, die meisten interventionell tätigen Radiologen bevorzugen jedoch aufgrund der besseren Manipulationsmöglichkeiten weiterhin die manuelle Führung. Obwohl das oberste Ziel weiterhin die gänzliche Vermeidung von Strahlenexpositionen sein muss, ermöglicht die von uns experimentell untersuchte segmentale Röhrenabschaltung eine deutliche Reduktion der Strahlenexposition im Bereich des Strahlenganges. Durch Abschaltung der Röntgenstrahlung im oberen Kreissegment der Rotation, wird im hohen Maße die Exposition durch Primärstrahlung, d.h. durch Strahlung die noch nicht durch den Patienten geschwächt wurde, reduziert. In Abhängigkeit von der genauen Position beträgt diese Reduktion bis zu 74%. Als problematisch ist die fehlende Variabilität des abgeschalteten Strahlensegmentes anzusehen. Durch mittlerweile fortgesetzte technische Entwicklungen ist nun eine variable Einstellung und somit die Anpassung an die genauen Punktionsbedingungen möglich. Somit können die oben angegebenen hohen Einsparpotentiale auch real verwirklicht werden. Neben der Exposition im Strahlengang selbst, kann durch die segmentale Röhrenabschaltung auch die Streustrahlung um 30-60% reduziert werden. Neben der Reduktion der Strahlenexposition des interventionellen Radiologen wurde auch das Einsparpotential an Patientendosis mit Hilfe der durchgeführten Phantommessungen evaluiert. Diese beträgt ca. 47% im Vergleich zu Messungen ohne segmentale Röhrenabschaltung. Zusammenfassend ist zu sagen, dass neben allgemeinen Maßnahmen zum Strahlenschutz, auch durch die Entwicklung der von uns untersuchten Röhrenstrommodulation der Firma Siemens Medical Solutions ein weiterer wichtiger Schritt zur Reduktion der Strahlenexposition für Patient und Arzt getan wurde. Als alleinige Methode ist diese Technik jedoch keineswegs ausreichend, als dass der Arzt sorgenfrei CT-Fluoroskopie gesteuerte Interventionen durchführen könnte und sich hierbei mit seinen Händen in der CT-Gantry im Strahlenfeld aufhält. Unsere Messungen belegen, dass selbst außerhalb des direkten Strahlenfelds die Streustrahlung aus dem Patienten noch als so hoch anzusehen ist, dass dem Arzt auch in diesem Bereich von einem ungeschützten Verbleib der Hände während der Intervention mit eingeschalteter CT Fluoroskopie abzuraten ist. Hierbei ist weiterhin die Kombination mit anderen Hilfsmitteln wie z.B. Führungshilfen sowie schwach bleihaltigen sterilen Handschuhen sowie mit altbewährten Methoden zur Dosisreduktion wie Abschirmung, Abschalten und Abstand notwendig, um unnötige Expositionen durch Röntgenstrahlung zu vermeiden.