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Röntgenstrahlung in der medizinischen Diagnostik – Absorption, Röntgenspektrum und CT

PhysikQuanten- und KernphysikAlter 17–18Virtuelles Labor

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Ein Röntgenstrahl durchdringt verschiedene Gewebeschichten: Weichgewebe absorbiert wenig, Knochen viel mehr, was dem Bild auf dem Film seinen Kontrast gibt. Verändern Sie Röhrenspannung, Gewebedicke und Gewebeart und sehen Sie, wie das Absorptionsgesetz I = I₀·e^(−µx) die Bildqualität bestimmt und warum die Strahlendosis des Patienten sorgfältig abgewogen werden muss. Der Bildschirm Röntgenspektrum zeigt das Bremsspektrum mit der Grenzwellenlänge λmin = hc/(eU) und die charakteristischen Linien Kα und Kβ der Anode; tragen Sie λmin gegen U auf, um die Planck-Konstante zu bestimmen. Der Bildschirm CT nimmt viele Projektionen einer Bauchschicht auf und rekonstruiert sie durch gefilterte Rückprojektion, mit CT-Zahlen (HU), Kontrastmittel und Dosis.

Lektion: Anwendungen der Physik in der medizinischen Diagnostik

Was sie zeigt

Röntgenstrahlung wird in Materie exponentiell geschwächt, I = I₀·e^(−µx); Knochen hat ein größeres µ als Weichgewebe, was dem Röntgenbild Kontrast gibt, und härtere Strahlung (mehr kV) durchdringt besser, liefert aber weniger Kontrast. Der Bildschirm Röntgenspektrum zeigt, wie die Röhre sie erzeugt: ein kontinuierliches Bremsspektrum, das bei λmin = hc/(eU) endet, und die charakteristischen Linien Kα und Kβ der Anode, sobald eU die Bindungsenergie der K-Schale übersteigt. Der Bildschirm CT nimmt Projektionen einer Bauchschicht aus vielen Winkeln auf und rekonstruiert sie durch gefilterte Rückprojektion, mit CT-Zahlen, der Wirkung eines Kontrastmittels und dem Abwägen zwischen Dosis und Bildrauschen.

So funktioniert es

Verschieben Sie unter Absorption die Regler Dicke, Röhrenspannung und Knochenanteil und vergleichen Sie Kontrast und relative Dosis. Ändern Sie unter Röntgenspektrum Röhrenspannung U, Anode, Röhrenstrom und Aluminiumfilter, klicken Sie bei mehreren Spannungen auf Aufnehmen und bestimmen Sie h aus dem Diagramm λmin gegen 1/U. Klicken Sie unter CT auf Scannen, verringern Sie die Anzahl der Projektionen, schalten Sie Filter vor der Rückprojektion aus, aktivieren Sie Kontrastmittel gespritzt und tippen Sie ins Bild, um CT-Zahlen abzulesen.

Einstellbare Parameter

  • Röhrenspannung 40–140 kV
  • Dicke des Körperteils 2–30 cm
  • Knochenanteil entlang des Strahlwegs 0–60 %
  • Bildschirm Absorption, Röntgenspektrum, CT
  • Röhrenspannung (Spektrum) 10–150 kV
  • Anodenmaterial Wolfram, Molybdän, Kupfer
  • Röhrenstrom 1–10 mA
  • Dicke des Aluminiumfilters 0–5 mm
  • Waagerechte Achse des Spektrums Wellenlänge, Photonenenergie
  • CT-Projektionen 1–180
  • CT-Dosis Niedrig, Standard, Hoch
  • Filter bei der CT-Rekonstruktion
  • Kontrastmittel

Fragen zum Erkunden

  1. Warum erscheint Knochen im Röntgenbild heller als Weichgewebe?
  2. Warum verkürzt eine höhere Röhrenspannung λmin, während die Kα-Linie bei derselben Wellenlänge bleibt?
  3. Warum zeigt ein CT-Bild aus wenigen Projektionen Streifen, und was ändert der Filter daran?

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