Kollimator
Synonym: Kollimatorblende
Englisch: collimator
Definition
Ein Kollimator ist eine Vorrichtung zur räumlichen Begrenzung und Formung eines Strahlenbündels. In der medizinischen Bildgebung dient er dazu, nur Strahlung aus definierten Richtungen passieren zu lassen und Strahlenanteile außerhalb des gewünschten Strahlenfeldes zu absorbieren.
Terminologie
Der Begriff wird in der Röntgendiagnostik und der Computertomographie meist für die Blende zur Begrenzung des Nutzstrahlenfeldes verwendet, in der Nuklearmedizin für Lochkollimatoren vor dem Detektor.
Hintergrund
Ohne Kollimation würde sich ein Strahlenbündel ungehindert ausbreiten und auch Bereiche außerhalb des interessierenden Untersuchungsvolumens erfassen oder Strahlung aus unerwünschten Richtungen detektieren. Der Kollimator begrenzt deshalb die Geometrie des Strahlenfeldes bzw. des detektierten Strahlenbündels. Die Kollimation erfüllt zwei zentrale Funktionen:
- Begrenzung des bestrahlten oder detektierten Volumens
- Verbesserung der Bildqualität durch Reduktion unerwünschter Strahlenanteile
In der Röntgendiagnostik und Computertomographie führt eine enge Kollimation zu einer Reduktion der Strahlenexposition und der entstehenden Streustrahlung. In der Nuklearmedizin legt der Kollimator fest, aus welchen Richtungen Gammastrahlung den Detektor erreichen darf, und beeinflusst damit Ortsauflösung und Sensitivität.
Radiologie
Röntgen
In der projektionsradiographischen Bildgebung bezeichnet der Kollimator meist die verstellbare Blende am Strahleraustritt der Röntgenröhre. Sie begrenzt das Strahlenfeld auf die erforderliche Feldgröße.
Aufbau
Röntgenkollimatoren bestehen typischerweise aus:
- einem Gehäuse mit strahlenabsorbierendem Material, meist Blei oder Wolfram
- einer Primärblende
- zwei Paaren gegeneinander verschiebbarer Bleilamellen (Mehrblattblende)
- einem Lichtvisier zur Projektion des eingestellten Strahlenfeldes
Die Bleilamellen definieren die Feldgröße in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen. Das Lichtvisier ermöglicht die sichtbare Markierung des späteren Röntgenfeldes auf dem Patienten.
Funktion
Die Kollimation des Nutzstrahlenfeldes hat mehrere Auswirkungen:
- Reduktion der bestrahlten Körperregion
- Verringerung der Entstehung von Streustrahlung
- Verbesserung des Bildkontrasts
- Reduktion der Patientendosis
Eine zu weite Öffnung des Strahlenfeldes führt zu unnötiger Gewebeexposition und zu vermehrter Streustrahlung, die den Detektor erreicht und die Bildqualität verschlechtert.
Computertomographie
In der Computertomographie bezeichnet Kollimation die geometrische Begrenzung des Strahlenbündels in z-Richtung. CT-Systeme besitzen zwei Kollimatorstufen:
- Präpatienten-Kollimator nahe der Röntgenröhre zur Begrenzung des Strahlenbündels
- Postpatienten-Kollimator vor dem Detektor zur Reduktion von Streustrahlung und zur Definition der effektiven Schichtdicke
Der Kollimator beeinflusst unter anderem:
- die erfasste Schichtdicke
- die Breite des bestrahlten Volumens
- die Dosisverteilung
- die Ortsauflösung in z-Richtung
- Reduktion der Streustrahlung
Bei modernen Mehrzeilen-CT-Systemen bestimmt die Kollimation zusammen mit der Detektorgeometrie die simultane z-Abdeckung pro Rotation.
Nuklearmedizin
In der Nuklearmedizin befindet sich der Kollimator vor dem Detektor, z.B. vor der Gamma-Kamera. Da Gammastrahlung im Gegensatz zu sichtbarem Licht nicht mit optischen Linsen fokussiert werden kann, wird ihre Richtungsauswahl durch mechanische Kollimation erreicht.
Der Kollimator absorbiert alle Photonen, die nicht nahezu parallel zu den vorgegebenen Lochkanälen verlaufen. Dadurch können nur Photonen aus bestimmten Richtungen den Detektor erreichen.
Aufbau
Nuklearmedizinische Kollimatoren bestehen aus hochabsorbierendem Material, meist Blei, mit einer Vielzahl definierter Kanäle oder Öffnungen. Die Geometrie dieser Öffnungen bestimmt die Abbildungseigenschaften. Wichtige Konstruktionsparameter sind:
- Lochdurchmesser
- Lochlänge
- Septendicke
- Lochanordnung
Diese Parameter bestimmen den Kompromiss zwischen Ortsauflösung und Sensitivität: Kleine und lange Löcher verbessern die Richtungsselektion, lassen aber weniger Photonen passieren.
Typen
Je nach Anwendung werden unterschiedliche Kollimatortypen verwendet:
- Parallel-Loch-Kollimator: Die Bohrkanäle verlaufen parallel zueinander. Dieser Kollimator liefert eine maßstabsnahe Abbildung und ist der Standardkollimator der Gamma-Kamera.
- Konvergierender Kollimator: Die Kanäle verlaufen zur Detektorfläche hin auseinander und zum Objekt hin zusammen. Dadurch wird ein kleineres Objektfeld vergrößert abgebildet.
- Divergierender Kollimator: Die Kanäle verlaufen zum Objekt hin auseinander. Er erlaubt die Erfassung eines größeren Untersuchungsfeldes auf einem begrenzten Detektor.
- Pinhole-Kollimator: Er besitzt nur eine kleine Öffnung und erzeugt eine Lochkameraabbildung. Er wird insbesondere für kleine Organe oder kleine Objekte verwendet, z.B. in der Schilddrüsenszintigraphie oder präklinischen Bildgebung.
- Fanbeam-Kollimator: Die Kollimation erfolgt in einer Richtung konvergent und in der dazu senkrechten Richtung parallel. Dieser Kollimatortyp wird insbesondere in der SPECT verwendet.
