Strahlaufhärtung
Englisch: beam hardening
Definition
Als Strahlaufhärtung bezeichnet man die Verschiebung des Energiespektrums von Röntgenstrahlung zu höheren mittleren Photonenergien beim Durchgang der Strahlung durch Materie. Ursache ist die bevorzugte Absorption niederenergetischer Photonen.
Physikalische Grundlagen
Die in einer Röntgenröhre erzeugte Bremsstrahlung besitzt ein kontinuierliches Energiespektrum mit einem großen Anteil niederenergetischer Photonen. Beim Durchgang durch Materie werden Photonen jedoch energieabhängig absorbiert. Niederenergetische Photonen werden deutlich häufiger durch den Photoeffekt absorbiert als hochenergetische Photonen. Dadurch werden vor allem die energiearmen Anteile des Spektrums entfernt. Die verbleibende Strahlung besitzt daher eine höhere mittlere Energie und wird als "härtere" Strahlung bezeichnet. Dieser Effekt führt dazu, dass sich das Energiespektrum der Strahlung mit zunehmender durchstrahlter Materialdicke kontinuierlich verändert.
Die Stärke der Strahlaufhärtung hängt von mehreren Faktoren ab:
- Ordnungszahl des durchstrahlten Materials
- Objektdicke und -dichte
- Energieverteilung der einfallenden Röntgenstrahlung
Materialien mit hoher Ordnungszahl und großer Dicke verursachen eine stärkere Strahlaufhärtung, da dort der Photoeffekt besonders häufig auftritt.
Radiologie
In der Radiologie wird der Effekt teilweise gezielt zum Strahlenschutz genutzt. Durch sogenannte Filter im Strahlengang werden niederenergetische Photonen bereits vor dem Eintritt in den Patienten entfernt. Diese Vorfilterung reduziert die Strahlenexposition, da niederenergetische Photonen zwar absorbiert werden, aber kaum zur Bildgebung beitragen. Typische Filtermaterialien sind z.B.:
Strahlaufhärtung führt dazu, dass die Abschwächung der Strahlung nicht mehr exakt dem Lambert-Beer-Gesetz für monoenergetische Strahlung folgt. In der Computertomographie kann Strahlaufhärtung zu charakteristischen Bildartefakten führen. Da das Strahlenspektrum beim Durchgang durch unterschiedliche Gewebedicken verändert wird, können Rekonstruktionsfehler entstehen. Typische Artefakte sind:
- Cupping-Artefakt: scheinbar geringere Abschwächung im Zentrum eines homogenen Objekts
- Streifenartefakte: zwischen stark absorbierenden Strukturen (z.B. Knochen)
Moderne CT-Systeme verwenden verschiedene Korrekturverfahren, um diese Effekte zu reduzieren.
siehe auch: Aufhärtungsartefakt