Key words
radiation safety - technical aspects - radiation - technology assessment
Einleitung
Die in der Röntgenverordnung vorgeschriebene amtliche Personendosimetrie hat derzeit
einen nicht zu vernachlässigenden Anteil an den für Strahlenschutz aufgewendeten Mitteln
(ca. 60 € pro überwachter Person und Jahr [1]). In Zeiten wachsenden Kostendrucks im Gesundheitssystem ist die Suche nach gut
verfügbaren und kostengünstigen Alternativen daher sinnvoll.
Die Einführung von App-Stores für Smartphones (und Tablet-Computer) eröffnet die Möglichkeit,
diese Geräte durch kleine Zusatzprogramme in ihrem Funktionsumfang zu erweitern. Das
beständig wachsende Angebot maßgeschneiderter Apps sowie die mit der steigenden Verbreitung
der Geräte fallenden Anschaffungspreise führen, bislang vor allem im privaten Umfeld,
zu einer wachsenden Beliebtheit von Smartphones und Tablet-Computer. Diese Entwicklung
macht auch vor medizinischen Fragestellungen nicht halt, zunehmend werden für eine
Vielzahl von medizinischen Themen sogenannte „Medical Apps“ entwickelt [2]
[3]
[4]
[5]
[6]. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von der Erfassung von Vitalparametern (z. B. Blutdruck
und Körpertemperatur) über die Darstellung radiologischen Bildmaterials bis hin zur
Visite mit dem Tablet-Computer. Bedingung für den professionellen Einsatz einer jeden
Medical App, insbesondere wenn sie zur Diagnosefindung und therapeutischen Entscheidungen
beiträgt, ist die Zulassung nach dem Medizinproduktegesetz (MPG) und die Erlangung
einer CE-Kennzeichnung [7]
[8]
[9]
[10]
[11]. Ohne ein entsprechendes Zulassungsverfahren besteht die Gefahr haftungsrechtlicher
Konsequenzen für Hersteller und Anwender [12].
Derzeit entwickeln verschiedene Programmierer Apps zur Messung ionisierender Strahlung
ohne externe Hardware [13]
[14].
Als Sensor wird der in der Kamera verbaute Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS)-Chip
genutzt. Dieser kostengünstige Chiptyp wird in den Kameras fast jedes elektronischen
Geräts verwendet, in Kombination mit Szintillatoren auch als Detektor in der Radiologie.
CMOS-Photodioden lassen sich nicht nur durch sichtbares Licht, sondern auch durch
andere elektromagnetische Wellenstrahlung anregen.
Ziel dieser Studie ist es, die erzielbare Messgenauigkeit dieses Funktionsprinzips
gegenüber einem geeichten Ionisationskammer-Messgerät sowie die Nachweisbarkeit von
Röntgenstreustrahlung in einem möglichst praxisnahen Szenario zu evaluieren. Zu diesem
Zweck wurden 2 Apps auf 2 unterschiedlichen Plattformen getestet und auf Grundlage
der Messergebnisse mögliche Anwendungsbereiche im Vergleich zu den etablierten elektronischen
Dosimetern identifiziert [15].
Material und Methoden
Für die Versuche wurden ein Smartphone (HUAWEI IDEOS X3 mit Android 2.3 Betriebssystem)
mit der App „Radioactivity Counter“ sowie ein Apple iPad 2 in Verbindung mit der App
„WikiSensor“ ausgewählt.
Voraussetzung für die Detektion von ionisierender Strahlung ist die Abschirmung des
Kamerasensors gegenüber sichtbarem Licht bei gleichzeitig möglichst geringer Abschwächung
der hochenergetischen Strahlung durch das verwendete Abschirmmaterial (in unseren
Versuchen ein geschwärzter Röntgenfilm). Das Aufleuchten einzelner Pixel des CMOS-Chips
wird von der Programmroutine registriert und mittels einer Kalibrierungskurve in eine
Dosisleistung umgerechnet. Für die App „Radioactivity Counter“ wurden bereits vom
Programmierer für verschiedene Smartphone-Modelle Kalibrierungskurven mit einem 60Co-Strahler erstellt. Im Hinblick auf die Messung von Röntgenstreustrahlung am Alderson-Rando-Phantom
in einem OP-Szenario wurde mit einem C-Bogen (Exposkop CB 7-D, Ziehm Imaging, Nürnberg,
Deutschland) bei einer Röhrenspannung von 70 kV eine Kalibrierung durchgeführt ([Tab. 1]), diese mit der originären Kalibrierungskurve verglichen und anschließend in den
weiteren Versuchen genutzt. Das Smartphone und die Messkammer eines Ionisationsmessgerätes
(TOL/F, Berthold, Bad Wildbad, Deutschland) wurden nacheinander auf einem Bucky-Tisch
liegend in den direkten geschwächten Strahlengang des C-Bogens eingebracht und die
vom Smartphone über 3 min gemittelten Ereignisse/min bei kontinuierlicher Röntgenstrahlung
sowie die Dosisleistung mittels des TOL/F gemessen. Zur Abschwächung der Strahlung
wurden eine 17 cm dicke Plexiglasschicht und bis zu vier 1 cm starke Aluminiumplatten
genutzt. Für Messungen mit noch geringerer Dosisleistung wurde zusätzlich eine 2 mm
Kupferplatte verwendet. Diese 6 Messungen wurden jeweils dreimal wiederholt, die Daten
anschließend mittels Regression hinsichtlich ihrer Plausibilität überprüft und mit
der bestehenden Kalibrierungskurve verglichen.
Tab. 1
Kalibrierung des Herstellers von Radioactivity Counter für 60Co-Strahlung [14] und die Mittelwerte der Kalibriermessungen bei 70 kV Röntgenstrahlung.
|
Kalibrierung 60Co
|
Kalibrierung 70 kV
|
|
Dosisleistung (µSv/h)
|
CPM
|
Dosisleistung (µSv/h)
|
CPM
|
|
50 000
|
204 133
|
50 000
|
1233 651
|
|
1000
|
4118
|
10 000
|
258 436
|
|
100
|
418
|
1000
|
27 615
|
|
|
100
|
2951
|
|
|
50
|
1505
|
Nach Eingabe der errechneten Kalibrierungskurve in „Radioactivity Counter“ wurde bei
70 kV Röhrenspannung die Streustrahlung am Alderson-Rando-Phantom gemessen ([Abb. 1]). Dieses wurde auf Höhe der Darmbeinschaufel (Schicht 30 des Phantoms) mittig im
senkrechten Zentralstrahl auf dem Tisch liegend positioniert. Als Messpunkte wurden
seitlich am Phantom in Höhe Schicht 30 auf Mitte der dorsoventralen Achse Abstände
von 0,3 – 2 m zwischen Mittelpunkt der Transversalachse und Kamera/Messkammer (Strecke
s in [Abb. 2]) ausgewählt. Das Smartphone wurde so positioniert, dass eine gedachte Linie zwischen
dem Mittelpunkt der Linse und dem Referenzpunkt des Phantoms senkrecht auf Längs-
und Querachse des verbauten CMOS-Chips steht ([Abb. 2]).
Abb. 1 Screenshot der Anzeige des Radioactivity Counters. Im Rechteck rechts oben werden
neben dem Mittelwert über 3 je 1-minütige Messungen – auch die mit dem CMOS-Chip registrierten
Einzelereignisse – als weiße Pixel angezeigt.
Abb. 2 Schematischer Versuchsaufbau für die Messung der Streustrahlung mit dem Smartphone.
Bei der Kalibriermessung wurde das Alderson-Rando-Phantom durch Plexiglasplatten ersetzt,
Smartphone bzw. Ionisationskammer befanden sich im direkten geschwächten Strahlengang.
Zusätzlich wurde die Streustrahlung auf Höhe der Schilddrüse eines Untersuchers, d. h.
in einem Abstand von ca. 50 cm unter einem Winkel von 45° ausgehend von der Körpermitte
(transversale Achse) des Phantoms, gemessen. Nacheinander wurden Smartphone („RadioactivityCounter“),
iPad („WikiSensor“), TOL/F sowie ein Personendosimeter (EPD Mk 2, Thermo Fischer Scientific,
Erlangen, Deutschland) mittels eines Stativs an den Messpunkten positioniert und unter
Durchleuchtung die Streustrahlung gemessen. Über einen Zeitraum von 3 min/Messung
wurde die gemessene Dosisleistung von den Apps gemittelt. Zur Bestimmung der Winkelabhängigkeit
der Messergebnisse des Android-Smartphones wurde seitlich am Phantom in Höhe Schicht
30 auf Mitte der dorsoventralen Achse im Abstand 0,3 und 1 m die Messung wiederholt
und dabei das Mobiltelefon um 45° nach links/rechts gedreht, respektive um 45° nach
oben/unten gekippt am Stativ befestigt.
Die App „WikiSensor“ (iPad) sieht keine eigene Möglichkeit zur Kalibrierung vor. Die
beschriebenen Versuche zur Messung der Streustrahlung am Phantom wurden bei unrealistischen
Messergebnissen vorzeitig abgebrochen und es wurden keine weiteren Versuche mit dem
iPad durchgeführt.
Ergebnisse
In insgesamt 3 Versuchsreihen zur Erstellung der Kalibrierungskurve wurden mit dem
Ionisationskammer-Messgerät Dosisraten zwischen 12 700 µSv/h (17 cm Plexiglas) und
5,7 µSv/h (17 cm Plexiglas, 4 cm Al, 2 mm Cu) gemessen. Das erhaltene Datenmaterial
zeigt einen exponentiellen Zusammenhang zwischen den gemessenen Ereignissen/min (CPM)
und der Dosisleistung (DL = 33,897 × Ereignisse0,971) in einem Messbereich zwischen 69 µSv/h und 12 700 µSv/h ([Abb. 3]) bei einer Messunsicherheit von ca. 9 %. Die bei dem Smartphone stark schwankenden
Messwerte unterhalb von 50 µSv/h wurden für die weitere Betrachtung nicht berücksichtigt
(hierzu hätten die Messzeiten auf unrealistische hohe Werte gesetzt werden müssen).
Abb. 3 Kalibriermessung des Smartphones bei 70 kV Röntgenstrahlung (durchgezogene Linie/■).
Die Abweichung zur Kalibrierkurve aus dem 60Co-Messungen des Herstellers (gestrichelte Linie/▲) ist auf die unterschiedliche Strahlenqualität
zurückzuführen.
Bei Bestimmung der seitlich austretenden Streustrahlung am Alderson-Rando-Phantom
wurden mit dem TOL/F Dosisleistungen zwischen 117 µSv/h (2 m Abstand) und 5910 µSv/h
(0,3 m Abstand) gemessen. Die Abstandsabhängigkeit der Messwerte folgt in etwa dem
Abstandsquadratgesetz. Die mit „Radioactivity Counter“ ermittelten Dosisleistungen
lagen jeweils ca. um den Faktor 1,4 abweichend unter den mit dem TOL/F gemessenen
Werten ([Abb. 4]).
Abb. 4 Mittelwerte registrierter Streustrahlung am Alderson-Rando-Phantom in verschiedenen
Abständen (30, 50, 75, 100, 150, 200 cm). TOL/F (durchgezogene Linie/■), Smartphone
(gestrichelte Linie/⧫♦) und EPD Mk2 (gepunktete Linie/▲).
Auf Höhe der Schilddrüse eines Untersuchers wurden 4200 – 4400 µSv/h (TOL/F 4400 µSv/h;
„Radioactivity Counter“ 4400 µSv/h; EPD Mk2 4200 µSv/h) gemessen.
Gerade bei geringem Abstand zum Phantom zeigte sich eine starke Winkelabhängigkeit
der Messergebnisse des Smartphones: Im Abstand von 0,3 m führte ein Abkippen des Smartphones
um 45° nach unten zu einer Abnahme der gemessenen Dosisleistung von 3000 µSv/h auf
972 µSv/h, wohingegen ein Abkippen um 45° nach oben zu einer Zunahme auf 5000 µSv/h
führte ([Abb. 5]). Im Abstand von 1 m verringerte sich sowohl bei Abkippen als auch bei Drehungen
stets die ermittelte Dosisleistung ([Abb. 5]).
Abb. 5 Winkelabhängigkeit der Messung der Streustrahlung mit dem Smartphone. Dabei entspricht
ein Winkel von 90° einem senkrechten Auftreffen der Strahlung auf die Kameralinse.
Drehung um jeweils 45° nach li. (135°) und re. (45°) in 1 m Abstand (durchgezogene
Linie/▲); Kippung um jeweils 45° nach oben und unten in 1 m Abstand (durchgezogene
Linie/■) und in 30 cm Abstand (gestrichelte Linie/■).
Die Messwerte der App „WikiSensor“ stellten sich schon während der Durchführung des
Versuchs als inadäquat heraus: Bei einem Abstand von 50 cm vom Streukörper wurden
4483 Ereignisse/min bzw. laut App 58,3 µSv/h (TOL/F: 1750 µSv/h), in 75 cm Abstand
2532 Ereignisse/min bzw. 55,3 µSv/h (TOL/F: 865 µSv/h) gemessen. Daraufhin wurde die
Messreihe abgebrochen.
Diskussion
Die vorliegende Studie zeigt die prinzipielle Möglichkeit des Nachweises ionisierender
Strahlung mittels CMOS-basierten Handy-Kameras, es müssen jedoch zahlreiche Fallstricke
beachtet werden.
Software
Voraussetzung für eine quantitative Messung ionisierender Strahlung ist die Kalibrierung
des jeweiligen Geräts. Die Messungen mit der nicht kalibrierbaren App „WikiSensor“
für das iPad 2 lieferten deshalb auch keine adäquaten Werte.
Ist die Kalibrierung möglich, muss diese für jedes Gerät, mindestens aber jede Gerätegeneration/jeden
CMOS-Chiptyp und Version der Firmware/des Betriebssystems erfolgen, um konstruktive
und bauteilspezifische Einflussgrößen zu korrigieren.
Hardware
Ist die softwareseitige Möglichkeit zur Kalibrierung gegeben („RadioactivityCounter“),
kann die Dosisleistung gerichteter ionisierender Strahlung, die senkrecht auf den
Kamera-Sensor trifft, in einem Bereich von ca. 100 – 3000 µSv/h qualitativ gut beurteilt
werden. Trifft Streustrahlung unter einem anderen Winkel auf den CMOS-Chip, ist eine
zuverlässige Bestimmung nicht mehr möglich. Eine Erklärung bietet die Konstruktion
der Kamera: Der Kamerasensor eines Smartphones misst ca. 9 – 10 mm2, die einzelnen Pixel weisen eine prismatische Struktur auf. Unterschiedliche Einstrahlwinkel
hochenergetischer Strahlung können so entweder zu einer Anregung mehrerer Pixel, d. h.
zu falsch hohen oder bei asymmetrischem Aufbau des Gehäuses unterschiedlich geschwächt
und damit zu falsch niedrigen Messergebnissen führen. Eine weitere Einflussgröße ist
die ungleichmäßige abstandsabhängige räumliche Verteilung der Streustrahlung. Bei
der Untersuchung der Winkelabhängigkeit fanden wir im Vergleich zur senkrecht auftreffenden
Streustrahlung sowohl eine Über- als auch eine Unterschätzung. Damit ist eine zuverlässige
Messung der Streustrahlung bei nicht ebener Ausbreitung des Strahlenfelds und nicht
senkrechtem Auftreffen auf die Linse grundsätzlich nicht möglich.
Ein weiterer Beleg hierfür ist die unterschiedliche Abweichung zwischen den Messwerten
des ToL/F und des Smartphones bei den verschiedenen Expositionsbedingungen (seitlich
Faktor 1,4 und auf Höhe der Schilddrüse Faktor 1) trotz der zuvor durchgeführten Kalibrierung.
Neben dem Einfluss der Winkelabhängigkeit ist dies aus unserer Sicht auf die unterschiedlichen
Strahlenqualitäten bei Messung und Kalibrierung und das sehr unterschiedliche aktive
Detektorvolumen (Ionisationskammer versus Halbleiter-Chip) zurückzuführen.
Firmware
Die Firmware der Handykamera, insbesondere die Algorithmen zur Rauschunterdrückung,
beeinflusst das Messergebnis maßgeblich. Mittels einer statistischen Analyse der Signale
könnte die Genauigkeit erhöht und die Winkelabhängigkeit u. U. minimiert werden.
CMOS-basierte externe Sensoren
Eine Möglichkeit, die konstruktiv bedingten Messungenauigkeiten zu umgehen, bietet
die Entwicklung von externen Sensoren. Da das Smartphone in diesem Fall nur noch zur
Darstellung, Auswertung und Protokollierung der extern ermittelten Daten genutzt wird,
werden Einflussgrößen wie die Bauform des Gehäuses und die Bildverarbeitung durch
Firmware/Betriebssystem eliminiert. Die Erstellung einer Kalibrierungskurve müsste
nur einmalig erfolgen, könnte direkt im Sensor hinterlegt und damit der Kalibrieraufwand
deutlich reduziert werden. Die vorliegende Studie zeigt, dass dazu auch kostengünstige
CMOS-Chips verwendet werden können. Zwingend erforderlich ist die Auswahl einer geeigneten
Schnittstelle (Bluetooth, WLAN, Mikrofoneingang, USB) zur Kopplung von externer Hardware
und App. Dies setzt bei einigen Modellen die Teilnahme an Entwicklerprogrammen und
die (zum Teil teure) Lizenzierung der Schnittstelle voraus [17].
Mit externen Sensoren wäre sogar eine gleichzeitige Erfassung und Anzeige der Strahlenexposition
an unterschiedlichen Messpunkten z. B. Schilddrüse und Oberkörper oder aber die Echtzeitüberwachung
mehrerer Personen im Kontrollbereich möglich.
Obwohl Smartphones unter „Idealbedingungen“ über die internen Kamerasensoren eine
vorhandene ionisierende Strahlung überraschend genau nachweisen können, erachten wir
aufgrund der in der Arbeit aufgezeigten Limitationen wie Winkelabhängigkeit und lange
Messzeiten (3 min und mehr bei niedrigen Dosisleistungen) lediglich einen Einsatz
als „Dosis-„ oder „Strahlungswarner“ als sinnvoll – nicht aber als Personendosimeter.
Selbst für die schon länger etablierten elektronischen Dosimeter wie das verwendete
EPD Mk2 waren aufwendige Studien notwendig, um ihre Eignung für die Personendosimetrie
in der Röntgendiagnostik abzusichern und eine Bauartzulassung für definierte Bedingungen
zu erhalten [16].
Im klinischen Alltag werden Smartphones und Tablet-Computer als Plattform zur mobilen
Datenabfrage, -eingabe und, insbesondere im Bereich der ambulanten Patientenversorgung,
Akquisition von Messdaten eine wichtige Rolle spielen. Inwieweit durch zukünftige
Entwicklungen von externen Sensoren eine gleichzeitige verlässliche Erfassung und
Anzeige einer Strahlenexposition möglich wird, muss noch abgewartet werden.
Abkürzungen
App:
Application (kleines Softwareprogramm)
CMOS:
Complementary Metal Oxide Semiconductor
CPM:
Counts per minute
USB:
Universal Serial Bus
WLAN:
Wireless Local Area Network
