Computertomographie Geschichte und Technologie
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_RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 2 C Computertomographie Geschichte und Technologie Probedruck M Y CM MY CY CMY K _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 3 C M Y CM MY CY CMY K Innovationen für Menschen Es war schon eine kleine medizintechnische Revolution, als die radiologische Diagnostik in den siebziger Jahren damit begann, die Computertomographie (CT) einzusetzen. Und selbst in den Achtzigern hatte eine CT-Untersuchung noch immer den Charakter des Besonderen und Exklusiven. Doch die Zeiten haben sich geändert. Heute stellt die Computertomographie eine ebenso selbstverständliche wie etablierte Technologie dar, die zu einem unverzichtbaren und integrierten Bestandteil im Klinik- und Praxisalltag avanciert ist. Die vorliegende Broschüre gibt Ihnen einen Einblick in die Geschichte und in die Gegenwart der Computertomographie. Doch die Entwicklung geht weiter. Und Siemens wird seine führende Position in der CT-Technologie konsequent ausbauen. Mit Ihnen. Für Sie. Und für Ihre Patienten. 2 Probedruck CT Basics _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 4 C M Y CM MY CY CMY K Historischer Abriss 4 Stand der Technik 12 Sequentielle CT Spiral-CT 12 13 Aufbau eines CT-Gerätes 14 Aufnahmeeinheit Röntgenkomponenten Datenerfassungskomponenten 15 15 16 Scanner-Parameter 18 Kollimation Inkrement Pitch Rotationszeit mAs 18 19 20 21 22 Bilderzeugung 23 Ein CT-Bild entsteht Was zeigt das CT-Bild? Fensterung 23 24 24 Bildauswertung und Bildbearbeitung 25 Zweidimensionale Darstellungen Dreidimensionale Darstellungen 26 27 CT im klinischen Einsatz 32 CT in der allgemeinen Klinik Vorteile der Spiral-CT in der Klinik CT-Angiographie (CTA) Bei welchen Indikationen werden CT-Untersuchungen durchgeführt? 32 32 33 33 3 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 5 C M Y CM MY Historischer Abriss Die Erfindung der Computertomographie gilt als die größte Innovation auf dem Gebiet der Radiologie seit der Entdeckung der Röntgenstrahlen. Das Schichtbildverfahren eröffnete der radiologischen Diagnostik bessere Einsichten in das Innere des Körpers und damit bessere Chancen auf Heilung. 1979 wurden G.N. Hounsfield und A.M. Cormack als Väter der CT mit dem Nobelpreis für Medizin geehrt. Heute ist die CT eine der bedeutendsten Methoden der radiologischen Diagnostik. Sie liefert überlagerungsfreie, errechnete digitale Schichtbilder des Körpers, die kontrastreicher sind als konventionelle Röntgenbilder. Damit sind z.B. spezielle, unterschiedlich strukturierte Weichteilregionen überhaupt erst zufriedenstellend darstellbar. Einen Innovationsschub nach dem anderen erlebt die Computertomographie seit den neunziger Jahren, als die Spiral-CT eingeführt wurde. Die Entwicklung der Schleifringtechnik ermöglichte kontinuierlich rotierende Scannereinheiten – die Voraussetzung für Spiral-CT. Der erste Spiral-CT-Scanner war ein Siemens SOMATOM Plus. Heute ist diese Technik weit verbreitet. 4 Probedruck CT Basics CY CMY K _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 6 C 08.11.1895 1896 M Y CM MY CY CMY K 1913 1903 Entdeckung der Röntgenstrahlung Gustav Bucky E.A.O. Pasche F.H. Williams Entdecker: Der Physiker und spätere Nobelpreisträger Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923), Rektor der Julius-Maximilian-Universität Würzburg und Inhaber des Lehrstuhls für Physik William D. Coolidge F.H. Williams gelingt in Boston die erste Thoraxaufnahme und Carl Schleußner entwickelt in Frankfurt/Main, Deutschland, die ersten mit Silberbromid beschichteten Röntgenfotoplatten Nun ist eine Archivierung der Befunde möglich; vorher waren Fluoreszenzschirme das Mittel der Wahl, die hohe Strahlenbelastungen mit sich brachten Gustav Bucky entwickelt in Berlin, Deutschland, das Streustrahlenraster E.A.O. Pasche baut eine Blende zur Unterdrückung der Streustrahlung Erstmals Strahlenschutz für alle Beteiligten, vorher standen Patient und Arzt vor der „blanken“ Röntgenröhre M e i l e n s t e i n e Röntgenbild der Hand seiner Frau Probedruck Der Ingenieur William D. Coolidge baut in Massachusetts, USA, die erste Hochvakuum-Glühkathodenröhre Bildqualität wird durch Eliminierung der Streustrahlen, bevor sie auf dem Röntgenfilm auftreffen, erhöht Leistung und Haltbarkeit der Röntgenröhren sehr gesteigert i n d e r C T - G e s c h i c h t e 5 _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 7 C 1930/31 M 1972 Allesandro Vallebona Y CM MY CY CMY 1974 K 1976 1978 SIRETOM SOMATOM Bernard Ziedses des Plantes Godfrey N. Hounsfield Allesandro Vallebona ebnet mit der Entwicklung der Stratigraphie den Weg zur Tomographie Kurz darauf verfeinert Bernard Ziedses des Plantes mit der von ihm entwickelten Planigraphie das Schichtaufnahmeverfahren und erzeugt damit erstmals geometrisch einwandfreie Bilder Der Nachteil der Superposition, die bei der zweidimensionalen Darstellung von dreidimensionalen Objekten auftritt und bei der relevante Strukturinformationen verloren gehen können, konnte damit zumindest teilweise überwunden werden; die gewünschte Schichttiefe musste erahnt werden In London leitet Godfrey N. Hounsfield mit der Entwicklung der Computertomographie eine neue Epoche in der bildgebenden Diagnostik ein Durch computergestützte Tomographie können erstmals überlagerungsfreie Bilder einer Objektschicht erzeugt werden. Durch so genannte Faltungsrechner werden die digitalisierten Messdaten zu einem Bild einer Schichtebene rekonstruiert Sofortbildrekonstruktion SOMATOM 2 Erstes CT-System von einem Medizintechnikhersteller EKGsynchronisiertes CT-Bild 512 x 512 Darstellungsmatrix Röntgenröhre OPTI mit hoher Wärmekapazität: 1,0 MHU 5 s Messzeit Ganzkörper-CT SIRETOM CT-System 6 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 8 C 1981/82 1983/84 M Y CM MY CY CMY 1985/86 K 1987/88 SOMATOM Plus SOMATOM DR3 1 s/360° SchleifringTechnologie SOMATOM CR Kontinuierliche Rotation von Röhre und Detektor SOMATOM DRH 512 x 512 Rekonstruktionsmatrix ± 25° GantryKippwinkel 50 cm FOV (Darstellungsfeld); grafisch wählbar, kontinuierlich variabel 70 cm Gantry-Öffnung 3 s Scanzeit bei voller 360° Rotation 1 mm Schichtdicke 0,5 mm Hochkontrastauflösung Röntgenröhre OPTI mit 1,75 MHU Integrierte MPR-Funktion (multiplanare Reformatierung) Moderne Applikationen: DYNAMIC CT und 3D mit MPR und SSD (Shaded Surface Display) Kürzere Untersuchungszeiten 3D Oberflächendarstellung (SSD) 40 kW DURA-Generator Mehr Patientenkomfort Röntgenröhre DURA mit 13,5 MHU Integrierte GantryKühlung: Wärmetauscher 1024 x 1024 Darstellungsund Dokumentationsmatrix Röntgenröhre OPTI mit 1,35 MHU MPR in Echtzeit Automatischer Scanbetrieb (AutoScan) Fünf Schichtdicken zur Auswahl (1–10 mm) Grafisch vorgegebener Scanbereich Coronales MPR, Femurkopf/Azetabulum, SOMATOM DRH 3D Oberflächendarstellung Schlüsselbeinfraktur, SOMATOM DRH 7 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 9 C 1989 M Y 1990 CM MY CY CMY K 1991 SOMATOM AR Erste Spiral-CT im Routinebetrieb SOMATOM Plus-S Intuitive mausgesteuerte Windows™Bedienoberfläche Kontinuierliche Volumenmessung Datenaufnahme während einer Atempause 24 s/24 cm kontinuierliche Volumenerfassung Kompakter Schleifring-Scanner 32 s kontinuierlicher SPIRAL-Scan Detektor QUANTILLARC 3 Spiral-CT-Aufnahme mit kontinuierlichem Tischplattenvorschub links: 3D Oberflächendarstellung Lunge, hochauflösend, Spiral-CT rechts: Spiral-CT, Lunge, hochauflösend, 2 mm, SOMATOM Plus 8 Probedruck CT Basics Monitor mit 4-Quadrantendarstellung (je 5122) für Multitasking QUANTILLARC 4 Detektor mit hohem Wirkungsgrad Intuitive Windows™Bedienoberfläche, mausgesteuert SOMATOM AR _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 10 C 1992 Integrierte CT-Angiographie M Y CM MY CY CMY K 1994 SOMATOM Plus 4 0,75 s SPIRAL 1,0 s SPIRAL Sub-Sekunden Spiral-CT 30 cm/ 30 s 40 cm/ 30 s Röntgenröhre DURA-S mit 4,3 MHU Überlappende SPIRAL-Rekonstruktion pro- und retrospektiv SPIRAL XP: 40 s (variabler Pitch 1:1 bis 2:1) Maximal-Intensitätsprojektion (MIP) und Minimal-Intensitätsprojektion (MinIP) einschl. Editierfunktion für CTA Größere Volumina in kürzerer Zeit, kürzeres Atemanhalten, mehr Patientenkomfort, verbesserte Dünnschicht-Auflösung Mehr Volumen in gleicher Zeit 0,75 s Scandauer bei voller 360° Rotation, 0,5 s Teilscan 0,75 s SPIRAL 1,0 s SPIRAL 100 s/130 cm Mehrfach-SPIRAL Aufnahme mit Pitch 1:1 Sechs Schichten (1–10 mm) zur Wahl Fernbediente Gantry-Kippung ± 30° Edelgas-Detektor QUANTILLARC 6 40–55 kW modular aufrüstbarer DURA-Generator Röntgenröhre DURA mit 5,3 MHU rt R CT-Angio (MIP) der Nierenarterien SOMATOM Plus-S CT-Angio (MIP) Circulus Willisii SOMATOM Plus-S 22 s 0,75 s SPIRAL 30 s 1,0 s SPIRAL Gleiches Volumen in kürzerer Zeit Sub-Sekunden Spiral-CT, lange MPR, Abdomen/Pelvis, SOMATOM Plus 4 Probedruck Bessere DünnschichtAuflösung Vorteile des Sub-Sekunden SPIRAL-Scans 9 _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 11 C 1996/97 L M 1998 Y CM MY CY CMY K 1999 Lightning UFC™ syngo Software SOMATOM Volume Zoom Ultra Fast CeramicDetektor UFC RAL Gleiche Bildqualität bei deutlich reduzierter Strahlendosis Multislice Spiral Scanning mit 4 Schichten pro Rotation Schnellste Rotationszeit von 0,5 Sekunden Verbesserte MPR – coronar/sagittal/schräg Nahezu isotrope Auflösung Echtzeit-Bilddarstellung (1 Bild/Rotation) HeartView CT: erstmals Cardio CT im routinemäßigen Einsatz – zeitliche Auflösung von bis zu 125 ms Volume Rendering Technique (VRT) Intuitive Benutzeroberfläche für alle medizinischen Anwendungen, Applikationen und Produkte SureView™: Rekonstruktionsalgorithmus für Multislice Spiral Scanning PIRAL RAL 10 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 12 C 2000 2001 SOMATOM Smile M Y CM MY CY CMY K 2002 SOMATOM Sensation 16 CARE Dose Multislice Scanning mit 16 Schichten pro Rotation Kleinster und kostengünstigster Spiral-CT-Scanner Plug and Play Installation Do-it-yourself Konzept für Applikationstraining und Service mit Hilfe von interaktiven CD-ROMs Isotrope Auflösung bis zu 0,6 mm Dosismodulation zur Strahlenreduzierung Routinemäßig SubmillimeterSchichten (16 x 0,75 mm) Cardio CT mit extrem hoher Bildqualität – zeitliche Auflösung von bis zu 105 ms mit HeartView CT Rekonstruktionsalgorithmus mit Cone Beam Korrektur 11 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 13 C M Y CM MY CY CMY K Stand der Technik Sequentielle CT Eine Schichtaufnahme entsteht durch das Abbild einer Transversalschicht des Körpers aus unterschiedlichen Winkelpositionen. Dabei rotieren Röhre und Detektor über einen Bereich von 360° um den Patienten bei fester Tischposition. Das Bild wird aus den resultierenden Projektionsdaten berechnet. Bewegt sich der Patient während einer Aufnahme, so sind die Daten aus den unterschiedlichen Winkelpositionen nicht mehr konsistent. Die Aufnahme weist Bewegungsartefakte auf und ist für die Diagnose von eingeschränktem Wert. Das Schichtaufnahmeverfahren ist für die Diagnose anatomischer Regionen mit periodischen Bewegungen, z.B. das Herz oder die Lunge, nur begrenzt aussagefähig. 12 Probedruck CT Basics Röhren Gantry Patiententisch Detektoren _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 14 C M Y CM MY Richtung des Patiententransports CY CMY K Bahn der rotierenden Röhre und des Detektors 0 z, mm 0 t, s Spiral-CT Im Zusammenhang mit Spiral-CT fällt oft der Begriff „Volumenaufnahme-Verfahren.“ Das impliziert eine deutliche Abgrenzung zur konventionellen CT und dem dort angewandten Schichtaufnahme-Verfahren. Der Spiral-CT liegt ein eigenes Aufnahmeprinzip zu Grunde. Anders als bei der sequentiellen CT wird der Patient auf dem Tisch in z-Richtung kontinuierlich durch das Messfeld bewegt. Dabei führt die Scanner-Einheit immer in der gleichen Richtung eine Vielzahl von 360°-Rotationen aus. Auf diese Weise tastet der Röhrenstrahl den Körper spiralförmig ab und erzeugt ein Datenvolumen. Dieses Volumen wird aus einer Vielzahl dreidimensionaler Bildelemente – den Voxeln – gebildet. Die Bewegung der Scan-Einheit während der Aufnahme in z-Richtung erzeugt zunächst natürlich inkonsistente Datensätze. Daher würde jedes auf direktem Weg aus einem Volumendatensatz rekonstruierte Bild Bewegungsartefakte aufweisen. Spezielle Prinzipien der Rekonstruktion – Interpolationsverfahren, die für jede Tischposition einen planaren Datensatz berechnen – erzeugen jedoch artefaktfreie Bilder. So können aus einem großen Datenvolumen einzelne Schichten mit beliebigen Überlappungen rekonstruiert werden. Software-Applikationen ermöglichen den klinischen Einsatz der Spiral-CT auch in Regionen, die unwillkürlichen Bewegungen unterliegen. 13 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 15 C Aufbau eines CT-Gerätes Ein komplettes CT-System besteht aus mehreren Bestandteilen. Im Wesentlichen sind das: • Aufnahmeeinheit oder Gantry mit Röntgen- und Detektorsystem • Patiententisch • Bildrechner zur Bildrekonstruktion • Konsole Die Konsole dient als Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine und ist multifunktional ausgebildet. Einmal ist sie als Steuerungseinheit für alle Untersuchungsvorgänge zuständig, zum Zweiten dient sie der Auswertung der Untersuchungsergebnisse. Im Sinne eines verbesserten Arbeitsprozesses hat Siemens eine Doppelkonsole entwickelt, an der beide Funktionen parallel abgerufen werden können. 14 Probedruck CT Basics M Y CM MY CY CMY K _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 16 C M Y CM MY CY CMY K Röntgenkomponenten • Röhre Aufnahmeeinheit Eine CT-Aufnahmeeinheit besteht aus einer Röntgeneinheit als Sender und einer Datenerfassungseinheit als Empfänger. Beide Komponenten sind bei den marktüblichen CT-Systemen in einer ringförmigen Einheit – der Gantry – untergebracht. Die Hersteller montieren Röntgenröhren mit variablen Fokusgrößen in ihre Systeme. Das macht Sinn, denn Volumen, bei denen es auf eine gute Niedrigkontrastauflösung ankommt, werden mit großen Foki und hoher Leistung aufgenommen. Steht eine hohe Auflösung mit dünnen Schichten im Zentrum des Interesses, werden kleine Foki gewählt. Röhren moderner CT-Scanner haben eine Leistung von 20–60 kW bei Spannungen von 80–140 kV. Die Geräte können allerdings nur eine begrenzte Zeit an ihrer jeweiligen Leistungsgrenze betrieben werden. Diese Grenzen werden durch die Eigenschaften von Anode und Generator bestimmt. Um eine Überlastung der Röntgenröhre zu vermeiden, muss die Leistung bei längeren Scans reduziert werden. Mit der Entwicklung mehrzeiliger Detektorsysteme wurde diese Begrenzung praktisch eliminiert, denn diese Detektorsyteme nutzen die angebotene Röhrenleistung sehr viel effizienter. • Abschirmungen Jedes CT-Gerät enthält Blenden, Kollimatoren und Filter zur Abschirmung von Streustrahlung, zur Festlegung der Aufnahmeschicht und zur Absorption niederenergetischer Anteile des Röntgenspektrums. Dadurch werden sowohl der Patient wie auch der Untersuchende geschützt. 15 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 17 C M Y CM MY CY CMY K Röntgenstrahlung Szinzillionskristall Fotodiode Licht ••• •• Datenerfassungskomponenten • Detektor Dem Detektorsystem kommt im Zusammenspiel aller CT-Komponenten eine besondere Rolle zu. Es wandelt die auftreffenden Röntgenstrahlen unterschiedlicher Intensität in elektrische Signale um. In nachgeschalteten elektronischen Bauteilen erfahren diese analogen Signale eine Verstärkung und eine Wandlung in digitale Impulse. Bestimmte Materialien haben sich im Laufe der Zeit als sehr wirkungsvoll in der optimalen Ausnutzung der Röntgenstrahlung erwiesen. So setzt z.B. Siemens UFC-Detektoren (Ultra Fast Ceramic) ein, die durch ausgezeichnete Materialeigenschaften die Bildqualität bei minimaler Röntgenexposition deutlich verbessern. 16 Probedruck CT Basics •• UFC-Detektor v _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 18 C M Y CM MY CY CMY K Adaptive Array Detektor 5 mm 2,5 mm 1,5 1 1 1,5 2,5 mm 5 mm Ultrafast Ceramic Detektor (UFC) 2 x 0,5 mm 4 x 1 mm 4 x 2,5 mm 4 x 5 mm Variable Schichtkollimierung durch fokusnahe Einblendung und elektronische Signalkombination • Mehrzeilendetektor Mehrzeilendetektoren sind effektiver in der Nutzung der Röntgenleistung als einzeilige Detektoren. Die simultane Aufnahme mehrerer Schichten verringert die Aufnahmezeit signifikant oder erlaubt die Aufnahme kleinster Details bei praktikablen Aufnahmezeiten. Bei den von Siemens eingesetzten, so genannten Adaptive Array Detektoren sind die Zeilen im Inneren des Detektors sehr schmal und werden in z-Richtung (Körperlängsachse) gegen die äußeren Ränder hin breiter. Durch eine Kombination aus Einblendung und elektronischer Verschaltung ergibt sich eine große Flexibilität in der Auswahl der Schichtdicken. Zugleich wird auch der von den Detektorsepten eingenommene und damit ungenutzte Raum minimiert. 17 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 19 C M Y CM MY Scanner-Parameter Kollimation Der von der Röntgenröhre emittierte Strahlenkegel wird mit Hilfe von Blenden, den so genannten Kollimatoren, kontrolliert. Dabei werden zwei Formen von Kollimatoren unterschieden. Der Quellen-Kollimator liegt direkt vor der Strahlenquelle. Er reduziert und formt den Strahlenkegel auf den maximal notwendigen Strahlenfächer und bestimmt damit die austretende Dosis. Der Detektor-Kollimator, der unmittelbar vor den Detektoren positioniert ist, dient primär der Abschirmung des Detektors vor Streustrahlung und damit der Vermeidung von entsprechenden Bildartefakten. Kollimation und Fokusgröße bestimmen die Qualität des Schichtprofils. Aus dem Datenvolumen können Bilder mit gleicher oder größerer Schichtdicke rekonstruiert werden. Beispielsweise kann man bei einer Kollimation von 5 mm Bilder zur Schichtdicke von 5 mm oder größer rekonstruieren. Die meisten Möglichkeiten bei der Wahl von Kollimation und rekonstruierter Schichtdicke hat man bei Spiralaufnahmen mit Multi-Detektor-Systemen. 18 Probedruck CT Basics CY CMY K _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 20 C M Y CM MY CY CMY K Bild 1 Inkrement Das Inkrement bestimmt die Schichtabstände für die Rekonstruktion aus einem Datenvolumen. Mit geeignetem Inkrement werden überlappende Schichten erzeugt. Bei der sequenziellen CT erhält man überlappende Schichten nur dann, wenn der Tischvorschub zwischen zwei Sequenzen kleiner ist als die Kollimation; jedoch wird dabei die Patientendosis erhöht. Inkrement Schichtdicke Bei der Spiral-CT ist das Inkrement als Rekonstruktionsparameter frei wählbar, d.h. mit der Wahl des Inkrements kann der Überlappungsgrad retrospektiv frei und ohne Dosiserhöhung eingestellt werden. Überlappungen bieten durchaus Vorteile: höhere Bildqualität, leichtere und sicherere Diagnose kleiner Strukturen. Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge folgendes Beispiel: Ein Bereich von 100 mm wurde mit einer Kollimation von 10 mm im Spiralmodus akquiriert. An jeder Stelle dieses Bereiches lassen sich nun Schichten von 10 mm Stärke rekonstruieren. Beträgt das Inkrement 10 mm, entstehen in Abständen von 10 mm aneinander grenzende Schichten von 10 mm Stärke (siehe Bild 1). Überlappende Schichten Bild 2 Beträgt das Inkrement 5 mm, entstehen im Abstand von 5 mm Schichten von 10 mm Stärke. Die Schichten überlappen sich um 50%. Mit geeignetem Inkrement kann eine Überlappung von 90% erreicht werden. Moderne CT-Systeme erlauben die Rekonstruktion von Schichten in jeder Abstufung (siehe Bild 2). 19 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 21 C M 15 s Y CM MY 30 s Der erste Pitch misst das gleiche Volumen in kürzerer Zeit Pitch Eine wichtige Größe bei Spiralaufnahmen ist der Tischvorschub während einer ganzen Umdrehung („feed per rotation“). Je größer der Vorschub gewählt wird, desto schneller (d.h. mit weniger Rotationen) kann eine bestimmte Körperregion gescannt werden; bei zu großem Vorschub verschlechtert sich jedoch die Bildqualität. In diesem Zusammenhang wird auch der Begriff „Pitch“ verwendet. Bei Einzeilensystemen ist die Definition Pitch = Vorschub pro Rotation/Kollimation allgemein akzeptiert; erfahrungsgemäß erhält man eine gute Bildqualität mit Pitch-Werten zwischen 1 und 2, wobei anzumerken ist, dass bei Einzeilen-Systemen mit Pitch > 1 die Dosiseinsparung nicht unerheblich ist. Bei Mehrzeilensystemen gibt es noch keine eindeutige Verwendung von Pitch; die Mehrdeutigkeit sei an einem Beispiel (SOMATOM Sensation 4) erläutert: Kollimation 4 x 2,5 mm, Vorschub 10 mm Erste Möglichkeit: pitch = 10 mm/4 x 2,5 mm = 1 Zweite Möglichkeit: pitch = 10 mm/2,5 mm = 4 Um Missverständnisse zu vermeiden, verwenden wir auf der Benutzeroberfläche „feed per rotation“ an Stelle von „pitch“. 20 Probedruck CT Basics CY CMY K _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 22 C M Y CM MY CY CMY K Rotationszeit Die Rotationszeit ist die Zeit, die für eine 360°-Umdrehung des Röhren-Detektor-Systems vergeht. Sie hat einen Einfluss auf die Spiraldauer und damit auf die Abdeckung des Scanbereiches in einer bestimmten Zeit. Modernste CT-Systeme benötigen für eine Rotation nur noch 0,4 Sekunden. Eine kurze Rotationszeit hat Vorteile: • Die Spirallänge vergrößert sich bei gleicher Scanzeit • Bei gleichem Volumen und gleicher Schichtdicke kann die Scanzeit verkürzt werden • Bewegungseinflüsse werden eliminiert • Einsparen von Kontrastmittel durch kürzere Untersuchungszeiten • Schonende Untersuchung für Patienten, da weniger Kontrastmittel benötigt wird Wenn es auf kurze Untersuchungszeiten ankommt oder große anatomische Regionen schnell erfasst werden müssen, z.B. weil sie sich bewegen wie etwa das Herz, ist eine Rotationszeit im Subsekunden-Bereich empfehlenswert. 21 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 23 C M Y CM MY CY CMY K mAs Der mAs-Wert (z.B. 100 mAs) ist das Produkt aus Röhrenstrom (z.B. 200 mA) und Rotationszeit (z.B. 0,5 s). Bei Mehrzeilen CT Systemen verwenden wir zur Vereinfachung die so genannten effektiven mAs, also das Produkt aus Röhrenstrom und Belichtungszeit einer Schicht (Rotationszeit x Kollimation/feed per rotation). Durch die Wahl der mAs und der Röhrenspannung wird die Dosis bestimmt. Die Auswahl der mAs hängt von der jeweiligen Untersuchung ab. Höhere mAsWerte verringern das Bildrauschen und verbessern damit die Erkennbarkeit geringer Kontraste. Für Weichteildarstellungen, das sind Regionen mit niedrigem Kontrast, werden höhere Dosen und höhere Schichtstärken benötigt. Regionen mit Weichteilkontrast sind typischerweise das Abdomen und das Gehirn. Für Darstellungen von Knochen oder Lunge, also Regionen mit hohem Kontrast, aber auch für Kontrastmitteluntersuchungen von Gefäßen, sind geringere Dosen und dünne Schichten angebracht. 22 Probedruck CT Basics Zudem arbeiten Siemens CT-Scanner mit dem CARE Dose Maßnahmenpaket (CARE steht für Combined Applications to Reduce Exposure), welches zur Reduzierung der Strahlenbelastung für den Patienten entwickelt wurde. Dieses Paket steht für kürzere Untersuchungszeiten, möglichst geringe Strahlenbelastung und Bilder in exzellenter Qualität. Modernste Computer-Technologie „überwacht“ den Patienten während der gesamten Untersuchungszeit präzise. Während jeder Rotation wird die Strahlung kontinuierlich gemessen und entsprechend der aktuellen Schwächung moduliert. Mit CARE Dose ist es dadurch möglich, die Strahlendosis abhängig von der Anatomie des Patienten zu variieren und um bis zu 56% zu reduzieren. Scanner-Parameter bestimmen die Bildqualität. Die Leistung von Spiral-CT-Systemen kann erst durch das optimale Zusammenwirken aller Parameter erzielt werden. _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 24 C M Y CM MY CY CMY K Bilderzeugung Ein CT-Bild entsteht Aufnahme: Im einfachsten Fall wird das Objekt (im Beispiel ein runder Zylinder) durch einen dünnen, nadelartigen Strahl linear abgetastet. Dabei entsteht eine Art Schattenbild (Schwächungsprofil oder Projektion genannt), welches von dem Detektor und dem Bildrechner aufgezeichnet wird. Nach Drehung der Röhre und des Detektors um einen kleinen Winkel wird das Objekt aus einer anderen Richtung wiederum linear abgetastet und es entsteht ein weiteres Schattenbild. Dies wird mehrmals wiederholt, bis man das Objekt aus 180° abgetastet hat. Wiedergabe: Im Bildrechner werden die verschiedenen Schwächungsprofile weiterverarbeitet. Bei einfacher Rückprojektion wird jedes Schwächungsprofil in der Richtung, in der es gemessen wurde, auf dem Bildspeicher aufaddiert. Es entsteht ein verwaschenes Bild, denn der Nachteil dieser einfachen Rückprojektion ist, dass jedes Objekt nicht nur zur Darstellung von sich selbst einen Beitrag leistet, sondern das ganze Bild beeinflusst. Dies ist bereits nach 3 Projektionen sichtbar. Um dieses Problem zu vermeiden, wird jedes Schwächungsprofil vor der Rückprojektion mit einem mathematischen Hochpassfilter (einem sogenannten Faltungskern) behandelt. Dabei entstehen an den Objektkanten Über- und Unterschwinger. Diese gefalteten Schwächungsprofile werden dann im Bildspeicher aufaddiert und es ergibt sich ein scharfes Bild. Röntgenröhre Translation Kollimator Rotation Schwächungsprofil (vereinfacht) Detektor und Messelektronik Rückprojektion ohne Faltung mit Faltung 0 Projektionen 1 Projektion 3 Projektionen N Projektionen ° N Projektionen ° Profilschnitt Ka 2000 23 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 25 C M Y CM MY CY CMY K Lungenfenster Weichteilfenster Was zeigt das CT-Bild? Im CT-Bild werden jedoch nicht direkt die µ-Werte dargestellt, sondern, nach einem Vorschlag von Hounsfield, die dimensionslosen CT-Werte: CT-Wert =1000 (µ – µWasser) / µWasser Die Einheit dieser Größen wird mit HE = Hounsfield-Einheit (engl.: HU = Hounsfield Unit) bezeichnet. Demnach haben Wasser und Luft die CT-Werte 0 HE bzw. –1000 HE, nach oben ist diese Skala offen. Medizinische Scanner arbeiten üblicherweise in einem Bereich von –1024 HE bis +3071 HE. Fensterung Im CT-Bild werden Dichtewerte als Grauwerte repräsentiert. Allerdings erkennt das menschliche Auge nur ca. 80 Grauwerte. Es können also niemals alle möglichen Dichtewerte in erkennbaren Graustufen dargestellt werden. Aus diesem Grund werden alle erkennbaren Grauwerte dem diagnostisch relevanten Dichtebereich zugeteilt. Dieser Vorgang wird Fensterung genannt. Um das Fenster (window) einzustellen, wird zunächst festgelegt, welchem CT-Wert der mittlere Grauwert zugeordnet werden soll. Dann wird mit der Weite des Fensters definiert, welche CT-Werte oberhalb und unterhalb des mittleren Grauwertes noch differenziert werden können. Dichteres Gewebe wird hell und weniger dichtes dunkel dargestellt. 24 Probedruck CT Basics CT-Wert, HU 1000 800 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 -1000 CT-Wert, HU 80 70 60 50 40 30 20 10 0 kompakter Knochen spongiöser Knochen 200 50 Wasser +4 -4 250 Fett Lunge -550 -950 Luft -990 -1000 Leber Blut Pankreas Niere 40 20 Die Hounsfield-Skala 50 30 60 50 70 50 -80 -100 _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 26 C M Y CM MY CY CMY K Bildauswertung und Bildbearbeitung ter hen 0 00 Die ersten greifbaren Ergebnisse einer CT-Untersuchung bestehen aus axialen Schnittbildern. Da diese Bilder bereits in digitaler Form auf einem Speichermedium liegen, können sie direkt im Rechner weiterverarbeitet werden. Die Auswertung geometrischer Parameter wie Abstand, Fläche, Winkel und Volumen gehören, ebenso wie Dichtemessungen, heute zur klinischen Routine. Die Gewebedichte wird über den Mittelwert eines definierten Auswertebereichs, die so genannte Region of Interest (ROI), erfasst. Geometrische Parameter können präziser als in der konventionellen Radiographie bestimmt werden, da bei der CT keine Überlagerungsprobleme und keine verzerrten Darstellungen auftreten. 2D-Nachverarbeitungsmöglichkeiten, die moderne CT-Geräte bieten, sind z.B.: • CT-Werte beliebiger Pixel im Bild anzeigen • CT-Wertprofile entlang beliebiger Strecken im Bild anzeigen • Vergrößerung und Bildausschnittsverschiebung • Filterung von Bildern • Addition, Subtraktion oder andere Überlagerungsmöglichkeiten von Bildern Die Bezeichnungen „zweidimensional“ (2D) und „dreidimensional“ (3D) beziehen sich auf den Inhalt des Bildes. Als 3D werden Darstellungen ganzer Volumina bezeichnet. 25 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 27 C sagittal M Y CM MY CY CMY K coronar transversal Zweidimensionale Darstellungen Die CT benutzt hauptsächlich die Transversalebene als Aufnahmeebene. Deswegen müssen Ansichten anderer Orientierung meistens aus den Originalbildern berechnet werden. Dazu wird das Verfahren der multiplanaren Reformatierung (MPR) genutzt. Bei diesem Verfahren wird eine Serie axialer Bilder zu einem Stapel zusammengefasst. Durch Aneinanderreihung der jeweils gleichen Bildspalte bzw. Bildzeile der Serie errechnet der Computer für jede beliebige Ebene hintereinander liegende Bilder. Diese kann der Untersucher z.B. über die Maussteuerung interaktiv durchsehen und auswerten (iMPR). Durch Vor- und Zurückfahren findet er das Bild mit der klarsten Darstellung des interessierenden anatomischen und pathologischen Details. 4-Quadranten-Darstellungen mit axialer, sagittaler, coronarer und obliquer Schnittführung sind heute Standard und bieten einen guten Überblick. 26 Probedruck CT Basics Eine Erweiterung der MPR-Technik erlaubt das interaktive Zusammenfassen dünner Schichten zu beliebig dicken Schichten (slabs). Strukturen, wie z.B. Gefäße, die durch mehrere Schichten verlaufen, werden so klarer erkennbar. In der englischen Literatur hat sich hierfür der Begriff sliding-thin-slab (STS) eingebürgert. Vorteile zweidimensionaler Darstellungen • Direkte, unverfälschte Darstellung der CT-Werte • Einfache Orientierung im Volumen • Eindeutige Interpretation der Bildwerte • Interaktive Auswertung am Monitor • Basis für 3D-Darstellungen _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 28 C M Y CM MY CY CMY K Dreidimensionale Darstellungen Bei derartigen Visualisierungen muss immer die Position und die Blickrichtung des Betrachters im Bezug auf das interessierende Volumen angegeben werden. Entlang dieser Blickrichtung durch das Datenvolumen wird aus den CT-Werten Voxel für Voxel ein räumliches Bild errechnet. Solche virtuellen Ansichten eignen sich besonders für Strukturen, die sich deutlich von ihrer Umgebung abheben, wie beispielsweise das Skelett oder kontrastmittelgefüllte Gefäße. Shaded Surface Display (SSD) Maximum Intensity Projection (MIP) 27 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 29 C M Y CM MY CY CMY K CT-Wert HU virtuelle Lichtquelle Kalzifizierung 600 400 Schwellenwert 160 HU KM-gefülltes Lumen CT-Wertprofil entlang des Suchstrahls 200 Weichgewebe 5 10 y, cm Beobachterposition • Shaded Surface Display (SSD) Bei schwellenwertbasierten Oberflächendarstellungen wird ein CT-Wert als Schwelle vorgegeben, z.B. 150 HE. Bildpunkte, die diesen Schwellenwert überschreiten, tragen zum Ergebnisbild bei. Vom Betrachter aus gesehen sind das die Punkte entlang jedes Strahls, die den Wert als Erste überschreiten. Aus der Gesamtheit der Punkte wird die Oberfläche rekonstruiert und von einer fiktiven Lichtquelle beleuchtet, um Schattierungseffekte zu erzeugen (shaded surface display, SSD). Die Schattierungseffekte dienen dazu, den Raumeindruck für den Betrachter zu verstärken. Allerdings geht bei diesem Verfahren die Originalinformation aus den CT-Werten verloren. 28 Probedruck CT Basics Bei SSD ist immer zu beachten, dass Grauwerte nicht die ursprüngliche Dichte der Strukturen haben. Überlagern sich z.B. in Blickrichtung mehrere Strukturen, die den Schwellenwert überschreiten, wird nur die am weitesten vorne liegende Struktur dargestellt. Und zwar auch dann, wenn dahinter liegende Strukturen deutlich höhere CT-Werte haben. Weiterhin muss berücksichtigt werden, dass SSDDarstellungen immer vom gewählten Schwellenwert abhängig sind. So kann z.B. die Darstellung von Gefäßstenosen bei ungeeigneter Wahl der Schwelle verfälscht werden. Wird der Schwellenwert erhöht, ergeben sich höhere Stenosegrade, wird er gesenkt, können Stenosen verdeckt werden. Auf diese Weise lassen sich Verkalkungen und Kontrastmittel in den Gefäßen nicht mehr unterscheiden. Zur Diagnose sind SSD-Bilder also kaum geeignet. Sie werden aber zur Dokumentation von Befunden oder für 3D-Darstellungen genutzt. _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 30 C M Y CM MY CY CMY K CT-Wert HU Kalzifizierung 600 400 Schwellenwert 160 HU KM-gefülltes Lumen CT-Wertprofil entlang des Suchstrahls 200 Weichgewebe 5 10 y, cm Beobachterposition • Maximum Intensity Projection (MIP) Maximum Intensity Projections (MIP) basieren auf den Voxeln mit den höchsten CT-Werten. Durch das 3D-Bildvolumen wird der Voxel mit dem maximalen Dichtewert ausgehend von dem Betrachter entlang eines virtuellen Strahls in dem daraus resultierenden MIP-Bild dargestellt. Jedes einzelne MIP-Bild ist also ein 2D-Projektionsbild. Der Ablauf mehrerer MIPBilder als Sequenz kann einen realistischen räumlichen Eindruck vermitteln. Dazu wird durch Variation des Betrachtungswinkels in kleinen Schritten eine Serie von Bildern erzeugt. Im Gegensatz zu SSD bleibt bei diesem Verfahren eine minimale CT-Wert-Information erhalten. Außerdem ist die Projektion jeweils die Zusammenstellung der dichtesten Voxel aus dem ganzen Stapel. Und zwar unabhängig davon, ob diese Voxel weiter vorne oder weiter hinten liegen. In MIP-Bildern ist, anders als in SSD-Bildern, der Unterschied zwischen Kalk und Kontrastmittel sichtbar. Alternativ zum MIP-Bild können auch die Pixel mit der niedrigsten Intensität im Projektionsbild gezeigt werden. Diese Bilder werden MinIP genannt und z.B. zur Darstellung des Bronchialbaums eingesetzt. 29 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 31 C M Y CM CT-Wert HU Kalzifizierung 600 400 Schwellenwert 160 HU KM-gefülltes Lumen CT-Wertprofil entlang des Suchstrahls 200 Weichgewebe 5 Beobachterposition • Volume Rendering Technik (VRT) Volume Rendering Technik (VRT) bezeichnet den Prozess der Rekonstruktion eines 3D-Modells von einem 2D-Bilderstapel. VRT-Verfahren gehen in ihrem prinzipiellen Ansatz und in ihrer Leistungsfähigkeit über SSD- und MIP-Verfahren hinaus. Sie sind nicht auf die Auswahl eines CT-Wertes beschränkt, sondern es können alle Werte entlang eines virtuellen Strahls mit geeigneter Gewichtung zum Ergebnisbild beitragen. Im Gegensatz zu MIP und SSD kann bei VRT jeder CT-Wert einbezogen werden. Jedem CT-Wert werden über frei wählbare und interaktiv veränderbare Transferfunktionen Opazität und Farbe zugeordnet. Somit ist es möglich, in einem Volumendatensatz unterschiedlichste Gewebestrukturen mit unterschiedlicher Dichte bzw. unterschiedlichen Hounsfield-Unit-Werten gleichzeitig darzustellen. 30 Probedruck CT Basics 10 y, cm MY CY CMY K _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 32 C M Y CM MY CY CMY K • Virtuelle Endoskopie Eine VRT-Spezialform ist das perspektivische Volume Rendering, mit dem vor allem virtuelle endoskopische Ansichten erstellt werden. Hier geht es um eine perspektivische Ansicht der Darstellungsregion. Das Haupteinsatzgebiet der virtuellen Endoskopie sind anatomische Hohlräume: beispielsweise der Bronchialbaum, größere Gefäße, das Kolon oder die Nasennebenhöhlen. Auch für Bereiche, die nicht für die konventionelle Endoskopie zugänglich sind, wie z.B. die Hirnzisternen oder der Gastrointestinalbereich, wird die virtuelle Endoskopie genutzt. Das Verschieben des Endoskopes in dem perspektivischen Volume Rendering dargestellten Hohlraum, vermittelt dem Benutzer den Eindruck eines „fly through” (virtueller Flug). Vorteile dreidimensionaler Darstellungen • Realistische Darstellung von Volumina • Präsentation des ganzen Volumens in nur einem Bild • Leichter erkennbare diagnostisch relevante Details • Hilfreich für präzisere operative Planung • CT-Bilddaten als Vorlage für dreidimensionale Modelle • Möglichkeit zur freien Rotation von 3D-Objekten 31 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 33 C CT im klinischen Einsatz CT in der allgemeinen Klinik Die Aufnahmezeiten der Spiral-CT haben sich gegenüber der sequentiellen CT erheblich verkürzt. Das ist für Untersuchungen an Patienten, die aufgrund Ihrer Erkrankung nicht kooperieren können, sehr vorteilhaft. Bewegungsartefakte durch unterschiedliche Atemlagen während der Aufnahmen werden deutlich verringert, denn durch die Spiral-CT wird das komplette Volumen in kürzerer Zeit lückenlos erfasst. Mehrfachscans wegen Veratmung der Aufnahme sind also nicht mehr nötig. Somit wird auch die Patientendosis verringert. Vorteile der Spiral-CT in der Klinik • Vollständige Abdeckung von Organen in einer Atemlage • Kurze Scanzeiten (dadurch weniger Bewegungsartefakte und Kontrastmittelbedarf) • Zusätzliche diagnostische Aussagen aufgrund besserer Auflösung (dünnere Schichten) und 3D Visualisierung im Routinebetrieb • Spezielle kostengünstige Applikationen auf Basis der Spiral-CT 32 Probedruck CT Basics M Y CM MY CY CMY K _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 34 C M Y CM MY CY CMY K CT-Angiographie (CTA) Die CT-Angiographie (CTA) ermöglicht mit Hilfe von Konstrastmittelgabe die Darstellung von Gefäßstrukturen. Mit der Einführung der Multislice Scanner ist es durch extrem kurze Scanzeiten möglich, das gesamte Gefäßsystem in der maximalen Kontrastmittelanreicherung darzustellen. Die Bildnachbearbeitung ermöglicht eine gute Darstellung des gesamten Gefäßsystems, selbst kleine Gefäßabgänge (Seitenäste) und Embolien oder Dissektionsmembrane können dargestellt werden. Retrospektiv kann der Arzt hier jede Projektionsrichtung wählen und dreidimensionale Bilder z.B. für die operative Planung erstellen. 33 Probedruck _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 35 C Bei welchen Indikationen werden CT-Untersuchungen durchgeführt? M Hals Halsweichteile Carotiden Hier einige CT-Untersuchungsbeispiele: • Schädel • Hals • Thorax • Abdomen • Extremitäten • Wirbelsäule Schädel Schädel allgemein/Gehirn Orbita Sella turcica Felsenbeine Nasennebenhöhlen Circulus Willisii 3D-Schädelknochen 34 Probedruck CT Basics Wirbelsäule HWS BWS LWS Y CM MY CY CMY K Thorax Mediastinum Thorax High Resolution Thorakale Gefäße Pulmonalgefäße Herz _RZ_098_06_Aug_2002.fh9 07.08.2002 11:04 Uhr Seite 36 C M Y CM MY CY CMY K Abdomen/Becken Leber CT-Arterioportographie (CTAP) Pankreas Nieren biphasisch Nebennieren Nierenarterien Abdominale Gefäße Kleines Becken Gefäße Becken-Bein Extremitäten Schultergelenk Hüftgelenk Handwurzelknochen Kniegelenk Fuß 35 Probedruck
