bSonderdruck für private Zweck e des Autors

RçFo
b
Herausgeber
Sonderdruck fr private Zwecke des Autors
G. Adam, Hamburg
B. Hamm, Berlin
W. Heindel, Mnster
H. Schild, Bonn
C. D. Claussen, Tbingen (Bildessay,
Brennpunkt)
M. Forsting, Essen (Neuroradiologie)
T. Helbich, Wien (Der interessante Fall)
J. Lammer, Wien (Interventionelle
Radiologie)
G. Staatz, Erlangen (Pdiatrische
Radiologie)
M. Wucherer, Nrnberg (Technik und
Medizinphysik)
Unter Mitwirkung von
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E. Grabbe, Gçttingen
R. W. Gnther, Aachen
M. Gutberlet, Leipzig
D. Hahn, Wrzburg
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C. J. Herold, Wien
N. Hosten, Greifswald
W. Hruby, Wien
W. Jaschke, Innsbruck
H.-U. Kauczor, Heidelberg
G. Kauffmann, Heidelberg
K.-J. Klose, Marburg
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U. Mçdder, Dsseldorf
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K.-J. Wolf, Berlin
Redaktionskomitee
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F. Wacker, Berlin
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J. Wildberger, Maastricht
Organ der Deutschen
Rçntgengesellschaft
Organ der sterreichischen
Rçntgengesellschaft
Verlag
Georg Thieme Verlag KG
Rdigerstraße 14
70469 Stuttgart
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Technik und Medizinphysik
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1047
Schutz der Augenlinse in der Computertomografie – Dosisevaluation an einem
antropomorphen Phantom mittels Thermolumineszenzdosimetrie und
Monte-Carlo-Simulationen
Protection of Eye Lens in Computed Tomography – Dose Evaluation on an Anthropomorphic Phantom using
Thermo-Luminescent Dosimeters and Monte-Carlo Simulations
Institute
B. Keil1, J. Wulff2, R. Schmitt2, D. Auvanis1, 2, D. Danova1, 2, J. T. Heverhagen1, M. Fiebich2, B. Madsack1, R. Leppek1, 3,
K. J. Klose1, K. Zink2
1
2
3
Key words
" eye
l
" CT
l
" radiosensitivity
l
" physics
l
eingereicht 7.2.2008
akzeptiert 18.8.2008
Bibliografie
DOI 10.1055/s-2008-1027814
Online-Publikation: 2008
Fortschr Rçntgenstr 2008; 180:
1047 – 1053 Georg Thieme
Verlag KG Stuttgart · New York ·
ISSN 1438-9029
Korrespondenzadresse
Boris Keil
Klinik fr Strahlendiagnostik,
Philipps-Universitt Marburg
Baldingerstr.
35033 Marburg
Tel.: ++ 49/64 21/2 86 59 33
Fax: ++ 49/64 21/2 86 70 66
[email protected]
Klinik fr Strahlendiagnostik, Philipps-Universitt Marburg
Institut fr Medizinische Physik und Strahlenschutz, Fachhochschule Gießen-Friedberg
Zentrum fr angewandte radiologische Forschung, TransMit Gießen
Zusammenfassung
Abstract
!
!
Ziel: Die Augenlinse gilt als das strahlensensibelste Organ. In der vorliegenden Studie erfolgt
ein Vergleich hinsichtlich Augenlinsendosisreduzierung whrend einer CT-Schdeluntersuchung
zwischen zwei unterschiedlichen Protektormaterialien. Hierbei handelt es sich um einen Bismutprotektor sowie ein krzlich neu entwickeltes
Protektionsmaterial, bestehend aus einer Bi/Sb/
Gd/W-Legierung.
Material und Methoden: Die Dosis wurde mittels Thermolumineszenzdosimetern (TLD) an einem antropomorphen Alderson-RANDO-Phantom ermittelt. Die Augendosis wurde unter
Anwendung beider Augenprotektoren sowie keiner Linsenprotektion bestimmt. Zustzlich wurden die ermittelten Dosisdaten bei gekippter
Gantry unter Ausschluss der Augen aus dem
Strahlenfeld in den Vergleich miteinbezogen.
Die Dosisreduzierung wurde des Weiteren mit
einer Monte-Carlo-Simulation verifiziert. Hierfr
wurden als dreidimensionale Simulationsgeometrie die bei der TLD-Messung akquirierten CT-Datenstze verwendet. Fr die Simulationen wurde
das EGSnrc-Monte-Carlo-Paket verwendet und
eigens fr die Studie eine Applikation CTDOSPP
zur Simulation einer CT-Untersuchung entwickelt. Die Evaluation der Artefaktgenerierung
und einer eventuellen Beeintrchtigung der diagnostischen Abbildungsqualitt erfolgte durch
subjektive Beurteilung von 8 Radiologen.
Ergebnisse: Die Untersuchungen zeigen eine
gute bereinstimmung zwischen den gemessenen
und simulierten Ergebnissen. Im direkten Vergleich zwischen den beiden Protektoren zeigt der
Bi/Sb/Gd/W-Protektor eine deutlich bessere
Schutzwirkung. Die Dosisreduktionen betragen
fr den Bismutprotektor rund 38% und fr den Bi/
Sb/Gd/W-Protektor entsprechend rund 48%. Die
Ergebnisse der subjektiven Evaluation der Artefakte ergaben, dass die diagnostische Abbildungsqua-
Purpose: The lens of an eye is a particularly
radiosensitive organ. This study investigates two
different materials for eye shielding during CT
scanning, i. e. a commercially available bismuth
protector and a newly developed material for
eye shielding, comprised of an alloy of Bi/Sb/Gd/
W.
Materials and Methods: The radiation dose during head CT scanning was measured using thermoluminescence dosimeters and an anthropomorphic Alderson-RANDO phantom. A radiation
dose reduction was compared to two shielding
materials and to the condition without any eye
shielding. The effect of gantry angulation that excludes the eyes from beam path was also investigated. Radiation dose measurements were validated using a Monte-Carlo simulation. For this
simulation we used the EGSsnr code system, and
a new application CTDOSPP was developed for simulation of the computed tomography examination. Eight radiologists evaluated the diagnostic
quality of the images.
Results: Dose measurements and Monte-Carlo
simulations are in good agreement. If the eye
shields are placed in the primary beam path, bismuth eye shielding and the new material reduce
the dose by up to 38 % and 48%, respectively. Angling the gantry causes an 88 % reduction in radiation dose. All shielding materials generate
beam hardening artifacts located close to the
protector, but the artifacts do not spread into the
brain.
Conclusion: The application of eye shields during CT examination of a head causes a significant
reduction in radiation dose. The new protector
material shows a significantly higher dose reduction in contrast to the commercially available bismuth shield. The best protection from radiation
dose can be attained using gantry angulation.
Keil B et al. Schutz der Augenlinse… Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 – 1053
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Autoren
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litt nicht leidet. Zwar generieren die Protektoren im Weichteilfenster lokale Artefakte, jedoch bleibt die Darstellung des Hirnparenchyms davon unbeeinflusst. Eine Reduktion um 88% kann jedoch erreicht werden, wenn die Augen aus dem Strahlengang
mittels entsprechender Gantry-Kippung ausgeschlossen werden.
Schlussfolgerung: Durch die einfache Anwendung der Linsenprotektoren wird eine erhebliche Dosisreduzierung erreicht.
Das Protektormaterial bestehend aus einer Bi/Sb/Gd/W-Legierung zeigt hierbei die beste Schutzwirkung. Jedoch sollten,
wenn immer mçglich, die Augen aus dem Strahlengang ausgeschlossen werden, dadurch kann der beste Schutz der Linse erreicht werden.
Einleitung
Sonderdruck fr private Zwecke des Autors
!
Seit der klinischen Einfhrung der Computertomografie in den
70er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts ist sie ein fester
Bestandteil im radiologischen Alltag. Folge dieses Einsatzes
ist die Zunahme der Anzahl der Untersuchungen pro Gert
und Jahr und die damit verbundene Strahlenexposition der
Patienten. Obwohl die Computertomografie in Deutschland einen relativ geringen Anteil von 6,9% am Untersuchungsaufkommen in der Radiologie aufweist, betrgt ihr Anteil an der
kollektiven effektiven Dosis fr medizinische Strahlendiagnostik etwa 54 % [1]. Ferner ist abzusehen, dass sich die Untersuchungsdichte in den nchsten Jahren weiter erhçhen wird. Um
medizinisch verursachte Strahlenexpositionen zu verringern,
mssen neue methodische Anstze entwickelt werden, die besonders in strahlendosisintensiven bildgebenden Verfahren,
wie die Computertomografie, angewandt werden kçnnen.
Die Augenlinse gehçrt zu den strahlensensibelsten Organen des
Menschen. Ionisierende Strahlung kann hier zu einer Trbung
und bei hçheren Dosen sogar zu einem Strahlenkatarakt fhren.
Diese Trbungen berdecken die gesamte Linse und bestehen
aus einer Ansammlung von geschdigten Zellen, die sich noch
in der Teilungsphase befinden und samt berresten sichtbare
Trçpfchen bilden [2]. Whrend einer Computertomografie des
Kopfes, bei der die Augen im Strahlungsfeld liegen, erhlt die
Linse eine mittlere Dosis von bis zu 50 mGy [3, 4]. In der ICRP
60 wird als Schwellenwert fr eine messbare Trbung der Linse
eine einmalige Exposition im Bereich von 0,5 – 2 Gy angegeben.
Wird die Dosis fraktioniert ber viele Jahre in der Linse appliziert, so wird eine Schwellendosisrate von 0,1 Gy pro Jahr fr
eine messbare Trbung angegeben [5]. Bei mehr als 4 Gy kann
ein grauer Star verursacht werden. Letzteres wird aber selbst
bei hochfrequenten CT-Untersuchungen in Patienten nicht erreicht. Besonders bei pdiatrischen Patienten stellt eine CT-Untersuchung des Schdels eine erhçhte Gefahr fr die Kataraktbildung dar, hier ist die Schwellendosis um den Faktor zwei kleiner
als bei Erwachsenen [2]. Es liegt deshalb nahe, die Augenlinse
bei Schdel-CT-Untersuchungen vor Rçntgenstrahlen zu schtzen.
Einige Arbeitsgruppen konnten bereits mit Linsenprotektoren
positive Ergebnisse hinsichtlich der Linsendosisreduzierung zeigen. Publizierte Studien zeigen, dass alle Arbeitsgruppen bisher
mit dem gleichen Protektormaterial gearbeitet haben [3, 6 – 9].
Hierbei handelt es sich um kommerziell erhltliche Linsenprotektoren aus Bismut-imprgniertem Latex. Ein Nachteil bei allen
direkt im Strahlengang angebrachten Schutzmaßnamen ist die
Artefaktbildung in den Bildern. Frhere Studien zeigen, dass die
generierten Artefakte bei vielen CT-Schdeluntersuchungen die
Keil B et al. Schutz der Augenlinse… Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 – 1053
diagnostische Bildqualitt allerdings gar nicht oder nur gering
beeinflussen [3, 6, 9, 10].
Das Ziel unserer Studie ist ein Vergleich hinsichtlich Dosisreduzierung und Artefaktbildung eines neu entwickelten Protektormaterials, bestehend aus einer Bi/Sb/Gd/W-Legierung, mit
den bereits seit einigen Jahren kommerziell zu erwerbenden
Bismutprotektoren. In den Vergleich miteinbezogen wird auch
die Linsendosisreduktion, die mittels geeigneter Gantrykippung erreicht wird, wo sich die Augen nicht mehr im direkten
Strahlengang befinden. Zustzlich werden die mittels Thermolumineszenzdosimetrie (TLD) erfassten Dosiswerte mit einer
entwickelten Monte-Carlo-Simulation evaluiert. Es konnte bereits in ersten Ergebnissen gezeigt werden, dass sich unter
Verwendung vereinfachter Geometrien, wie z. B. homogene
Phantome, gute bereinstimmungen zwischen Dosismessungen und -simulationen einstellten [11]. In der vorliegenden
Studie erfolgte die Dosisevaluation am antropomorphen Phantom, wobei die bei der TLD-Messung akquirierten CT-Datenstze zustzlich als dreidimensionale, voxelierte Simulationsgrundlage Verwendung fanden.
Material und Methode
!
Protektoren
Fr den Vergleich der Dosisreduzierung und Artefaktgenerierung wurde zum einen ein Linsenprotektor aus Bismut-imprgniertem Latex (A) (AttenuRad Radioprotective Garments,
F&L Medical Products, Vandergrift, PA, USA) sowie ein weiteres, krzlich neu entwickeltes Protektormaterial (B) (CT-Eye
ProteX, Somatex Medical Technologies GmbH, Berlin) herangezogen. Dieser neue Protektor besteht aus einer Legierung mit
den Hauptkomponenten Bismut (83Bi), Antimon (51Sb), Gadolinium (64Gd) und Wolfram (74W). Dieses neue Material hat
eine Dicke von 0,375 mm und einen Bleichgleichwert von
0,125 mm. Der Bismutprotektor hingegen ist 0,86 mm dick
und besitzt einen Bleigleichwert von 0,06 mm. Aufgrund von
Hygienebestimmungen, werden beide Protektoren ausschließlich als Einwegprodukte vertrieben.
Anthropomorphes Phantom
Zur Erfassung der Dosisreduzierung der unterschiedlichen Protektoren kam der Kopf eines Alderson-RANDO-Phantoms [12]
" Abb. 1). Dieses anthropomorphe Phantom bezum Einsatz (l
steht aus einem menschlichen Skelett, das in einer Kunststoffmasse aus Isocyanat eingebettet ist. Diese Kunststoffmasse soll
mit einer Dichte von 0,985 g/cm3 und Ordnungszahl von 7,3 das
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Weichteilgewebe bezglich der Streu- und Absorptionsverhltnisse des Menschen gegenber Rçntgenstrahlung nachbilden.
Computertomograf (CT)
Die Untersuchungen erfolgten an einem klinischen VierkanalCT (Somatom, Volume Zoom Plus 4, Siemens, Erlangen). Der CT
ist mit einem adaptiven 8-Zeilen-Array „Ultrafast Ceramic Scintillator“ Detektor in symmetrischer Anordnung ausgerstet. Zur
Erfassung der Messdaten stehen 1344 4 Messkanle zur Verfgung, die bei einem Scan ber 360 Rohdatenstze aus
1160 – 2320 Projektionen erzeugen. Alle Untersuchungen wurden mit einem klinischen Schdelprotokoll (120 kV, 300 mAs,
Schichtdicke: 5 mm, FOV: 208 208 mm2, Matrix: 512 512,
Scanzeit/Schicht: 1,5 s) durchgefhrt.
Thermolumineszenzdosimeter (TLD)
Zur Dosisbestimmung wurden TLD des Typs LiF: Mg, Cu, P
mit der Bezeichnung GR 200A (PTW, Freiburg) eingesetzt. Diese zylinderfçrmigen Chips besitzen einen Durchmesser von
4,5 mm und eine Dicke von 0,8 mm. Unmittelbar nach ihrer
Bestrahlung wurden diese TLD in einem TLD-Reader (Harshaw
Reader 3500, Thermo Electron Corporation, Solon, Ohio, USA)
in 3 Phasen aufgeheizt, um die Dosisinformation zu erhalten.
In der Vorheizphase wurden die TLD bei einer Preheat-Temperatur von 140 C und einer Zeit von 7 s erwrmt. In der anschließenden Acquire-Phase wurden diese auf eine maximale
Temperatur von 245 C bei einer Zeit von 26,67 s und mit einer Temperaturrate von 10 C/s aufgeheizt. Fr die AnnealPhase wurden ein Temperaturwert von 240 C und eine Zeit
von 10 min ausgewhlt.
TLD-Kalibierverfahren
Fr die Kalibrierung der TLD wurde ein Verfahren entwickelt,
das es ermçglicht, die TLD im gleichen Strahlungsfeld zu bestrahlen wie es nach der Kalibrierung im echten Experiment
zum Einsatz kommt. Die Bestrahlung fand im Strahlungsfeld
des Computertomografen statt. Zur Messung der Referenzdosis
stand ein PTW-Diagnostik-Dosimeter (Diados) mit einem Halbleiterdetektor zur Verfgung, der in der Dosisgrçße Luftkerma
kalibriert worden war. Der erste Schritt des Kalibrierungsprozesses war es, den Halbleiterdetektor zu bestrahlen, welcher mithilfe eines Stativs auf die Patientenliege gestellt und mit der LaserEinstellhilfe des CT im Zentralstrahl positioniert wurde. Die
Kalibrierbestrahlung wurde mit feststehender Rçhre im A. P.Modus und Rçhrenspannung von 120 kV sowie einem Rçhrenstromzeitprodukt von 300 mAs vorgenommen. Nachdem mittels
15 Messungen der Luftkerma-Mittelwert bestimmt wurde,
konnte der Halbleiterdetektor entfernt und an seiner Stelle eine
0,5 mm dnne Plexiglasplatte an dem Stativ befestigt werden.
Der Zentralstrahl verlief durch eine markierte Linie, auf der 5 Kalibrier-TLD eng um das Isozentrum positioniert wurden. Da sich
der Rçntgenstrahl auffchert, ist die Strahlenintensitt im Zentrum am grçßten und fllt nach außen hin ab. Deshalb wurden
jeweils 5 TLD pro Kalibiermessung verwendet. Damit konnte
eine homogene Bestrahlung aller TLD im Kalibrierungsprozess
gewhrleistet werden. Fr die gesamten TLD-Kalibiermessungen
wurde das gleiche Scanverfahren mit feststehender Rçhre verwendet wie bei der Messung der Luftkerma mittels Diados-Dosimeter. Die Kalibrierung hat 2 Aufgaben zu erfllen: Einerseits
muss die Sensitivitt der Dosimeter mit der Thermolumineszenzintensitt pro Dosiseinheit jedes TLD eindeutig bestimmt
werden und andererseits muss die Sensitivitt des TLD-Readers
auf die produzierte Lichteinheit kalibriert werden. Im unkalibrierten Zustand sind beide Sensitivitten nicht bekannt.
Zuerst wurden die TLD in 2 Gruppen aufgeteilt: Zum einen in
die Kalibierdosimeter, welche zur Kalibrierung des Readers
dienten, und zum anderen in sogenannte Felddosimeter, die
im Experiment zu Dosismessungen verwendet wurden. Im ersten Schritt wurden 15 Kalibierdosimeter auf der dnnen Plexiglasplatte in jeweils 3 Fnferpaketen bestahlt. Durch unterschiedliche Dotierungen oder leicht abweichende Massen der
TLDs besitzt jedes TLD eine individuelle Empfindlichkeit auf
Strahlung. Dies wird mittels eines Element-Korrektions-Faktors
bercksichtigt: ECCi = [Q]/Qi, hierbei ist [Q] die mittlere Empfindlichkeit und Qi die individuelle Empfindlichkeit des i-ten
Kalibrier-TLD. Wenn einzelne Empfindlichkeiten Qi der TLD
um 10% von der mittleren Empfindlichkeit [Q] abweichten,
wurden sie verworfen. Dies war bei 2 Kalibrier-TLD der Fall.
Zusammen mit der mittleren Empfindlichkeit [Q] der KalibrierTLD und der bekannten Menge an Strahlung wird dann der sogenannte Reader-Kalibrier-Faktor bestimmt: RCF = [Q]/L, wobei
L die Strahlenmenge beschreibt. Im nchsten Schritt wurden
insgesamt 40 Felddosimeter erneut in Fnferpaketen unter
exakt den gleichen Bedingungen wie bei den Kalibierdosimeter
bestahlt. Es wurden auch hier der individuelle ECC bestimmt:
ECCi = [Q]/qi, wobei qi die individuelle Empfindlichkeit des i-ten
Feld-TLD ist. Betrgt der Unterschied von qi mehr als 10 % gegenber der mittleren Sensitivitt der Kalibierdosimeter [Q],
so werden sie nicht zur Dosismessung zugelassen. Fnf TLD
haben dieses Kriterium nicht erfllt und wurden verworfen.
Monte-Carlo-Simulation
Fr die Monte-Carlo-Simulationen wurde das EGSnrc-Programmpaket fr den gekoppelten Transport von Photonen
und Elektronen verwendet [13 – 15]. Zur Simulation der eigentlichen computertomografischen Untersuchung wurde die
Applikation CTDOSPP genutzt [11], die um die Funktionalitt
zur Berechnung der KERMA in voxelierten bzw. CT-basierten
Keil B et al. Schutz der Augenlinse… Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 – 1053
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Abb. 1 Kopf des Alderson-RANDO-Phatoms, wie
er im Messaufbau der CT-Messungen Verwendung
fand. Jeweils 3 TLD wurden auf dem linken und
rechten Augenzentrum pro Messung bestrahlt.
a Ohne Linsenprotektoren. b Bismut-Protektor (A).
c Bi/Sb/Gd/W-Protektor (B).
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Geometrien sowie der Bercksichtigung von Formfiltern und
Varianzreduktionsverfahren erweitert wurde.
Drei Schichten einer CT-Aufnahme der Kopfpartie des AldersonRANDO-Phantoms wurde als Simulationsgeometrie mit einer
Voxelgrçße von 0,54 0,54 5 mm3 genutzt. Aus den Hounsfield-Units wurden die entsprechenden Materialiengruppen
(Weichteilersatzstoff, Knochen, Luft) und Dichten mithilfe einer
linearen Zuordnung umgerechnet [16]. Zur Implementierung
des Protektors wurden in den jeweiligen Schichten einige Voxel
mit den Protektor-Materialien in ihrer Zusammensetzung berschrieben. Um bei der Voxelauflçsung von 0,5 mm in x/y-Richtung die realen Protektoren mit 0,86 mm (A) bzw. 0,375 mm (B)
hinsichtlich ihrer Schwchungswirkung korrekt bercksichtigen
zu kçnnen, wurde ihre Massendichte derart angepasst, dass das
Produkt aus Dichte und Dicke des Protektors unverndert blieb.
Als Strahlungsquelle wurde ein divergentes Strahlenbndel mit
dem Spektrum des eingesetzten Computertomografen genutzt.
Die Schichtdicke, der Vorschub und der Fokus-Iso-Zentrum-Abstand wurden entsprechend der Messung eingestellt (Schichtdicke 10 mm, 57 cm FISOA, Step&Shoot). Als Vergleich zu den Messungen wurde die relative Dosisreduktion durch Verwendung
des Protektors im Alderson-RANDO-Phantom aus einer Simulation mit und ohne Protektor ermittelt.
Abb. 2 Die Balkendiagramme zeigen die ber beide Augen gemittelte
Dosis € Standardabweichung der TLD ber 13 Messungen. Mittels einer
einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA) und einem Tukey-Post-Hoc-Test
wurden smtliche Dosisdifferenzen zwischen den Subjekten auf statistische Signifikanz untersucht.
Versuchsdurchfhrung
Die Protektoren wurden direkt ber die Augen des Alderson" Abb. 1). Pro Untersuchung wurRANDO-Phantoms gelegt (l
den jeweils 3 TLD auf dem linken und rechten Augenzentrum
platziert. Die Durchfhrung der Studie erfolgte mit jeweils 13
Phantomuntersuchungen ohne Protektor, mit dem Bismutprotektor A sowie dem Bi/Sb/Gd/W-Protektor B. Die Untersuchungen erfolgten einmal im direkten Strahlengang der Augen sowie
ein weiteres Mal durch bewusstes Ausschließen der Augen, indem die Bildakquirierung erst an der Supraorbitalline begann.
Die mçgliche Beeintrchtigung der diagnostischen Abbildungsqualitt, hervorgerufen durch die generierten Aufhrtungsartefakte, wurde von 8 voneinander unabhngigen Radiologen bewertet. Die Beurteilung erfolgte anhand eines
fnfgliedrigen Scores (i. keine, ii. minimale, iii. mßige,
iv. starke, v. sehr starke Artefakte) jeweils anhand eines Knochen- und Weiteilfensters an einer JVison Wokstation (Tiani
Medgraph, Wien).
Statistische Auswertung
Die Angaben aller Dosismessergebnisse erfolgt durch Mittelwert und Standardabweichung. Die beobachteten Mittelwerte
wurden mit einer einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA), gefolgt von einem Tukey-Post-Hoc-Test, statistisch auf Signifikanz untersucht. Die Vertrauensgrenze (zweiseitiges Intervall)
wurde nach blichen Standards auf 95 % festgesetzt, was zu
einem Typ-I-Fehler von 5 % (p = 0,05) fhrt. Die Zusammenfassung des ordinal-skalierten Artefakt-Scores erfolgt mit dem
medianen Mittel. Alle statistischen Berechnungen und Grafen
wurden mittels SPSS 12 (SPSS Inc. Chicago, USA) angefertigt.
Untersuchung ohne jeglichen Linsenschutz erreicht werden. Der
entsprechende Wert fr den Bi/Sb/Gd/W-Protektor B betrgt
48%. Gegenber dem Bismut-Protektor A besitzt Protektor B
also eine um ca. 25 % bessere Schutzwirkung. Des Weiteren fhrt
der Ausschluss der Augen aus dem Strahlenfeld, durch Kippung
der Gantry, zu einer Dosisreduktion von 88 %. Hierbei zeigt sich
ein minimaler Unterschied von 2%, wenn die Protektoren zustzlich zur Gantry-Kippung verwendet werden. Dieser Dosisunterschied besitzt jedoch keine Signifikanz.
" Abb. 3 zeigt die Ergebnisse der Monte-Carlo-Simulationen.
l
Die berechnete, relative Dosisreduktion durch Verwendung des
Protektors ist als Funktion des Ortes dargestellt. In oberflchennahen Bereichen, direkt hinter dem Protektor, wo die Augenlinse
lokalisiert ist, ist die Reduktion erwartungsgemß am grçßten.
Im quantitativen Vergleich mit den messtechnisch ermittelten
Werten zeigt sich in den Simulationen eine gute bereinstimmung. Fr beide Protektoren liegen die berechneten Reduktionsfaktoren allerdings etwas unterhalb der gemessenen. Wie auch
in den Messungen kann eine erhçhte Dosisreduktion durch den
" Abb. 4).
Bi/Sb/Gd/W-Protektor B festgestellt werden (l
Die Ergebnisse der Radiologenbefragung zur Artefaktgenerierung ergaben, dass generell alle Protektoren in beiden Fensterungen die Bildqualitt nicht oder kaum beeintrchtigen. Eine
" Abb. 5 gegeben.
Zusammenfassung dieser Ergebnisse ist in l
Der Median der Bewertung der Radiologen liegt im Knochenfenster bei „keine Artefakte“ und im Weichteilfenster bei „minimale Artefakte“.
Diskussion
Ergebnisse
!
!
Die vorliegende Studie zeigt, dass durch die Verwendung von
Linsenprotektoren whrend einer CT-Schdeluntersuchung,
bei der sich die Augen direkt im Strahlengang befinden, die
Augenlinsendosis erheblich reduziert werden kann. Der direkte Vergleich zwischen den beiden Protektormaterialien zeigt,
" Abb. 2 zeigt die Dosiswerte in mGy sowie die normierte Dosis
l
in Prozent der Untersuchungen, die unter Verwendung des Alderson-RANDO-Phantoms gemessen wurde. Mittels Bismutprotektor A kann eine Dosisreduktion von 38% im Vergleich zur
Keil B et al. Schutz der Augenlinse… Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 – 1053
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Abb. 4 Dosisreduktion als Funktion der Tiefe innerhalb des AldersonRANDO-Phantoms entlang der gepunkteten Linie in Abb. 3. Die Fehlerbalken geben die kombinierte statistische Unsicherheit der Monte-CarloSimulationen aus dem Quotienten der berechneten Dosis mit und ohne
Protektor an und liegen im Bereich 1,5 – 2,5 %.
Abb. 5 Artefakt-Score fr das Knochen- und Weichteilfenster im Alderson-RANDO-Phantom der beiden getesteten Protektoren.
dass der Protektor B, bestehen aus der Bi/Sb/Gd/W-Legierung,
eine um etwa 25 % bessere Schutzwirkung hinsichtlich Linsendosisreduzierung verursacht als der Bismutprotektor A. Jedoch
hat eine geeignete Gantry-Kippung noch immer die optimale
Schutzwirkung. Wenn sich die Augen mittels Gantry-Kippung
nicht mehr im Strahlengang befinden, werden die Linsen lediglich durch Streustrahlung exponiert. Diese Streustrahlung
beinhaltet einerseits Anteile, die im Patienten selbst generiert
werden, sowie andererseits die Rckstreuung des Detektors
whrend der Posterior-Anterior-Strahlungsphase. Die gemessene Dosisreduzierung von etwa 88 % korreliert sehr gut mit der
Studie von Yeoman et al., die durch Kippung der Gantry entlang ab Supra-Orbital-Line nach kranial gemessen haben und
eine Dosisreduzierung von 87% ermittelten [17]. Des Weiteren
haben Rozeik et al. weitere signifikante Dosisreduzierungen
beobachtet, wenn zustzlich zur Gantry-Kippung auch die Bismutprotektoren verwendet werden [18]. In unserer vorliegenden Studie konnte in diesem Fall kein statistisch signifikanter
Dosisunterschied ermittelt werden, dies gilt fr beide untersuchten Protektormaterialien. Diese Beobachtung sttzt das
Ergebnis der Bismutprotektorstudie von Heaney et al. [6].
Die bei der Verwendung von Linsenprotektoren entstehenden
Aufhrtungsartefakte zeigen sich lediglich im Weichteilfenster
direkt unter dem Protektormaterial. Der Bi/Sb/Gd/W-Protektor
B hat hierbei eine leicht hçhere Artfaktgenerierung im lokalen
Augenbereich. Dennoch lassen sich bei beiden Protektoren unter qualitativer Beurteilung keine Artefakte im Hirnparenchym
erkennen. Somit erleidet die diagnostische Abbildungsqualitt
hinsichtlich der sensiblen Weichteilhirndiagnostik keine Verschlechterung. Dies deckt sich gut mit den Ergebnissen von anderen Studien, welche bereits Bismutprotektoren untersucht
haben [6, 9, 10]. Bei okularer CT-Diagnostik sollte aber auf die
Protektoren verzichtet werden, da dieser Bereich direkt durch
" Abb. 6).
die lokalen Aufhrtungsartefakte beeinflusst wird (l
Dabei sollte auch hier stets auf Dosisoptimierung geachtet werden [19]. Durch eine Positionierung der Protektoren in einem
grçßeren Abstand von der Augenlinse kçnnte hier evtl. eine Verbesserung erreicht werden.
Die vorliegende Studie zeigt eine gute bereinstimmung zwischen der messtechnischen und simulationsbasierten Bestimmung der Dosisreduktion bei Verwendung der Protektoren.
Mithilfe derartiger Simulationen kçnnen Messungen mit geringem materiellen Aufwand am Computer nachgebildet werden,
womit weitere Optimierung im Bereich des Strahlenschutzes
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Abb. 3 Berechnete Dosisreduktion aus MonteCarlo-Simulationen. Im linken Bild ist eine Schicht
mit dem eingefgten Protektor dargestellt, wie sie
als voxelierte Simulationsgeometrie genutzt wurde. Im rechten Bild ist die berechnete Dosisreduktion als Funktion des Ortes farbkodiert fr diese
Schicht wiedergegeben.
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Abb. 6 Jeweils eine transversale Schicht des
Schdels des Alderson-RANDO -Phantoms unter
Verwendung von Linsenprotektoren im Vergleich
zur protektorlosen Schicht. Die Rekonstruktion erfolgte mittels eines sehr scharfen Knochenkernels
sowie mit einem sehr weichen Weichteilkernel.
mçglich sind. Die verbleibenden Unterschiede in den Ergebnissen lassen sich auf unzureichende Modellierung des eigentlichen Messprozesses zurckfhren. So ist die Dosisreduktion
beispielsweise in einem TLD außerhalb des Alderson-RANDO-Phantoms gemessen worden, whrend in der Simulation
" Abb. 3a) die Dosis innerhalb des Phantommaterials ermit(l
telt wurde. Weiterhin ist der Abstand des Protektors von Be" Abb. 3a eine hçhere Dosisreduktion
deutung. So lsst sich in l
unmittelbar hinter dem Protektor feststellen. Die Untersuchung
dieser und weiterer Einflsse wird Ziel zuknftiger Untersuchungen sein. Weiterhin konnte mittels der Simulationen der
Anteil der Streustrahlung durch die Vernderung des Photonenstrahlungsfelds nachgewiesen werden, die grundstzlich
bei der Zusammensetzung des Bi/Sb/Gd/W-Protektors B grçßer
ausfllt [11]. Die Ursache fr den hçheren Anteil der Streustrahlungsbeitrge lsst sich durch die niedrigere Ordnungszahl der verwendeten Materialien erklren. Durch die entsprechend hçhere Fluoreszenzausbeute kommt es hierbei zu einer
grçßeren Streuung. Eine hnliche Problematik wurde in der
Vergangenheit bei den Absorptionseigenschaften von Rçntgenschutzkleidung diskutiert [20].
In den letzten 5 Jahren wurden die neuen Computertomografserien mit einer anatomischen Rçhrenstrommodulation ausgestattet [21, 22]. Mit dieser Technik werden die Schwchungswerte fr jede Winkelposition eines Rçhrenumlaufs gemessen und
auf dieser Basis der Rçhrenstrom (mA) mit einem Winkelversatz
von 180, der Anatomie des Patienten angepasst, moduliert. Ziel
ist hier, Bilder von unterschiedlichen Kçrperquerschnitten mit
einer angepassten Dosiskurve zu akquirieren [23]. Mittels dieser
Technik kçnnen CT-Bilder erstellt werden, die mit einer optimalen und individuellen Patientendosis akquiriert wurden. Diese
Technik bietet auch das Potenzial zur Augenlinsendosisreduktion, indem der Rçhrenstrom genau dann reduziert wird, wenn
sich die rotierende Rçntgenrçhre direkt ber den Augen befindet. Der Vorteil dieser Idee ist, dass keine Protektionsmaterialen
bençtigt wrden und deshalb keine Aufhrtungsartfakte entstehen kçnnten. Selbst die okulare CT-Bildgebung, die durch solche
Aufhrtungsartefakte im direkten Augenbereich ein Ausschlusskriterium der Protektoranwendung begrndet, kçnnte mit diesem Ansatz auch von der Linsendosisreduzierung profitieren.
Geleijns et al. weisen in ihrer Arbeit auf diesen Sachverhalt der
Keil B et al. Schutz der Augenlinse… Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 – 1053
partiellen Rçhrenstromanpassung hin und raten vom klinischen
Einsatz der Protektoren ab [8]. Geleijns begrndet seine ablehnende Haltung lediglich durch theoretische berlegungen sowie
des Risikokontexts der entstehenden Linsendosis whrend der
CT-Untersuchung. Hinsichtlich dieses Sachverhalts wrden
neue Mess- und Simulationsexperimente unter Verwendung
der neuen Modulationstechnik Aufschluss bringen. Da das Bildpunktrauschen umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des
mAs-Produkts ist, wird durch Anwendung dieses Verfahren
eine Rauschverstrkung mit konsekutiver Verschlechterung der
Bildqualitt zu sehen sein [24]. Vollmar et al. [25] untersuchten
mittels Phantommessungen diese Fragestellung anhand von CTUntersuchungen der weiblichen Brust zu beantworten. Der
Brustschutz unter Verwendung von Bismutprotektoren ergab
eine Dosiseinsparung von 50 %. Mittels partieller Rçhrenstromanpassung konnte eine Dosisreduktion von rund 60 % erreicht
werden. Jedoch verschlechterte sich das Signal-zu-Rauschen so
stark, dass dies nur mittels einer zustzlichen Strahlenintensittssteigerung in P/A-Richtung ausgeglichen werden konnte. Im
Zusammenhang der Rçhrenstrommodulationsthematik fçrderte
die aktuelle Umfrage von Galanski et al. [26, 27] zur CT-Expositionspraxis ein bedeutsames Ergebnis zutage: Die automatische
Dosisreduktion, die etwa bei jedem zweiten, in der Studie bercksichtigten Gert zur Verfgung stand, wurde nur teilweise
benutzt und fhrte im Vergleich zur manuellen Anpassung der
Expositionsparameter im Mittel zu geringfgig bis signifikant
erhçhten Dosiswerten [26, 27]. Dies unterstreicht in der gngigen CT-Anwendungspraxis die Bedeutung und das Potenzial
von Linsenprotektoren zur Optimierung des Strahlenschutzes
des Patienten.
Schlussfolgerung
!
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse unserer Studie, dass
eine Strahlendosis von 50 mGy bei ungeschtzten Augen auf 32
mGy (Bismutprotektor) bzw. 26 mGy (Bi/Sb/Gd/W-Protektor)
reduziert werden kann, wenn sich jeweils die protektierten Augen whrend der Aufnahme im Strahlengang befinden. Hinsichtlich der jhrlich zunehmenden CT-Untersuchungen ist es eine
einfach zu handhabende Mçglichkeit, um die Organdosis eines
b
strahlensensiblen Organs zu halbieren. Neue Untersuchungen
zeigen, dass einzelne Organdosen bei Schdelaufnahmen mittels
Spiral-CT-Techniken sehr hohe Werte erreichen kçnnen, wobei
die Augendosis bis zu 80 mGy bei einmaliger Untersuchung betragen kann [28]. Dieser Dosiswert liegt sehr nahe an der von der
ICRU90 angegebenen Augenschwellendosisrate von 100 mGy,
die bei fraktionierter Bestrahlung zur Augentrbung fhrt [5].
Besonders bei solch dosisintensiven Untersuchungen kann die
Anwendung der Schutzprotektoren eine einfache Hilfe sein, das
ALARA-Prinzip (as low as reasonable achievable) in der tglichen
Routine effizient umzusetzen.
Des Weiteren haben sich zwei etablierte CT-Hersteller nun dazu
entschieden, bei neuen CT-Generationen keine Gantry-Kippungen mehr zu zulassen. Somit kçnnen seitens dieser Gerte keine
apparativen Dosiseinsparungen der Augen im Schdelmessprotokoll vorgenommen werden. Inwiefern andere Hersteller diesem Schritt folgen, gilt abzuwarten.
Die gute bereinstimmung der Monte-Carlo-Simulationen mit
quivalenten Messungen ermutigen zu weiteren dosimetrischen
Untersuchungen dieser Art in der Rçntgendiagnostik.
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Danksagung
!
Die Autoren danken der Firma Somatex Medical Technologies
GmbH (Berlin), die im Rahmen dieser Studie zwei Exemplare
dieser neuen Linsenprotektoren zu Testzwecken bereitgestellt
hat.
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Literatur
1 Umweltradioaktivitt und Strahlenbelastung im Jahr 2006. Parlamentsbericht 2006http://www.bfs.de/de/bfs/druck/uus/parlamentsbericht06.pdf
2 Meriam Jr GR, Focht EF. A clinical study of radiation cataracts and the
relationship to dose. Am J Roentgenol Radium Ther Nucl Med 1957;
77: 759–785
3 Hopper KD, Neuman JD, King SH et al. Radioprotection to the eye during CT scanning. AJNR Am J Neuroradiol 2001; 22: 1194–1198
4 Maclennan AC, Hadley DM. Radiation dose to the lens from computed
tomography scanning in a neuroradiology department. Br J Radiol
1995; 68: 19–22
5 Empfehlungen der Internationalen Strahlenschutzkommission 1990
ICRP Verçffentlichungen 60. Stuttgart, Jena, New York: Gustav Fischer
Verlag, 1993
6 Heaney DE, Norvill CA. A comparison of reduction in CT dose through
the use of gantry angulations or bismuth shields. Australas Phys Eng
Sci Med 2006; 29: 172–178
7 McLaughlin DJ, Mooney RB. Dose reduction to radiosensitive tissues in
CT. Do commercially available shields meet the users’ needs? Clin Radiol 2004; 59: 446–450
8 Geleijns J, Salvado AM, Veldkamp WJ et al. Quantitative assessment of
selective in-plane shielding of tissues in computed tomography
through evaluation of absorbed dose and image quality. Eur Radiol
2006; 16: 2334–2340
9 Perisinakis K, Raissaki M, Theocharopoulos N et al. Reduction of eye
lens radiation dose by orbital bismuth shielding in pediatric patients
22
23
24
25
26
27
28
undergoing CT of the head: a Monte Carlo study. Med Phys 2005; 32:
1024–1030
Hein E, Rogalla P, Klingebiel R et al. Low-dose CT of the paranasal sinuses with eye lens protection: effect on image quality and radiation dose. Eur Radiol 2002; 12: 1693–1696
Wulff J, Keil B, Auvanis D et al. Dosimetrische Evaluation von Augenlinsen-Protektoren in der Computer Tomographie – Messungen und
Monte-Carlo-Simulationen. Z Med Phys 2008; 18: 19–26
Shrimpton PC, Wall BF, Fisher ES. The tissue-equivalence of the Alderson Rando anthropomorphic phantom for x-rays of diagnostic qualities. Phys Med Biol 1981; 26: 133–139
Kawrakow I. Accurate condensed history Monte Carlo simulation of
electron transport. II. Application to ion chamber response simulations. Med Phys 2000; 27: 499–513
Kawrakow I. Accurate condensed history Monte Carlo simulation of
electron transport. I. EGSnrc, the new EGS4 version. Med Phys 2000;
27: 485–498
National Resarch Council KanadaEGS download: http://www.irs.
inms.nrc.ca/EGSnrc/EGSnrc.html
Kawrakow I, Fippel M, Friedrich K. 3D electron dose calculation using a
Voxel based Monte Carlo algorithm (VMC). Med Phys 1996; 23:
445–457
Yeoman LJ, Howarth L, Britten A et al. Gantry angulation in brain CT:
dosage implications, effect on posterior fossa artifacts, and current international practice. Radiology 1992; 184: 113–116
Rozeik C, Kotterer O, Preiss J et al. Cranial CT artifacts and gantry angulation. J Comput Assist Tomogr 1991; 15: 381–386
Lackner B, Schmidinger G, Funovics M. Interokulare Fremdkçrperdiagnostik in der Multidetektor-CT: Auswirkungen der Akquistionsparameter auf Strahlendosis und Erkennbarkeit. Fortschr Rçntgenstr
2006; 178: 90–95
Eder H, Panzer W, Schofer H. Ist der Bleigleichwert zur Beurteilung der
Schutzwirkung bleifreier Rçntgenschutzkleidung geeignet? Fortschr
Rçntgenstr 2005; 177: 399–404
Greess H, Wolf H, Baum U et al. Dose reduction in computed tomography by attenuation-based on-line modulation of tube current: evaluation of six anatomical regions. Eur Radiol 2000; 10: 391–394
Greess H, Baum U, Wolf H et al. Dosisreduktion bei der Spiral-CT: Detektion von Lungenrundherden mit und ohne anatomisch angepasster Rçhrenstrommodulation. Fortschr Rçntgenstr 2001; 173: 466–470
Mulkens TH, Bellinck P, Baeyaert M et al. Use of an automatic exposure
control mechanism for dose optimization in multi-detector row CT
examinations: clinical evaluation. Radiology 2005; 237: 213–223
Honnef D, Wildberger JE, Stargardt A et al. Mehrschicht-Spiral-CT
(MSCT) in der Kinderradiologie: Dosisreduktion bei der Untersuchung
von Thorax und Abdomen. Fortschr Rçntgenstr 2004; 176: 1021–1030
Vollmar SV, Deak P, Kalender W. Reduction of Dose to the Female Breast in Chest CT: A Comparison of Standard Protocols, Tube Current
Modulated, Partial, and Bismuth-shielded Scans. Radiological Society
of NorthAmerica, Scientific Assembly and Annual Meeting Program
2006; 241: 595
Galanski M, Nagel HD, Stamm G. Ergebnisse einer Bundesweiten Umfrage 2005 / 2006: Pdiatrische CT- Expositionspraxis in Deutschland.
Fortschr Rçntgenstr 2007; 179: 1110–1111
Pdiatrische CT-Exposition in der Bundesrepublick Deutschland – Ergebnisse einer Bundesweiten Umfrage 2005 / 06. Medizinische Hochschule Hannover, 2007
Koller F, Roth J. Die Bestimmung der effektiven Dosen bei CT-Untersuchungen und deren Beeinflussung durch Einstellparameter. Fortschr
Rçntgenstr 2007; 179: 38–45
Keil B et al. Schutz der Augenlinse… Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 – 1053
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Technik und Medizinphysik