RÖNTGENSUGÁR ALAPÚ SZÁMÍTÓGÉPES

RÖNTGENSUGÁR ALAPÚ SZÁMÍTÓGÉPES TOMOGRÁFIA (CT) TECHNIKAI ALAPJAI dr. Németh Gábor Pre-klinikai Programigazgató Mediso Kft, Budapest [email protected]

Radiológiai és Onkoterápiás Klinika, Semmelweis Egyetem 2014. január 20.

TARTALOM

2.

• Spirál CT felépítése

• Képalkotás folyamata • Képminőség

• Műtermékek • Dózissal kapcsolatos alapfogalmak

• Dóziscsökkentés lehetőségei • Spirál CT jövője

2014.01.21.

Radiológiai és Onkoterápiás Klinika, Semmelweis Egyetem

NOBEL-DÍJ (1979)

Allan MacLeod Cormack (1924-98) dél-afrikai születésű amerikai fizikus

Godfrey Newbold Hounsfield (1919-2004) angol villamosmérnök

2014.01.21.


3.

Spirál CT 1989 1993 2000 2010

4.

Az első spirál CT-készülék (Willi A. Kalender) Az első több detektorsoros spirál CT (Elscint Twin) Második virágkor (sok hagyományos és új alkalmazási terület, gyors, igen jó felbontású, kedvező költségű) Készülékeladások, vizsgálatszámok telítődnek

Évente végzett összes CT vizsgálat száma (USA, 2007) Naponta végzett vizsgálatok száma

19 500

CT vizsgálatok által indukált daganatos megbetegedések száma évente

29 000

CT által indukált daganatok okozta halálozás évente

15 000

ALARA 2014.01.21.

72 000 000


Spirál CT

5.

Step and shoot (Axial) scan: egymást követi az asztalléptetés és az átvilágítás

Több detektorsoros (MDRCT) spirál CT: • folyamatos asztalhaladás és átvilágítás • kúp alakú sugár (cone beam), „kétdimenziós” detektortömb

Pitch: Asztal elmozdulás / Axiális látómező Lefedettség: P>1: rések, P=1: folytonos, P<1 átfedések

2014.01.21.


Spirál CT

2014.01.21.

6.


Képalkotás folyamata 1. Nyers adatok gyűjtése és korrekciója 2. Interpoláció •

Egy szeletes interpoláció (FS, US, HS, FI, HI, HE)

•

Többszeletes interpoláció (360°MLI, 180°MLI)

•

z-Szűrés (AAI – Adaptív Axiális Interpoláció)

3. Képrekonstrukció •

•

Visszavetítés típusú algoritmusok •

Kúpszöget elhanyagoló módszerek (FBP)

•

Kúpszög rekonstrukciós módszerek - 3D visszavetítítés (3DRP)

Iteratív algoritmusok (EM, OSEM)

4. Megjelenítés 5. Utófeldolgozás (post processing)

2014.01.21.


7.

Képalkotás folyamata

8.

1. Nyers adatok gyűjtése és a szükséges korrekciók

I  I0  e I:

 tárgy  x

p proj ( x, y )  s  I 0  t Exp  e 

a röntgensugár kezdeti intenzitása (függ a csőáramtól és a csőfeszültségtől)

I0: a test által gyengített röntgensugár intenzitása tExp: a röntgendetektor expozíciós ideje (amíg a fotonokat gyűjti) s: 2014.01.21.

 tárgy ( x ) dx

a röntgendetektor érzékenysége Radiológiai és Onkoterápiás Klinika, Semmelweis Egyetem

Képalkotás folyamata

9.

2. Rekonstrukció a) Szűrt visszavetítés (filtered backprojection, FBP, 2 dimenziós Radon transzformáció) Szűrők: Ram-Lak, Hamming, Hanning, Cosinus Számos változata van: • parallel-beam • fan-beam (pl.ASSR) • cone-beam (pl.AMPR)

A szűrésből származó negatív értékek

A

A vetületi adatok denzitásprofilja

B

b) Iteratív módszerek

2014.01.21.


Rekonstrukciós kör

A vetületi adatok változtatott azaz „szűrt” denzitásprofilja

ITERATÍV

10.

REKONSTRUKCIÓ

Projekciós tér

Leképező rendszer (geometria, fizikai hatások)

3D Képtér Eredmény kép

2014.01.21.

Formálódó kép

Formálódó projekciók

Mért adat (projekciók)

Összevetés és módosítás

Visszavetítő (BP)

Előre vetítő (FP)


Kiinduló kép (initial guess)

ITERATÍV

REKONSTRUKCIÓ

Courtesy of Purdue University, USA 2014.01.21.


11.

Képalkotás folyamata 2. Megjelenítés Kétdimenziós megjelenítés:

a) Transaxiális szeletképek b) Orthogonális metszeti képek (transaxiális, coronális, frontális)

c) Multiplanar reformation képek (MPR) d) Curved planar reformation képek (CPR)

e) Slab képek (sum, MIP, mIP)

2014.01.21.


12.

Képalkotás folyamata 2. Megjelenítés Három dimenziós megjelenítés: a) Felületmegjelenítő módszerek (surface rendering) Egy különálló objektum felületének megjelenítését teszi lehetővé. (klasszifikáció) b) Térfogat-megjelenítő módszerek Egyszerre több felületet, vagy az egész térfogatot jeleníti meg. • Volume rendering • átlátszóság: pixelérték és grádiens (opacity and gradient map) • szín: pixelérték (color-map)

2014.01.21.


13.

Képminőség

14.

1. Felbontás 1. Térbeli felbontás – nagy kontrasztú felbontás, [lp/cm] vagy [mm] 1. Szeleten belüli térbeli felbontás, Δr 2. z-tengely irányú térbeli felbontás, SEFF 2. Kontraszt felbontás – alacsony kontrasztú felbontás 2. Képzaj, (σ): jellemzően szemcsés megjelenésű (röntgencső, detektor, adatfeldolgozás, rekonstrukció stb.) 3. Műtermék (artefact): rendezett, vagy jellemző mintát adó interferencia jelenség. Leggyakoribbak: •

Lépcsőfokszerű műtermék (stair-step)

•

A fémek okozta műtermék (star)

•

Mozgás okozta műtermék

•

Résztérfogat hatás (booming/ blurring)

•

Sugárkeményedés (cupping)

2014.01.21.


Műtermékek

15.

Mozgási műtermék (motion artefact) Légző mozgások Szívciklus Nyugtalan beteg Egyenes → Görbe Csökkentésének lehetőségei: •

Megelőzés: Megfelelő vizsgálati technika

•

Korrigálás: a vizsgált objektumok mozgási transzformáltjának meghatározása korrelációval (azonos irányú vetületek közötti x és y irányú eltérésből), majd az elmozdulás korrigálása a nyersadatokon.

2014.01.21.


Műtermékek

16.

Partial Volume Effect (Résztérfogat hatás) Megjelenése: A térbeli felbontásnál kisebb méretű objektumok nem láthatók vagy ha nagy intenzitásúak akkor nagyobbnak látszanak (blooming) Oka: Szomszédos voxelek átlagolódása Csökkentésének lehetőségei : Térbeli felbontás javítása (HR kernel, Ramp filter)

2014.01.21.


Műtermékek

17.

Sugárkeményedés (beam hardening) KeV

KeV

KeV

Csökkentésének lehetőségei: - Hardveres szűrés (Al, Ce, bowtie) - Kalibráció speciális BH fantommal - Szoftveres korrekció iteratív algoritmus segítségével 2014.01.21.


CT VIZSGÁLATOK

DÓZISTERHELÉSE

Berrington de González A, Mahesh M, Kim K-P, et al. Projected cancer risks from computed tomographic scans performed in the United States in 2007. Arch Intern Med. 2009;169(22):2071-2077. Smith-Bindman R, Lipson J, Marcus R, et al. Radiation dose associated with common computed tomography examinations and the associated lifetime attributable risk of cancer. Arch Intern Med. 2009;169(22):2078-2086.

2014.01.21.


18.

CT specifikus dózisfogalmak

A kockázat becslésének lépései 2014.01.21.


19.

CT specifikus dózisfogalmak

20.

•CTDI (Computed Tomography Dose Index): 14 folyamatos szeletből származó, a sugár szélességére (NT) normalizált elnyelt dózis

1 2 C TDI W  C TDI 1 0 0 , kö z ép  C TDI 1 0 0 , p er ifér ia 3 3

C TDI V O L 

M S  C TDI W T

•DLP (Dose Length Product): a z-tengely egy szakaszára (L) vonatkoztatva írja le a dózis nagyságát

D L P  C T D IVOL  L •Effektív dózis: normalizált effektív dózis együtthatók (Jensen)

E  DLP  k E ,T

Régió

kE,T [mSv/(mGycm)]

Régió

kE,T [mSv/(mGycm)]

Fej

0,0021 (1x)

Has

0,0120 (~6x)

Nyak

0,0048 (~2x)

Medence

0,0160 (~8x)

Mellkas

0,0140 (~7x)

–

–

•Kockázatbecslés: (pl. a Japán atombomba támadás áldozatainak adatai alapján) sztohasztikus károsodások, elsősorban a halálos kimenetelű daganatok kialakulásának valószínűsége 2014.01.21.


Dózist befolyásoló tényezők

21.

•röntgensugár energiája: (kV) növelésével (a sugárzás keményedésével) nő az áthatolóképesség nő az egységnyi tömegnek átadott energia → az elnyelt dózis nő •milliamper secundum: (mAs) növelésével egyenes arányban nő az egységnyi felületre beeső fotonok száma → az elnyelt dózis nő •spirál pitch: növelésével csökken az idő, amit a test a sugárnyalábban tölt arányosan az elnyelt dózis csökken (effektív mAs!) •a vizsgált objektum mérete: növelésével (fejfantom d=16cm, testfantom d=32cm) a szeleten belüli dózisgrádiens nő az elnyelt dózis csökken

10 40

2014.01.21.

20 20

40 10

20 40

30 30


40 20

Dózis és képminőség • Effektív mAs:

m Aseff

m As M S   ( I  t rot )  p T

• A dózis egyenesen arányos az effektív mAs értékkel • A képminőség jellemezhető: • a képzajjal (σ2): az effektív mAs értéktől függ. • effektív szeletvastagsággal (Seff) • szeleten belüli felbontással (Δr)

2

p 1   I  t   S eff   r 3  I  t eff  S eff   r 3

Kétszeres felbontás növekedés 16 szorosára növeli a dózist, ha a képzajt eredeti értékén kívánjuk tartani.

2014.01.21.


23.

Dóziscsökkentő módszerek • Dózis moduláció • Fajtái: • z–irányú dózis moduláció • Szeleten (körülforduláson) belüli dózis moduláció • 3D (z + szeleten belül) • Megvalósítása: • Topogram alapú • Automatikus expozíció kontroll / On-line • Röntgensugár spektrumának változtatása

• Szoftveres algoritmusok: • Többdimenziós adaptív szűrés (MAF) • Iteratív rekonstrukció • Alacsonydózisú protokollok • Dózis kalkulátorok 2014.01.21.


24.

Dózismoduláció

25.

Méretfüggő

Transaxiális

2014.01.21.

z-irányú

3D dózis moduláció


KÜLÖNBÖZŐ CT KÉSZÜLÉKEK Scanner manufactur er

General Electric

Philips

Siemens

Toshiba

Scanner model

26.

DÓZISÉRTÉKEI

Number Number of of CTDI scanners measurements

Average Normalized CTDIw (mGy/mAs)

Std. Dev. Normalized CTDIw (mGy/mAs)

Qx/i

11

26

0.10

0.015

LS+

9

22

0.09

0.025

Ultra

7

23

0.10

0.011

LS-16

23

51

0.09

0.011

VCT

1

2

0.09

..

MX8000

6

13

0.08

0.010

MX8000-IDT

2

7

0.12

0.053

Brilliance 64

1

1

0.07

..

Sensation 4 Volume Zoom

14

35

0.10

0.025

Sensation 16

13

25

0.08

0.008

Sensation 64

2

4

0.08

0.002

Aquilion 4

4

6

0.12

0.045

Aquilion 16

3

6

0.13

0.013

Overall average normalized dose (CTDIw per mAs) for all scanners operated at 120 kVp was 0.096 mGy/mAs. Normalized CT Dose Index of the CT Scanners Used in the National Lung Screening Trial D Cody et al., JR Am J Roentgenol., 2011 January 5. 2014.01.21.


A SPIRÁL CT JÖVŐJE • •

•

• •

2014.01.21.

• • • • • • • • •

27.

Térbeli felbontás növelése: vékonyabb szeletek újfajta adatgyűjtési technikák (flat panel)

Időbeli felbontás növelése: gyorsabb forgás (nehézségi erő!) több egyidejű szelet (256, 320, 640?) több röntgencső – detektor pár (pl. dual v. multisource)

Kontraszt felbontás növelése (zajcsökkentés): újfajta rekonstrukciók (iteratív módszerek pl.statisztikai rekonstrukció, GPU alapú megoldások) érzékenyebb detektorok

Dóziscsökkentés (3D dózismoduláció) Új alkalmazási területek: Dual-energy CT Monokromatikus röntgen forrás – energia szelektív detektor (pl. CdZnTe, CdTe) Radiológiai és Onkoterápiás Klinika, Semmelweis Egyetem

ÚJ NANOTECHNOLÓGIA ALAPÚ RÖNTGENFORRÁS (2.3) • Szén nanocső (CNT) alapú miniatűr röntgencső • Katód: Szén nanocsövecskék – hideg emisszió • Anód: Fémréteg (gyémánt ablakon) • Hordozó: Szilicium (Si) – félvezető technológiával gyártható • MEMS: Micro Electro Mechano System • Olcsó→ több röntgen cső • Statikus CT • Idő felbontás↑ 2014.01.21.


28.

DUAL ENERGY CT (5.1) Virtuális 120kV-os kép Kontrasztanyaggal

29.

Fúziós jód perfúziós kép (120kV+jód)

Virtuális 120kV-os kép Kontrasztanyag nélkül

Jód perfúziós kép

56 éves férfi, bal felső lebenyi adenocarcinoma

Perifériás hyperperfúzió

Henzler T, et al. Functional CT imaging techniques for the assessment of angiogenesis in lung cancer. Transl Lung Cancer Res 2012;1:78-83. 2014.01.21.


KÖSZÖNÖM

A FIGYELMET!

Dr. Németh Gábor - Mediso Kft, Budapest [email protected] 2014.01.21.


31.

RÖNTGENSUGÁR ALAPÚ SZÁMÍTÓGÉPES

Recommend Documents