RÖNTGENSUGÁR ALAPÚ SZÁMÍTÓGÉPES TOMOGRÁFIA (CT) TECHNIKAI ALAPJAI dr. Németh Gábor Pre-klinikai Programigazgató Mediso Kft, Budapest gabor.nemeth@mediso.hu 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
NOBEL-DÍJ (1979) 3. Allan MacLeod Cormack (1924-98) dél-afrikai születésű amerikai fizikus Godfrey Newbold Hounsfield (1919-2004) angol villamosmérnök
Spirál CT 1989 Az első spirál CT-készülék (Willi A. Kalender) 1993 Az első több detektorsoros spirál CT (Elscint Twin) 2000 Második virágkor (sok hagyományos és új alkalmazási terület, gyors, igen jó felbontású, kedvező költségű) 2010 Készülékeladások, vizsgálatszámok telítődnek 4. Évente végzett összes CT vizsgálat száma (USA, 2007) 72 000 000 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
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
Spirál CT 6.
Képalkotás folyamata 7. 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)
Képalkotás folyamata 8. 1. Nyers adatok gyűjtése és a szükséges korrekciók I I 0 e x tárgy p proj ( x, y) s I 0 t Exp e tárgy ( x) dx I: a röntgensugár kezdeti intenzitása (függ a csőáramtól és a csőfeszültségtől) I 0 : a test által gyengített röntgensugár intenzitása t Exp : a röntgendetektor expozíciós ideje (amíg a fotonokat gyűjti) s: a röntgendetektor érzékenysége
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 A vetületi adatok denzitásprofilja A szűrésből származó negatív értékek B Rekonstrukciós kör A vetületi adatok változtatott azaz szűrt denzitásprofilja b) Iteratív módszerek
Mért adat (projekciók) Formálódó projekciók Összevetés és módosítás ITERATÍV REKONSTRUKCIÓ 10. Projekciós tér Leképező rendszer (geometria, fizikai hatások) 3D Képtér Eredmény kép Visszavetítő (BP) Formálódó kép Előre vetítő (FP) Kiinduló kép (initial guess)
ITERATÍV REKONSTRUKCIÓ 11. Courtesy of Purdue University, USA
Képalkotás folyamata 12. 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)
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) 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, S EFF 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)
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.
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)
Műtermékek Sugárkeményedés (beam hardening) 17. KeV KeV KeV Csökkentésének lehetőségei: - Hardveres szűrés (Al, Ce, bowtie) - Kalibráció speciális BH fantommal - Szoftveres korrekció iteratív algoritmus segítségével
CT VIZSGÁLATOK DÓZISTERHELÉSE 18. 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.
CT specifikus dózisfogalmak 19. A kockázat becslésének lépései
CT specifikus dózisfogalmak 20. CTDI (Computed Tomography Dose Index): 14 folyamatos szeletből származó, a sugár szélességére (N T) normalizált elnyelt dózis 1 3 C TDI W C TDI 100, kö zép C TDI 100, p eriféria 2 3 C TDI V O L Régió k E,T [msv/(mgycm)] Régió M S T C TDI DLP (Dose Length Product): a z-tengely egy szakaszára (L) vonatkoztatva írja le a dózis nagyságát D L P C T D I V O L L Effektív dózis: normalizált effektív dózis együtthatók (Jensen) E DLP k E, T k E,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 W
Dózist befolyásoló tényezők 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 21. 10 40 20 20 40 10 20 40 30 30 40 20
Dózis és képminőség 23. Effektív mas: m As eff m As M S ( I t rot ) p T A dózis egyenesen arányos az effektív mas értékkel A képminőség jellemezhető: a képzajjal (σ 2 ): az effektív mas értéktől függ. effektív szeletvastagsággal (S eff ) szeleten belüli felbontással (Δr) 2 p 1 3 3 I t S r I t S r eff eff eff Kétszeres felbontás növekedés 16 szorosára növeli a dózist, ha a képzajt eredeti értékén kívánjuk tartani.
Dóziscsökkentő módszerek 24. 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
Dózismoduláció 25. Méretfüggő z-irányú Transaxiális 3D dózis moduláció
KÜLÖNBÖZŐ CT KÉSZÜLÉKEK DÓZISÉRTÉKEI 26. Scanner manufactur er General Electric Philips Siemens Toshiba Scanner model Number of scanners Number of CTDI 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.
A SPIRÁL CT JÖVŐJE 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) 27.
ÚJ NANOTECHNOLÓGIA ALAPÚ RÖNTGENFORRÁS (2.3) 28. 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
DUAL ENERGY CT (5.1) 29. Virtuális 120kV-os kép Kontrasztanyaggal 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.
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! 31. Dr. Németh Gábor - Mediso Kft, Budapest gabor.nemeth@mediso.hu