grundlagen der röntgen-computer-tomographie und biomedizinische + materialwiss. anwendungen
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Grundlagen derGrundlagen derRöntgen-Computer-TomographieRöntgen-Computer-Tomographie
und biomedizinische + materialwiss. und biomedizinische + materialwiss.
AnwendungenAnwendungen
Wolfgang Dreher
Universität BremenFachbereich 2 (Biologie/Chemie)
WS 2011/2012
■■■ Literatur
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Grundlagen und Anwendungen Grundlagen und Anwendungen der Röntgen-Computer-Tomographieder Röntgen-Computer-Tomographie
Literatur:
H. Morneburg (Hrsg.): Bildgebende Verfahren für die medizinische Diagnostik, Publicis, 1995.
A. Oppelt (Ed.): Imaging Systems for Medical Diagnostics, Publicis, 2005.
W.A. Kalender: Computertomographie, Publicis, 2006.(daraus wurden auch viele der Abbildungen entnommen, „Ka2000“)
W.A. Kalender, Phys. Med. Biol. 51, R29-R43(2006). (Überblick zu X-CT).
E.L. Ritman, Annu. Rev. Biomed. Eng. 13, 531–552 (2011). (Überblick zu Mikro-CT + biomed. Anwendung)
■■■ Gliederung
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Grundlagen und Anwendungen Grundlagen und Anwendungen der Röntgen-Computer-Tomographie (X-CT, CT)der Röntgen-Computer-Tomographie (X-CT, CT)
1. Vorarbeiten zur CT
2. Erfindung der CT
3. Grundprinzip der CT–Aufbau und Funktionsweise
–Rekonstruktion von CT-Bildern
4. Entwicklungsetappen der CT
5. Anwendungen der CTbiomedizinische
materialwissenschaftliche
6. aktuelle Entwicklungen
■■■ Vorarbeiten zur CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Röntgen-Strahlen (X-Strahlen)Röntgen-Strahlen (X-Strahlen)
Wilhem Conrad Röntgen
(1845-1923)
1. Nobelpreis für Physik
1901
"… beim Lesen von Professor Röntgens … Mitteilung über eine neue Art der Strahlen, konnte ich mich des Gedankens nicht erwehren, ein Märchen vernommen zu haben, wenn auch der Name des Autors … mich von diesem Wahne schnell befreite …"
Der Physiker Otto Lummer am 15. Februar 1896
Bild der rechten Hand von Frau Röntgen
( 22.12.1895)
■■■ Vorarbeiten zur CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Prinzip einer RöntgenaufnahmePrinzip einer Röntgenaufnahme
Röntgenröhre
Schwächung der Röntgenstrahlen im
Messobjekt
Strahlendetektor
Blendensystem
Messobjekt
Strahlenintensität I0
reduzierte Strahlenintensität I(x,y)
■■■ Vorarbeiten zur CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Erzeugung von RöntgenstrahlenErzeugung von Röntgenstrahlen
UR=50-150 kV
Glühkathode Anode
kontin. Brems-
Strahlung
charakt.
Strahlung
E / keV
UR = 80 kV
100 kV
120 kV
140 kV
Pho
ton
enza
hl /
bel
. E
inh
Röntgen-Spektrum (Wolfram-Anode)
Grenzenergie:
Emax = e . UR = h . max
für UR = 100 kV:
max = 2.42 . 1019 Hz
min = 0.0124 nm
„Aufhärtung“
Vakuum-
röhre
■■■ Vorarbeiten zur CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit MaterieWechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie
Absorption von Röntgenstrahlen
durch 10 cm Wasserschicht
aus: Wachsmann/Drexler: Kurven und Tabellen für die
Radiologie. 2. Aufl., Berlin: Springer-Verlag,1976.
vollständige
Energieübertragung
auf Elektronen
inkohärenteStreuung an Elektronen
Bildung eines
Elektron-Positron-
Paares
(E > 2 * 511 keV)
■■■ Vorarbeiten zur CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit MaterieWechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie
für = (x,y,z) :
(Linienintegral)
)exp(NNd
0
ds)z,y,x(0
(Lambert-Beer‘sches Gesetz)
)exp(0 dNN NN00
NNdd =const.
Differentielle Abschwächung in einer dünnen Schicht:
dN = - . N(x) . dx N(x) ... Zahl der auftreffenden Quanten
dx ... Schichtdicke
= Photo + Comp + ...
„totaler Schwächungskoeffizient“
Materialabhängigkeit von (E,Z,), Z ... (eff.) Ordnungszahl
... Dichte des Materials
■■■ Vorarbeiten zur CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Materialabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten:
(E,Z,) = Photo(E,Z,) + Comp(E,Z,)
E ... Energie der Röntgenstrahlen, Z ... (effektive) Ordnungszahl
... Dichte des Materials
= f(E,Z) ... Massenschwächungskoeffizient
Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit MaterieWechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie
Massenschwächungskoeffizienten als Fkt(E) (bezogen auf Wasser)
■■■ Vorarbeiten zur CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
analoge Detektion („Röntgenfilm“)
Detektion von RöntgenstrahlenDetektion von Röntgenstrahlen
in CT z.Z. zwei Detektortypen eingesetzt:–Ionisationskammern (Hochdruck-Xenon-)–Szintillationsdetektoren (Cäsium-Jodid, Cadmium-
Wolframat, keramische Stoffe)
in der CT: Erfassung digitaler Signale notwendig Detektorsystem:
–Detektorelement (Röntgenstrahlen => elektr. Signale)–Verstärker–Analog/Digital-Wandler
■■■ Erfindung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Röntgenbild Röntgen-Tomogramm ? Röntgenbild Röntgen-Tomogramm ?
lateral a.p.
Röntgenaufnahmen des Kopfes:
Kontrast dominiert durch Knochen
Johann Radon, 1917:
mathematischer Beweis:
Die 2-dim. Verteilung einer Objekteigenschaft kann exakt beschrieben werden, wenn eine unendliche Anzahl von Linienintegralen vorliegt.
(x,y) (x,y) unendlich viele Linienintegrale unendlich viele Linienintegrale(x(xii,y,yjj) ) endlich viele Projektionen ? endlich viele Projektionen ?
(x,y)(x,y)
(x(x33,y,y22))
■■■ Erfindung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Erfindung der CT: direkte VorarbeitenErfindung der CT: direkte Vorarbeiten
Allen M. Cormack (1924-1998)
seit 1957: Optimierung der Strahlentherapie in Kapstadt 1963: Verfahren zur Berechnung der lokalen Verteilung
der Absorption von Röntgenstrahlen im menschlichen Körper (J.Appl.Phys. 34, 2722-
27(1963).) postuliert: Auch kleinste Absorptionsunterschiede sollten
detektierbar sein (Weichteilkontrast) noch keine praktische Umsetzung in Richtung einer „Tomographie“ Nobelpreis für Medizin 1979
■■■ Erfindung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Erfindung der CTErfindung der CT
Godfrey M. Hounsfield
(1919-2004)
Arbeit in EMI Labs seit 1967 Arbeit zur „CT“
Kopf-CT, 1974Kopf-CT, 1974 1972/73 erste Ergebnisse und Publikation zur „Computerised Tomography“
– Hounsfield GN: Computerised transverse axial scanning (tomography).
I. Description of system. Br J Radiol 46: 1016-1022, 1973.– Ambrose J: Computerised transverse axial scanning (tomography).
II. Clinical application. Br J Radiol 46: 1023-1047, 1973.
Nobelpreis für Medizin 1979
■■■ Erfindung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Aufbau und Funktionsweise eines CTAufbau und Funktionsweise eines CT
Erster klinischer EMI Scanner (Prototyp) im Atkinson Morley’s Hospital, London. Funktion nach Translations-Rotations-Verfahren.
(aus: G.M. Hounsfield, Nobelvortrag, 1979)
■■■ Grundprinzip der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Aufbau und Funktionsweise eines CTAufbau und Funktionsweise eines CT
Translations-Rotations-Verfahren („CT der 1. Generation“)
■■■ Grundprinzip der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Bildrekonstruktion: Algebraische LösungBildrekonstruktion: Algebraische Lösung
11 22
33 44
SS11==11++22
SS22==33++44
SS44==11++33 SS33==22++44
• Reko = Lösung eines Reko = Lösung eines Gleichungssystems Gleichungssystems
• besser (Rauschen !):besser (Rauschen !):
überbestimmtesüberbestimmtes Gleichungssystem Gleichungssystem (iterative Lösung)(iterative Lösung)
SS11
SS22
SS33
11 22 33
44 55 66
77 88 99
SS44
SS55
SS66SS77SS88SS99
SS1212
SS1111
SS1010
• für große Bildmatrizen:für große Bildmatrizen:
unpraktikabler Zugangunpraktikabler Zugang ! !
■■■ Grundprinzip der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Bildrekonstruktion: einfache RückprojektionBildrekonstruktion: einfache Rückprojektion
xx
yyss
rr
Detektor:Detektor: I(r,I(r,))
Röntgenquelle:Röntgenquelle:II00
(x,y)(x,y)
ds)),r(I
Iln(),r(P 0
)sin(y)cos(xr „„einfache Rückprojektion“:einfache Rückprojektion“:
für N Projektionen für N Projektionen
N
1kkkkk ))sin(y)cos(xr(P)y,x(
),r(P kk
Wieviele Projektionen N sind fürWieviele Projektionen N sind fürBild der Matrixgröße (M,M) notwendig ?Bild der Matrixgröße (M,M) notwendig ?
M2
N
■■■ Grundprinzip der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Bildrekonstruktion: einfache RückprojektionBildrekonstruktion: einfache Rückprojektion
Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, =1°)
einfache
Rückprojektionsimuliertes Phantom
100100 5050 7575
■■■ Grundprinzip der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Bildrekonstruktion: 2D-FFT nach InterpolationBildrekonstruktion: 2D-FFT nach Interpolation
betrachten FT p(k,) einer Projektion:
dr)ikrexp(),r(P),k(p
dsdr)ikrexp(),k(p
ds)),r(I
Iln(),r(P 0
d.h.
dxdy))ykxk(iexp()y,x()k,k(p yxyx
yxyxyx2dkdk))ykxk(iexp()k,k(p
4
1)y,x(
Option 1: Bildrekonstruktion durch 2D FFT nach Interpolation von Polar- auf kartesische Koordinaten !
in kartesischen
Koordinaten:
■■■ Grundprinzip der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Bildrekonstruktion: gefilterte RückprojektionBildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion
dkdkikrkpr )exp(),(4
1),(
2
Option 2: Bild-Rekonstruktion
durch „gefilterte Rückprojektion“
In Polarkoordinaten:
„gefilterte Projektion“
dkikrkpfkrP f )exp(),()(4
1),(
2*
drPr ),(),( *
dkikrkpkrP )exp(),(4
1),(
2*
N
kkk rPyx
1
* )(),(
■■■ Grundprinzip der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Bildrekonstruktion: gefilterte RückprojektionBildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion
dk)ikrexp(),k(p)fk(4
1),r(P f2
*
Filterung: weich Standard hart
■■■ Grundprinzip der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Bildrekonstruktion: gefilterte RückprojektionBildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion
Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, =1°)
einfache
Rückprojektion
gefilterte
Rückprojektionsimuliertes Phantom
100100 5050 7575
■■■ Grundprinzip der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Dargestellte Bildintensität: die „CT-Zahlen“Dargestellte Bildintensität: die „CT-Zahlen“
Schwächungskoeffizient G nicht
direkt dargestellt, sondern:
HU1000)(
ZAHLCTWasser
WasserG
HU ... „Hounsfield Unit“
■■■ Entwicklungsetappen der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Entwicklungsetappen der CTEntwicklungsetappen der CT
70iger Jahre:
– vom Kopf- zum Ganzkörper-Tomographen
– 4 Gerätegenerationen
80iger Jahre:
– allg. Qualitätsverbesserungen
– schnelle Einzelschichtmessungen mit verbesserter Ortsauflösung
seit 90iger Jahre:
– erhöhte räumliche und zeitliche Auflösung
– schnelle Volumenmessungen (Spiral-CT, Mehrzeilensystem, ...)
– Mikro- / Nano-CT (prä-/nicht-klinische Anwendung)
– Kombination mit anderen bildgebenden Verfahren (CT+PET)
■■■ Entwicklungsetappen der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen
verwendet für Vorexperimente in EMI-Labs
Parallelstrahlverfahren => einfache Bildrekonstruktion
1.1. 2.2.
verwendet für erste Publikationen deutlich gesenkte Messzeit modifizierte Bildrekonstruktion
■■■ Entwicklungsetappen der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen
3.3.(1976)(1976)
3. + 4. Generation: Fächerstrahl-Verfahren keine Translation, nur Rotation
4.4.(1978)(1978)
Röntgenquelle rotiert Röntgendetektor rotiert
Röntgenquelle rotiert Röntgendetektor fixiert
■■■ Entwicklungsetappen der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Aufbau einer Röntgen-CT-EinheitAufbau einer Röntgen-CT-Einheit
Bedienpult + Rechner Patientenliege
„Gantry“
(Messeinheit)Bedienraum Untersuchungs-
raum
■■■ Entwicklungsetappen der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
80iger Jahre: Schnelle Einzelschichtmessungen80iger Jahre: Schnelle Einzelschichtmessungen
Typische Parameter für CT-Tomographen (nach W. Kalender, Computertomographie, Publicis, 2006)
1972 1980 1990 2005
min. Messzeit 300 s 5-10 s 1-2 s 0.33-0.5 s
Daten pro 360° 60 kB 1 MB 1-2 MB 10-100 MB
Daten pro Spiralscan
- - 24-48 MB 0.2-4 GB
Bildmatrix 80*80 256*256 512*512 5122, 1K2
Leistung 2 kW 10 kW 40 kW 60-100 kW
Schichtdicke 13 mm 2-10 mm 1-10 mm 0.4-1.0 mm
Ortsauflösung 3.3 mm 1 mm 0.8 mm 0.4-0.8 mm
■■■ Entwicklungsetappen der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
80iger Jahre: Die Schleifringtechnik80iger Jahre: Die Schleifringtechnik
Bewegung der Gantry:
alternierende Rotationsrichtung kontinuierliche Rotation
Hochspannung Messdaten
Röntgen-röhre
Detektorring
Detektor-elektronik
schnellere Einzelschicht-
messungen „Spiral-CT“
■■■ Entwicklungsetappen der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
90iger Jahre: Spiral-CT90iger Jahre: Spiral-CT
W. Kalender et al., 1989 P. Vock et al., 1989
kontinuierliche Rotation der Gantry + kontinuierliche Translation des Patienten !
modifizierte Rekonstruktion notw. („z-Interpolation“)
Einzelschicht-CT
Volumen-CT
■■■ Entwicklungsetappen der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
90iger Jahre: Spiral-CT + 90iger Jahre: Spiral-CT + Mehrzeilen-DetektorenMehrzeilen-Detektoren
GE Light Speed 16-Zeilen 4 Schichten
variabler Dicke
deutliche Messzeitsenkung ! Röntgenquelle: Fächerstrahl Kegelstrahl ! modifizierte Rekonstruktion notwendig !
■■■ Entwicklungsetappen der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Spiral-CT + Spiral-CT + Mehrzeilen-DetektorenMehrzeilen-Detektoren
Siemens „Sensation 64“ (seit 2004) 40-Zeilen unterschiedlicher Breite Springfokus-Technologie (flying-z) Rotation der Gantry mit 3 Hz
doppelte Abtastung in z durch Springfokus an Anode
64 Schichten erfasst !
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Anwendungsbereiche der CTAnwendungsbereiche der CT
breite Anwendung in der Radiologie 2007: ~ 50000 installierte Geräte vor allem: -Tumordiagnostik, Blutungen
- Knochen, Gelenke auch viele „Spezialanwendungen“
– CT- Angiographie (Gefäßdarstellung)– Dynamische CT (Kontrastmittelkinetik, Perfusion)– Interventionelle CT– Quantitative CT (z.B. Knochendichte)– phasenempfindliche CT-Herzbildgebung
prä- und nicht-klinische Anwendungen
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: BeispieleBeispiele Siemens „Sensation 64“: 0.4 mm isotrope
Auflösung
3D-CT des Abdomens
(Univ.klinik Karlsruhe)
klinisches Bild eines Kopf CT-Angiogramm
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: BeispieleBeispiele Toshiba Aquilion 64: 0.5 mm isotrope Auflösung
CT der Lunge mit Läsion (Charité, Berlin)
(120 kV, 2 Hz)
Kontrastmittelverstärkte CT-Bildgebung der Herzgefäße (Universität Leiden)
(120 kV; 2.5 Hz; Kontrastmittelgabe: 100 ml Iomeron 400 i.v., 4 ml/s
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: BeispieleBeispiele Toshiba Aquilion 64: 0.5 mm isotrope Auflösung
Bruch der Hüfte (Charité, Berlin)
(120 kV; 2 Hz)
Ganzkörper-CT-Bildgebung
(120 kV; 2 Hz; ~ 1 min)
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Dynamische CT: AnwendungsbeispielDynamische CT: Anwendungsbeispiel
Somatom Definition AS+“ (Siemens)
W.H. Sommer, K. Nicolau, Campus Großhadern
Patient mit Gefäß-Stenose am Unterschenkel
dynamische CT-Angiographie
2.5 s pro Bild 27 cm FOV in z
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: EntwicklungenEntwicklungen
Toshiba, 2006: 256 Schichten a 0.5 mm
12.8 cm Volumen / Rotation !
Jahr Detektor-zeilen
Schichten/ Rotation
1972 2 2
1998 8-34 4
2001 16-40 16
2004 40*-64 64 (Klinik)
2004 256 256 (Prototyp)
2007 256 256
* mit Springfokus-Technologie
■■■ Entwicklung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Probleme ?!Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Probleme ?!
Jahr Rotations-
frequenz
Schichten a 0.5 mm/ Rotation
bb 2006 3-5 Hz 256-512
zukünftig ? 5-10 Hz ?? 512-1024 ??
technische / praktische Probleme ?
Gantry: 600 kg, R= 0.6 m, 3 Hz
F = m a = m R: a ~ 22 g !
Volumen: 12.8 cm in 0.33 s
vTisch ~ 40 cm/s !
Fliehkräfte !
Tischgeschwindigkeit !
■■■ Entwicklung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Phantasie zur Geräteentwicklung ?Phantasie zur Geräteentwicklung ?
CT der 3. Generation
■■■ Entwicklung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Mehrquellen-CT-SystemeMehrquellen-CT-Systeme
gleiche Energie: höhere Zeit- und/oder räumliche Auflösung verschiedene Energie: verbesserter Bildkontrast (=(E) !) seit Ende 2005 erster Prototyp (2 Röhren – 2 Detektorbögen) seit 2006 kommerziell verfügbar („Siemens Definition“)
■■■ Entwicklung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Doppel-Quellen-CTDoppel-Quellen-CT
Dual-Source-CT „Somatom Definition Flash“
(Siemens) I/2009 eingeführt schnellere Messungen
oder zweifacher Kontrast
2 Bögen mit je 128 Detektoren auf 4 cm (in z-Richtung)
Gantryrotation: 0.28 s Tischgeschw.: ≤ 43 cm/s
zeitl. Auflösung: 83 ms Thorax-Aufnahme in 0.6 s Ganzkörperaufnahmen in
4-5 s reduzierte Strahlendosis
■■■ CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
noch offenen Themen …noch offenen Themen …
Hardware-Komponenten
Rekonstruktionsalgorithmen
mediz. Anwendungen
Vergleich mit anderen bildgebenden Verfahren
Kombination mit anderen bildgebenden Verfahren (PET-CT)
Strahlenbelastung / Strahlenschutz
Mikro-CT, nano-CT (prä-, nicht-klinische Anwendungen)
… beginnen wir in umgekehrter Reihenfolge …
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Mikro-CT: prä- und nicht-klinische CTMikro-CT: prä- und nicht-klinische CT
seit 90iger Jahren in-vitro-Messungen Ortsauflösung: < 5-100 m rotierende Probe / ruhende Gantry
3D Bild eines
Knochens
- Auflösung: 6 m
- Osteoporose ?
Lungenprobe einer Maus (Fa. Scyscan)- Voxelgröße: 5.7 m- 3D-Eindruck durch MIPPrinzip des Aufbaus eines -CT
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
nicht-klinische nicht-klinische -CT-CT und nano-CT und nano-CT
Beispiel der belgischen Fa. ScyScan
Quelle: www.scyscan.be
Objekt: kleine SMD-Spule in Plastikgehäuse(SMD=„surface mounted device“)
Scanner: SkyScan1172 /100kV Bild: Schattenprojektion (links) and drei
orthogonale Schichten (rechts) 7 m Pixel.
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
nicht-klinische nicht-klinische -CT-CT und nano-CT und nano-CT
Beispiel der belgischen Fa. ScyScan
Quelle: www.scyscan.be
Objekt: kleine SMD Spule in Plastikgehäuse
Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp Bild: 3D-Rekonstruktion 7 m Pixel.
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
nicht-klinische nicht-klinische -CT-CT und nano-CT und nano-CT
Beispiel der belgischen Fa. ScyScan und der Kath. Univ. Leuven
Quelle: www.skyscan.be
Objekt: Carbon-Schaum Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp Bild: eine der aus dem 3D-Datensatz
rekonstruierten 2D-Schichten 1.5 m Pixel.
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
nicht-klinische nicht-klinische -CT-CT und nano-CT und nano-CT
Beispiel der belgischen Fa. ScyScan und der Kath. Univ. Leuven
Quelle: www.skyscan.be
Objekt: Carbon-Schaum Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp Bild: 3D-Datensatz 1.5 m Pixel.
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
nicht-klinische nicht-klinische -CT und -CT und nano-CTnano-CT
z. B. „SkyScan 2011“ der belgischen Fa. ScyScan
Quelle: www.skyscan.be
„nano-CT scanner“ höchste Auflösung: 200-400 nm Röntgenquelle mit Focusgröße
< 400 nm sehr exakte
Probenpositionierung und -rotation (< 100 nm)
CCD-Detektor mit Einzelphotonen-Empfindlichkeit
3D-Messungen von Carbonfasern, 400 nm Voxel3D-Messungen von Carbonfasern, 400 nm Voxel
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
nicht-klinische nicht-klinische -CT und -CT und nano-CTnano-CT
z. B. „SkyScan 2011“ der belgischen Fa. ScyScan
Quelle: www.skyscan.be
„nano-CT scanner“ höchste Auflösung: 200-400 nm Röntgenquelle mit Focusgröße
< 400 nm Sehr exakte
Probenpositionierung und -rotation (< 100 nm)
CCD-Detektor mit Einzelphotonen-Empfindlichkeit
3D-Messungen von Carbonfasern, 400 nm Voxel3D-Messungen von Carbonfasern, 400 nm Voxel
■■■ Anwendung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
nicht-klinische nicht-klinische -CT und -CT und nano-CTnano-CT
z. B. „SkyScan 2011“ der belgischen Fa. ScyScan
Quelle: www.skyscan.be
„nano-CT scanner“ höchste Auflösung: 200-400 nm Röntgenquelle mit Focusgröße
< 400 nm Sehr exakte
Probenpositionierung und -rotation (< 100 nm)
CCD-Detektor mit Einzelphotonen-Empfindlichkeit
3D-Volumenrekonstruktion von Holz, 290 nm Voxel3D-Volumenrekonstruktion von Holz, 290 nm Voxel
■■■ Strahlenbelastung durch CT
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Minimierung der StrahlendosisMinimierung der Strahlendosis
Begriffe: biologische Wirkung: Äquivalenzdosis
= Energiedosis . Qualitätsfaktor
H = D . Q (1 J/kg=1 Sv)
Q ... Qualitätsfaktor = Fkt(m, )
... für Röntgenstrahlen Q ~ 5-20
natürliche Strahlenbelastung pro Jahr: ~ 3 mSv / Jahr (USA)
„effektive Dosis“ von CT-Messungen:
Fkt(Ua , I0 , T, k0) Fkt(Organ, Volumen)
typ. Werte:
3-10 mSv (lokale Mess.)
20-30 mSv (Ganzkörper)
räumliche Inhomogenität
höher in „kritischen Organen“ (Auge, Lunge)
Gefährlichkeit ?
z. Z. vielfältige Maßnahmen
zur Dosisreduktion– Detektoren optimieren– I0 minimieren / modulieren (I0=I0())
■■■ aktuelle Entwicklung der CT
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Kombination mit anderen BildgebungsverfahrenKombination mit anderen Bildgebungsverfahren
CT PET NMR
SignalquelleRöntgenstr.
(50-150 keV)
-Strahlen
(511 keV)
HF-Str.
(15-500 Mhz)
Ortsauflösung +++ o ++
Funktion (Metab.) - ++ +
Kontrast + ++ +++
Aufwand + Kosten mittel sehr hoch hoch
Risiko mittel hoch gering
Hardware- + Software-KombinationHardware- + Software-Kombination
Software-KombinationSoftware-Kombination
■■■ aktuelle Entwicklung der CT
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Kombination CT + PETKombination CT + PET
PET/CT-Systeme seit Mitte 90iger Jahre 2005: >500 Installationen zunehmende Bedeutung (auch -PET/CT)
Prinzip eines PET/CT-Systems („Siemens Biograph“) (aus: W. Kalender: Computertomographie, 2006)
Lungenuntersuchung
mittels PET/CT
■■■ aktuelle Entwicklung der CT
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Zukünftige Entwicklungen in der CTZukünftige Entwicklungen in der CT
Minimierung der Dosiswerte Perfektionierung von Spiral-CT + Mehrzeilendetektoren
+ Mehrquelle-CTzeitliche Auflösung (Scanzeit < 50 ms für Herz-CT !)
räumliche Auflösung
Kontrastverbesserung (Mehr-Energie-CT-Systeme !)
Kombination mit PET + NMR-Bildgebung !
Mikro-CT / Nano-CT (prä- und nicht-klinisch)
Wiederbelebung der Elektronenstrahl-Tomographie ?! (ruhende Probe + ruhende Gantry)
interaktiv veränderbare Ortsauflösung ?
funktionelle CT ?
■■■ Anwendung der CT
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weitere medizinische Beispiele und Informationen z.B. in …weitere medizinische Beispiele und Informationen z.B. in …
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