ct komponens a nanospect/ct kisállat-vizsgáló...

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

• Spirál CT felépítése

• Képalkotás folyamata

• Képminőség

• Műtermékek

• Dózissal kapcsolatos alapfogalmak

• Dóziscsökkentés lehetőségei

• Spirál CT jövője

2014.01.21. Radiológiai és Onkoterápiás Klinika, Semmelweis Egyetem

2.

NOBEL-DÍJ (1979)


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

Godfrey Newbold Hounsfield (1919-2004) angol villamosmérnök

3.


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

ALARA

Spirál CT

Évente végzett összes CT vizsgálat száma (USA, 2007)

72 000 000

Naponta végzett vizsgálatok száma 19 500

CT vizsgálatok által indukált daganatosmegbetegedések száma évente

29 000

CT által indukált daganatok okozta halálozás évente 15 000

4.


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 5.


Spirál CT 6.


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 7.


dxx

Expproj

tárgy

etIsyxp)(

0),(

I: 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: a röntgendetektor érzékenysége

Képalkotás folyamata

xtárgyeII 0

1. Nyers adatok gyűjtése és a szükséges korrekciók

8.



2. Rekonstrukció

A vetületi adatok

denzitásprofilja

A vetületi adatok változtatott

azaz „szűrt”

denzitásprofilja

A B

Rekonstrukciós kör

A szűrésből

származó

negatív

értékek

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)

b) Iteratív módszerek

9.

ITERATÍV REKONSTRUKCIÓ


10.

Projekciós tér 3D Képtér

Visszavetítő(BP)

Előre vetítő(FP)

Öss

zev

etés

és

mó

do

sítá

s

Leképező

rendszer

(geometria,

fizikai hatások)

Kiinduló kép

(initial guess)

Eredmény kép

Mé

rt a

da

t

(pro

jekció

k)

Fo

rmá

lód

ó

pro

jekció

k

Formálódó

kép


11.ITERATÍV REKONSTRUKCIÓ

Courtesy of Purdue University, USA



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)

12.


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)

Képalkotás folyamata 13.


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)

Képminőség 14.


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 15.


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 16.

Sugárkeményedés (beam hardening)

Csökkentésének

lehetőségei:

- Hardveres szűrés

(Al, Ce, bowtie)

- Kalibráció speciális

BH fantommal

- Szoftveres korrekció

iteratív algoritmus

segítségével


Műtermékek

KeV KeVKeV

17.

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.

18.


A kockázat becslésének lépései

CT specifikus dózisfogalmak 19.

Régió kE,T [mSv/(mGycm)] RégiókE,T

[mSv/(mGycm)]

Fej 0,0021 (1x) Has 0,0120 (~6x)

Nyak 0,0048 (~2x) Medence 0,0160 (~8x)

Mellkas 0,0140 (~7x) – –


•CTDI (Computed Tomography Dose Index): 14 folyamatos szeletből származó, a

sugár szélességére (NT) normalizált elnyelt dózis

p er i fér iakö zépW C TDIC TDIC TDI ,1 0 0,1 0 03

2

3

1 WV O L C TDI

T

SMC TDI

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

a dózis nagyságát

LC T D ID L P V O L

•Effektív dózis: normalizált effektív dózis együtthatók (Jensen)

•Kockázatbecslés: (pl. a Japán atombomba támadás áldozatainak adatai

alapján) sztohasztikus károsodások, elsősorban a halálos kimenetelű

daganatok kialakulásának valószínűsége

TEkDLPE ,

CT specifikus dózisfogalmak 20.


•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

Dózist befolyásoló tényezők 21.

1040

2020

4010

2040

3030

4020


• Effektív mAs:

• 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)

T

SMtI

p

mAsmAs ro teff

)(

33

2 1

rStIrStI

p

effeffeff

Kétszeres felbontás növekedés 16 szorosára növeli a dózist,

ha a képzajt eredeti értékén kívánjuk tartani.

Dózis és képminőség 23.


• 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

Dóziscsökkentő módszerek 24.


Dózismoduláció 25.

Méretfüggő z-irányú

3D dózis

moduláció

Transaxiális

KÜLÖNBÖZŐ CT KÉSZÜLÉKEK DÓZISÉRTÉKEI


26.

Scanner

manufactur

er

Scanner

model

Number

of

scanners

Number of

CTDI

measurements

Average

Normalized

CTDIw

(mGy/mAs)

Std. Dev.

Normalized

CTDIw

(mGy/mAs)

General

Electric

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 ..

Philips

MX8000 6 13 0.08 0.010

MX8000-IDT 2 7 0.12 0.053

Brilliance 64 1 1 0.07 ..

Siemens

Sensation 4

Volume Zoom14 35 0.10 0.025

Sensation 16 13 25 0.08 0.008

Sensation 64 2 4 0.08 0.002

ToshibaAquilion 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)

• Szén nanocső (CNT) alapú miniatűr röntgencső• Katód: Szén nanocsövecskék – hideg emisszió

• Anód: Fémréteg (gyémánt ablakon)

• Hordozó: Szilicium (Si) – félvezető technológiával gyártható

• MEMS:MicroElectroMechanoSystem

• Olcsó→ több

röntgen cső

• Statikus CT

• Idő felbontás↑


28.

DUAL ENERGY CT (5.1)


29.

Virtuális

120kV-os kép

Kontraszt-

anyaggal

Virtuális

120kV-os kép

Kontraszt-

anyag nélkül

Fúziós jód

perfúziós kép

(120kV+jód)

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!


Dr. Németh Gábor -Mediso Kft, Budapest

[email protected]

31.

ct komponens a nanospect/ct kisállat-vizsgáló...

Documents