Computertomographie (CT) Prof. Dr.-Ing. Georgios Sakas

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Theresa Schenck
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1 (CT) Prof. Dr.-Ing. Georgios Sakas

2 Danksagung Diese Folien beinhalten Beiträge von Dr. Ronald Blechschmidt-Trapp, Braun GmbH, Kronberg (ehemals Institut elektromechanische Konstruktionen, TUD) Marion Jähne, GRIS, TU Darmstadt Besten Dank für das hervorragende Material 2 /85

Institut elektromechanische Konstruktionen, TUD) Marion

3 Vorlesungsübersicht Einführung Röntgen CT MR Ultraschall PET, SPECT Bildverbesserung Registrierung I Registrierung II Segmentierung I Segmentierung II Klassifikation Visualisierung und 3D Rekonstruktion I Visualisierung und 3D Rekonstruktion II 3 /85

12.07 Segmentierung I 09.01.08 Segmentierung II 16.01.08 Klassifikation 23.01.08 Visualisierung und 3D Rekonstruktion I 30.

4 Übergang vom klassischen Röntgen zur CT Klassisches Röntgen: Dreidimensionaler Körper wird zweidimensional abgebildet Überlagerung von hintereinander liegenden Einzelstrukturen CT: Schnittbilddarstellung innere Organe können überlagerungsfrei dargestellt werden 4 /85

Überlagerung von hintereinander liegenden Einzelstrukturen CT:

5 CT und Röntgen vom Schädel 5 /85

6 Geschichte Cormack 1964: rotierende Röntgenröhre zur Bildaufnahme Hounsfield 1968: Experimentalscanner EMI1972: erster CT-Scanner Beispiel für die Qualität der ersten CT-Aufnahme aus dem Jahr 1974: die dunklen Hirnventrikel sind deutlich sichtbar 6 /85

erster CT-Scanner Beispiel für die Qualität der ersten

7 Beispiel einer CT-Aufnahme der Lunge Beispiel für eine CT-Aufnahme der Lunge Tatsächlicher Querschnitt des Körpers Schwarz: lufthaltiges Gewebe Grau: Weichteilgewebe Weiß: Knochen 7 /85

8 Beispiele aus dem Projekt The Visible Human 8 /85

9 9 /85

10 10 /85

11 11 /85

12 CT-Arbeitsplatz 12 /85

13 Computertomograph Gantry 13 /85

14 CT: offene Gantry 14 /85

15 Übersicht der Funktionsweise einer CT Röntgen-Schichtaufnahmeverfahren Transversalschnittbilder (Abbildung von Körperschichten, die in der Regel senkrecht zur Körperachse orientiert sind) 2D Darstellung Darstellung der unterschiedlichen Schwächungskoeffizienten des Gewebes Aufnahme von Projektionen aus vielen unterschiedlichen Winkeln Berechnung des Bildes aus den Daten der unterschiedlichen Projektionen Tomographie 15 /85

Darstellung der unterschiedlichen Schwächungskoeffizienten des Gewebes Aufnahme von Projektionen aus

16 Grundprinzip der Tomographie 16 /85

17 Koordinatensysteme p s s y p s x,y-system Patient ortsfest p,s-system Röhre-Detektoren drehend s α x p α α p x,y Bildkoordinaten p Projektionsweg eines Strahls α Richtung der Projektion 17 /85

18 Radontransformation: f(x,y) g(p,α) y [cm] N Schwächungsgesetz µ dx = N e s I = I e µ 1 =1 µ 2 =2 µ 3 =3 µ 4 = I I 0 0 = e I0 ln I s x [cm] ( p, s) ( p, s) µ ( p, s)ds s µ µ = s ds α ds p g(p,α)= s g(1;0 )= g(2;0 )= g(1;45 )= g(1,5;45 )= g(2;45 )= g(1;90 )= g(2;90 )= g(1;135 )= g(1,5;135 )= g(2;135 )= g(1;180 )= g(2;180 )= µ ( p, s) ds = = 6 3 1= =5 2 1= = =3 4 1= =5 1 1=1 siehe 0 18 /85

)= g(1;45 )= g(1,5;45 )= g(2;45 )= g(1;90 )= g(2;90 )= g(1;135 )= g(1,5;135 )= g(2;135 )= g(1;180 )= g(2;180 )=

19 Inverse Radontransformationg(p,α) f(x,y) g(p,α)= s µ ( p, s) ds y [cm] µ 1 =12+1 =4+5 =9+3 µ µ 1 =? =4 2 =11+5 =6+2 =8+3 µ 2 =? =6 =12 =13 =9 =11 =16 =8 µ 3 =14+5 =4+3 =7+7 µ µ 3 =? =4 4 =11+7 =18+4 =6+5 µ 4 =? =6 =14 =19 =7 =11 =18 = s x [cm] α p g(1;0 )= g(2;0 )= g(1;45 )= g(1,5;45 )= g(2;45 )= g(1;90 )= g(2;90 )= g(1;135 )= g(1,5;135 )= g(2;135 )= g(1;180 )= g(2;180 )= siehe 0 19 /85

20 Grundprinzip der Tomographie 20 /85

21 Rekonstruktion Wie komme ich von den Projektionen zu den Schichten? Umkehrung der Radon Transformation (Ungewichtete Rekonstruktion) Gewichtete Rückprojektion Iterative Rekonstruktion Fourier Schichten-Theorem sind die drei wichtigsten Ansätze 21 /85

22 Erzeugen der Projektionen = Radontransformation Schwächungsgesetz N = N ln( N N 0 0 e ) = x2 µ ( x) dx µ ( x) dx x1 x 2 x1 Projektionsintegral g ( p, α) = µ ( p, s) ds zwei Koordinatensysteme: (x,y)-system ortsfest = Patient (p,s)-system mit Röntgenröhre p Richtung der Projektion s Richtung der Strahlen p = x cosα + y sinα s = x sinα + y cosα s y p Radontransformation f(x,y) F g(p,α) α x 22 /85

23 gesucht: inverse Radontransformation g(p,α) f(x,y) 1. Lösung des LGS: sehr zeitaufwändig! 2. einfache Rückprojektion: 1 f ( x, y )= gα ( p) dα 2π π mit p = x cosα + y sin α 0 Für jeden Punkt f(x,y) werden genau die Werte g(p,α) addiert, die genau durch diesen Punkt verlaufen => alle aus verschiedenen Winkeln α aufgenommenen Werte werden genau auf einen Punkt zurück projiziert 23 /85

24 Röhre 24 /85

25 Röhre 25 /85

26 Röhre 26 /85

27 Röhre 27 /85

28 Einfache Rückprojektion 28 /85

29 /85

30 30 /85

31 hre 31 /85

32 32 /85 Röhre

33 Röhre 33 /85

34 Einfache Rückprojektion Überlagerung mit 1. Projektion 34 /85

35 /85

36 36 /85

37 37 /85

38 38 /85

39 39 /85

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41 41 /85

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43 Grundprinzip der Tomographie 43 /85

44 Grundprinzip der Tomographie Summe der Projektionen: Skalierung: 44 /85

45 Ungefilterete Rückprojektion 45 /85

46 Iterative Rückprojektion 46 /85

47 Gewichtete Rückprojektion: Kernel 47 /85

48 Ungefilterte vs. Gefilterte Rückprojektion 48 /85

49 Gefilterte Rückprojektion 49 /85

50 Fourier-Slice 50 /85

51 Fourier Slice-Theorem 51 /85

52 Vergleich mit/ohne Faltung Projektionen: 256 Faltung:Shepp-Logan Kernel: 65 Projektionen:256 Faltung:keine Kernel:65 52 /85

53 Vergleich wenig/viele Projektionen Projektionen:32 Faltung:Shepp-Logan Kernel: 33 Projektionen:256 Faltung:Shepp-Logan Kernel: /85

54 3. Aufbau CT Meßwerterfassung Detektoren Rö- Röhre Rö-Generator Steuerung Aufnahmesystem Bildrekonstruktion Bildauswertung Teilprobleme: Strahlerzeugung Strahldetektion Bildrekonstruktion Ablaufsteuerung viele Projektionen Bildauswertung 54 /85

55 Drei Prinzipien: Projektionen erzeugen feste Detektoren Detektoren und feste Detektoren drehende Röhre Röhre rotieren Elektronenstrahl selten häufig nur Forschung 55 /85

56 Topogramm 56 /85

57 Topogramm Feststehendes Röhre-Detektor-System Der Patienten wird durch den Fächerstrahl gefahren Es entsteht ein Projektionsbild (wie zeilenweise abgetastetes, klassisches Röntgenbild) mit für CT typischen niedrigen Ortsauflösung und hoher Dichteauflösung Auf dem Topogramm werden die nötigen Schichten eingezeichnet und dann automatisch vom Computertomographen durchgeführt 57 /85

58 Röntgenstrahlerzeugung Anforderungen: Ähnlich wie Röntgen, aber viel mehr Leistung Wärmespeicherung bis kws Wärmeabstrahlleistung bis 10 kw bei Verbundtechnik (Wolfram, Molybdän und Graphit) bis U/min Fächerstrahlerzeugung unterschiedliche Fokusierung auf Anode (flying focus) Strahlbreite 1mm bis 10mm 58 /85

59 Fächerstrahl Erzeugung Brennfleck Röhrenseitiges Blendenpaar Meßfeld Detektorseitiges Blendenpaar Detektorkranz 59 /85

60 Spiral-CT 60 /85

61 Vor- und Nachteile Spiral-CT Vorteile Volumen wird gleichmäßig durchstrahlt -> keine Lücke zwischen den Schichten kleine Tumoren werden weniger übersehen schnelle Datenaufzeichnung, da keine Pausen Nachteile Artefakte durch Fehleinstellungen Interpretation: was kommt woher Komplexere Bedienung (mehr Parameter) Voraussetzungen Großer Speicher für Datenmenge schnelle Wandlung und Übergabe an PC Hohe Leistung der Röntgenröhre 61 /85

62 Multislice CT Ultrafast Ceramics (UFC) geringes Nachleuchten schnelle Umläufe möglich Rotationszeit 500 ms Multislice-Detektoren 4-16 Schichten gleichzeitig Einsatz: Herzdiagnostik Aufnahme über EKG getriggert 62 /85

63 Multislice CT Röhrenseitiges Blendenpaar Messfeld aus mehreren Schichten Detektorseitiges Blendenpaar Detektorkranz 63 /85

64 64 /85

65 Szintillationskristall mit Photoelement 65 /85

66 66 /85

67 Aufbau der Detektoren 4x 1,5 mm 16x 0,75 mm 4x 1,5 mm 24 Segmente pro Reihe, 38 Schichten/s 16 x 0,75 mm Schichtdicke 16 x 1,5 mm Schichtdicke 8 x 3 mm Schichtdicke 67 /85

68 Multi-Slice Cardiac CT 68 /85

69 Coronary artery segmentation Extraction of coronary arteries from contrast enhanced CT data 69 /85

70 Coronary artery analysis 70 /85

71 Hard plaque detection Automatic detection of calcifications 71 /85

72 Comparison CTA vs. Angio Angiography Angio-like CTA 72 /85

73 Virtual Bronchoscopy 73 /85

74 See behind 74 /85

75 Virtual Bronchoscopy (Video) 75 /85

76 Bilddarstellung Grauwerte stellen lineare Transformation der Abschwächungskoeffizienten dar Für den standardisierten Vergleich von CT-Aufnahmen wurde die Hounsfield- Skala eingeführt HU µ µ = µ Wasser Wasser 1000 Skala endet bei obwohl sie prinzipiell nach oben offen ist In der Praxis hat sich der Bereich von HU bis 3071 HU durchgesetzt 76 /85

77 Bilddarstellung Hounsfield-Skala 77 /85

78 Bilddarstellung Auflösungsvermögen der Röntgendiagnostik: 12 bit (entspricht 4096 Graustufen) Auflösungsvermögen des menschlichen Auges: 35 bis ca 100 Graustufen (je nach Bedingungen) Abhilfe: nur relevanten Bereich aus dem Spektrum der Hounsfield- Einheiten (-1000 bis HU) darstellen 78 /85

79 Bilddarstellung Fensterung C = Fenstermitte W = Fensterbreite Links: Weichteilfenster (Herz ist differenziert, Lunge ist schwarz) Rechts: Lungenfenster (Lungenstruktur ist dargestellt, Herz ist weiß) 79 /85

80 Beispiele Fensterung Weichteilfenster: Herz gut Lunge schlecht erkennbar Lungenfenster: HE Herz schlecht Lunge gut erkennbar 0 HE /85

81 Verschiedene Visualisierungstypen 81 /85

82 Lungen vs. Gewebefenster 82 /85

83 Oberfläche vs. Semitransparent 83 /85

84 Blending 84 /85

85 Danksagung Herzlichen Dank an: Dr. Ronald Blechschmidt-Trapp, Braun GmbH, Kronberg (ehemals Institut elektromechanische Konstruktionen, TUD) Marion Jähne, GRIS, TU Darmstadt 85 /85

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