Im Jahr 2001 hat jeder Bundesbürger, so. Bilder besser berechnen

Transkript

1 Bilder besser berechnen Ob gebrochenes Bein, schmerzende Zahnwurzel, Verdacht auf Brustkrebs oder Lungenentzündung - der Arzt röntgt. Die energiereichen Strahlen sind heute aus dem medizinischen Alltag nicht mehr wegzudenken. Knapp 40 Prozent der medizinischen Strahlenbelastung stammen aus computertomographischen Untersuchungen und die Anzahl der CT-Aufnahmen wird in Zukunft weiter steigen - damit verbunden auch die Strahlenexposition. Wissenschaftler im GSF Institut für Strahlenschutz haben ein neues Verfahren entwickelt, das mit deutlich geringerer Strahlendosis Aufnahmen hoher Qualität liefert. Im Jahr 2001 hat jeder Bundesbürger, so wird geschätzt, im Durchschnitt bei medizinischen Untersuchungen eine mittlere effektive Röntgendosis von etwa zwei Milli- Sievert (msv) erhalten. Bei einer mittleren Gesamtexposition von 4,7 msv ist das Röntgen damit für den größten Teil der Strahlenbelastung verantwortlich. Nach Angaben des Bundesamts für Strahlenschutz stammen knapp 40 Prozent der zwei msv aus computertomographischen (CT-) Untersuchungen, die allerdings nur rund fünf Prozent aller 53

2 Bei der werden Bilder von scheibenförmigen Schichten des Körpers aufgenommen. Zusammengesetzt liefern sie dem Arzt ein genaues Abbild des Körperinneren. Die vor wenigen Jahren eingeführte Mehrschicht-CT ermöglicht es, mehrere aneinander angrenzende Schichten des Körpers gleichzeitig zu betrachten. 54 Röntgenuntersuchungen ausmachen. Bei der werden Bilder von scheibenförmigen Schichten des Körpers aufgenommen. Zusammengesetzt liefern sie dem Arzt ein genaues Abbild des Körperinneren. Die CT ist stetig auf dem Vormarsch, zumal neue Verfahren sie immer leistungsfähiger machen: Mehr Aufnahmen in kürzerer Zeit, mehr diagnostische Möglichkeiten. So erlaubt die vor wenigen Jahren eingeführte Mehrschicht-CT, mehrere aneinander angrenzende Schichten des Körpers gleichzeitig zu betrachten. Die Anzahl der CT-Aufnahmen wird also in Zukunft weiter steigen. Nachteilig wirkt sich aus, dass die CT eine vergleichsweise hohe Strahlenbelastung mit sich bringt: Anders als beim klassischen Röntgen können nicht interessierende Körperregionen schlechter abgeschirmt werden, sämtliche in Abtastrichtung liegenden Körperanteile werden bestrahlt; zudem ist die Strahlendosis am Eintrittspunkt in den Körper etwas höher. Aufnahmen von ein bis zwei CT- Schichten bedeuten eine ähnliche Strahlenbelastung wie eine konventionelle Großaufnahme der gleichen Körperregion. Technische Verbesserungen konnten die Dosis pro CT bisher um maximal 30 Prozent senken. Mit einer weiteren Minderung der Strahlendosis würde aber, vor allem bedingt durch erhöhtes Bildrauschen, die Bildqualität leiden. Einen Weg zu finden, trotz geringerer Dosis Aufnahmen hoher Qualität zu erzeugen, ist Ziel der GSF-Arbeitsgruppe Medizinphysik. Ihr Vorgehen fasst der Leiter der Arbeitsgruppe, Dr. Christoph Hoeschen, zusammen: Wir wenden für die notwendige Rekonstruktion der Bilder aus CT-Daten einen neuartigen Algorithmus an, der die in den Rohdaten steckende Information besser ausnutzt. Damit können die Wissenschaftler aus der Hälfte der Daten - entsprechend einer halbierten Strahlenbelastung - bei vergleichbarem Rechenaufwand mindestens gleich gute Bilder rekonstruieren wie mit dem bisherigen Standardverfahren, der Filtered Back Projection (FBP). Auf Basis des neuen Algorithmus haben sie zudem verschiedene neue Aufnahmegeometrien entwickelt, die helfen könnten, ohne Qualitätsverlust die Dosis weiter zu senken.

3 Bisheriger Standard Der Algorithmus der FBP besteht aus zwei Hauptschritten: der Rückprojektion und einer Filterung. Die Daten werden aus verschiedenen Winkeln als Projektionsradiographien aufgenommen. Zur Vereinfachung nehmen wir an, die zu einem Winkel gehörenden Strahlen würden parallel verlaufen, erläutert Hoeschen. Dann bildet der gesamte Datensatz ein so genanntes Sinogramm. Anschließend projizieren wir das Ergebnis zurück: Wir weisen allen Elementen, die auf der jeweiligen Projektionslinie liegen, einen Absorptionswert zu, so dass sich insgesamt der gemessene Absorptionswert ergäbe. Tun wir dies für alle Projektionsradiographien, so erhalten wir eine Annäherung an das ursprüngliche Bild. Aus je mehr Winkeln man die Strahlen abschießt, je mehr Projektionsradiographien man also anfertigt, desto besser wird das Bild. Allerdings hat es die Form eines Sterns. Die Filterung macht daraus wieder eine Scheibe, bringt dabei jedoch eine gewisse Unschärfe ins Bild. Um diese gering zu halten, muss man möglichst hoch auflösend messen, und zwar - damit nun das Bildrauschen nicht zu groß wird - mit photonenreichen Strahlen. Sprich: Man muss eine hohe Strahlenbelastung in Kauf nehmen. Gemeinsam mit Kollegen von der Universität Oregon in Eugene, USA, haben die GSF-Wissenschaftler einen neuartigen Rekonstruktionsalgorithmus geschaffen, der aus den Rohdaten eines CT-Scans Bilddaten errechnen kann. Neu: Der Algorithmus OPED Sein Prinzip, eine orthogonale polynomiale Erweiterung auf der Einheitsscheibe (Orthogonal Polynomial Expansion on the Disc, OPED), ist für Nicht-Physiker nicht leicht nachzuvollziehen. Das Prinzip beruht darauf, dass sich eine Funktion, die das Objekt beschreibt, näherungsweise durch ein Polynom wiedergeben lässt. Durch geschickte Auswahl der benötigten Basisfunktionen schaffen es die Experten, mit relativ geringem Rechenaufwand und auf einfache Weise aus Rohdaten eines CT-Scans eine äußerst genaue Näherung der tatsächlichen Eigenschaften des Objekts zu rekonstruieren. Voraussetzung ist eine korrekte Datenaufnahme - für das CT bedeutet das: Es müssen genügend Photonen durch das absorbierende Medium hindurchgelangen, damit messbare Signale entstehen. Für die Rekonstruktion von Bildern aus CT-Daten wenden die Wissenschaftler des GSF-Instituts für Strahlenschutz nun einen neuartigen Algorithmus an, der die in den Rohdaten steckende Information besser ausnutzt. Damit können sie aus der Hälfte der Daten - entsprechend einer halbierten Strahlenbelastung - bei vergleichbarem Rechenaufwand mindestens gleich gute Bilder rekonstruieren wie mit bisherigen Standardverfahren. 55

4 a) b) c) diese Bilder vermitteln den Eindruck, dass OPED sehr gut abschneidet - das OPED-Bild gibt Details schärfer wieder, ohne ein deutlich verstärktes Rauschen zu zeigen. Quantitative Auswertungen technischer Phantome zeigen: Mit OPED ist bei halber Dosis mindestens dasselbe Signal-Rauschverhältnis erreichbar wie mit FBP bei voller Dosis. Mit Hilfe des neuen Algorithmus lässt sich also die Dosis ohne jegliche Qualitätseinbuße um die Hälfte reduzieren. 56 d) e) Bildentstehung im Computertomogramm mit Filtered Back Projection: a) Objekt, b) Projektion, c) Sinogramm (Darstellung aus allen Projektionen), d) eine Rückprojektion, e) Summe vieler Rückprojektionen und f) gefiltertes Ergebnisbild. f) Bei Rekonstruktion mittels FBP gibt es neben dem Problem der Unschärfe, die das notwendige Filtern hervorruft, eine weitere Schwierigkeit: Die nicht parallel, sondern fächerförmig verlaufenden Strahlen. Da die meisten gängigen FBP-Versionen aber parallele Strahlen zwingend erfordern, müssen diese aus dem Strahlenfächer berechnet werden, was zu Fehlern in der Rekonstruktion führen kann. Mit dem OPED-Algorithmus lassen sich Rohdaten aus Strahlen mit unterschiedlichem Abstand verwenden: Man kann die benötigten Daten direkt aus den mit gefächerten Strahlen aufgenommenen Scans gewinnen. Die Daten müssen nur umsortiert werden, dann kann die Rekonstruktion sofort beginnen. Bessere Bilder bei halber Strahlendosis Dass OPED den Vergleich mit FBP nicht scheuen muss, beweisen die GSF-Wissenschaftler in Testsimulationen: Anhand von technischen Objekten und Schichten der von ihnen selbst erstellten Voxelmodelle menschlicher Körper simulieren sie Ursprungsdaten, wie sie ein tatsächliches CT liefern würde. Diese Daten werden dann einmal mit FBP und einmal mit OPED aus der Hälfte der FBP-Daten rekonstruiert. Bereits Vorteilhafte Geometrien Ein Ziel in der medizinischen Bildgebung ist es, immer mehr Schichten des Körpers gleichzeitig aufzunehmen, um durch Bewegungen hervorgerufene Artefakte klein zu halten, beispielsweise bei Untersuchungen des Herzens. Dazu wäre es wünschenswert, die CT mit modernen digitalen Röntgenbilddetektoren zu kombinieren, so genannten Flächendetektoren. Dabei ergeben sich allerdings vor allem zwei gravierende Probleme. Das eine hängt damit zusammen, dass die Detektorelemente nicht mehr auf einem Kreis angeordnet sind, sondern in einer ebenen Fläche; eigentlich müssten sie deshalb unterschiedlich groß sein - nach außen zu größer werdend. Denn fällt beim herkömmlichen Verfahren der gefächerte Strahl, nachdem er den Patienten durchdrungen hat, auf gleich große, kreisförmig angeordnete Detektorelemente, sind alle dort ankommenden Teilstrahlen gleich breit. Beim Flächendetektor dagegen ergeben sich unterschiedlich breite Teilstrahlen. Das bringt eine Menge Probleme ein, sagt Hoeschen. Doch die können wir lösen, weil OPED nicht auf gleich breite Strahlen angewiesen ist - insbesondere, weil ja die Strahlen nicht im gleichen Abstand voneinander angeordnet sein müssen. Wir variieren also ihren Abstand und damit auch ihre Breite. Wenn man das geschickt macht, kann man es so einrichten, dass nach dem Gang durch den Patienten doch wieder gleich breite Strahlen auf den Detektor treffen - der damit optimal ausgenutzt wird. Die zweite Schwierigkeit ist, dass beim Flächen-CT ein großer Teil der Körperoberfläche des Patienten bestrahlt wird. Dabei entsteht

5 viel Streustrahlung, die das eigentliche Messsignal überlagert. Während beim herkömmlichen CT die Streustrahlung ein Viertel des Direktstrahls ausmacht, ist sie beim Flächen-CT viermal so groß wie dieser. Wir haben also quasi ein Streustrahlbild. Aber auch das bekommen wir in den Griff, und zwar mit Hilfe von Masken, die nicht benötigte Strahlen ausblenden. So lässt sich der Anteil der Streustrahlung drastisch reduzieren, so Hoeschen. Positionen einer Röntgenquelle (= schwarze Punkte), von denen fächerförmig Strahlen ausgehen. Die weißen Punkte sind Detektoren. Das Neusortieren der Strahlen (rote Linien) ergibt parallele, allerdings nicht äquidistante, Punkte. Noch einen weiteren Nachteil heutiger CT- Aufnahmesysteme könnte OPED ausgleichen - indem man den Algorithmus mit einer gänzlich neuen Aufnahmegeometrie koppelt. Im Sinne möglichst kurzer Aufnahmezeiten strahlen die CT-Röhren nämlich nicht nur, solange die Detektoren auslesen, sondern im Allgemeinen durchgängig. Da für OPED weniger Strahlen ausreichen und insbesondere Strahlen mit variablem Abstand, könnte man in ein vorhandenes CT-System einen inneren festen Ring einbauen, der zwei Funktionen ausübt: Er ist Maske und zugleich Detektor für eine zweite Aufnahmeebene. Damit stünden zwei Datensätze für Rekonstruktionen zur Verfügung. Zudem würde sämtliche den Patienten treffende Strahlung zur Bildgebung verwendet, was erlauben würde, die Dosis ohne Qualitätsverlust weiter entscheidend zu vermindern. Ein entsprechender Prototyp wird zurzeit von den GSF-Wissenschaftlern aufgebaut. Noch hat das neue Verfahren OPED den Sprung in die kommerzielle Anwendung vor sich. Doch entsprechende Tests sind angelaufen und bisher deutet vieles darauf hin, dass OPED die Evaluierungsphase erfolgreich bestehen wird. So ist zu hoffen, dass schon in absehbarer Zukunft eine schonendere in die Arztpraxen und Kliniken Einzug halten kann. Das an der GSF entwickelte Voxelmodell GODWIN beruht auf Standardwerten und repräsentiert einen Durchschnittsmenschen. Die Internationale Strahlenschutzkommission hat Godwin zum zukünftigen Referenzmenschen gewählt, um Dosisabschätzungen vornehmen zu können. Im Bild: Eine rekonstruierte Schicht aus dem Voxelmodell GOD- WIN: a) Rekonstruktion mittels Standardverfahren (Filtered Back Protection, FBP); b) Rekonstruktion mittels neuem Algorithmus (OPED), aus der Hälfte der FBP-Daten. Kontakt Dr. Christoph Hoeschen GSF-Institut für Strahlenschutz Tel.: 089/ christoph.hoeschen@gsf.de 57