Tomographie-SPECT. Tomographie, Schichtbildgebung. Vorlesung FH-Hagenberg SEM. Digitale Bildverarbeitung in der Medizin

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1 Tomographie-SPECT Vorlesung FH-Hagenberg SEM Tomographie, Schichtbildgebung 1

2 Übersicht Bildgebenende Modalitäten Prinzipien Radontransformation Bildrekonstruktion Gefilterte Rückprojektion Iterative Methode Geschichtliche Entwicklung C.W. Röntgen Paracelsus van Swieten Hippokrates von Kos Louis Pasteur G.Hounsfield v.chr

3 Röntgenstrahlung 1895 Beginn der diagnostischen Bildgebung C.W. Röntgen Guido Holzknecht Pionier der Radiodiagnostik Labor in Würzburg Erste Aufnahme einer Hand Röntgen - Computertomographie Abbildung eines Bronchialkarzinoms mit verschiedenen Modalitäten Planares Lungenröntgen projektive Geometrie CT Schichtbild der Lunge exakte Darstellung der Organe 3

4 Computertomographie: Schichtabbildungsverfahren Positionsbestimmung aus Projektionen Die Abbildung des Objektes aus mehreren Blickwinkeln ermöglicht die Bestimmung der Positionen der Objekte anhand der Projektionen. 4

5 Schichtabbildungsverfahren Patient wird schichtweise abgebildet Schicht wird durch axiale Position von Röntgenquelle und Detektor definiert Innerhalb der Schicht werden Projektionen aus verschiedenen Winkeln gemessen. Projektionen von verschiedenen Winkeln und Positionen p = ln( I 0 / I) 5

6 CT: Prinzipien Meßdaten sind Projektionen des Objekts in bestimmten Winkeln Quelle-Detektor-Paar rotiert um den Patienten Schwächung von Röntgenstrahlung durch Materie Schwächung = Entfernung von Rö-Quanten aus dem Strahl Absorption Photoeffekt, Paarbildung Streuung elastische + inelastische Streuung 6

7 Physikalische Effekte Steigende Energie Photoeffekt Elastische Streuung (Thompson) Inelastische Streuung (Compton) Paarbildung Physikalische Effekte Photoeffekt Elektron wird aus Hülle geschlagen. Effekt tritt nur bei bestimmten Quantenenergien auf. 7

8 Streuung Elastische (Thompson) Streuung: Quant wird abgelenkt, Energie bleibt erhalten elastisch inelastisch Inelastische (Compton) Streuung: Quant wird abgelenkt, gibt Energie an Elektron ab Paarbildung Paarbildung Das einfallende Röntgenquant besitzt eine Energie, die größer als die Ruheenergie von 2 Elektronen ist (>1022 kev). In Kernnähe (Impulserhaltung) wird es in ein Elektron und Positron, die sich gegenläufig (~180 o ) auseinander bewegen ungewandelt. 8

9 Schwächungsgesetz homogen inhomogen kontinuierlich μ μ(x) I 0 I I 0 I I 0 I I = d I o e μd μi Δx I i = I e o I = I e 0 o d μ ( x) dx μ Linearer Schwächungskoeffizient Radon Transform Projection or data acquisition. Information about the object is integrated along the line L and transformed into a point-information according to its co-ordinates l and Θ. 9

10 Sinogram Tomographie: 2-stufiges Abbildungsverfahren Objekt scannen Sinogramm Rekonstruktion Schichtbild FBP Schichtbild Sinogramm 10

11 Emissionstomographie SPECT, PET Radiotracer in Körper injiziert Akkumulation in Tumoren Visualisierung des Stoffwechsels Nierenstenose Tc99m 10s/frame 120 frames 64x64 pixel Emissions-Tomographie PET SPECT Verteilung von radioaktivem Tracer wird abgebildet 11

12 Photomultiplier Photomultiplier (PMT) Elektronen schlagen aus den Dynoden weitere Elektronen heraus. Beschleunigung zwischen den Dynoden durch Hochspannung Lawinen-Effekt Am Ausgang liegt messbares Signal an. Detektor-Ring PET PET-Detektorring besteht aus kreisförmig angeordneten Detektorblöcken Detektorblock: 64-Szinitlations-Kristalle gekoppelt mit jeweils 4 PMTs. Kristalle hohen Schwächungskoeffizient -> große Ausbeute 12

13 Projektionen Kameraköpfe rotieren 360 o um den Patienten und detektieren ein Projektionsbild. Results - perfusion I SPECT 120 projections/360 degrees 40s / step 128x128 matrix pixelsize 2.33 x 2.33 mm 2 LEUHR-PAR collimator 740 MBq Tc99m MR-FLAIR Matrix 256x256x25, 0.9x0.9x5.5mm 3 coronal transaxial sagittal 13

14 Results - perfusion II Results beta-cit I SPECT: 120 projections/360 degrees 128x128 matrix pixelsize 2.33 x 2.33 mm 2 LEHR-PAR collimator, 185 MBq I123 MR-T2: 336x384x25, 0.6x0.6x6 mm 3 coronal transaxial sagittal 14

15 Results beta-cit II Modernes PET-CT 15

16 Modernes PET-CT PET ist Grundlage moderne Tumor- Diagnostik. Magnetresonanz Tomographie Verteilung von H-Protonen wird abgebildet. Durch dynamische Magnetfelder werden Kerne in bestimmten Regionen angeregt Emittierte Signale zeigen die Position der Kerne 16

17 MRI: Schichtselektion Lamor Frequenz ω = γ Gyromagnetisches Verhältnis (Kernart) B Magnetfeld H-Protonen in Schicht schwingen mit 90 MHz MRI: Lesegradient Resonanzfrequenz einstrahlen Kerne in höheres Energie Niveau Kerne geben Energie wieder ab (Relaxation) Lesegradient N L z G z ω 17

18 Vergleich von ECT, CT, MRI ECT CT MRI Raw-Data Simultane Projektion der Nuklidverteilung in mehreren Schichten 18

19 Sinogramm Sinogramme der einzelnen Schichten Slices Rekonstruierte Schichten Parameter: FBP,generalized Hamming window, a=0.5, sinc 19

20 Tomographie: 2-stufiges Abbildungsverfahren Objekt scannen Sinogramm Rekonstruktion Schichtbild FBP Schichtbild Sinogramm Direkte Rückprojektion Profile werden entsprechend ihrer geometrischen Position rückprojiziert In jedem Pixel werden die durchgehenden Projektionsstrahlen aller Winkel addiert Verschmiertes Bild (r,φ) PSF=1/r l n θ f ( r, ϕ) = p( r *cos( ϕ ϑ ), ϑ ) i= 1 i i 20

21 Backprojection Projektionswerte werden entlang der Integralpfade in die Bildebene projiziert Direkte Rückprojektion 21

22 Direkte Rückprojektion Profile direkt rückprojiziert Resultat: verwischte Bildstrukturen Testdaten: Kreisring Principles of tomographic imaging direct back-projection filtered back-projection 2 step process: projection -> reconstruction 22

23 Gefilterte Rückprojektion (FBP) Rampenfilter der Projektionen Verschmierungen beseitigt Rampe verstärkt hohe Frequenzen Überschwingen an Kanten Betonung des Rauschens (SPECT, schlechtes SNR in Projektionsdaten) FBP 23

24 Gefilterte Rückprojektion Profile werden vor der Rückprojektion mit einem Rampenfilter modifiziert Resultat: scharfe Kanten Testdaten: Kreisring Bildgebende Verfahren in der Medizin Hounsfield 1971 Sir G. Hounsfield stellt 1971 den ersten klinischen CT vor. Die Aufnahme einer Schicht (81x81Pixel) benötigt ca. 10 min. Die Aufnahme zeigt ein Gehirn mit einer Zyste. Er erhält dafür 1979 gemeinsam mit Allan Cormack den Nobelpreis. Bildgebende Verfahren in der Medizin 24

25 Rampenfilter Profil Spektrum Rampenfilter gefiltertes Spektrum rampengefiltertes Profil Filtered backprojection: window and filter functions bandlimiting Hamming Hanning 25

26 Filter: generalized Hamming Window Alpha=1 Alpha=0.7 Alpha=0.5 Filter: gen. Hamming--Wiener Gen. Hamm., a=0.5 Wiener, cut-off=0.5 26

27 Interpolation Linear Interpolation Sinc Interpolation Röntgen CT Gesamte Skala Knochen Fenster Weichteil Fenster 27

28 Kernspin-Tomographie MRI: T1 gewichtet MRI: T2 gewichtet Tomographische Modalitäten CT SPECT MRI 28