CT-Angiographie. TU Dortmund, Fakultät Physik Seminar Hydrodynamik des Blutes. Anna Weglage

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1 CT-Angiographie TU Dortmund, Fakultät Physik Seminar Hydrodynamik des Blutes Anna Weglage Inhaltsverzeichnis 1 Computer-Tomographie Detektoren Artefakte Angiographie 4 3 CT-Angiographie Kontrastmittel Vorgehensweise Nachbearbeitung Kontrastverbesserung Beispiele 8

2 1 Computer-Tomographie Bei der Computer Tomographie werden 2D-Röntgenaufnahmen gemacht, um durch Rekonstruktion 3D-Bilder zu erstellen. Um die Aufnahmen aus verschieden Winkeln machen zu können, werden Röntgenquelle und Detektor um den Patienten gedreht (siehe Abbildung 1). Moderne CT-Scanner machen Projektionen mit ca Messwerten pro Projektion. Durch die Aufnahme mehrerer Bilder, ist die Strahlenbelastung bei einem CT um zwei Größenordnungen größer als bei einer Projektionsröntgen-Aufnahme. Jede Aufnahme liefert ein Intensitäts- und somit ein Schwächungsprofil(siehe Gleichungen (1)+(2)), aus welchen durch Rücktransformation die Verteilung der Elektronendichten µ in der Objektschicht berechnet werden kann. I(x, y) = I 0 e µ(x,y,z)dx ( ) I0 µ(x, y, z)dx = ln I(x, y) (1) (2) Diese Rückprojektion kann iterativ oder basierend auf der Radontransformation durchgeführt werden. Die Grundidee der Radon-Transformation ist, dass die 2D-Verteilung einer Objekteigenschaft (beim CT die Verteilung der Elektronendichte) exakt beschrieben werden kann, wenn eine unendliche Anzahl an Linienintegralen vorliegt. Durch diese kann die Objekteigenschaft ausreichend genau approximiert werden. In Abbildung 2 ist die schematische Aufnahme der Projektion p(θ, s) unter dem Winkel θ und entlang aller Richtungen s zu sehen. Der Winkel θ muss im Bereich von [0, 180 ] variiert werden, damit keine Objekteigenschaft von f(x, y) verloren geht. Durch inverses Fouriertransformieren kann f(x, y) dann aus den Projektionen p(θ, s) rekonstruiert werden. Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer CT-Aufnahme Oft wird bei einer CT-Aufnahme der relative Schwächungskoeffizient gemessen, welcher in den sogenannten Hounsfield-Einheiten angegeben wird. Die Hounsfield-Einheiten verschiedener Gewebe berechnen sich durch ihren Schwächungskoeffizient µ und den Ver- 1

3 Abbildung 2: Aufnahme einer Projektion gleichswert µ W asser (siehe Gleichung 3). H := 1000 µ µ W asser µ W asser (3) In Abbildung 3 sind einige Gewebearten im Vergleich mit ihren Hounsfield-Einheiten dargestellt. Abbildung 3: HU verschiedener Gewebearten CT-Aufnahmen werden vor allem in der Unfalldiagnostik, bei der Operationsplanung in der Endoprothetik (beispielsweise Einsetzen einer künstlichen Hüfte) und die quantitative CT zur Bestimmung der Knochen- oder Lungengewebsdichte eingesetzt. 1.1 Detektoren Es werden hauptsächlich möglichst empfindliche elektronische Detektoren eingesetzt, um eine kurze Messzeit und geringe Strahlenbelastung zu erzielen. Die beiden am häufigsten verwendeten Detektoren sind die Xenon-Hochdruckionisationskammer und ein Szintillationskristall mit Photodiode. Die Xenon-Hochdruckionisationskammer besteht aus einem Kreissegment der Länge l = 2

4 10 cm und einer Höhe von einigen mm, welches mit einem Xenon-Gas bei 20 bar gefüllt ist. Es wird der Strom zwischen Anode und Kathode gemessen, welcher proportional zur einfallenden Röntgenstrahlung ist. Die Aufnahmen können schnell gemacht werden, da die Abklingzeit lediglich 1 µs beträgt. Da die Richtungscharakteristik einer solchen Ionisationskammer eingeschränkt ist, wird Streustrahlung direkt unterdrückt. Ein üblicher Szintillationskristall ist ein 10 mm langer, nadelförmiger Caesiumiodid-Kristall. Es handelt sich hierbei um einen Einkristall mit verspiegelten Seiten, damit die entstehenden Lumineszenz-Photonen irgendwann auf die Unterseite auftreffen, wo sie mit Hilfe einer Photodiode gemessen werden. Auch hier beträgt die (Lumineszenz-)Abklingdauer nur 1 µs. Die Auflösung dieser Detektoren ist beschränkt durch ihre endliche Größe und durch den Durchmesser des Elektronenstrahls. Der Fokusdurchmesser b F und der Detektordurchmesser B D berechnen sich zu b F = F A R A b D = D R A mit F als Durchmesser der Röntgenröhre, A als Abstand der Röhre zum Detektor und R als Abstand der Röhre zur Probe/zum Patienten. Außerdem ist für eine korrekte Rekonstruktion darauf zu achten, dass die Messköpfe der Detektoren größer sind als der Abstand der Zellen, um das Abtasttheorem nicht zu verletzten. Die mit einem Detektor aufgenommen Bilder werden Sinogramm genannt. Hier ist die Amplitude durch den Abstand vom Objekt zur Rotationsachse gegeben. Zur Veranschaulichung ist in Abbildung 4 ein Sinogramm des Kopfes dargestellt. (4) (5) Abbildung 4: Sinogramm des Kopfes 1.2 Artefakte Artefakte sind künstlich erzeugte Strukturen im Bild, welche im Objekt/Patienten nicht vorhanden sind. Die häufigsten Artefakte sind 3

5 Ausfälle der Messelektronik [a)] Bewegungsartefakte [b)] Aufhärtungsartefakte [c)] Entstehung von Hounsfield- Balken, da gleiches Material in tieferen Bereichen einen schienbar geringeren Schwächungskoeffizienten hat Partialvolumenartefakte [d)] ein Strahl gelangt auf seinem Weg zum Detektor durch zwei Bereiche verschiedener Schwächungskoeffizienten, welche vom Detektor zu einem gemittelt werden Metallartefakte [e)] Messfeldüberschreitung [f)] Streustrahlartefakte Kopplungsartefakte Abbildung 5: verschiedene Artefakte und ihre Auswirkungen im Bild 2 Angiographie Angiographie ist eine Röntgenuntersuchung der Gefäße, bei welcher dem Patienten über einen Katheter oder eine Hohlnadel ein jodhaltiges Kontrastmittel in eine Vene oder Arterie gespritzt wird, um die Gefäße auf einem dann aufgenommenen Röntgenbild besser darzustellen. Man unterscheidet zwischen der Arteriopgraphie (Arterien) und Phlebographie (Venen), wobei erstere öfter durchgeführt wird. Bei einigen Krankheiten oder Verletzungen kann direkt während der Angographie behandelt werden. So können zum Beispiel Gefäßlecks verschlossen werden oder es kann eine Ballondilatation an einer Stenose gemacht werden. 3 CT-Angiographie Die CT-Angiographie ist eine Kombination aus den beiden beschriebenen Verfahren. Dem Patienten wird ein jodhaltiges Kontrastmittel in eine Vene im Unterarm gespritzt und anschließend eine CT-Aufnahme gemacht, aus der mit Hilfe eines Computers 3D-Bilder der Gefäße erstellt werden können. Mit diesem Verfahren können mit einer Auflösung 4

6 von 0, 5 1 mm sowohl Gefäße, als auch Gewebe untersucht auf eine genaue Krankheit untersucht werden. Es ist ein verhältnismäßig günstiges bildgebendes Verfahren und die Bildqualität ist durch den Scan, das Kontrastmittel, die Rekonstruktion der Daten sowie die Bildbearbeitung bestimmbar. Wichtig ist, dass bei schnellem Blutfluss eine genügend kurze Aufnahmezeit gewählt wird und die räumliche Auflösung für kleine Blutgefäße sehr gut sein muss. Dies ist allerdings mit den heutzutage verwendeten Mehrzeilen Detektor CT s gut realisierbar. Diese bestehen meist aus 16 Detektoren, was eine gute Auflösung zur Folge hat. Die Nachteile liegen allerdings in der höheren Strahlenbelastung und dem höheren Rauschen. Eingesetzt wird die CT-Angiographie bei Gefäßverengungen, -missbildungen oder -verschlüssen, um die Art und Ausdehnung der Verletzung/Krankheit zu bestimmen, sowie bei Trombosen (Phlebographie), Aneurysmen und Blutungsquellen. Außerdem kann die Blutversorgung eines Tumors vor einer Operation dargestellt werden und auch in der Erfolgskontrolle einer OP findet das Verfahren Anwendung. Es muss allerdings darauf geachtet werden, dass der Patient keine Allergie gegen das Kontrastmittel hat oder unter einer Schilddrüsenerkrankung oder einer Nierenfunktionsstörung leidet. Außerdem sollte der Patient kein Plasmozytom haben. Dies ist eine Art von Blutkrebs, welcher das Knochemark befällt und die weißen Blutkörperchen verändert, welche zur Immunabwehr wichtig sind. 3.1 Kontrastmittel Als Kontrastmittel wird Jod verwendet, da dieses mit seiner hohen Ordnungszahl eine hohe Strahlendichte hat, die Röntgenstrahlung also gut absorbiert und es daher in der Aufnahme einen guten Kontrast erstellt. Um den Jod-Fluss währen der Scan Zeit zu erhöhen gibt es zwei Möglichkeiten. Die Konzentration kann erhöht werden, um die arterielle Bildkontrastverstärkung zu erhöhen (100 mg ml = 2679 HU), oder die Flussrate wird erhöht, wobei eine Rate von über 8 ml s nicht mehr zu einer Verbesserung führt. (a) Jodkonzentration (b) Jod Flussrate Abbildung 6: Kurven zur optimalen Bestimmung der Konstrastmittel-Parameter 5

7 3.2 Vorgehensweise Bei der Aufnahme eines CT-Bildes werden drei Schritte ausgeführt. 1. Kontrastmittel injizieren 2. Ankunftszeit bestimmen 3. Diagnostischer Scan Die Ankunftszeit des Kontrastmittel ist abhängig vom Gewebe und dem Herzschlag des Patienten, außerdem kann sie durch Aneurysmen oder Stenosen beeinflusst werden. Deshalb ist es wichtig, diese vor dem Scan zu bestimmten, was auf zwei verschiedene Arten möglich ist. Beim Verwenden des sogenannten timing bolus werden ml des Kontrastmittel injiziert und dann ein Scan mit niedriger Strahlendosis durchgeführt. Auf diese Weise kann man durch Aufnahme einer Zeit-Schwächungs-Kurve bestimmen, wenn das ROI (region of interest), also das Zielvolumen, erreicht ist. Die Vorteile bestehen darin, dass das Kontrastmittel getestet werden kann und es an jeden Patienten angepasst werden kann. Außerdem gibt es weniger Artefakte und es können mehrere Zielvolumen gleichzeitig gescannt werden. Nachteilig ist aber die doppelte Kontrastmittelgabe und die längere Scan-Zeit. Die zweite Möglichkeit nennt sich triggering bolus. Hier wird vorher das Zielvolumen festgelegt und dann direkt das ganze Kontrastmittel gespritzt. Anhand eines Scans mit wenig Strahlenbelastung wird das Kontrastmittel verfolgt und der diagnostische Scan wird gestartet, sobald im Zielvolumen ein vorher festgelegter Schwellwert überschritten ist. Diese Variante ist zeiteffizienter und braucht weniger Kontrastmittel, allerdings kann sie nicht an den Patienten angepasst werden und erzeugt mehr Artefakte. 4 Nachbearbeitung Um ein möglichst gutes Bild zu bekommen, müssen die Daten noch nachbearbeitet werden. Ideal wäre ein Bild ohne Rauschen und mit scharfen Kanten. Da dies aber kaum realisierbar ist, muss ein Kompromiss gefunden werden, bzw. die Bearbeitung muss auf das jeweilge Bild angepasst werden. Die beiden einfachsten Hilfsmittel sind der Hoch- und der Tiefpass. Der Tiefpass zeichnet das Bild weich, indem er die hohen Frequenzen rausschneidet. Dadurch ist das Bild weniger verrauscht, allerdings sind auch die Kanten nicht scharf zu erkennen. Daher ist ein so bearbeitetes Bild gut um relativ große Strukturen zu erkennen, wie zum Beispiel Aneurysmen oder Gefäßmussbildungen. Der Hochpassfilter schneidet im Gegensatz dazu die tiefen Frequenzen raus, weshalb die Kanten im Bild sehr scharf erkennbar sind. Hierdurch wird allerdings auch das Rauschen verstärkt. Auf diese Art bearbeitete Bilder eignen sich zum Ausmessen kleinerer Strukturen wir Stenosen. ein weiteres Problem in den CT-Angiographie Bildern sind die Knochen und Verkalkungen, da diese einen sehr hohen Kontrast haben. Zusätzlich können große Gefäße wie die Vena cava as eigentliche Zielvolumen verdecken. Um das zu vermeiden gibt es einige Verfahren zur Kontrastverbesserung, welche im folgenden näher erläutert werden. 6

8 4.1 Kontrastverbesserung Zur besseren Darstellung verschiedener Befunde gibt es viele Möglichkeiten, die Bilder zu bearbeiten. Hier sind die wichtigsten Verfahren dargestellt. Digitale Subtraktionsangiographie Hierfür werden Bilder vor und nach der Kontrastmittelgabe aufgenommen. Mit Hilfe eines Computers können dann alle Bereiche, welche in allen Bildern gleich sind, entfernt werden. So bleiben nur die mit Kontrastmittel gefüllten Gefäße über. Werden nach der Kontrastmittelgabe mehrere Bilder gemacht, kann sogar der Blutfluss sichtbar gemacht werden. Maximalintensitätsprojektion Beim MIP werden aus 3D-Daten 2D-Bilder berechnet, indem auf jeder Projektions- /Blickrichtung nur der Datenpunkt mit der maximalen Intensität gewählt wird. Da die Blutgefäße eine hohe Signalintensität haben, werden sie extrahiert. Um wieder einen 3D-Datensatz zu erhalten, wird das MIP aus verschiedenen Blickwinkeln angewendet, hierbei geht allerdings die Tiefeninformation verloren. Thin-slab MIP (Subvolumen MIP) Anders als beim normalen MIP wird hier nur die Projektion durch ein scheibenförmiges Teilvolumen bestimmt. Minimumintensitätsprojektion Ist das Gegenteil des MIP. Es werden also jeweils die Datenpunkte mit der minimalen Signalintensität gewählt. So ist das sehr signalarme Lungengewebe mit den Bronchien gut darstellbar. Multiplanare Rekonstruktion Aus einem axialem Bildstapel werden parallel ausgerichtete Schichtbilder in beliebiger Orientierung berechnet. Diese rekonstruierten Bilder haben primät die Schichtdike der axialen Originalbilder und beinhalten alle Dichtewerte. Volumen-Rendering-Technik Hier werden unter Volumen- und Oberflächenbasierter Verwendung der Dichtewerte 3D-Bilder erstellt. Knochen Subtraktion Wie der Name schon sagt, werden aus Bildern mit und ohne Kontrastmittel die Knochen subtrahiert, wohingegen Weichteile und Blutgefäße beibehalten werden. Osteoabsorptiometrie Mit quantitativer CT kann die Knochendichte bestimmt werden. Hierzu wird ein axialer Dünnschnittdatensatz 7

9 5 Beispiele Abbildung 7: Thin-Slab MIP des zervikalen Teils der Halsschlagader Abbildung 8: Bild der Halswirbelsäule nach VRT 8

10 Abbildung 9: MIP des Halsbereichs nach Knochen Subtraktion (a) koronales MPR (b) + thin-slab MIP (c) VRT (d) DSA Abbildung 10: Bilder des Kopfes (a) MIP (b) VRT Abbildung 11: Bilder der Lunge! 9

11 (a) Systole (b) Diastole Abbildung 12: Herzlungengefäß im linken unteren Lungenlappen (a) DSA (b) VRT Abbildung 13: Aneurysmen in A. communicans anterior (roter Pfeil) und A. communicans posterior (gelber Pfeil) Literatur [1] Dr. Dieter Suter, Skript zur Einführung in die Medizinphysik II [2] Roentgen-der-Gefaesse-Angiograf-209.html [3] 20angiography%20techniques.pdf [4] [5] 10

12 [6] [7] [8] CT-Angiografie-Haende.jpg [9] SonogramExampleLabeled.jpg [10] splenic-artery-aneurysm-in-extrahepatic.html [11] [12] 11