Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Ultraschall (US)

Transkript

1 Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Ultraschall (US) Prof. Dr. Willi Kalender, Ph.D. Institut für Medizinische Physik Universität Erlangen-Nürnberg

2 3D Schnittbildverfahren Total digital!

3 Vergleich der Methoden CT MR Ultraschall Signalquelle Energie / Frequenz Röntgenstrahlen Radiowellen Schallwellen kv MHz 1-40 MHz Ortsauflösung Kontrastauflösung Aufwand & Kosten mittel hoch niedrig Risiko niedrig niedrig niedrig Einzelschichtaufnahmen!!! Volumenaufnahmen!!!

4 Entwicklung der CT im historischen Überblick 1895 W.C. Röntgen entdeckt eine 'neue Art von Strahlen', die später nach ihm als Röntgenstrahlen benannt werden 1917 J.H. Radon entwickelt die mathematischen Grundlagen zur Errechnung von Querschnittsbildern aus Transmissionsmessungen 1972 G.N. Hounsfield und J. Ambrose führen erste klinische Untersuchungen mit Computertomographie durch 1975 erster Ganzkörpertomograph im klinischen Einsatz 1979 Verleihung des Nobelpreises an Hounsfield und Cormack 1989 erste klinische Untersuchungen mit Spiral-CT 1998 erste klinische Untersuchungen mit Mehrzeilen-Spiral Spiral-CT 2000 ca klinische Spiral-CT CT-Installationen

5 Röntgenaufnahmen des Schädels a.p. lateral

6 CT-Aufnahmen des Gehirns

7 Prinzip der Röntgen-Computertomographie : - Abtastung einer Objektschicht - Rekonstruktion eines digitalen Bildes aus diskreten Bildelementen Die folgenden Fragen diskutiert werden: 1. Was wird gemessen? 2. Wie wird gemessen? 3. Wie wird ein Bild errechnet? 4. Was wird im CT-Bild dargestellt?

8 y x S z y x

9 1. Was wird gemessen? Die Intensität I der Röntgenstrahlung die Schwächung S der lineare Schwächungs- koeffizient µ I( d) = I 0 e I S = ln 0 = µ d I 1 0 I µ = ln d I µ d für homogene Objekte und monochromatische Strahlung für kontinuierliche Objekte: S= µ d + µ d + µ d + K= µ d = µ ds E max Er ds I = I E e µ (, ) ( ) de 0 0 r n d i i i= 1 0 für polychromatische Strahlung:

10 2. Wie wird gemessen?

11 y z x 16-slice CBCT system at the Institute of Medical Physics,, Erlangen

12 Fächerstrahlgeometrie (x-y-ebene) Röntgenröhre y x Messfeld mit Objekt Detektor (typ Kanäle) y x

13 y x Pro Detektorschicht und Umlauf werden etwa 1000 Projektionen zu je 1000 Kanälen akquiriert. y x

14 Vollständigkeit (x-y-ebene) y x Jeder Punkt des Objekts muss aus einem Winkelintervall der Länge 180 oder mehr gemessen werden. y x

15 3. Wie wird ein Bild errechnet?

16 Einfluss des Faltungskerns

17 Einfluss des Faltungskerns Glättend soft Standard Aufsteilend bone

18 Einfluss des Faltungskerns Glättend Standard Aufsteilend

19 4. Was wird im CT-Bild dargestellt? Der lineare Schwächungskoeffizient gemittelt über jedes Volumenelement in Hounsfield-Einheiten y x S z y x

20 Die Hounsfield-Skala CT-Wert µ µ G - µ Wasser Wasser 1000 (HU) µ G = linearer Schwächungkoeffizient des Gewebes G

21 CT-Wert, HU Knochenfenster C/W 1000, Mediastinumfenster C/W -50, Lungenfenster C/W -600, 1700

22 Schichtbilder bieten verbesserten Kontrast Computertomographie Röntgenbild

23 Schichtbilder bieten verbesserten Kontrast CT-Werte Im CT-Bild: Hoher lokaler Kontrast der Weichgewebestruktur Kontrast = CT = I I = 1 2 = = 28HU ~ 50% Im Röntgenbild: Im Röntgenbild niedriger Weichgewebskontrast durch Knochenüberlagerung bedingt Kontrast = I I 1 2 ( I + I ) / = ( ) / 2 100% = 0,23% =

24 a) b) c) d)

25 1. Translation 60. Translation Partial Pencil beam fan beam Translation 12. Translation >24h 300s 1. Translation / Rotation 2. Translation / Rotation Rotating Detector Fan beam Fan beam Stationary Detector Ring 5s 5s 3. Continuous Rotation 4. Continuous Rotation Generationen von CT-Scannern

26 Prinzipaufbau Röntgenröhre Anode Blende (fokusseitig) Fächerstrahl Meßfeld Blende (detektorseitig) Detektor

27

28 Spiral-CT Aufnahmeprinzip Start des Spiralscans Fokusbahn bei kontinuierlich rotierender Röntgenröhre Richtung des kontinuierlichen Tischvorschubs 0 z, mm 0 t, s Kalender WA et al. Radiology 1989; 173(P):414 und 1990; 176:

29 Spiral CT = fast continuous scanning March 1989 " collimation 8 mm " 12 s " 1s / rot. " pitch 1 " volume (z-axis): 96 mm

30 Motivation: Eliminate the pitfalls in conventional CT Scan i: Deep inspiration Scan i+1: Moderate inspiration Inconsistent breathing from scan to scan may cause omission of lesions! RSNA 1989

31 Spiral CT Scan range 400 mm S = 5 mm d = 8 mm / 360 RI = 2 mm T = 50 s

32 S eff = 4*1mm: high contrast resolution S eff = 1mm: high spatial resolution Flexibility in Multislice Spiral CT 120 kv 400mAs 4*1 mm 1.0s S eff = 2.5 mm: high spatial and contrast resolution

33 0.3 mm 3D Isotropic Resolution in Spiral CT x/y-plane x 0.2 mm 0.1 mm 0.3 mm z-direction (MPR) z 0.2 mm 0.1 mm 0.4 mm 0.5 mm 0.6 mm 0.7 mm 0.4 mm 0.5 mm 0.6 mm 0.7 mm y y 1.1 mm 1.0 mm 0.9 mm 0.8 mm 1.1 mm 1.0 mm 0.9 mm 0.8 mm 1.2 mm 1.3 mm 1.4 mm 1.5 mm 1.2 mm 1.3 mm 1.4 mm 1.5 mm Scans in UHR mode with 2x0.5 mm collimation, S eff = 0.5 mm

34 3D Isotropic Resolution in Spiral CT Direct Scan MultiPlanar Reformation

35 CT Angiography: Axillo-femoral bypass 120 cm in 40 s 0.5 s/360 4x2.5 mm collimation pitch 1.5

36 MSCT M = s rotation mm 24 mm/s 70 cm in 28 s 1.4 GB rawdata 1400 images

37 Diagnostic Radiology and Medical Physics in Cooperation

38 Cardio-CT

39 CT-Koronarangiographie - Virtuelle Koronar- Angioskopie (C. Becker, LMU München)

40 CT Coronary Angiography Display of Stenosis and Soft Plaque Conventional Angiography CT Angiography

41 Patientendosis in der CT Sequentielle CT (SI=S) und Spiral-CT (p=1) Anatomische Region Kopf Thorax Abdomen Becken Aufnahmebereich (cm) Schichtdicke (mm) Aufnahmezeit (s) Röhrenstrom (ma) Interessierendes Organ Linse Lunge Leber Blase Organdosis (msv) 22,2 22,1 21,7 19,1 Effektive Dosis (msv) 0,9 6,3 6,8 3,9 Effektive Dosis (Jahre 0,4 2,6 2,8 1,6 natürlicher Hintergrund- strahlung, 2,4 msv/jahr) Kalender WA et al. Eur Radiol 1999; 9(2):

42 Kurze Pause!