Funktionsweise und Rekonstruktionsverfahren SPECT & SPECT/CT. C. Schütze

Transkript

1 Funktionsweise und Rekonstruktionsverfahren SPECT & SPECT/CT C. Schütze

2 Gammakamera und SPECT-Systeme

3 Grundprinzip der Szintigraphie Aus Vorlesungen von L. Geworski

4 Szintigraphie als Projektion gezählter Ereignisse 1D-Verteilung Impulse Länge Summe der gezählten Ereignisse entlang der Projektionslinie Projektionslinie 2D-Verteilung Aktivitätsverteilung

5 Szintigraphie Projektion der räumlichen Aktivitätsverteilung auf eine Ebene Kristall Ebene Kollimator Szintigraphie: Projektion der räumlichen Aktivitätsverteilung auf eine Ebene Aktivitätsverteilung Aus Vorlesungen von L. Geworski

6 Szintigraphie - Problem der Schichtüberlagerung Hintereinander liegende Läsionen sind nicht auflösbar sie erscheinen wie eine starke Aktivitätsanreicherung

7 SPECT Single Photon Emission Computed Tomography Einzelphotonen-Emissionstomographie

8 SPECT rotierende Gammakamera Anordnung als Gantry ermöglicht Rotation der Messköpfe Unterschiedliche Anzahl an Messköpfen (1, 2, 3) www3.gehealthcare.com,

9 SPECT: Drehung um einen Winkel Projektionsdatensatz ϕ = 0 ϕ ϕ = 45 ϕ = 90 ϕ = 135 ϕ = 180 ϕ = 225 ϕ = 270 ϕ = 315

10 Projektionen als Sinogramm Projektionsdatensatz ϕ = 0 ϕ = 45 ϕ = 90 ϕ = 135 ϕ = 180 ϕ = 225 ϕ = 270 ϕ = 315 Aus: Cherry, Sorenson and Phelps, Physics in nuclear medicine, 2012

11 Problemstellung der Rekonstruktion Unbekannte Objektverteilung aus den gemessenen Projektionen zu rekonstruieren? Rekonstruktion

12 Zwei Methoden zur Rekonstruktion Analytischen Methoden: Gefilterte Rückprojektion Rückprojektion gefilterter Projektionen Algebraischen Methoden: Iterative Verfahren ART MLEM MAP OSEM

13 Projektion - Rückprojektion

14 ϕ = 0 Rückprojektion Projektionsdatensatz ϕ = 45 ϕ ϕ = 90 ϕ = 135 ϕ = 180 ϕ = 225 ϕ = 270 ϕ = 315

15 Rückprojektion - Verschmierungseffekt (A): Objektschicht (C): Rückprojektion bei 3 Projektion (E): Rückprojektion bei 16 Projektionen (G): Rückprojektion bei 64 Projektionen (B): Rückprojektion bei 1 Projektion (D): Rückprojektion bei 4 Projektionen (F): Rückprojektion bei 32 Projektionen Aus: Bruyant, Analytic and Iterative Reconstruction Algorithms in SPECT, JNuclMed, 58 (1) 2002

16 Filter rel. Amplitude rel. Amplitude rel. Amplitude rel. Amplitude f ny f ny f ny f ny Rampe Shepp-Logan (Glättung) Hann (Glättung) Anpassung der Filter je nach gewünschtem Effekt. (Detailintensität vs. Bildglättung)

17 Einfache und gefilterte Rückprojektion Original Objekt Einfache Rückprojektion Gefilterte Rückprojektion (Rampe) Gefilterte Rückprojektion (Hann)

18 Filter Auswirkungen Rampen-Filterung Hann-Filterung

19 Zwei Methoden zur Rekonstruktion Analytischen Methoden: Gefilterte Rückprojektion Rückprojektion gefilterter Projektionen Algebraischen Methoden: Iterative Verfahren ART MLEM MAP OSEM

20 Iterative Rekonstruktion Objekt Projektionen (Sinogramm) SPECT Iterationsprozess ok Ausgangs- Bild simuliertes SPECT berechnete Projektionen Vergleich Rekonstruiertes Bild Nicht ok Neue Schätzung Update Schätzung

21 Iterative Rekonstruktion - Beispiel Aus: Cherry, Sorenson and Phelps, Physics in nuclear medicine, 2012

22 Iterative Rekonstruktion Effekt der Iterationen Iterativer Rekonstruktion mit steigender Iterationszahl von links nach rechts 1 Iteration 5 Iterationen 10 Iterationen 50 Iterationen 80 Iterationen Mit steigender Iterationszahl wird das Rauschen verstärkt! Bild oben: G.L. Zeng / Computerized Medical Imaging and Graphics 25 (2001) 97

23 OSEM Ordered-subset expectation maximization ok Ausgangs- Bild simuliertes SPECT berechnete Projektionen Vergleich Nicht ok Rekonstruiertes Bild Neue Schätzung Update Schätzung Subsets: Unterteilung der Projektionen in Untergruppen Subsets Führt zur Beschleunigung der Rekonstruktion

24 Subsets: Unterteilung der Projektionen in Untergruppen Projektions- Datensatz aus 8 Winkeln Beispiel: 2 Subsets ϕ = 0 ϕ = 45 ϕ = 90 ϕ = 135 ϕ = 180 ϕ = 225 ϕ = 270 ϕ = 315 Subset 1: rot Subset 2: blau

25 OSEM Beispiel Iterationen DAVID S. LALUSH* and MILES N. WERNICK, Iterative Image Reconstruction in Fundamentals in SPECT and PET

26 Transmission und Emission SPECT/CT www3.gehealthcare.com, Eur J Nucl Med Mol Imaging (2014)

27 Warum SPECT/CT? Beispiel: Tc-99 m Nanocoll SLN SPECT / CT bei bekanntem Mammakarzinom Bilder aus: Ritt P et al. Technik und physikalische Aspekte Der Nuklearmediziner 2011; 34: 9 20

28 Transmission Emission Röntgen Röhre Nuklide Detektor Detektor Ring Aus Vorlesungen von L. Geworski

29 Computertomographie - Prinzip Röntgen Röhre Röntgenröhre Detektor Detektor Aus Vorlesungen von L. Geworski

30 Computertomographie

31 Computertomographie - Prinzip Röntgen Röhre I 0 ln(i 0 /I) I Messung der Schwächung der Röntgenstrahlung Unbekanntes µ: P ln μ Intensitätsprofil Aus: Kalender, Computertomographie, Publicis MCD Verlag 2000

32 Computertomographie Hounsfield Units Aus Vorlesung: Medizinische Physik: Physikalische Grundlagen der medizinischen Bildgebung (Klaus Lehnertz)

33 SPECT/CT Funktion und Morphologie 1 Fusion bei SPECT Überlagerung von Funktion und Morphologie 2 Absorptionskorrektur SPECT Örtliche Verteilung der Absorptionskoeffizienten

34 SPECT/CT Funktion und Morphologie 1 Fusion bei SPECT Überlagerung von Funktion und Morphologie 2 Absorptionskorrektur SPECT Örtliche Verteilung der Absorptionskoeffizienten

35 SPECT/CT - Fusion Anatomische Zuordnung der SPECT durch das CT Höheren diagnostischem Wert

36 SPECT/CT Funktion und Morphologie 1 Fusion bei SPECT Überlagerung von Funktion und Morphologie 2 Absorptionskorrektur SPECT Örtliche Verteilung der Absorptionskoeffizienten

37 Absorption bei unterschiedlichen Nuklide Aus: Cherry, Sorenson and Phelps, Physics in nuclear medicine, 2012

38 Absorption bei unterschiedlichen Dicken Aus: Cherry, Sorenson and Phelps, Physics in nuclear medicine, 2012

39 Absorptionsgeometrie (SPECT) a A I A I 0 = e - a Aus Vorlesungen von L. Geworski

40 Absorptionsgeometrie (SPECT) a A I A I 0 = e - a b B I B I 0 = e - b Aus Vorlesungen von L. Geworski

41 Absorptionsgeometrie (SPECT) a A I A I 0 = e - a b B I B I 0 = e - b d C I C I 0 = e - d Aus Vorlesungen von L. Geworski

42 SPECT/CT Berechnung der µ-werte CT Datensatz in HU µ-map (Schwächungskarte) in cm -1 Aus Patton et al., SPECT/CT Physical Principles and Attenuation Correction, 2008

43 SPECT/CT Absorptionskorrektur ok Ausgangs- Bild simuliertes SPECT berechnete Projektionen Vergleich Rekonstruiertes Bild CT-Bild µ-map Nicht ok Neue Schätzung Update Schätzung

44 SPECT/CT Beispiel AC Aus Buck et al., J Nucl Med 2008; 49:

45 Fusion beim SPECT/CT - Patientenbewegung Aus Patton et al., J Nucl Med Technol 2008; 36:1 10

46 Danke für Ihre Aufmerksamkeit