Rekonstruktion dynamischer Kardio-CT-Daten

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1 Seminar Kardiologie Dipl.-Phys. Stefan Wesarg Rekonstruktion dynamischer Kardio-CT-Daten Vortrag von Florian Nöll

2 Überblick 1. Die Bedeutung der Computertomographie und wie man eine CT durchführt 2. Evolution der Technik 3. Grundkenntnisse für den richtigen Moment 4. Rückprojektion der Daten Radontransformation Statisch vs. dynamisch 5. Ausblick 2

3 1. Die Bedeutung der Computertomographie und wie man eine CT durchgeführt (1) Spezielles Röntgenverfahren - liefert Querschnittsbilder - entwickelt 1972 von A.M. Cormack und G.N. Hounsfield, 1979 Nobelpreis für Medizin Cormack 1998 Hounsfield Röntgenstrahl durchdringt verschiedene Strukturen (z.b. Haut, Fett, Muskel, Organe, Knochen) - Unterschiedlich starke Abschwächung (Intensivität) 3

4 1. Die Bedeutung der Computertomographie und wie man eine CT durchgeführt (2) Einsatzgebiet Herz - Dreidimensionale Darstellung der Herzkranzgefäße - Sichtbare Veränderungen (Verkalkungen und Ablagerungen) Wie wird eine CT durchgeführt? - Kontrastmittel für eine bessere Darstellung - Typisch: Patient liegt in der Röhre - Aufnahmen in regelmäßigen Abstand, dabei wichtig: ruhig atmen und ggfs. die Luft anhalten - Dauer: 3-15 Minuten - Rekonstruktion der aufgenommenen Daten 4

5 2. Evolution der Technik (1) Erste Generation: (70er Jahre) - X-Ray Generator wird mechanisch rotiert - Dünner Strahl mit nur einem Detektor Nachteile: Keine kontinuierliche Rotation Nach jedem Scan wieder in die Startposition fahren Abstände und Lücken zwischen angrenzenden Scans X-Ray Single-X-Ray Detektor 5

6 2. Evolution der Technik (2) Zweite Generation: Spiral CT (Ende der 80er Jahre) - Kontinuierliche Detektor Rotation und konstante Geschwindigkeit entlang der Längsachse des Patienten - Spiralförmiger Scan Vorteile: - Keine Lücken mehr zwischen den Scans - Schneller, da keine ständige Justierung Nachteil: - Immer noch nur ein Detektor - Geringe Volumenabdeckung in bestimmter Zeit X-Ray Single-X-Ray Detektor 6

7 2. Evolution der Technik (3) Aktuelle Technik: Multi Slice CT Detektoren nebeneinander Vorteile: - Noch schnellere Scanzeiten - Bewegungsfreie Bilder - Verbesserte örtliche Auflösung - Weniger Arterfakte X-Ray Multipler X-Ray Detektor 7

8 3. Grundkenntnisse für den richtigen Moment (1) Zeitliche Auflösung 180 Halbbild Halbbild wird aus bis zu vier R-R-Intervallen segmentweise zusammengesetzt Bewegungsärmste Phase wird abgelichtet Umso schneller die Rotation, desto besser die zeitliche Auflösung - Weniger Bewegungsartefakte 8

9 3. Grundkenntnisse für den richtigen Moment (2) Örtliche Auflösung Auflösung eines Punktes im Raum Detektorengröße ist das wesentliche Merkmal für die örtliche Auflösung Dünnere Schichten verbessern die Auflösung in der z-achse Ziel: höchste örtliche Auflösung und geringe Belichtungszeit 9

10 4. Rückprojektion der Daten (1) 10

11 4. Rückprojektion der Daten (2) Hounsfield Unit (HU) - Jedem Pixel einer CT-Schicht wird der CT-Wert gespeichert, in HU - CT-Wert = (μx-μw)/μw * 1000 [HU] μx: linearer Schwächungskoeffizient im Pixel μw: linearer Schwächungskoeffizient für Wasser» Luft, Gase: ~ -1000» Fett: ~ -90» Wasser: ~0» Weichteilgewebe: +20 bis 70» Kompakter Knochen: >

12 4. Rückprojektion der Daten (3) Radontransformation Gemessene Strahlung Variierende Absorptionskoeffizienten Anfangsintensität Radontransformierte Die Gleichung entspricht dem Linienintegral über den Absorptionkoeffizienten μ(x) längs der Strahlen 12

13 4. Rückprojektion der Daten (4) Wie funktioniert die Radon-Rücktransformation? Zentralschnitt-Theorem (Center-Slice-Theorem) - stellt die Verbindung zur Fouriertransformation her 13

14 4. Rückprojektion der Daten (5) Center-Slice-Theorem Die 1D Fouriertransformation einer Projektion ist gleich der 2D FT der Objektfunktion entlang einer Linie durch den Ursprung 14

15 4. Rückprojektion der Daten (6) Berechnung der Radontransformation mittels des Zentralschnitt-Theorems - 2D FT des Ursprungbildes b(x) - B(f) wird interpoliert - Ergebnis der Interpolation wird spaltenweise einer eindimensionale inversen FT unterzogen 15

16 4. Rückprojektion der Daten (7) b(x) Projektion Anstatt im Fourierraum zu multiplizieren, kann man auch im Ortsraum falten - Faltung Bild 1 Bild 2 Bild 3 inverse 2D FT B(f) Rück- Projektion b(x) Projektion Rück- Projektion Inverse 1D FT b(x) Projektion Rück- Projektion 1D FT 1D FT Filter Sinc Filter 16

17 4. Rückprojektion der Daten (8) 1. statisch Algorithmus liefert statische Aufnahmen Für jeden Winkel muss eine Aufnahme und eine Rekonstruktion erfolgen Rekonstruktion des 180 Halbbilds 2. dynamisch Herzbewegung Zusammenführung statischer Aufnahmen für das Herz Wichtig: zeitliche Auflösung - Rekonstruktion aus der Zusammensetzung der Scans aus den gleichen R-R-Intervallen - Mittlerweile automatische Phasenselektion 17

18 5. Ausblick (1) Dual Source CT Nur 90 Rotation 2 Röhren-/Detektoreinheiten gleichzeitig aktiv Vorteile: Schneller Herzscan bei kurzer Atemanhaltezeit Mit 83 ms höchste und herzfrequenzunabhängige zeitliche Auflösung Herzbilder werden grundsätzlich innerhalb einer Herzphase aufgenommen, keine Multisegmentrekonstruktionen nötig 50% geringere Strahlendosis Dual Source Single Source 18

19 5. Ausblick (2) Siemens Somatom Definition Dual Source 3. Zeitl. Auflösung 83 ms 4. 4s für 112 mm 5. Örtl. Auflösung 0.33 mm 6. Rotationsdauer 0.33 s kv, 307 mas (eff.) 8. Herzschlag: 130 bpm UCLA, Los Angeles, USA 19

20 Literaturverzeichnis Computerized Tomographic Imaging Chapter 3 Electro Media, Special Issue, Siemens AG Herzratenspezifische CT Bildrekonstruktion, VISIONS, J. Blobel Non-invasive coronary angiography with multislice computed tomography. Technology, methods, preliminary experience and prospects, Egidio Traversi Optimierung der Orts- und Zeit-Auflösung für die kardiale CT-Diagnostik, J. Blobel medical.siemens.com, Computertomographie, egoryid~e_12752~a_cattree~e_100010, ,12752~a_langid~e_-3~a_storeid~e_10001.htm The Radon Transform in Digital Image Processing, Jürgen Beyerer und Fernando Puente Leon Diplomarbeit Physik, Stefan Wesarg Real-Time 3D-Echokardiographie des Herzens, Knut Berger Cardio Computertomographie, 20

21 Ende Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! Fragen? 21