Optimierung Kardio-CT

Optimierung Kardio-CT H.D. Nagel Dr. HD Nagel - Wissenschaft & Technik für die Radiologie Buchholz i.d.n. www.sascrad.de 1

Agenda Technische Mindestausstattung Scanmodus Aktuelles Dosisniveau Dosisautomatik Spannungseinstellung Iterative Rekonstruktion Beispiel. 2

Agenda Technische Mindestausstattung Aktuelles Dosisniveau Scanmodus Dosisautomatik Spannungseinstellung Iterative Rekonstruktion Beispiel. 3

Applikatorische Anforderungen Geringe Bewegungsunschärfe trotz erheblicher Organbewegung Hohe Ortsauflösung isotrop < 0.5 mm Hohe Kontrastauflösung Differenzierung von Soft Plaque Geringe Gesamt-Scanzeit < bequeme Atemanhaltphase Geringe Strahlenexposition nicht höher als beim diagnostischen Herzkatheter. 4

Technische Mindestanforderungen Gesamt-Scanzeit (L netto =12cm) 60 50 4x1mm 0.5s Total scan time (s) 40 30 20 10 16x0.5mm 0.4s 16x0.75mm 0.42s 64x0.625mm 0.4s Mx (Quad) Mx (IDT) AQI-16 B64 0 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Pitch Scanzeit bei 4-Schicht-Geräten indiskutabel 16-Schicht-Geräte nur sehr eingeschränkt für Kardio-CTA geeignet 64-Schicht-Geräte i.d.r. unter 10s => Mindeststandard. 5

Scanmodus (prospektives Gating) z-position Zeit 7

Scanmodus (retrospektives Gating) Beispiel: Herzfrequenz 60 bpm, Rotationszeit 0.5 s z-position Pitch=1 Pitch=1 Pitch<<1 Pitch<<1 Datenlücken N h Delay R R R R 1 sec Zeit Pitch << 1 für lückenlose gegatete Datenerfassung. 8

Multi-Cycle-Rekonstruktion Zeitauflösung: normalerweise Rotationszeit / 2 (z.b. 200 ms bei t rot = 0.4 s) z-position N h Delay Subsegment 1 Projektionswinkel α n 90 90 R R Subsegment 2 Zeit Datenrekonstruktion aus 2 (3, 4,..., M) aufeinanderfolgenden Herzzyklen Verbesserung der Zeitauflösung um bis zu Faktor 1/M (theoretisch) Weitere Pitchreduzierung erforderlich. 9

Prospektives vs. retrospektives Gating Lage des Zeitfensters prospektiv vorab festgelegt retrospektiv nachträglich frei wählbar Scanmodus sequentiell spiral Anfällig bei Herzhythmusschwankungen Hauptanwendungsgebiet Vorteil Nachteil Kalzium-Scoring, Perfusion Dosis (Strahlung nur im Zeitfenster) CTA der Koronarien (*), Herzfunktion Flexibilität, 3D-Datensatz, alle Phasen Dosis (Strahlung im gesamten Zyklus) (*) CCTA bei ausreichend breiten Detektoren neuerdings auch prospektiv ( Step & Shoot ) 10

Gegated vs. ungegated 140 kv 399 mas (effektiv) Pitch 0.2 80 mas (elektrisch) mas-nomenklatur: - GE, Toshiba: elektrische mas - Philips, Siemens: effektive mas = el. mas/pitch - Siemens (neu, nur bei gegateten Untersuchungen): mas/rot. = elektrische mas für 360 -Vollrotation SD (ungegated): 9.0 HE SD (gegated): 20.3 HE entspricht Dosis * 1/5 Retrospektives Gating: Bildwirksam: Elektrische mas (d.h. eff. mas * Pitch) Dosisrelevant: Effektive mas ungegated gegated 11

CCTA mit prospektivem Gating Step&shoot cardiac CTA 12 Effective dose (msv) 10 8 6 4 step&shoot useable helical hel. w. TDM 2 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Heart rate (bpm) Erheblich reduzierte Dosis (< 3 msv) Einschränkung: niedrige Herzraten, keine Funktionsdarstellung Voraussetzung: breiter Detektor ( 40 mm), sonst Scanzeit zu lang. 12

Strahlenexposition kardiovaskuläre CT Typische Effektivdosiswerte für Herz- und andere gegatete CT-Untersuchungen 60 30-50 msv Effective dose (msv) 50 40 30 20 10 3 (1) msv 10-15 msv 15-20 msv 15-25 msv 4-slice 16-slice 64-slice 0 Calcium scoring Coronary CTA Bypass graft imaging Triple rule-out Gated aorta Type of examination Q: Bruening et al., Protocols for Multislice CT 2nd ed., Springer 2006 Basis: Protokollempfehlungen in Bruening et al. Alle Protokolle ohne zeitliche Dosismodulation Alle (bis auf Calcium Scoring ) im Spiralmodus aufgenommen und retrospektiv gegated In der Praxis abweichende Werte je nach Anwenderpräferenz. 14

Relatives Dosisniveau (Pitchabhängigkeit) 600% 500% Relative dose level 400% 300% 200% 100% 64-slice 16-slice 4-slice 0% 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Pitch Signifikante erhöhtes Dosisniveau wegen Notwendigkeit kleiner Pitchwerte Großteil der Expositionszeit ungenutzt 4 -> 64-Schicht-CT: verbesserte Zeitauflösung, mit mehr Dosis erkauft. 15

Strahlenexposition 64-Schicht-CT Ergebnisse der PROTECTION I Multi-Center-Studie GE VCT64 19 msv Philips B64 10 msv Siemens S64 9 msv Siemens D64 11 msv Toshiba AQI64 15 msv Hausleiter et al. (JAMA 2008) Ergebnisse einer Multi-Center-Studie, basierend auf eingereichten Fallbeispielen Mehrzahl der Anwender mit Nutzung der zeitlichen Dosismodulation Effektivdosisabschätzung aus DLP mit Konversionsfaktor k = 0.014 msv/mgycm. 16

Ergebnisse CT-Umfrage 2012 Mittel: 12.5 msv Mittel: 7.3 msv CCTA retrospektiv gegated CCTA prospektiv gegated Effektivdosisberechnung (ICRP103) mit Konversionsfaktor k = 0.021 msv/mgy cm CCTA retrospektiv: Dosis vergleichbar mit PROTECTION I-Studie CCTA prospektiv: nur knapp Faktor 2 weniger Weit oberhalb dessen, was technisch möglich Gründe??? 17

Diagnostische Referenzwerte 2016 Kardio-CT: DRW nur für CCTA prospektiv DLP von 330 mgy cm entspricht Effektivdosis (ICRP103) von 7 msv. 18

Dosisautomatik: Funktionalitäten ±0% (bis -35%) Grundfunktion: Belichtungsautomatik (BA) Dosisanpassung an Patientenstatur A bis B -30% 100% Reduced attenuation Increased attenuation 50% A B A B A Verfeinerung: Anguläre (x-y-) Doismodulation (ADM) Dosisanpassung an Patientquerschnitt 0% Standard mas Average mas Modulated mas Projection angle 100% 50% bis -40% Standard mas Modulated mas Average mas z-axis Verfeinerung: Longitudinale (z-) Dosismodulation (LDM) Dosisanpassung an lokale Patientdicke Relative tube current (%) 100 80 60 40 20 0 bis -50% Tube current ECG signal Data window 400 ms 250 ms n n+1 n+2 n+3 Time (s) Verfeinerung: Zeitliche Dosismodulation (TDM) Dosisreduktion außerhalb genutzter Herzphasen 20

Zeitliche Dosismodulation (ECG-Pulsing) Relativer Röhrenstrom (%) 100 80 60 40 20 0 Röhrenstrom 400 ms 250 ms EKG-Signal Datenfenster n n+1 n+2 n+3 Zeit (s) ECG-Pulsing: EKG-gesteuerte Röhrenstrommodulation Max. Strom während gewünschter Herzphase(n) Strom außerhalb auf 20% reduziert Ermöglicht dynamische Darstellungen über gesamten Herzzyklus Dosisreduktion je nach Herzrate und Phasenanzahl bis zu 50% Realistisch: 10-30% Dosiseinsparung. 21

Zeitliche Dosismodulation (ECG-Pulsing) Röhrenstrom EKG-Signal Datenfenster Relativer Röhrenstrom (%) 100 80 60 40 20 0 n n+1 n+2 n+3 Zeit (s) ECG-Pulsing: EKG-gesteuerte Röhrenstrommodulation Max. Strom während gewünschter Herzphase(n) Strom außerhalb auf 20% reduziert Ermöglicht dynamische Darstellungen über gesamten Herzzyklus Dosisreduktion je nach Herzrate und Phasenanzahl bis zu 50% Realistisch: 10-30% Dosiseinsparung. 22

DoseRight Cardiac: Regelcharakteristik Testprozedur 70% 60% EKG-Phantom Protokoll: U = 120 kv Q prot = 800 mas BW = 64x0.625mm p = 0.2 h rec = 0.8 mm DoseRight: Cardiac Kernel: CB Dose savings 50% 40% 30% 20% 10% 0% 30 45 60 75 75 90 90 105 105 120 120 135 135 Heart rate (bpm) upper limit one upper phase limit one phase expected one phase expected 40%+75% expected expected 23

Aufnahmespannung < 120 kv Relatives (Kontrast-Rausch-Verhältnis) 2 bei gleicher Patientendosis 80 kv 100 kv 120 kv 140 kv 225 200 CNR 2 (rel.) 175 150 125 100 75 50 25 0 Gewinnzone Verlustzone Gewebe/Fett Knochen Jod Reduzierte Aufnahmespannungen nur bei Jod-KM vorteilhafter Speziell bei CT-Angiographien Nutzbar zur Bildqualitätsverbesserung, Dosis- oder KM-Reduzierung. 25

Neu: Spannungsautomatik Relatives (Kontrast-Rausch-Verhältnis) 2 bei gleicher Patientendosis 80 kv 100 kv 120 kv 140 kv 225 200 CNR 2 (rel.) 175 150 125 100 75 50 25 0 Gewinnzone Verlustzone Gewebe/Fett Knochen Jod Reduzierte Aufnahmespannungen nur bei Jod-KM vorteilhafter Speziell bei CT-Angiographien Nutzbar zur Bildqualitätsverbesserung, Dosis- oder KM-Reduzierung. Q: Somatom Sessions Juni 2011 26

Iterative Rekonstruktion Filtered Back Projection (FBP) FBP + Postprocessing 1st Generation Iterative Reconstruction Next Generation Iterative Reconstruction Standard-Verfahren schnell verrauscht artefakt-anfällig nur bilddaten-basiert relativ schnell rauschreduziert artefakt-anfällig roh- und bilddaten-basiert vereinfachte Modellierung erhöhter Rechenbedarf rauschreduziert artefakt-reduziert roh- und bilddaten-basiert detaillierte Modellierung sehr hoher Rechenbedarf rauscharm artefaktarm Alle Hersteller IRIS (Siemens) AIDR (Toshiba) SharpView andere Drittanbieter ASIR/ASIR-V (GE) idose 4 (Philips) SAFIRE/ADMIRE (Siemens) AIDR3D (Toshiba) Veo (GE) IMR (Philips) FIRST (Toshiba) 28

Iterative Rekonstruktion - roh- und bilddatenbasiert Rohdatenbereich Bilddatenbereich Detektorsignal Bildrauschen Artefaktreduktion Rauschreduktion 29

FBP idose L1 idose L4 idose L7 30

FBP 31

idose L1 32

idose L4 33

idose L7 34

FBP 35

IR-Evaluierungsstudie Neuss Vergleich 1st Generation IR mit herkömmlicher Rekonstruktion (FBP) bei CCTA A. Objektive Bildbewertung * Publikation: Kröpil et al., RöFo 2014 Rauschen mit steigender IR-Stufe abnehmend Kontraste (z.b. Aorta vs. Muskel) konstant bleibend Kontrast-Rausch-Verhältnis umso höher, je stärker die gewählte IR-Stufe. 36

IR-Evaluierungsstudie Neuss Vergleich 1st Generation IR mit herkömmlicher Rekonstruktion (FBP) bei CCTA B. Subjektive Bildbewertung * Publikation: Kröpil et al., RöFo 2014 Score von 1 (= excellent) bis 4 (= non-diagnostic) Verbesserung mit steigender IR-Stufe - bis mittlere idose-stufe (Level 4) Jenseits idose Level 4 jedoch zunehmend schlechter bewertet. 37

Limitationen 1st Generation IR Limitationen bei kleinen Details mit mittlerem und niedrigem Kontrast Unterscheidung zwischen Detail und Rauschen zunehmend schwierig insbesondere bei reduzierter Dosis äußert sich in abnehmendem Detailkontrast, wahrnehmbar als Unschärfe am unkritischsten bei Hochkontrast-Fragestellungen (z.b. Lunge) am deutlichsten bei Niedrigkontrast-Fragestellungen (z.b. CCT) Betrifft IR-Lösungen aller Hersteller. 38

CCTA mit weniger als 1 msv? Applikationsstudie Step & Shoot mit Einröhrengerät (Brilliance ict) 120kV XXL 140kV XXXL XL S 80kV 100kV M S 100kV L 100kV XL L M Maßnahmen: BMI-Adaption, Spannungsreduzierung, Verzicht auf Padding Erprobung im Routinebetrieb (HR bis max. 80 bpm) n = 43 Patienten (17 w., 26 m.) mit mittl. BMI von 25.9 knapp 50% unter BMI 26, damit weniger als 1 msv Effektivdosis * Durchschnittliche Effektivdosis: 1.0 msv * * mit k = 0.014 msv/mgyxcm für 12.5 cm Abbildungsbereich 40

Padding 60 bpm 65 bpm 75% R-R 75% R-R Prospektives Gating: Herzphase vorab festgelegt (i.d.r. 75% R-R) Artefakte bei zwischenzeitlicher Änderung der Herzfrequenz Lösung: zeitlich erweiterte Datenakquisition ( Padding, Phase Tolerance ) - minimal erforderlich: 240 - Reserve von ±5% R-R @ 50 bpm erfordert 130 ms zusätzlich - 360 @ 0.40s Rotationszeit, 410 @ 0.27s Rotationszeit Nutzbar zur Korrektur von Herzfrequenzschwankungen (±5 bpm) Verbesserte Stabilität, mit 1.5-1.7-fach erhöhter Dosis erkauft. 41

Resumée Wesentliche Maßnahmen zur Optimierung Technische Mindestanforderung: 64-Zeilen-Scanner Scanmodus: möglichst prospektiv gegated ( Step & Shoot ) Ansonsten zeitliche Dosismodulation verwenden Dosisadaption: Dosisautomatik Alternativ nach BMI (4-6 Gruppen) Spannung: 70-100 kv 120-140 kv nur, wenn Röhrenleistung nicht ausreicht Padding : nur, wenn tatsächlich zur Phasenkorrektur genutzt Dosiseinstellung (CTDI vol ) für Normalpatient (BMI 25) 5-10 mgy (prospektiv), 20-40 mgy (retrospektiv) Iterative Rekonstruktion: mittlere Stufe Damit weitere Dosisreduktion um 50% möglich. 42

Merci! 43