RçFo b Herausgeber G. Adam, Hamburg B. Hamm, Berlin W. Heindel, Münster H. Schild, Bonn C. D. Claussen, Tübingen (Bildessay, Brennpunkt) M. Forsting, Essen (Neuroradiologie) T. Helbich, Wien (Der interessante Fall) J. Lammer, Wien (Interventionelle Radiologie) G. Staatz, Erlangen (Pädiatrische Radiologie) M. Wucherer, Nürnberg (Technik und Medizinphysik) Unter Mitwirkung von H. P. Busch, Trier E. Grabbe, Gçttingen R. W. Günther, Aachen M. Gutberlet, Leipzig D. Hahn, Würzburg K. Hausegger, Klagenfurt M. Heller, Kiel C. J. Herold, Wien N. Hosten, Greifswald W. Hruby, Wien W. Jaschke, Innsbruck H.-U. Kauczor, Heidelberg G. Kauffmann, Heidelberg K.-J. Klose, Marburg K.-J. Lackner, Kçln M. Langer, Freiburg U. Mçdder, Düsseldorf E. Rummeny, München K. Schwaiger, München W. Semmler, Heidelberg W. Steinbrich, Basel T. J. Vogl, Frankfurt K.-J. Wolf, Berlin Redaktionskomitee T. Albrecht, Berlin J. Biederer, Kiel W. Buchberger, Innsbruck A. Bücker, Homburg/Saar G. Fürst, Düsseldorf R. Fischbach, Münster J. Grimm, New York P. Haage, Wuppertal C. R. Habermann, Hamburg A. Heuck, München M. Horger, Tübingen O. Jansen, Kiel C. Kuhl, Bonn S. Müller-Hülsbeck, Kiel V. Nicolas, Bochum C. Nolte-Ernsting, Hamburg G. Richter, Heidelberg S. G. Rühm, San Francisco O. Schäfer, Freiburg W. Schima, Wien T. Schmitz-Rode, Aachen W. Schreiber, Mainz H. Strunk, Bonn M. Taupitz, Berlin M. Uder, Erlangen M.-M. Uggowitzer, Graz D. Vorwerk, Ingolstadt C. Weber, Hamburg F. Wacker, Berlin H.-J. Wagner, Berlin U. Wedegärtner, Hamburg J. Wildberger, Maastricht Organ der Deutschen Rçntgengesellschaft Organ der Österreichischen Rçntgengesellschaft Verlag Georg Thieme Verlag KG Rüdigerstraße 14 70469 Stuttgart www.thieme.de/roefo www.thieme-connect.de
Technik und Medizinphysik 1047 Schutz der Augenlinse in der Computertomografie Dosisevaluation an einem antropomorphen Phantom mittels Thermolumineszenzdosimetrie und Monte-Carlo-Simulationen Protection of Eye Lens in Computed Tomography Dose Evaluation on an Anthropomorphic Phantom using Thermo-Luminescent bdosimeters and Monte-Carlo Simulations Autoren B. Keil 1, J. Wulff 2, R. Schmitt 2, D. Auvanis 1, 2, D. Danova 1, 2, J. T. Heverhagen 1, M. Fiebich 2, B. Madsack 1, R. Leppek 1, 3, K. J. Klose 1, K. Zink 2 Institute Key words l " eye l " CT l " radiosensitivity physics l " eingereicht 7.2.2008 akzeptiert 18.8.2008 Bibliografie DOI 10.1055/s-2008-1027814 Online-Publikation: 2008 Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 1053 Georg Thieme Verlag KG Stuttgart New York ISSN 1438-9029 Korrespondenzadresse Boris Keil Klinik für Strahlendiagnostik, Philipps-Universität Marburg Baldingerstr. 35033 Marburg Tel.: ++ 49/64 21/2 86 59 33 Fax: ++ 49/64 21/2 86 70 66 keilb@med.uni-marburg.de 1 Klinik für Strahlendiagnostik, Philipps-Universität Marburg 2 Institut für Medizinische Physik und Strahlenschutz, Fachhochschule Gießen-Friedberg 3 Zentrum für angewandte radiologische Forschung, TransMit Gießen Zusammenfassung Ziel: Die Augenlinse gilt als das strahlensensibelste Organ. In der vorliegenden Studie erfolgt ein Vergleich hinsichtlich Augenlinsendosisreduzierung während einer CT-Schädeluntersuchung zwischen zwei unterschiedlichen Protektormaterialien. Hierbei handelt es sich um einen Bismutprotektor sowie ein kürzlich neu entwickeltes Protektionsmaterial, bestehend aus einer Bi/Sb/ Gd/W-Legierung. Material und Methoden: Die Dosis wurde mittels Thermolumineszenzdosimetern (TLD) an einem antropomorphen Alderson-RANDO -Phantom ermittelt. Die Augendosis wurde unter Anwendung beider Augenprotektoren sowie keiner Linsenprotektion bestimmt. Zusätzlich wurden die ermittelten Dosisdaten bei gekippter Gantry unter Ausschluss der Augen aus dem Strahlenfeld in den Vergleich miteinbezogen. Die Dosisreduzierung wurde des Weiteren mit einer Monte-Carlo-Simulation verifiziert. Hierfür wurden als dreidimensionale Simulationsgeometrie die bei der TLD-Messung akquirierten CT-Datensätze verwendet. Für die Simulationen wurde das EGSnrc-Monte-Carlo-Paket verwendet und eigens für die Studie eine Applikation CTDOSPP zur Simulation einer CT-Untersuchung entwickelt. Die Evaluation der Artefaktgenerierung und einer eventuellen Beeinträchtigung der diagnostischen Abbildungsqualität erfolgte durch subjektive Beurteilung von 8 Radiologen. Ergebnisse: Die Untersuchungen zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen und simulierten Ergebnissen. Im direkten Vergleich zwischen den beiden Protektoren zeigt der Bi/Sb/Gd/W-Protektor eine deutlich bessere Schutzwirkung. Die Dosisreduktionen betragen für den Bismutprotektor rund 38% und für den Bi/ Sb/Gd/W-Protektor entsprechend rund 48%. Die Ergebnisse der subjektiven Evaluation der Artefakte ergaben, dass die diagnostische Abbildungsqua- Abstract Purpose: The lens of an eye is a particularly radiosensitive organ. This study investigates two different materials for eye shielding during CT scanning, i. e. a commercially available bismuth protector and a newly developed material for eye shielding, comprised of an alloy of Bi/Sb/Gd/ W. Materials and Methods: The radiation dose during head CT scanning was measured using thermoluminescence dosimeters and an anthropomorphic Alderson-RANDO phantom. A radiation dose reduction was compared to two shielding materials and to the condition without any eye shielding. The effect of gantry angulation that excludes the eyes from beam path was also investigated. Radiation dose measurements were validated using a Monte-Carlo simulation. For this simulation we used the EGSsnr code system, and a new application CTDOSPP was developed for simulation of the computed tomography examination. Eight radiologists evaluated the diagnostic quality of the images. Results: Dose measurements and Monte-Carlo simulations are in good agreement. If the eye shields are placed in the primary beam path, bismuth eye shielding and the new material reduce the dose by up to 38% and 48%, respectively. Angling the gantry causes an 88% reduction in radiation dose. All shielding materials generate beam hardening artifacts located close to the protector, but the artifacts do not spread into the brain. Conclusion: The application of eye shields during CT examination of a head causes a significant reduction in radiation dose. The new protector material shows a significantly higher dose reduction in contrast to the commercially available bismuth shield. The best protection from radiation dose can be attained using gantry angulation. Keil B et al. Schutz der Augenlinse Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 1053
1048 Technik und Medizinphysik Einleitung bdiagnostische Bildqualität allerdings gar nicht oder nur gering beeinflussen [3, 6, 9, 10]. Das Ziel unserer Studie ist ein Vergleich hinsichtlich Dosisreduzierung und Artefaktbildung eines neu entwickelten Protektormaterials, bestehend aus einer Bi/Sb/Gd/W-Legierung, mit den bereits seit einigen Jahren kommerziell zu erwerbenden Bismutprotektoren. In den Vergleich miteinbezogen wird auch die Linsendosisreduktion, die mittels geeigneter Gantrykippung erreicht wird, wo sich die Augen nicht mehr im direkten Strahlengang befinden. Zusätzlich werden die mittels Thermolumineszenzdosimetrie (TLD) erfassten Dosiswerte mit einer entwickelten Monte-Carlo-Simulation evaluiert. Es konnte bereits in ersten Ergebnissen gezeigt werden, dass sich unter Verwendung vereinfachter Geometrien, wie z. B. homogene Phantome, gute Übereinstimmungen zwischen Dosismessungen und -simulationen einstellten [11]. In der vorliegenden Studie erfolgte die Dosisevaluation am antropomorphen Phantom, wobei die bei der TLD-Messung akquirierten CT-Datensätze zusätzlich als dreidimensionale, voxelierte Simulationsgrundlage Verwendung fanden. lität nicht leidet. Zwar generieren die Protektoren im Weichteilfenster lokale Artefakte, jedoch bleibt die Darstellung des Hirnparenchyms davon unbeeinflusst. Eine Reduktion um 88% kann jedoch erreicht werden, wenn die Augen aus dem Strahlengang mittels entsprechender Gantry-Kippung ausgeschlossen werden. Schlussfolgerung: Durch die einfache Anwendung der Linsenprotektoren wird eine erhebliche Dosisreduzierung erreicht. Das Protektormaterial bestehend aus einer Bi/Sb/Gd/W-Legierung zeigt hierbei die beste Schutzwirkung. Jedoch sollten, wenn immer mçglich, die Augen aus dem Strahlengang ausgeschlossen werden, dadurch kann der beste Schutz der Linse erreicht werden. Seit der klinischen Einführung der Computertomografie in den 70er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts ist sie ein fester Bestandteil im radiologischen Alltag. Folge dieses Einsatzes ist die Zunahme der Anzahl der Untersuchungen pro Gerät und Jahr und die damit verbundene Strahlenexposition der Patienten. Obwohl die Computertomografie in Deutschland einen relativ geringen Anteil von 6,9% am Untersuchungsaufkommen in der Radiologie aufweist, beträgt ihr Anteil an der kollektiven effektiven Dosis für medizinische Strahlendiagnostik etwa 54% [1]. Ferner ist abzusehen, dass sich die Untersuchungsdichte in den nächsten Jahren weiter erhçhen wird. Um medizinisch verursachte Strahlenexpositionen zu verringern, müssen neue methodische Ansätze entwickelt werden, die besonders in strahlendosisintensiven bildgebenden Verfahren, wie die Computertomografie, angewandt werden kçnnen. Die Augenlinse gehçrt zu den strahlensensibelsten Organen des Menschen. Ionisierende Strahlung kann hier zu einer Trübung und bei hçheren Dosen sogar zu einem Strahlenkatarakt führen. Diese Trübungen überdecken die gesamte Linse und bestehen aus einer Ansammlung von geschädigten Zellen, die sich noch in der Teilungsphase befinden und samt Überresten sichtbare Trçpfchen bilden [2]. Während einer Computertomografie des Kopfes, bei der die Augen im Strahlungsfeld liegen, erhält die Linse eine mittlere Dosis von bis zu 50 mgy [3, 4]. In der ICRP 60 wird als Schwellenwert für eine messbare Trübung der Linse eine einmalige Exposition im Bereich von 0,5 2 Gy angegeben. Wird die Dosis fraktioniert über viele Jahre in der Linse appliziert, so wird eine Schwellendosisrate von 0,1 Gy pro Jahr für eine messbare Trübung angegeben [5]. Bei mehr als 4 Gy kann ein grauer Star verursacht werden. Letzteres wird aber selbst bei hochfrequenten CT-Untersuchungen in Patienten nicht erreicht. Besonders bei pädiatrischen Patienten stellt eine CT-Untersuchung des Schädels eine erhçhte Gefahr für die Kataraktbildung dar, hier ist die Schwellendosis um den Faktor zwei kleiner als bei Erwachsenen [2]. Es liegt deshalb nahe, die Augenlinse bei Schädel-CT-Untersuchungen vor Rçntgenstrahlen zu schützen. Einige Arbeitsgruppen konnten bereits mit Linsenprotektoren positive Ergebnisse hinsichtlich der Linsendosisreduzierung zeigen. Publizierte Studien zeigen, dass alle Arbeitsgruppen bisher mit dem gleichen Protektormaterial gearbeitet haben [3, 6 9]. Hierbei handelt es sich um kommerziell erhältliche Linsenprotektoren aus Bismut-imprägniertem Latex. Ein Nachteil bei allen direkt im Strahlengang angebrachten Schutzmaßnamen ist die Artefaktbildung in den Bildern. Frühere Studien zeigen, dass die generierten Artefakte bei vielen CT-Schädeluntersuchungen die Material und Methode Protektoren Für den Vergleich der Dosisreduzierung und Artefaktgenerierung wurde zum einen ein Linsenprotektor aus Bismut-imprägniertem Latex (A) (AttenuRad Radioprotective Garments, F&L Medical Products, Vandergrift, PA, USA) sowie ein weiteres, kürzlich neu entwickeltes Protektormaterial (B) (CT-Eye ProteX, Somatex Medical Technologies GmbH, Berlin) herangezogen. Dieser neue Protektor besteht aus einer Legierung mit den Hauptkomponenten Bismut ( 83 Bi), Antimon ( 51 Sb), Gadolinium ( 64 Gd) und Wolfram ( 74 W). Dieses neue Material hat eine Dicke von 0,375 mm und einen Bleichgleichwert von 0,125 mm. Der Bismutprotektor hingegen ist 0,86 mm dick und besitzt einen Bleigleichwert von 0,06 mm. Aufgrund von Hygienebestimmungen, werden beide Protektoren ausschließlich als Einwegprodukte vertrieben. Anthropomorphes Phantom Zur Erfassung der Dosisreduzierung der unterschiedlichen Protektoren kam der Kopf eines Alderson-RANDO-Phantoms [12] zum Einsatz (l " Abb. 1). Dieses anthropomorphe Phantom besteht aus einem menschlichen Skelett, das in einer Kunststoffmasse aus Isocyanat eingebettet ist. Diese Kunststoffmasse soll mit einer Dichte von 0,985 g/cm 3 und Ordnungszahl von 7,3 das Keil B et al. Schutz der Augenlinse Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 1053
Technik und Medizinphysik 1049 Abb. 1 Kopf des Alderson-RANDO -Phatoms, wie er im Messaufbau der CT-Messungen Verwendung fand. Jeweils 3 TLD wurden auf dem linken und rechten Augenzentrum pro Messung bestrahlt. a Ohne Linsenprotektoren. b Bismut-Protektor (A). c Bi/Sb/Gd/W-Protektor (B). b Weichteilgewebe bezüglich der Streu- und Absorptionsverhältnisse des Menschen gegenüber Rçntgenstrahlung nachbilden. Computertomograf (CT) Die Untersuchungen erfolgten an einem klinischen Vierkanal- CT (Somatom, Volume Zoom Plus 4, Siemens, Erlangen). Der CT ist mit einem adaptiven 8-Zeilen-Array Ultrafast Ceramic Scintillator Detektor in symmetrischer Anordnung ausgerüstet. Zur Erfassung der Messdaten stehen 1344 4 Messkanäle zur Verfügung, die bei einem Scan über 360 Rohdatensätze aus 1160 2320 Projektionen erzeugen. Alle Untersuchungen wurden mit einem klinischen Schädelprotokoll (120 kv, 300 mas, Schichtdicke: 5 mm, FOV: 208 208 mm 2, Matrix: 512 512, Scanzeit/Schicht: 1,5 s) durchgeführt. Thermolumineszenzdosimeter (TLD) Zur Dosisbestimmung wurden TLD des Typs LiF: Mg, Cu, P mit der Bezeichnung GR 200A (PTW, Freiburg) eingesetzt. Diese zylinderfçrmigen Chips besitzen einen Durchmesser von 4,5 mm und eine Dicke von 0,8 mm. Unmittelbar nach ihrer Bestrahlung wurden diese TLD in einem TLD-Reader (Harshaw Reader 3500, Thermo Electron Corporation, Solon, Ohio, USA) in 3 Phasen aufgeheizt, um die Dosisinformation zu erhalten. In der Vorheizphase wurden die TLD bei einer Preheat-Temperatur von 140 C und einer Zeit von 7 s erwärmt. In der anschließenden Acquire-Phase wurden diese auf eine maximale Temperatur von 245 C bei einer Zeit von 26,67 s und mit einer Temperaturrate von 10 C/s aufgeheizt. Für die Anneal- Phase wurden ein Temperaturwert von 240 C und eine Zeit von 10 min ausgewählt. TLD-Kalibierverfahren Für die Kalibrierung der TLD wurde ein Verfahren entwickelt, das es ermçglicht, die TLD im gleichen Strahlungsfeld zu bestrahlen wie es nach der Kalibrierung im echten Experiment zum Einsatz kommt. Die Bestrahlung fand im Strahlungsfeld des Computertomografen statt. Zur Messung der Referenzdosis stand ein PTW-Diagnostik-Dosimeter (Diados) mit einem Halbleiterdetektor zur Verfügung, der in der Dosisgrçße Luftkerma kalibriert worden war. Der erste Schritt des Kalibrierungsprozesses war es, den Halbleiterdetektor zu bestrahlen, welcher mithilfe eines Stativs auf die Patientenliege gestellt und mit der Laser- Einstellhilfe des CT im Zentralstrahl positioniert wurde. Die Kalibrierbestrahlung wurde mit feststehender Rçhre im A. P.- Modus und Rçhrenspannung von 120 kv sowie einem Rçhrenstromzeitprodukt von 300 mas vorgenommen. Nachdem mittels 15 Messungen der Luftkerma-Mittelwert bestimmt wurde, konnte der Halbleiterdetektor entfernt und an seiner Stelle eine 0,5 mm dünne Plexiglasplatte an dem Stativ befestigt werden. Der Zentralstrahl verlief durch eine markierte Linie, auf der 5 Kalibrier-TLD eng um das Isozentrum positioniert wurden. Da sich der Rçntgenstrahl auffächert, ist die Strahlenintensität im Zentrum am grçßten und fällt nach außen hin ab. Deshalb wurden jeweils 5 TLD pro Kalibiermessung verwendet. Damit konnte eine homogene Bestrahlung aller TLD im Kalibrierungsprozess gewährleistet werden. Für die gesamten TLD-Kalibiermessungen wurde das gleiche Scanverfahren mit feststehender Rçhre verwendet wie bei der Messung der Luftkerma mittels Diados-Dosimeter. Die Kalibrierung hat 2 Aufgaben zu erfüllen: Einerseits muss die Sensitivität der Dosimeter mit der Thermolumineszenzintensität pro Dosiseinheit jedes TLD eindeutig bestimmt werden und andererseits muss die Sensitivität des TLD-Readers auf die produzierte Lichteinheit kalibriert werden. Im unkalibrierten Zustand sind beide Sensitivitäten nicht bekannt. Zuerst wurden die TLD in 2 Gruppen aufgeteilt: Zum einen in die Kalibierdosimeter, welche zur Kalibrierung des Readers dienten, und zum anderen in sogenannte Felddosimeter, die im Experiment zu Dosismessungen verwendet wurden. Im ersten Schritt wurden 15 Kalibierdosimeter auf der dünnen Plexiglasplatte in jeweils 3 Fünferpaketen bestahlt. Durch unterschiedliche Dotierungen oder leicht abweichende Massen der TLDs besitzt jedes TLD eine individuelle Empfindlichkeit auf Strahlung. Dies wird mittels eines Element-Korrektions-Faktors berücksichtigt: ECC i= [Q]/Q i, hierbei ist [Q] die mittlere Empfindlichkeit und Q i die individuelle Empfindlichkeit des i-ten Kalibrier-TLD. Wenn einzelne Empfindlichkeiten Q i der TLD um 10% von der mittleren Empfindlichkeit [Q] abweichten, wurden sie verworfen. Dies war bei 2 Kalibrier-TLD der Fall. Zusammen mit der mittleren Empfindlichkeit [Q] der Kalibrier- TLD und der bekannten Menge an Strahlung wird dann der sogenannte Reader-Kalibrier-Faktor bestimmt: RCF = [Q]/L, wobei L die Strahlenmenge beschreibt. Im nächsten Schritt wurden insgesamt 40 Felddosimeter erneut in Fünferpaketen unter exakt den gleichen Bedingungen wie bei den Kalibierdosimeter bestahlt. Es wurden auch hier der individuelle ECC bestimmt: ECC i= [Q]/q i, wobei q i die individuelle Empfindlichkeit des i-ten Feld-TLD ist. Beträgt der Unterschied von q i mehr als 10% gegenüber der mittleren Sensitivität der Kalibierdosimeter [Q], so werden sie nicht zur Dosismessung zugelassen. Fünf TLD haben dieses Kriterium nicht erfüllt und wurden verworfen. Monte-Carlo-Simulation Für die Monte-Carlo-Simulationen wurde das EGSnrc-Programmpaket für den gekoppelten Transport von Photonen und Elektronen verwendet [13 15]. Zur Simulation der eigentlichen computertomografischen Untersuchung wurde die Applikation CTDOSPP genutzt [11], die um die Funktionalität zur Berechnung der KERMA in voxelierten bzw. CT-basierten Keil B et al. Schutz der Augenlinse Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 1053
1050 Technik und Medizinphysik Geometrien sowie der Berücksichtigung von Formfiltern und Varianzreduktionsverfahren erweitert wurde. Drei Schichten einer CT-Aufnahme der Kopfpartie des Aldersonb RANDO -Phantoms wurde als Simulationsgeometrie mit einer Voxelgrçße von 0,54 0,54 5 mm 3 genutzt. Aus den Hounsfield-Units wurden die entsprechenden Materialiengruppen (Weichteilersatzstoff, Knochen, Luft) und Dichten mithilfe einer linearen Zuordnung umgerechnet [16]. Zur Implementierung des Protektors wurden in den jeweiligen Schichten einige Voxel mit den Protektor-Materialien in ihrer Zusammensetzung überschrieben. Um bei der Voxelauflçsung von 0,5 mm in x/y-richtung die realen Protektoren mit 0,86 mm (A) bzw. 0,375 mm (B) hinsichtlich ihrer Schwächungswirkung korrekt berücksichtigen zu kçnnen, wurde ihre Massendichte derart angepasst, dass das Produkt aus Dichte und Dicke des Protektors unverändert blieb. Als Strahlungsquelle wurde ein divergentes Strahlenbündel mit dem Spektrum des eingesetzten Computertomografen genutzt. Die Schichtdicke, der Vorschub und der Fokus-Iso-Zentrum-Abstand wurden entsprechend der Messung eingestellt (Schichtdicke 10 mm, 57 cm FISOA, Step&Shoot). Als Vergleich zu den Messungen wurde die relative Dosisreduktion durch Verwendung des Protektors im Alderson-RANDO -Phantom aus einer Simulation mit und ohne Protektor ermittelt. Versuchsdurchführung Die Protektoren wurden direkt über die Augen des Alderson- RANDO -Phantoms gelegt (l " Abb. 1). Pro Untersuchung wurden jeweils 3 TLD auf dem linken und rechten Augenzentrum platziert. Die Durchführung der Studie erfolgte mit jeweils 13 Phantomuntersuchungen ohne Protektor, mit dem Bismutprotektor A sowie dem Bi/Sb/Gd/W-Protektor B. Die Untersuchungen erfolgten einmal im direkten Strahlengang der Augen sowie ein weiteres Mal durch bewusstes Ausschließen der Augen, indem die Bildakquirierung erst an der Supraorbitalline begann. Die mçgliche Beeinträchtigung der diagnostischen Abbildungsqualität, hervorgerufen durch die generierten Aufhärtungsartefakte, wurde von 8 voneinander unabhängigen Radiologen bewertet. Die Beurteilung erfolgte anhand eines fünfgliedrigen Scores (i. keine, ii. minimale, iii. mäßige, iv. starke, v. sehr starke Artefakte) jeweils anhand eines Knochen- und Weiteilfensters an einer JVison Wokstation (Tiani Medgraph, Wien). Statistische Auswertung Die Angaben aller Dosismessergebnisse erfolgt durch Mittelwert und Standardabweichung. Die beobachteten Mittelwerte wurden mit einer einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA), gefolgt von einem Tukey-Post-Hoc-Test, statistisch auf Signifikanz untersucht. Die Vertrauensgrenze (zweiseitiges Intervall) wurde nach üblichen Standards auf 95 % festgesetzt, was zu einem Typ-I-Fehler von 5 % (p = 0,05) führt. Die Zusammenfassung des ordinal-skalierten Artefakt-Scores erfolgt mit dem medianen Mittel. Alle statistischen Berechnungen und Grafen wurden mittels SPSS 12 (SPSS Inc. Chicago, USA) angefertigt. Abb. 2 Die Balkendiagramme zeigen die über beide Augen gemittelte Dosis Standardabweichung der TLD über 13 Messungen. Mittels einer einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA) und einem Tukey-Post-Hoc-Test wurden sämtliche Dosisdifferenzen zwischen den Subjekten auf statistische Signifikanz untersucht. Untersuchung ohne jeglichen Linsenschutz erreicht werden. Der entsprechende Wert für den Bi/Sb/Gd/W-Protektor B beträgt 48%. Gegenüber dem Bismut-Protektor A besitzt Protektor B also eine um ca. 25% bessere Schutzwirkung. Des Weiteren führt der Ausschluss der Augen aus dem Strahlenfeld, durch Kippung der Gantry, zu einer Dosisreduktion von 88%. Hierbei zeigt sich ein minimaler Unterschied von 2%, wenn die Protektoren zusätzlich zur Gantry-Kippung verwendet werden. Dieser Dosisunterschied besitzt jedoch keine Signifikanz. l " Abb. 3 zeigt die Ergebnisse der Monte-Carlo-Simulationen. Die berechnete, relative Dosisreduktion durch Verwendung des Protektors ist als Funktion des Ortes dargestellt. In oberflächennahen Bereichen, direkt hinter dem Protektor, wo die Augenlinse lokalisiert ist, ist die Reduktion erwartungsgemäß am grçßten. Im quantitativen Vergleich mit den messtechnisch ermittelten Werten zeigt sich in den Simulationen eine gute Übereinstimmung. Für beide Protektoren liegen die berechneten Reduktionsfaktoren allerdings etwas unterhalb der gemessenen. Wie auch in den Messungen kann eine erhçhte Dosisreduktion durch den Bi/Sb/Gd/W-Protektor B festgestellt werden (l " Abb. 4). Die Ergebnisse der Radiologenbefragung zur Artefaktgenerierung ergaben, dass generell alle Protektoren in beiden Fensterungen die Bildqualität nicht oder kaum beeinträchtigen. Eine Zusammenfassung dieser Ergebnisse ist in l " Abb. 5 gegeben. Der Median der Bewertung der Radiologen liegt im Knochenfenster bei keine Artefakte und im Weichteilfenster bei minimale Artefakte. Ergebnisse l " Abb. 2 zeigt die Dosiswerte in mgy sowie die normierte Dosis in Prozent der Untersuchungen, die unter Verwendung des Alderson-RANDO -Phantoms gemessen wurde. Mittels Bismutprotektor A kann eine Dosisreduktion von 38% im Vergleich zur Diskussion Die vorliegende Studie zeigt, dass durch die Verwendung von Linsenprotektoren während einer CT-Schädeluntersuchung, bei der sich die Augen direkt im Strahlengang befinden, die Augenlinsendosis erheblich reduziert werden kann. Der direkte Vergleich zwischen den beiden Protektormaterialien zeigt, Keil B et al. Schutz der Augenlinse Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 1053
Technik und Medizinphysik 1051 Abb. 3 Berechnete Dosisreduktion aus Monte- Carlo-Simulationen. Im linken Bild ist eine Schicht mit dem eingefügten Protektor dargestellt, wie sie als voxelierte Simulationsgeometrie genutzt wurde. Im rechten Bild ist die berechnete Dosisreduktion als Funktion des Ortes farbkodiert für diese Schicht wiedergegeben. b Abb. 4 Dosisreduktion als Funktion der Tiefe innerhalb des Alderson- RANDO -Phantoms entlang der gepunkteten Linie in Abb. 3. Die Fehlerbalken geben die kombinierte statistische Unsicherheit der Monte-Carlo- Simulationen aus dem Quotienten der berechneten Dosis mit und ohne Protektor an und liegen im Bereich 1,5 2,5%. Abb. 5 Artefakt-Score für das Knochen- und Weichteilfenster im Alderson-RANDO -Phantom der beiden getesteten Protektoren. dass der Protektor B, bestehen aus der Bi/Sb/Gd/W-Legierung, eine um etwa 25% bessere Schutzwirkung hinsichtlich Linsendosisreduzierung verursacht als der Bismutprotektor A. Jedoch hat eine geeignete Gantry-Kippung noch immer die optimale Schutzwirkung. Wenn sich die Augen mittels Gantry-Kippung nicht mehr im Strahlengang befinden, werden die Linsen lediglich durch Streustrahlung exponiert. Diese Streustrahlung beinhaltet einerseits Anteile, die im Patienten selbst generiert werden, sowie andererseits die Rückstreuung des Detektors während der Posterior-Anterior-Strahlungsphase. Die gemessene Dosisreduzierung von etwa 88% korreliert sehr gut mit der Studie von Yeoman et al., die durch Kippung der Gantry entlang ab Supra-Orbital-Line nach kranial gemessen haben und eine Dosisreduzierung von 87% ermittelten [17]. Des Weiteren haben Rozeik et al. weitere signifikante Dosisreduzierungen beobachtet, wenn zusätzlich zur Gantry-Kippung auch die Bismutprotektoren verwendet werden [18]. In unserer vorliegenden Studie konnte in diesem Fall kein statistisch signifikanter Dosisunterschied ermittelt werden, dies gilt für beide untersuchten Protektormaterialien. Diese Beobachtung stützt das Ergebnis der Bismutprotektorstudie von Heaney et al. [6]. Die bei der Verwendung von Linsenprotektoren entstehenden Aufhärtungsartefakte zeigen sich lediglich im Weichteilfenster direkt unter dem Protektormaterial. Der Bi/Sb/Gd/W-Protektor B hat hierbei eine leicht hçhere Artfaktgenerierung im lokalen Augenbereich. Dennoch lassen sich bei beiden Protektoren unter qualitativer Beurteilung keine Artefakte im Hirnparenchym erkennen. Somit erleidet die diagnostische Abbildungsqualität hinsichtlich der sensiblen Weichteilhirndiagnostik keine Verschlechterung. Dies deckt sich gut mit den Ergebnissen von anderen Studien, welche bereits Bismutprotektoren untersucht haben [6, 9, 10]. Bei okularer CT-Diagnostik sollte aber auf die Protektoren verzichtet werden, da dieser Bereich direkt durch die lokalen Aufhärtungsartefakte beeinflusst wird (l " Abb. 6). Dabei sollte auch hier stets auf Dosisoptimierung geachtet werden [19]. Durch eine Positionierung der Protektoren in einem grçßeren Abstand von der Augenlinse kçnnte hier evtl. eine Verbesserung erreicht werden. Die vorliegende Studie zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen der messtechnischen und simulationsbasierten Bestimmung der Dosisreduktion bei Verwendung der Protektoren. Mithilfe derartiger Simulationen kçnnen Messungen mit geringem materiellen Aufwand am Computer nachgebildet werden, womit weitere Optimierung im Bereich des Strahlenschutzes Keil B et al. Schutz der Augenlinse Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 1053
1052 Technik und Medizinphysik Abb. 6 Jeweils eine transversale Schicht des Schädels des Alderson-RANDO -Phantoms unter Verwendung von Linsenprotektoren im Vergleich zur protektorlosen Schicht. Die Rekonstruktion erfolgte mittels eines sehr scharfen Knochenkernels sowie mit einem sehr weichen Weichteilkernel. b mçglich sind. Die verbleibenden Unterschiede in den Ergebnissen lassen sich auf unzureichende Modellierung des eigentlichen Messprozesses zurückführen. So ist die Dosisreduktion beispielsweise in einem TLD außerhalb des Alderson-RAN- DO -Phantoms gemessen worden, während in der Simulation (l " Abb. 3a) die Dosis innerhalb des Phantommaterials ermittelt wurde. Weiterhin ist der Abstand des Protektors von Bedeutung. So lässt sich in l " Abb. 3a eine hçhere Dosisreduktion unmittelbar hinter dem Protektor feststellen. Die Untersuchung dieser und weiterer Einflüsse wird Ziel zukünftiger Untersuchungen sein. Weiterhin konnte mittels der Simulationen der Anteil der Streustrahlung durch die Veränderung des Photonenstrahlungsfelds nachgewiesen werden, die grundsätzlich bei der Zusammensetzung des Bi/Sb/Gd/W-Protektors B grçßer ausfällt [11]. Die Ursache für den hçheren Anteil der Streustrahlungsbeiträge lässt sich durch die niedrigere Ordnungszahl der verwendeten Materialien erklären. Durch die entsprechend hçhere Fluoreszenzausbeute kommt es hierbei zu einer grçßeren Streuung. Eine ähnliche Problematik wurde in der Vergangenheit bei den Absorptionseigenschaften von Rçntgenschutzkleidung diskutiert [20]. In den letzten 5 Jahren wurden die neuen Computertomografserien mit einer anatomischen Rçhrenstrommodulation ausgestattet [21, 22]. Mit dieser Technik werden die Schwächungswerte für jede Winkelposition eines Rçhrenumlaufs gemessen und auf dieser Basis der Rçhrenstrom (ma) mit einem Winkelversatz von 180, der Anatomie des Patienten angepasst, moduliert. Ziel ist hier, Bilder von unterschiedlichen Kçrperquerschnitten mit einer angepassten Dosiskurve zu akquirieren [23]. Mittels dieser Technik kçnnen CT-Bilder erstellt werden, die mit einer optimalen und individuellen Patientendosis akquiriert wurden. Diese Technik bietet auch das Potenzial zur Augenlinsendosisreduktion, indem der Rçhrenstrom genau dann reduziert wird, wenn sich die rotierende Rçntgenrçhre direkt über den Augen befindet. Der Vorteil dieser Idee ist, dass keine Protektionsmaterialen bençtigt würden und deshalb keine Aufhärtungsartfakte entstehen kçnnten. Selbst die okulare CT-Bildgebung, die durch solche Aufhärtungsartefakte im direkten Augenbereich ein Ausschlusskriterium der Protektoranwendung begründet, kçnnte mit diesem Ansatz auch von der Linsendosisreduzierung profitieren. Geleijns et al. weisen in ihrer Arbeit auf diesen Sachverhalt der partiellen Rçhrenstromanpassung hin und raten vom klinischen Einsatz der Protektoren ab [8]. Geleijns begründet seine ablehnende Haltung lediglich durch theoretische Überlegungen sowie des Risikokontexts der entstehenden Linsendosis während der CT-Untersuchung. Hinsichtlich dieses Sachverhalts würden neue Mess- und Simulationsexperimente unter Verwendung der neuen Modulationstechnik Aufschluss bringen. Da das Bildpunktrauschen umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des mas-produkts ist, wird durch Anwendung dieses Verfahren eine Rauschverstärkung mit konsekutiver Verschlechterung der Bildqualität zu sehen sein [24]. Vollmar et al. [25] untersuchten mittels Phantommessungen diese Fragestellung anhand von CT- Untersuchungen der weiblichen Brust zu beantworten. Der Brustschutz unter Verwendung von Bismutprotektoren ergab eine Dosiseinsparung von 50%. Mittels partieller Rçhrenstromanpassung konnte eine Dosisreduktion von rund 60% erreicht werden. Jedoch verschlechterte sich das Signal-zu-Rauschen so stark, dass dies nur mittels einer zusätzlichen Strahlenintensitätssteigerung in P/A-Richtung ausgeglichen werden konnte. Im Zusammenhang der Rçhrenstrommodulationsthematik fçrderte die aktuelle Umfrage von Galanski et al. [26, 27] zur CT-Expositionspraxis ein bedeutsames Ergebnis zutage: Die automatische Dosisreduktion, die etwa bei jedem zweiten, in der Studie berücksichtigten Gerät zur Verfügung stand, wurde nur teilweise benutzt und führte im Vergleich zur manuellen Anpassung der Expositionsparameter im Mittel zu geringfügig bis signifikant erhçhten Dosiswerten [26, 27]. Dies unterstreicht in der gängigen CT-Anwendungspraxis die Bedeutung und das Potenzial von Linsenprotektoren zur Optimierung des Strahlenschutzes des Patienten. Schlussfolgerung Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse unserer Studie, dass eine Strahlendosis von 50 mgy bei ungeschützten Augen auf 32 mgy (Bismutprotektor) bzw. 26 mgy (Bi/Sb/Gd/W-Protektor) reduziert werden kann, wenn sich jeweils die protektierten Augen während der Aufnahme im Strahlengang befinden. Hinsichtlich der jährlich zunehmenden CT-Untersuchungen ist es eine einfach zu handhabende Mçglichkeit, um die Organdosis eines Keil B et al. Schutz der Augenlinse Fortschr Rçntgenstr 2008; 180: 1047 1053
Technik und Medizinphysik 1053 strahlensensiblen Organs zu halbieren. Neue Untersuchungen zeigen, dass einzelne Organdosen bei Schädelaufnahmen mittels Spiral-CT-Techniken sehr hohe Werte erreichen kçnnen, wobei die Augendosis bis zu 80 mgy bei einmaliger Untersuchung betragen kann [28]. Dieser Dosiswert liegt sehr nahe an der von der ICRU90 angegebenen Augenschwellendosisrate von 100 mgy, die bei fraktionierter Bestrahlung zur Augentrübung führt [5]. Besonders bbei solch dosisintensiven Untersuchungen kann die Anwendung der Schutzprotektoren eine einfache Hilfe sein, das ALARA-Prinzip (as low as reasonable achievable) in der täglichen Routine effizient umzusetzen. Des Weiteren haben sich zwei etablierte CT-Hersteller nun dazu entschieden, bei neuen CT-Generationen keine Gantry-Kippungen mehr zu zulassen. Somit kçnnen seitens dieser Geräte keine apparativen Dosiseinsparungen der Augen im Schädelmessprotokoll vorgenommen werden. Inwiefern andere Hersteller diesem Schritt folgen, gilt abzuwarten. Die gute Übereinstimmung der Monte-Carlo-Simulationen mit äquivalenten Messungen ermutigen zu weiteren dosimetrischen Untersuchungen dieser Art in der Rçntgendiagnostik. Danksagung Die Autoren danken der Firma Somatex Medical Technologies GmbH (Berlin), die im Rahmen dieser Studie zwei Exemplare dieser neuen Linsenprotektoren zu Testzwecken bereitgestellt hat. Literatur 1 Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung im Jahr 2006. Parlamentsbericht 2006http://www.bfs.de/de/bfs/druck/uus/parlamentsbericht06.pdf 2 Meriam Jr GR, Focht EF. A clinical study of radiation cataracts and the relationship to dose. Am J Roentgenol Radium Ther Nucl Med 1957; 77: 759 785 3 Hopper KD, Neuman JD, King SH et al. Radioprotection to the eye during CT scanning. AJNR Am J Neuroradiol 2001; 22: 1194 1198 4 Maclennan AC, Hadley DM. Radiation dose to the lens from computed tomography scanning in a neuroradiology department. 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