Grundlagen der Röntgen-Computer-Tomographie und biomedizinische + materialwiss. Anwendungen...

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Grundlagen der Grundlagen der Röntgen-Computer-Tomographie Röntgen-Computer-Tomographie und biomedizinische + und biomedizinische + materialwiss. Anwendungen materialwiss. Anwendungen Wolfgang Dreher Universität Bremen Fachbereich 2 (Biologie/Chemie) WS 2011/2012

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Grundlagen derGrundlagen derRöntgen-Computer-TomographieRöntgen-Computer-Tomographie

und biomedizinische + materialwiss. und biomedizinische + materialwiss.

AnwendungenAnwendungen

Wolfgang Dreher

Universität BremenFachbereich 2 (Biologie/Chemie)

WS 2011/2012

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■■■ Literatur

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Grundlagen und Anwendungen Grundlagen und Anwendungen der Röntgen-Computer-Tomographieder Röntgen-Computer-Tomographie

Literatur:

H. Morneburg (Hrsg.): Bildgebende Verfahren für die medizinische Diagnostik, Publicis, 1995.

A. Oppelt (Ed.): Imaging Systems for Medical Diagnostics, Publicis, 2005.

W.A. Kalender: Computertomographie, Publicis, 2006.(daraus wurden auch viele der Abbildungen entnommen, „Ka2000“)

W.A. Kalender, Phys. Med. Biol. 51, R29-R43(2006). (Überblick zu X-CT).

E.L. Ritman, Annu. Rev. Biomed. Eng. 13, 531–552 (2011). (Überblick zu Mikro-CT + biomed. Anwendung)

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■■■ Gliederung

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Grundlagen und Anwendungen Grundlagen und Anwendungen der Röntgen-Computer-Tomographie (X-CT, CT)der Röntgen-Computer-Tomographie (X-CT, CT)

1. Vorarbeiten zur CT

2. Erfindung der CT

3. Grundprinzip der CT–Aufbau und Funktionsweise

–Rekonstruktion von CT-Bildern

4. Entwicklungsetappen der CT

5. Anwendungen der CTbiomedizinische

materialwissenschaftliche

6. aktuelle Entwicklungen

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■■■ Vorarbeiten zur CT

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Röntgen-Strahlen (X-Strahlen)Röntgen-Strahlen (X-Strahlen)

Wilhem Conrad Röntgen

(1845-1923)

1. Nobelpreis für Physik

1901

"… beim Lesen von Professor Röntgens … Mitteilung über eine neue Art der Strahlen, konnte ich mich des Gedankens nicht erwehren, ein Märchen vernommen zu haben, wenn auch der Name des Autors … mich von diesem Wahne schnell befreite …"

Der Physiker Otto Lummer am 15. Februar 1896

Bild der rechten Hand von Frau Röntgen

( 22.12.1895)

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■■■ Vorarbeiten zur CT

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Prinzip einer RöntgenaufnahmePrinzip einer Röntgenaufnahme

Röntgenröhre

Schwächung der Röntgenstrahlen im

Messobjekt

Strahlendetektor

Blendensystem

Messobjekt

Strahlenintensität I0

reduzierte Strahlenintensität I(x,y)

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■■■ Vorarbeiten zur CT

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Erzeugung von RöntgenstrahlenErzeugung von Röntgenstrahlen

UR=50-150 kV

Glühkathode Anode

kontin. Brems-

Strahlung

charakt.

Strahlung

E / keV

UR = 80 kV

100 kV

120 kV

140 kV

Pho

ton

enza

hl /

bel

. E

inh

Röntgen-Spektrum (Wolfram-Anode)

Grenzenergie:

Emax = e . UR = h . max

für UR = 100 kV:

max = 2.42 . 1019 Hz

min = 0.0124 nm

„Aufhärtung“

Vakuum-

röhre

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■■■ Vorarbeiten zur CT

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Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit MaterieWechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Absorption von Röntgenstrahlen

durch 10 cm Wasserschicht

aus: Wachsmann/Drexler: Kurven und Tabellen für die

Radiologie. 2. Aufl., Berlin: Springer-Verlag,1976.

vollständige

Energieübertragung

auf Elektronen

inkohärenteStreuung an Elektronen

Bildung eines

Elektron-Positron-

Paares

(E > 2 * 511 keV)

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Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit MaterieWechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

für = (x,y,z) :

(Linienintegral)

)exp(NNd

0

ds)z,y,x(0

(Lambert-Beer‘sches Gesetz)

)exp(0 dNN NN00

NNdd =const.

Differentielle Abschwächung in einer dünnen Schicht:

dN = - . N(x) . dx N(x) ... Zahl der auftreffenden Quanten

dx ... Schichtdicke

= Photo + Comp + ...

„totaler Schwächungskoeffizient“

Materialabhängigkeit von (E,Z,), Z ... (eff.) Ordnungszahl

... Dichte des Materials

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■■■ Vorarbeiten zur CT

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Materialabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten:

(E,Z,) = Photo(E,Z,) + Comp(E,Z,)

E ... Energie der Röntgenstrahlen, Z ... (effektive) Ordnungszahl

... Dichte des Materials

= f(E,Z) ... Massenschwächungskoeffizient

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit MaterieWechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Massenschwächungskoeffizienten als Fkt(E) (bezogen auf Wasser)

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analoge Detektion („Röntgenfilm“)

Detektion von RöntgenstrahlenDetektion von Röntgenstrahlen

in CT z.Z. zwei Detektortypen eingesetzt:–Ionisationskammern (Hochdruck-Xenon-)–Szintillationsdetektoren (Cäsium-Jodid, Cadmium-

Wolframat, keramische Stoffe)

in der CT: Erfassung digitaler Signale notwendig Detektorsystem:

–Detektorelement (Röntgenstrahlen => elektr. Signale)–Verstärker–Analog/Digital-Wandler

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■■■ Erfindung der CT

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Röntgenbild Röntgen-Tomogramm ? Röntgenbild Röntgen-Tomogramm ?

lateral a.p.

Röntgenaufnahmen des Kopfes:

Kontrast dominiert durch Knochen

Johann Radon, 1917:

mathematischer Beweis:

Die 2-dim. Verteilung einer Objekteigenschaft kann exakt beschrieben werden, wenn eine unendliche Anzahl von Linienintegralen vorliegt.

(x,y) (x,y) unendlich viele Linienintegrale unendlich viele Linienintegrale(x(xii,y,yjj) ) endlich viele Projektionen ? endlich viele Projektionen ?

(x,y)(x,y)

(x(x33,y,y22))

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■■■ Erfindung der CT

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Erfindung der CT: direkte VorarbeitenErfindung der CT: direkte Vorarbeiten

Allen M. Cormack (1924-1998)

seit 1957: Optimierung der Strahlentherapie in Kapstadt 1963: Verfahren zur Berechnung der lokalen Verteilung

der Absorption von Röntgenstrahlen im menschlichen Körper (J.Appl.Phys. 34, 2722-

27(1963).) postuliert: Auch kleinste Absorptionsunterschiede sollten

detektierbar sein (Weichteilkontrast) noch keine praktische Umsetzung in Richtung einer „Tomographie“ Nobelpreis für Medizin 1979

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■■■ Erfindung der CT

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Erfindung der CTErfindung der CT

Godfrey M. Hounsfield

(1919-2004)

Arbeit in EMI Labs seit 1967 Arbeit zur „CT“

Kopf-CT, 1974Kopf-CT, 1974 1972/73 erste Ergebnisse und Publikation zur „Computerised Tomography“

– Hounsfield GN: Computerised transverse axial scanning (tomography).

I. Description of system. Br J Radiol 46: 1016-1022, 1973.– Ambrose J: Computerised transverse axial scanning (tomography).

II. Clinical application. Br J Radiol 46: 1023-1047, 1973.

Nobelpreis für Medizin 1979

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■■■ Erfindung der CT

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Aufbau und Funktionsweise eines CTAufbau und Funktionsweise eines CT

Erster klinischer EMI Scanner (Prototyp) im Atkinson Morley’s Hospital, London. Funktion nach Translations-Rotations-Verfahren.

(aus: G.M. Hounsfield, Nobelvortrag, 1979)

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■■■ Grundprinzip der CT

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Aufbau und Funktionsweise eines CTAufbau und Funktionsweise eines CT

Translations-Rotations-Verfahren („CT der 1. Generation“)

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■■■ Grundprinzip der CT

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Bildrekonstruktion: Algebraische LösungBildrekonstruktion: Algebraische Lösung

11 22

33 44

SS11==11++22

SS22==33++44

SS44==11++33 SS33==22++44

• Reko = Lösung eines Reko = Lösung eines Gleichungssystems Gleichungssystems

• besser (Rauschen !):besser (Rauschen !):

überbestimmtesüberbestimmtes Gleichungssystem Gleichungssystem (iterative Lösung)(iterative Lösung)

SS11

SS22

SS33

11 22 33

44 55 66

77 88 99

SS44

SS55

SS66SS77SS88SS99

SS1212

SS1111

SS1010

• für große Bildmatrizen:für große Bildmatrizen:

unpraktikabler Zugangunpraktikabler Zugang ! !

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■■■ Grundprinzip der CT

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Bildrekonstruktion: einfache RückprojektionBildrekonstruktion: einfache Rückprojektion

xx

yyss

rr

Detektor:Detektor: I(r,I(r,))

Röntgenquelle:Röntgenquelle:II00

(x,y)(x,y)

ds)),r(I

Iln(),r(P 0

)sin(y)cos(xr „„einfache Rückprojektion“:einfache Rückprojektion“:

für N Projektionen für N Projektionen

N

1kkkkk ))sin(y)cos(xr(P)y,x(

),r(P kk

Wieviele Projektionen N sind fürWieviele Projektionen N sind fürBild der Matrixgröße (M,M) notwendig ?Bild der Matrixgröße (M,M) notwendig ?

M2

N

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■■■ Grundprinzip der CT

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Bildrekonstruktion: einfache RückprojektionBildrekonstruktion: einfache Rückprojektion

Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, =1°)

einfache

Rückprojektionsimuliertes Phantom

100100 5050 7575

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■■■ Grundprinzip der CT

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Bildrekonstruktion: 2D-FFT nach InterpolationBildrekonstruktion: 2D-FFT nach Interpolation

betrachten FT p(k,) einer Projektion:

dr)ikrexp(),r(P),k(p

dsdr)ikrexp(),k(p

ds)),r(I

Iln(),r(P 0

d.h.

dxdy))ykxk(iexp()y,x()k,k(p yxyx

yxyxyx2dkdk))ykxk(iexp()k,k(p

4

1)y,x(

Option 1: Bildrekonstruktion durch 2D FFT nach Interpolation von Polar- auf kartesische Koordinaten !

in kartesischen

Koordinaten:

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■■■ Grundprinzip der CT

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Bildrekonstruktion: gefilterte RückprojektionBildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion

dkdkikrkpr )exp(),(4

1),(

2

Option 2: Bild-Rekonstruktion

durch „gefilterte Rückprojektion“

In Polarkoordinaten:

„gefilterte Projektion“

dkikrkpfkrP f )exp(),()(4

1),(

2*

drPr ),(),( *

dkikrkpkrP )exp(),(4

1),(

2*

N

kkk rPyx

1

* )(),(

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■■■ Grundprinzip der CT

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Bildrekonstruktion: gefilterte RückprojektionBildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion

dk)ikrexp(),k(p)fk(4

1),r(P f2

*

Filterung: weich Standard hart

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■■■ Grundprinzip der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Bildrekonstruktion: gefilterte RückprojektionBildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion

Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, =1°)

einfache

Rückprojektion

gefilterte

Rückprojektionsimuliertes Phantom

100100 5050 7575

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■■■ Grundprinzip der CT

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Dargestellte Bildintensität: die „CT-Zahlen“Dargestellte Bildintensität: die „CT-Zahlen“

Schwächungskoeffizient G nicht

direkt dargestellt, sondern:

HU1000)(

ZAHLCTWasser

WasserG

HU ... „Hounsfield Unit“

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■■■ Entwicklungsetappen der CT

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Entwicklungsetappen der CTEntwicklungsetappen der CT

70iger Jahre:

– vom Kopf- zum Ganzkörper-Tomographen

– 4 Gerätegenerationen

80iger Jahre:

– allg. Qualitätsverbesserungen

– schnelle Einzelschichtmessungen mit verbesserter Ortsauflösung

seit 90iger Jahre:

– erhöhte räumliche und zeitliche Auflösung

– schnelle Volumenmessungen (Spiral-CT, Mehrzeilensystem, ...)

– Mikro- / Nano-CT (prä-/nicht-klinische Anwendung)

– Kombination mit anderen bildgebenden Verfahren (CT+PET)

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■■■ Entwicklungsetappen der CT

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70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen

verwendet für Vorexperimente in EMI-Labs

Parallelstrahlverfahren => einfache Bildrekonstruktion

1.1. 2.2.

verwendet für erste Publikationen deutlich gesenkte Messzeit modifizierte Bildrekonstruktion

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■■■ Entwicklungsetappen der CT

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70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen

3.3.(1976)(1976)

3. + 4. Generation: Fächerstrahl-Verfahren keine Translation, nur Rotation

4.4.(1978)(1978)

Röntgenquelle rotiert Röntgendetektor rotiert

Röntgenquelle rotiert Röntgendetektor fixiert

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■■■ Entwicklungsetappen der CT

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Aufbau einer Röntgen-CT-EinheitAufbau einer Röntgen-CT-Einheit

Bedienpult + Rechner Patientenliege

„Gantry“

(Messeinheit)Bedienraum Untersuchungs-

raum

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■■■ Entwicklungsetappen der CT

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80iger Jahre: Schnelle Einzelschichtmessungen80iger Jahre: Schnelle Einzelschichtmessungen

Typische Parameter für CT-Tomographen (nach W. Kalender, Computertomographie, Publicis, 2006)

1972 1980 1990 2005

min. Messzeit 300 s 5-10 s 1-2 s 0.33-0.5 s

Daten pro 360° 60 kB 1 MB 1-2 MB 10-100 MB

Daten pro Spiralscan

- - 24-48 MB 0.2-4 GB

Bildmatrix 80*80 256*256 512*512 5122, 1K2

Leistung 2 kW 10 kW 40 kW 60-100 kW

Schichtdicke 13 mm 2-10 mm 1-10 mm 0.4-1.0 mm

Ortsauflösung 3.3 mm 1 mm 0.8 mm 0.4-0.8 mm

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■■■ Entwicklungsetappen der CT

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80iger Jahre: Die Schleifringtechnik80iger Jahre: Die Schleifringtechnik

Bewegung der Gantry:

alternierende Rotationsrichtung kontinuierliche Rotation

Hochspannung Messdaten

Röntgen-röhre

Detektorring

Detektor-elektronik

schnellere Einzelschicht-

messungen „Spiral-CT“

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■■■ Entwicklungsetappen der CT

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90iger Jahre: Spiral-CT90iger Jahre: Spiral-CT

W. Kalender et al., 1989 P. Vock et al., 1989

kontinuierliche Rotation der Gantry + kontinuierliche Translation des Patienten !

modifizierte Rekonstruktion notw. („z-Interpolation“)

Einzelschicht-CT

Volumen-CT

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■■■ Entwicklungsetappen der CT

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90iger Jahre: Spiral-CT + 90iger Jahre: Spiral-CT + Mehrzeilen-DetektorenMehrzeilen-Detektoren

GE Light Speed 16-Zeilen 4 Schichten

variabler Dicke

deutliche Messzeitsenkung ! Röntgenquelle: Fächerstrahl Kegelstrahl ! modifizierte Rekonstruktion notwendig !

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■■■ Entwicklungsetappen der CT

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Spiral-CT + Spiral-CT + Mehrzeilen-DetektorenMehrzeilen-Detektoren

Siemens „Sensation 64“ (seit 2004) 40-Zeilen unterschiedlicher Breite Springfokus-Technologie (flying-z) Rotation der Gantry mit 3 Hz

doppelte Abtastung in z durch Springfokus an Anode

64 Schichten erfasst !

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■■■ Anwendung der CT

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Anwendungsbereiche der CTAnwendungsbereiche der CT

breite Anwendung in der Radiologie 2007: ~ 50000 installierte Geräte vor allem: -Tumordiagnostik, Blutungen

- Knochen, Gelenke auch viele „Spezialanwendungen“

– CT- Angiographie (Gefäßdarstellung)– Dynamische CT (Kontrastmittelkinetik, Perfusion)– Interventionelle CT– Quantitative CT (z.B. Knochendichte)– phasenempfindliche CT-Herzbildgebung

prä- und nicht-klinische Anwendungen

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: BeispieleBeispiele Siemens „Sensation 64“: 0.4 mm isotrope

Auflösung

3D-CT des Abdomens

(Univ.klinik Karlsruhe)

klinisches Bild eines Kopf CT-Angiogramm

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: BeispieleBeispiele Toshiba Aquilion 64: 0.5 mm isotrope Auflösung

CT der Lunge mit Läsion (Charité, Berlin)

(120 kV, 2 Hz)

Kontrastmittelverstärkte CT-Bildgebung der Herzgefäße (Universität Leiden)

(120 kV; 2.5 Hz; Kontrastmittelgabe: 100 ml Iomeron 400 i.v., 4 ml/s

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: BeispieleBeispiele Toshiba Aquilion 64: 0.5 mm isotrope Auflösung

Bruch der Hüfte (Charité, Berlin)

(120 kV; 2 Hz)

Ganzkörper-CT-Bildgebung

(120 kV; 2 Hz; ~ 1 min)

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Dynamische CT: AnwendungsbeispielDynamische CT: Anwendungsbeispiel

Somatom Definition AS+“ (Siemens)

W.H. Sommer, K. Nicolau, Campus Großhadern

Patient mit Gefäß-Stenose am Unterschenkel

dynamische CT-Angiographie

2.5 s pro Bild 27 cm FOV in z

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: EntwicklungenEntwicklungen

Toshiba, 2006: 256 Schichten a 0.5 mm

12.8 cm Volumen / Rotation !

Jahr Detektor-zeilen

Schichten/ Rotation

1972 2 2

1998 8-34 4

2001 16-40 16

2004 40*-64 64 (Klinik)

2004 256 256 (Prototyp)

2007 256 256

* mit Springfokus-Technologie

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■■■ Entwicklung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Probleme ?!Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Probleme ?!

Jahr Rotations-

frequenz

Schichten a 0.5 mm/ Rotation

bb 2006 3-5 Hz 256-512

zukünftig ? 5-10 Hz ?? 512-1024 ??

technische / praktische Probleme ?

Gantry: 600 kg, R= 0.6 m, 3 Hz

F = m a = m R: a ~ 22 g !

Volumen: 12.8 cm in 0.33 s

vTisch ~ 40 cm/s !

Fliehkräfte !

Tischgeschwindigkeit !

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■■■ Entwicklung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Phantasie zur Geräteentwicklung ?Phantasie zur Geräteentwicklung ?

CT der 3. Generation

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■■■ Entwicklung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Mehrquellen-CT-SystemeMehrquellen-CT-Systeme

gleiche Energie: höhere Zeit- und/oder räumliche Auflösung verschiedene Energie: verbesserter Bildkontrast (=(E) !) seit Ende 2005 erster Prototyp (2 Röhren – 2 Detektorbögen) seit 2006 kommerziell verfügbar („Siemens Definition“)

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■■■ Entwicklung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Doppel-Quellen-CTDoppel-Quellen-CT

Dual-Source-CT „Somatom Definition Flash“

(Siemens) I/2009 eingeführt schnellere Messungen

oder zweifacher Kontrast

2 Bögen mit je 128 Detektoren auf 4 cm (in z-Richtung)

Gantryrotation: 0.28 s Tischgeschw.: ≤ 43 cm/s

zeitl. Auflösung: 83 ms Thorax-Aufnahme in 0.6 s Ganzkörperaufnahmen in

4-5 s reduzierte Strahlendosis

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■■■ CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

noch offenen Themen …noch offenen Themen …

Hardware-Komponenten

Rekonstruktionsalgorithmen

mediz. Anwendungen

Vergleich mit anderen bildgebenden Verfahren

Kombination mit anderen bildgebenden Verfahren (PET-CT)

Strahlenbelastung / Strahlenschutz

Mikro-CT, nano-CT (prä-, nicht-klinische Anwendungen)

… beginnen wir in umgekehrter Reihenfolge …

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Mikro-CT: prä- und nicht-klinische CTMikro-CT: prä- und nicht-klinische CT

seit 90iger Jahren in-vitro-Messungen Ortsauflösung: < 5-100 m rotierende Probe / ruhende Gantry

3D Bild eines

Knochens

- Auflösung: 6 m

- Osteoporose ?

Lungenprobe einer Maus (Fa. Scyscan)- Voxelgröße: 5.7 m- 3D-Eindruck durch MIPPrinzip des Aufbaus eines -CT

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische nicht-klinische -CT-CT und nano-CT und nano-CT

Beispiel der belgischen Fa. ScyScan

Quelle: www.scyscan.be

Objekt: kleine SMD-Spule in Plastikgehäuse(SMD=„surface mounted device“)

Scanner: SkyScan1172 /100kV Bild: Schattenprojektion (links) and drei

orthogonale Schichten (rechts) 7 m Pixel.

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische nicht-klinische -CT-CT und nano-CT und nano-CT

Beispiel der belgischen Fa. ScyScan

Quelle: www.scyscan.be

Objekt: kleine SMD Spule in Plastikgehäuse

Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp Bild: 3D-Rekonstruktion 7 m Pixel.

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische nicht-klinische -CT-CT und nano-CT und nano-CT

Beispiel der belgischen Fa. ScyScan und der Kath. Univ. Leuven

Quelle: www.skyscan.be

Objekt: Carbon-Schaum Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp Bild: eine der aus dem 3D-Datensatz

rekonstruierten 2D-Schichten 1.5 m Pixel.

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische nicht-klinische -CT-CT und nano-CT und nano-CT

Beispiel der belgischen Fa. ScyScan und der Kath. Univ. Leuven

Quelle: www.skyscan.be

Objekt: Carbon-Schaum Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp Bild: 3D-Datensatz 1.5 m Pixel.

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische nicht-klinische -CT und -CT und nano-CTnano-CT

z. B. „SkyScan 2011“ der belgischen Fa. ScyScan

Quelle: www.skyscan.be

„nano-CT scanner“ höchste Auflösung: 200-400 nm Röntgenquelle mit Focusgröße

< 400 nm sehr exakte

Probenpositionierung und -rotation (< 100 nm)

CCD-Detektor mit Einzelphotonen-Empfindlichkeit

3D-Messungen von Carbonfasern, 400 nm Voxel3D-Messungen von Carbonfasern, 400 nm Voxel

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische nicht-klinische -CT und -CT und nano-CTnano-CT

z. B. „SkyScan 2011“ der belgischen Fa. ScyScan

Quelle: www.skyscan.be

„nano-CT scanner“ höchste Auflösung: 200-400 nm Röntgenquelle mit Focusgröße

< 400 nm Sehr exakte

Probenpositionierung und -rotation (< 100 nm)

CCD-Detektor mit Einzelphotonen-Empfindlichkeit

3D-Messungen von Carbonfasern, 400 nm Voxel3D-Messungen von Carbonfasern, 400 nm Voxel

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische nicht-klinische -CT und -CT und nano-CTnano-CT

z. B. „SkyScan 2011“ der belgischen Fa. ScyScan

Quelle: www.skyscan.be

„nano-CT scanner“ höchste Auflösung: 200-400 nm Röntgenquelle mit Focusgröße

< 400 nm Sehr exakte

Probenpositionierung und -rotation (< 100 nm)

CCD-Detektor mit Einzelphotonen-Empfindlichkeit

3D-Volumenrekonstruktion von Holz, 290 nm Voxel3D-Volumenrekonstruktion von Holz, 290 nm Voxel

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■■■ Strahlenbelastung durch CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Minimierung der StrahlendosisMinimierung der Strahlendosis

Begriffe: biologische Wirkung: Äquivalenzdosis

= Energiedosis . Qualitätsfaktor

H = D . Q (1 J/kg=1 Sv)

Q ... Qualitätsfaktor = Fkt(m, )

... für Röntgenstrahlen Q ~ 5-20

natürliche Strahlenbelastung pro Jahr: ~ 3 mSv / Jahr (USA)

„effektive Dosis“ von CT-Messungen:

Fkt(Ua , I0 , T, k0) Fkt(Organ, Volumen)

typ. Werte:

3-10 mSv (lokale Mess.)

20-30 mSv (Ganzkörper)

räumliche Inhomogenität

höher in „kritischen Organen“ (Auge, Lunge)

Gefährlichkeit ?

z. Z. vielfältige Maßnahmen

zur Dosisreduktion– Detektoren optimieren– I0 minimieren / modulieren (I0=I0())

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■■■ aktuelle Entwicklung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Kombination mit anderen BildgebungsverfahrenKombination mit anderen Bildgebungsverfahren

CT PET NMR

SignalquelleRöntgenstr.

(50-150 keV)

-Strahlen

(511 keV)

HF-Str.

(15-500 Mhz)

Ortsauflösung +++ o ++

Funktion (Metab.) - ++ +

Kontrast + ++ +++

Aufwand + Kosten mittel sehr hoch hoch

Risiko mittel hoch gering

Hardware- + Software-KombinationHardware- + Software-Kombination

Software-KombinationSoftware-Kombination

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■■■ aktuelle Entwicklung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Kombination CT + PETKombination CT + PET

PET/CT-Systeme seit Mitte 90iger Jahre 2005: >500 Installationen zunehmende Bedeutung (auch -PET/CT)

Prinzip eines PET/CT-Systems („Siemens Biograph“) (aus: W. Kalender: Computertomographie, 2006)

Lungenuntersuchung

mittels PET/CT

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■■■ aktuelle Entwicklung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Zukünftige Entwicklungen in der CTZukünftige Entwicklungen in der CT

Minimierung der Dosiswerte Perfektionierung von Spiral-CT + Mehrzeilendetektoren

+ Mehrquelle-CTzeitliche Auflösung (Scanzeit < 50 ms für Herz-CT !)

räumliche Auflösung

Kontrastverbesserung (Mehr-Energie-CT-Systeme !)

Kombination mit PET + NMR-Bildgebung !

Mikro-CT / Nano-CT (prä- und nicht-klinisch)

Wiederbelebung der Elektronenstrahl-Tomographie ?! (ruhende Probe + ruhende Gantry)

interaktiv veränderbare Ortsauflösung ?

funktionelle CT ?

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■■■ Anwendung der CT

14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

weitere medizinische Beispiele und Informationen z.B. in …weitere medizinische Beispiele und Informationen z.B. in …