01214 Auflösungsvermögen eines Computertomografen im Niedrigkonstrastbereich
Betrachtungen und Untersuchungen zur Dimensions- und Dichtebestimmung kleinster Objekte
Der Computertomograf (CT) ist ein wichtiges Hilfsmittel für medizinische Fragestellungen, sowohl in der Routine als auch für Notfalluntersuchungen. Ein CT erlaubt auch Darstellungen von sehr kleinen Strukturen. Sowohl Thrombusparameter als auch Ausdehnung kleiner Tumoren und Organstrukturen bei strahlentherapeutischen Fragestellungen sind entscheidend für den Fortgang einer erfolgreichen Therapie. Bei der Bestimmung der geometrischen Parameter können bei typischen Scanprotokollen im Niedrigkontrastbereich eines CT Abweichungen von ΔV ≈ – 47 % bis 41 % bei einem Durchmesser des Objektes von 6 mm und ΔHU ≈ – 75 % bei einem Durchmesser von 2 mm auftreten. Für eine fundierte Therapieentscheidung ist die Berücksichtigung dieser Fakten von Bedeutung, die sie mithilfe eines geeigneten Phantoms bestimmt werden können. von: |
1 Einleitung
CT liefert wichtige Informationen für Therapie
Jährlich erleiden ca. 270.000 Menschen in Deutschland einen Schlaganfall und ca. 235.000 Menschen unterziehen sich einer Strahlentherapie. Für eine erfolgreiche Lyse und Rekanalisation einer Okklusion einer Arterie [1] [2] [3] [4] [5] ist eine zeitnahe Diagnostik entscheidend; in der Strahlentherapie dienen CT-Aufnahmen einer individuellen Dosisplanung und u. U. einer hoch konformalen Dosisapplikation mithilfe von modernen Bestrahlungstechniken, wie z. B. Stereotaxie bzw. intensitätsmodulierte Bestrahlung (IMRT-Techniken). Im Kopfbereich wird derzeit die hochauflösende CT-Untersuchung des Schädels [6] [7] bzw. der Tumorregion ohne Kontrastmittel sowohl in der Diagnostik als auch in der Strahlentherapie [8] durchgeführt. Damit können Lage, Größe, Form und Dichte des Thrombus bzw. eines Tumors und der benachbarten Organe bestimmt werden. Diese Parameter charakterisieren eindeutig das Gewebe und liefern wichtige Informationen für eine Therapie [8] [9] . Daten werden bei zwei für diese Fragestellung typischen strahlentherapeutischen und diagnostischen Scanprotokollen ermittelt.
Jährlich erleiden ca. 270.000 Menschen in Deutschland einen Schlaganfall und ca. 235.000 Menschen unterziehen sich einer Strahlentherapie. Für eine erfolgreiche Lyse und Rekanalisation einer Okklusion einer Arterie [1] [2] [3] [4] [5] ist eine zeitnahe Diagnostik entscheidend; in der Strahlentherapie dienen CT-Aufnahmen einer individuellen Dosisplanung und u. U. einer hoch konformalen Dosisapplikation mithilfe von modernen Bestrahlungstechniken, wie z. B. Stereotaxie bzw. intensitätsmodulierte Bestrahlung (IMRT-Techniken). Im Kopfbereich wird derzeit die hochauflösende CT-Untersuchung des Schädels [6] [7] bzw. der Tumorregion ohne Kontrastmittel sowohl in der Diagnostik als auch in der Strahlentherapie [8] durchgeführt. Damit können Lage, Größe, Form und Dichte des Thrombus bzw. eines Tumors und der benachbarten Organe bestimmt werden. Diese Parameter charakterisieren eindeutig das Gewebe und liefern wichtige Informationen für eine Therapie [8] [9] . Daten werden bei zwei für diese Fragestellung typischen strahlentherapeutischen und diagnostischen Scanprotokollen ermittelt.
2 Material und Messmethoden
Prototyp enthält 79 Objekte
Für die Messungen und Bestimmung von Parametern im Niedrigkontrastbereich des CT wurde ein Phantom (s. Abb. 1) entworfen und konstruiert (Prototyp), das eine Anzahl kleiner irregulärer und regulärer Objekte (79 Stück) bekannter geometrischer Dimension und physikalischer Dichte enthält. Die Länge der zylindrischen Objekte variiert von 1,5 mm bis 8,5 mm, der Durchmesser von 1 mm bis 6 mm in Schritten von 1 mm [10] . Die Objekte sind an in einem Kubusrahmen gespannten Fäden der Dicke 0,5 mm befestigt. Die Organsubstitute bestehen aus Plexiglas (PMMA), die Fäden aus Polyethylen (PE). Beide Substanzen weisen effektive Ordnungszahlen (Zeff) und Elektronendichten ((Z/A)eff) auf, die denen von Wasser und Normalgewebe ähnlich sind: Zeff(H2O) = 7,51; Zeff(PMMA) = 6,48; Zeff(PE) = 4,17; (Z/A)eff(H2O) = 0,555; (Z/A)eff(PMMA) = 0,539; (Z/A)eff(PE) = 0,570. Somit sind trotz der abweichenden Dichten (Plexiglas ρ = 1,17 g · cm–3; Polyäthylen ρ = 0,94 g · cm–3) im Vergleich zu Wasser keine störenden Artefakte und Distorsionen bei der CT-Bildgebung zu erwarten [8] [11] . Der proportionale Zusammenhang zwischen physikalischer Dichte ρ und Hounsfield-Werten HU ist für den Bereich –1000 (Luft) bis ca. 150 (Plexiglas) gültig, wenn keine Substanzen oder Elemente mit höherer effektiver Ordnungszahl als in Wasser vorhanden sind [11] .
Abb. 1: Messphantom (Prototyp)
Für die Messungen und Bestimmung von Parametern im Niedrigkontrastbereich des CT wurde ein Phantom (s. Abb. 1) entworfen und konstruiert (Prototyp), das eine Anzahl kleiner irregulärer und regulärer Objekte (79 Stück) bekannter geometrischer Dimension und physikalischer Dichte enthält. Die Länge der zylindrischen Objekte variiert von 1,5 mm bis 8,5 mm, der Durchmesser von 1 mm bis 6 mm in Schritten von 1 mm [10] . Die Objekte sind an in einem Kubusrahmen gespannten Fäden der Dicke 0,5 mm befestigt. Die Organsubstitute bestehen aus Plexiglas (PMMA), die Fäden aus Polyethylen (PE). Beide Substanzen weisen effektive Ordnungszahlen (Zeff) und Elektronendichten ((Z/A)eff) auf, die denen von Wasser und Normalgewebe ähnlich sind: Zeff(H2O) = 7,51; Zeff(PMMA) = 6,48; Zeff(PE) = 4,17; (Z/A)eff(H2O) = 0,555; (Z/A)eff(PMMA) = 0,539; (Z/A)eff(PE) = 0,570. Somit sind trotz der abweichenden Dichten (Plexiglas ρ = 1,17 g · cm–3; Polyäthylen ρ = 0,94 g · cm–3) im Vergleich zu Wasser keine störenden Artefakte und Distorsionen bei der CT-Bildgebung zu erwarten [8] [11] . Der proportionale Zusammenhang zwischen physikalischer Dichte ρ und Hounsfield-Werten HU ist für den Bereich –1000 (Luft) bis ca. 150 (Plexiglas) gültig, wenn keine Substanzen oder Elemente mit höherer effektiver Ordnungszahl als in Wasser vorhanden sind [11] .
Kriterien werden durch Grenzen bestimmt
In Messungen der Abnahmeprüfung, des Acceptancetests und der Qualitätskontrolle werden bei CTs u. a. Bildparameter entsprechend nationalen und internationalen Protokollen [12] [13] [14] geprüft bzw. deren Konstanz in wiederkehrenden Untersuchungen und Checks durch den Betreiber der Anlage sichergestellt. Dazu gehören u. a. Linearität der HU-Werte, geometrische Abbildungstreue, Homogenität, Auflösungsvermögen (geometrisch und Dichte), Kontrast (hoch und niedrig) [13] [15] [16] [17] . Diese Kriterien sind zum einen durch physikalische und technische Grenzen [18] [19] , z. B. Fokusdurchmesser, mitbestimmt, zum anderen aber auch von nutzerdefinierten Ansprüchen wie hoher Detailerkennbarkeit und -treue und geringem Bildrauschen bei kleinen und kontrastarmen Objekten abhängig. Besonders Letzteres ist aber nicht Inhalt von Tests, vor allem nicht die Quantifizierung der Dichte- und Größenverzeichnung [12] [13] [19] , sondern nur die Qualifizierung. Geeignete Phantome sind kommerziell zwar erhältlich, doch in nationalen und internationalen Mess- und Testprotokollen ist nicht gefordert, diese Parameter zu überprüfen.
In Messungen der Abnahmeprüfung, des Acceptancetests und der Qualitätskontrolle werden bei CTs u. a. Bildparameter entsprechend nationalen und internationalen Protokollen [12] [13] [14] geprüft bzw. deren Konstanz in wiederkehrenden Untersuchungen und Checks durch den Betreiber der Anlage sichergestellt. Dazu gehören u. a. Linearität der HU-Werte, geometrische Abbildungstreue, Homogenität, Auflösungsvermögen (geometrisch und Dichte), Kontrast (hoch und niedrig) [13] [15] [16] [17] . Diese Kriterien sind zum einen durch physikalische und technische Grenzen [18] [19] , z. B. Fokusdurchmesser, mitbestimmt, zum anderen aber auch von nutzerdefinierten Ansprüchen wie hoher Detailerkennbarkeit und -treue und geringem Bildrauschen bei kleinen und kontrastarmen Objekten abhängig. Besonders Letzteres ist aber nicht Inhalt von Tests, vor allem nicht die Quantifizierung der Dichte- und Größenverzeichnung [12] [13] [19] , sondern nur die Qualifizierung. Geeignete Phantome sind kommerziell zwar erhältlich, doch in nationalen und internationalen Mess- und Testprotokollen ist nicht gefordert, diese Parameter zu überprüfen.