Transcript m-CT - Universität Bremen

Grundlagen der
Röntgen-Computer-Tomographie
und biomedizinische + materialwiss.
Anwendungen
Wolfgang Dreher
Universität Bremen
Fachbereich 2 (Biologie/Chemie)
WS 2011/2012
■■■ Literatur
Grundlagen und Anwendungen
der 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.

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)
(daraus wurden auch viele der Abbildungen entnommen, „Ka2000“)
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Gliederung
Grundlagen und Anwendungen
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 CT
 biomedizinische
 materialwissenschaftliche
6. aktuelle Entwicklungen
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Vorarbeiten zur CT
Röntgen-Strahlen (X-Strahlen)
"… 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
Wilhem Conrad Röntgen
(1845-1923)
1. Nobelpreis für Physik
1901
Bild der rechten Hand
von Frau Röntgen
( 22.12.1895)
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Vorarbeiten zur CT
Prinzip einer Röntgenaufnahme
Röntgenröhre
Strahlenintensität I0
Blendensystem
Messobjekt
Strahlendetektor
Schwächung der
Röntgenstrahlen
im Messobjekt
reduzierte
Strahlenintensität I(x,y)
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Vorarbeiten zur CT
Erzeugung von Röntgenstrahlen
Anode
Glühkathode
Vakuumröhre
Röntgen-Spektrum
(Wolfram-Anode)
Grenzenergie:
Emax = e . UR = h . nmax
für UR = 100 kV:
nmax = 2.42 . 1019 Hz
lmin = 0.0124 nm
Photonenzahl /bel. Einh
UR=50-150 kV
kontin. BremsStrahlung
charakt.
Strahlung
UR =
„Aufhärtung“
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
80 kV
100 kV
120 kV
140 kV
E / keV
■■■ Vorarbeiten zur CT
Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie
Absorption von Röntgenstrahlen
durch 10 cm Wasserschicht
vollständige
Energieübertragung
auf Elektronen
inkohärente
Streuung an
Elektronen
Bildung eines
Elektron-PositronPaares
(E > 2 * 511 keV)
aus: Wachsmann/Drexler: Kurven und Tabellen für die
Radiologie. 2. Aufl., Berlin: Springer-Verlag,1976.
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Vorarbeiten zur CT
Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie
Differentielle Abschwächung in einer dünnen Schicht:
dN = - m . N(x) . dx
N(x) ... Zahl der auftreffenden Quanten
dx ... Schichtdicke
m = mPhoto + mComp + ...
„totaler Schwächungskoeffizient“
d
m=const.
N0
N  N0  exp(m  d )
N
(Lambert-Beer‘sches Gesetz)
Materialabhängigkeit von m: m(E,Z,r), Z ... (eff.) Ordnungszahl
r ... Dichte des Materials
d
für m = m(x,y,z) :
N  N 0  exp( m( x , y,z )ds)
0
(Linienintegral)
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Vorarbeiten zur CT
Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie
Materialabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten:
m(E,Z,r) = mPhoto(E,Z,r) + mComp(E,Z,r)
E ... Energie der Röntgenstrahlen,
Z ... (effektive) Ordnungszahl
r ... Dichte des Materials
m / r = f(E,Z) ... Massenschwächungskoeffizient
Massenschwächungskoeffizienten als Fkt(E) (bezogen auf Wasser)
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Vorarbeiten zur CT
Detektion von Röntgenstrahlen
 analoge Detektion („Röntgenfilm“)
 in der CT: Erfassung digitaler Signale notwendig
 Detektorsystem:
– Detektorelement (Röntgenstrahlen => elektr. Signale)
– Verstärker
– Analog/Digital-Wandler
 in CT z.Z. zwei Detektortypen eingesetzt:
– Ionisationskammern (Hochdruck-Xenon-)
– Szintillationsdetektoren (Cäsium-Jodid, CadmiumWolframat, keramische
Stoffe)
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Erfindung der CT
Röntgenbild
Röntgen-Tomogramm ?
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.
m(x3,y2)
m(x,y)
a.p.
lateral
m(x,y)
m(xi,yj)
unendlich
endlich viele
vieleProjektionen
Linienintegrale
?
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Erfindung der CT
Erfindung der CT: direkte Vorarbeiten
 Allen M. Cormack (1924-1998)
 seit 1957:
 1963:
Optimierung der Strahlentherapie in Kapstadt
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
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Erfindung der CT
Erfindung der CT
 Godfrey M. Hounsfield
(1919-2004)
 Arbeit in EMI Labs
 seit 1967 Arbeit zur „CT“
 1972/73 erste Ergebnisse und Publikation zur
„Computerised Tomography“
–
–
Kopf-CT, 1974
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
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Erfindung der CT
Aufbau 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)
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Grundprinzip der CT
Aufbau und Funktionsweise eines CT
Translations-Rotations-Verfahren („CT der 1. Generation“)
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■■■ Grundprinzip der CT
Bildrekonstruktion: Algebraische Lösung
m1
m2
S1=m1+m2
m3
m4
S2=m3+m4
S4=m1+m3 S3=m2+m4
m1
m2
m3
S1
m4
m5
m6
S2
m7
m8
m9
S3
S4
S12
S5
S11
• Reko = Lösung eines
Gleichungssystems
• besser (Rauschen !):
überbestimmtes Gleichungssystem
(iterative Lösung)
S10 S9
S8
S7 S6
• für große Bildmatrizen:
unpraktikabler Zugang !
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Grundprinzip der CT
Bildrekonstruktion: einfache Rückprojektion
I0
P(r, f)  ln(
)   mds
I(r, f)
Röntgenquelle:
I0
s
y
r  x cos(f)  y sin( f)
m(x,y)
f
„einfache Rückprojektion“:
für N Projektionen
r
x
Pk (r, fk )
N
m( x, y)   Pk (r  x cos(fk )  y sin(fk ))  fk
k 1
Detektor:
I(r,f)
Wieviele Projektionen N sind für
Bild der Matrixgröße (M,M) notwendig ?

N  M
2
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Grundprinzip der CT
Bildrekonstruktion: einfache Rückprojektion
Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes
Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, f=1°)
100
50
75
simuliertes Phantom
einfache
Rückprojektion
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Grundprinzip der CT
Bildrekonstruktion: 2D-FFT nach Interpolation
P(r, f)  ln(
betrachten FT p(k,f) einer Projektion:
I0
)   mds
I(r, f)
p(k , f)   P(r , f)  exp( ikr )dr
p(k, f)   m  exp( ikr )dsdr
in kartesischen
Koordinaten:
d.h.
p(k x , k y )   m( x , y)  exp( i(k x x  k y y)) dxdy
m( x , y) 
1
4 2
 p(k
x
, k y )  exp( i(k x x  k y y)) dk x dk y
Option 1: Bildrekonstruktion durch 2D FFT nach Interpolation von
Polar- auf kartesische Koordinaten !
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Grundprinzip der CT
Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion
m (r ,  ) 
In Polarkoordinaten:
1
4
2
 p(k , f )  exp( ikr )  k dkd f
m (r ,  )   P* (r , f )df
P (r , f ) 
*
1
4
1
*
P (r , f ) 
4 2
2

k  p(k , f )  exp( ikr )dk
 (k  f
f
„gefilterte Projektion“
)  p(k , f )  exp( ikr )dk
N
Option 2: Bild-Rekonstruktion
durch „gefilterte Rückprojektion“
m ( x, y)   P*k (r )  fk
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
k 1
■■■ Grundprinzip der CT
Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion
Filterung:
weich
1
P (r, f) 
4 2
*



Standard
hart
( k  f f )  p(k, f)  exp( ikr )dk
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Grundprinzip der CT
Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion
Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes
Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, f=1°)
100
50
75
simuliertes Phantom
einfache
Rückprojektion
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
gefilterte
Rückprojektion
■■■ Grundprinzip der CT
Dargestellte Bildintensität: die „CT-Zahlen“
Schwächungskoeffizient mG nicht
direkt dargestellt, sondern:
CT  ZAHL 
(m G  m Wasser )
1000  HU
m Wasser
HU ... „Hounsfield Unit“
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Entwicklungsetappen der CT
Entwicklungsetappen 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
70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen
1.
 verwendet für Vorexperimente in
EMI-Labs
 Parallelstrahlverfahren =>
einfache Bildrekonstruktion
2.
 verwendet für erste Publikationen
 deutlich gesenkte Messzeit
 modifizierte Bildrekonstruktion
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Entwicklungsetappen der CT
70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen
3. + 4. Generation:
3.
(1976)
 Röntgenquelle rotiert
 Röntgendetektor rotiert
 Fächerstrahl-Verfahren
 keine Translation, nur Rotation
4.
(1978)
 Röntgenquelle rotiert
 Röntgendetektor fixiert
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■■■ Entwicklungsetappen der CT
Aufbau einer Röntgen-CT-Einheit
Bedienraum
„Gantry“
(Messeinheit)
Untersuchungsraum
Bedienpult + Rechner
Patientenliege
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Entwicklungsetappen der CT
80iger Jahre: Schnelle Einzelschichtmessungen
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
Typische Parameter für CT-Tomographen
(nach W. Kalender, Computertomographie, Publicis, 2006)
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■■■ Entwicklungsetappen der CT
80iger Jahre: Die Schleifringtechnik
Bewegung der Gantry:
alternierende Rotationsrichtung
Röntgenröhre
kontinuierliche Rotation
 schnellere Einzelschichtmessungen
 „Spiral-CT“
Detektorring
Detektorelektronik
Hochspannung Messdaten
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Entwicklungsetappen der CT
90iger 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
90iger Jahre: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren
 GE Light Speed
 16-Zeilen
 4 Schichten
variabler Dicke
 deutliche Messzeitsenkung !
 Röntgenquelle: Fächerstrahl
Kegelstrahl !
 modifizierte Rekonstruktion notwendig !
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Entwicklungsetappen der CT
Spiral-CT + Mehrzeilen-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 !
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
Anwendungsbereiche 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
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Beispiele
 Siemens „Sensation 64“: 0.4 mm isotrope Auflösung
3D-CT des Abdomens
(Univ.klinik Karlsruhe)
klinisches Bild eines
Kopf CT-Angiogramm
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Beispiele
 Toshiba Aquilion 64: 0.5 mm isotrope Auflösung
Kontrastmittelverstärkte CT-Bildgebung der
Herzgefäße (Universität Leiden)
(120 kV; 2.5 Hz; Kontrastmittelgabe:
100 ml Iomeron 400 i.v., 4 ml/s
CT der Lunge mit Läsion (Charité, Berlin)
(120 kV, 2 Hz)
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Beispiele
 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)
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
Dynamische CT: Anwendungsbeispiel
 Somatom
Definition AS+“
(Siemens)
 W.H. Sommer,
K. Nicolau,
Campus
Großhadern
 Patient mit
Gefäß-Stenose
am
Unterschenkel
 dynamische CTAngiographie
 2.5 s pro Bild
 27 cm FOV in z
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Entwicklungen
Jahr
Detektorzeilen
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
 Toshiba, 2006:
 256 Schichten a 0.5 mm
 12.8 cm Volumen / Rotation !
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Entwicklung der CT
Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Probleme ?!
Jahr
Rotationsfrequenz
Schichten a 0.5 mm/
Rotation
bb 2006
3-5 Hz
256-512
zukünftig ?
5-10 Hz ??
512-1024 ??
technische / praktische Probleme ?
 Fliehkräfte !
Gantry: 600 kg, R= 0.6 m, 3 Hz
F = m . a = m . w2.R: a ~ 22 g !
 Tischgeschwindigkeit !
Volumen: 12.8 cm in 0.33 s
vTisch ~ 40 cm/s !
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Entwicklung der CT
Phantasie zur Geräteentwicklung ?
 CT der 3. Generation
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Entwicklung der CT
Mehrquellen-CT-Systeme




gleiche Energie: höhere Zeit- und/oder räumliche Auflösung
verschiedene Energie: verbesserter Bildkontrast (m=m(E) !)
seit Ende 2005 erster Prototyp (2 Röhren – 2 Detektorbögen)
seit 2006 kommerziell verfügbar („Siemens Definition“)
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Entwicklung der CT
Doppel-Quellen-CT
 Dual-Source-CT
 „Somatom Definition Flash“
(Siemens)
 I/2009 eingeführt
 schnellere Messungen
oder
zweifacher Kontrast
 zeitl. Auflösung: 83 ms
 Thorax-Aufnahme in 0.6 s
 Ganzkörperaufnahmen in
4-5 s
 reduzierte Strahlendosis
 2 Bögen mit je 128
Detektoren auf 4 cm
(in z-Richtung)
 Gantryrotation: 0.28 s
 Tischgeschw.: ≤ 43 cm/s
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ CT
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 …
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
Mikro-CT: prä- und nicht-klinische CT




seit 90iger Jahren
in-vitro-Messungen
Ortsauflösung: < 5-100 mm
rotierende Probe / ruhende Gantry
Prinzip des Aufbaus eines m-CT
3D Bild eines
Knochens
- Auflösung: 6 mm
- Osteoporose ?
Lungenprobe einer Maus (Fa. Scyscan)
- Voxelgröße: 5.7 mm
- 3D-Eindruck durch MIP
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
nicht-klinische m-CT und nano-CT
 Objekt: kleine SMD-Spule in
Plastikgehäuse
(SMD=„surface mounted device“)
 Scanner: SkyScan1172 /100kV
 Bild: Schattenprojektion (links) and drei
orthogonale Schichten (rechts)
 7 mm Pixel.
 Beispiel der belgischen
Fa. ScyScan
 Quelle: www.scyscan.be
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
nicht-klinische m-CT und nano-CT
 Objekt: kleine SMD Spule in
Plastikgehäuse
 Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp
 Bild: 3D-Rekonstruktion
 7 mm Pixel.
 Beispiel der belgischen
Fa. ScyScan
 Quelle: www.scyscan.be
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
nicht-klinische m-CT und nano-CT
 Objekt: Carbon-Schaum
 Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp
 Bild: eine der aus dem 3D-Datensatz
rekonstruierten 2D-Schichten
 1.5 mm Pixel.
 Beispiel der belgischen
Fa. ScyScan und der Kath.
Univ. Leuven
 Quelle: www.skyscan.be
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
nicht-klinische m-CT und nano-CT




Objekt: Carbon-Schaum
Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp
Bild: 3D-Datensatz
1.5 mm Pixel.
 Beispiel der belgischen
Fa. ScyScan und der Kath.
Univ. Leuven
 Quelle: www.skyscan.be
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
nicht-klinische m-CT und nano-CT
 „nano-CT scanner“
 höchste Auflösung: 200-400 nm
 Röntgenquelle mit Focusgröße
< 400 nm
 sehr exakte
Probenpositionierung
und -rotation (< 100 nm)
 CCD-Detektor mit
EinzelphotonenEmpfindlichkeit
 z. B. „SkyScan 2011“ der
belgischen Fa. ScyScan
 Quelle: www.skyscan.be
3D-Messungen von Carbonfasern, 400 nm Voxel
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
nicht-klinische m-CT und nano-CT
 „nano-CT scanner“
 höchste Auflösung: 200-400 nm
 Röntgenquelle mit Focusgröße
< 400 nm
 Sehr exakte
Probenpositionierung
und -rotation (< 100 nm)
 CCD-Detektor mit
EinzelphotonenEmpfindlichkeit
 z. B. „SkyScan 2011“ der
belgischen Fa. ScyScan
 Quelle: www.skyscan.be
3D-Messungen von Carbonfasern, 400 nm Voxel
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
nicht-klinische m-CT und nano-CT
 „nano-CT scanner“
 höchste Auflösung: 200-400 nm
 Röntgenquelle mit Focusgröße
< 400 nm
 Sehr exakte
Probenpositionierung
und -rotation (< 100 nm)
 CCD-Detektor mit
EinzelphotonenEmpfindlichkeit
 z. B. „SkyScan 2011“ der
belgischen Fa. ScyScan
 Quelle: www.skyscan.be
3D-Volumenrekonstruktion von Holz, 290 nm Voxel
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Strahlenbelastung durch CT
Minimierung der Strahlendosis
Begriffe:
 biologische Wirkung: Äquivalenzdosis
= Energiedosis . Qualitätsfaktor
H = D . Q (1 J/kg=1 Sv)
Q ... Qualitätsfaktor = Fkt(m, n)
... für Röntgenstrahlen Q ~ 5-20
 natürliche Strahlenbelastung pro Jahr:
~ 3 mSv / Jahr (USA)
 z. Z. vielfältige Maßnahmen
zur Dosisreduktion
– Detektoren optimieren
– I0 minimieren / modulieren (I0=I0(f))
„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 ?
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ aktuelle Entwicklung der CT
Kombination mit anderen Bildgebungsverfahren
CT
PET
NMR
Signalquelle
Röntgenstr.
(50-150 keV)
g-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-Kombination
Software-Kombination
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ aktuelle Entwicklung der CT
Kombination CT + PET
 PET/CT-Systeme seit Mitte 90iger Jahre
 2005: >500 Installationen
 zunehmende Bedeutung (auch m-PET/CT)
Prinzip eines PET/CT-Systems („Siemens Biograph“)
(aus: W. Kalender: Computertomographie, 2006)
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
Lungenuntersuchung
mittels PET/CT
■■■ aktuelle Entwicklung der CT
Zukünftige Entwicklungen in der CT
 Minimierung der Dosiswerte
 Perfektionierung von Spiral-CT + Mehrzeilendetektoren
+ Mehrquelle-CT
zeitliche 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 ?
14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)
■■■ Anwendung der CT
weitere medizinische Beispiele und Informationen z.B. in …
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