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

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

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

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

  2. ■■■ 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.(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)

  3. ■■■ Gliederung Grundlagen und Anwendungen der Röntgen-Computer-Tomographie (X-CT, CT) • Vorarbeiten zur CT • Erfindung der CT • Grundprinzip der CT • Aufbau und Funktionsweise • Rekonstruktion von CT-Bildern • Entwicklungsetappen der CT • Anwendungen der CT • biomedizinische • materialwissenschaftliche • aktuelle Entwicklungen

  4. ■■■ Vorarbeiten zur CT Bild der rechten Hand von Frau Röntgen ( 22.12.1895) 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

  5. ■■■ Vorarbeiten zur CT Prinzip einer Röntgenaufnahme Röntgenröhre Strahlenintensität I0 Blendensystem Schwächung der Röntgenstrahlen im Messobjekt Messobjekt reduzierte Strahlenintensität I(x,y) Strahlendetektor

  6. ■■■ Vorarbeiten zur CT UR = 80 kV 100 kV 120 kV 140 kV „Aufhärtung“ Erzeugung von Röntgenstrahlen Anode Glühkathode Vakuum- röhre UR=50-150 kV Röntgen-Spektrum (Wolfram-Anode) charakt. Strahlung kontin. Brems- Strahlung Grenzenergie: Emax = e . UR = h . nmax für UR = 100 kV: • nmax = 2.42 . 1019 Hz • lmin = 0.0124 nm Photonenzahl /bel. Einh E / keV

  7. ■■■ Vorarbeiten zur CT Bildung eines Elektron-Positron- Paares (E > 2 * 511 keV) Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie Absorption von Röntgenstrahlen durch 10 cm Wasserschicht vollständige Energieübertragung auf Elektronen inkohärenteStreuung an Elektronen aus: Wachsmann/Drexler: Kurven und Tabellen für die Radiologie. 2. Aufl., Berlin: Springer-Verlag,1976.

  8. ■■■ Vorarbeiten zur CT (Lambert-Beer‘sches Gesetz) N0 m=const. d N für m = m(x,y,z) : (Linienintegral) 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“ Materialabhängigkeit von m: m(E,Z,r), Z ... (eff.) Ordnungszahl r ... Dichte des Materials

  9. ■■■ 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)

  10. ■■■ 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, Cadmium- Wolframat, keramische Stoffe)

  11. ■■■ Erfindung der CT m(x3,y2) 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(x,y) a.p. lateral m(x,y)  unendlich viele Linienintegrale m(xi,yj)  endlich viele Projektionen ?

  12. ■■■ Erfindung der CT Erfindung 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

  13. ■■■ Erfindung der CT Erfindung der CT • Godfrey M. Hounsfield (1919-2004) • Arbeit in EMI Labs • seit 1967 Arbeit zur „CT“ Kopf-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

  14. ■■■ 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)

  15. ■■■ Grundprinzip der CT Aufbau und Funktionsweise eines CT Translations-Rotations-Verfahren („CT der 1. Generation“)

  16. ■■■ Grundprinzip der CT Bildrekonstruktion: Algebraische Lösung m1 m2 m3 S1 m1 m2 S1=m1+m2 m4 m5 m6 S2 m3 m4 S2=m3+m4 m7 m8 m9 S3 S4 S4=m1+m3 S3=m2+m4 S12 S5 S11 S6 S9 S8 S7 S10 • Reko = Lösung eines Gleichungssystems • besser (Rauschen !): • überbestimmtes Gleichungssystem (iterative Lösung) • für große Bildmatrizen: • unpraktikabler Zugang !

  17. ■■■ Grundprinzip der CT Wieviele Projektionen N sind für Bild der Matrixgröße (M,M) notwendig ? Bildrekonstruktion: einfache Rückprojektion Röntgenquelle: I0 s y „einfache Rückprojektion“: für N Projektionen m(x,y) r f x Detektor: I(r,f)

  18. ■■■ Grundprinzip der CT 100 50 75 Bildrekonstruktion: einfache Rückprojektion Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, Df=1°) einfache Rückprojektion simuliertes Phantom

  19. ■■■ Grundprinzip der CT Bildrekonstruktion: 2D-FFT nach Interpolation betrachten FT p(k,f) einer Projektion: in kartesischen Koordinaten: d.h. Option 1: Bildrekonstruktion durch 2D FFT nach Interpolation von Polar- auf kartesische Koordinaten !

  20. ■■■ Grundprinzip der CT Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion In Polarkoordinaten: „gefilterte Projektion“ Option 2: Bild-Rekonstruktion durch „gefilterte Rückprojektion“

  21. ■■■ Grundprinzip der CT Filterung: weich Standard hart Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion

  22. ■■■ Grundprinzip der CT 100 50 75 Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, Df=1°) einfache Rückprojektion gefilterte Rückprojektion simuliertes Phantom

  23. ■■■ Grundprinzip der CT Dargestellte Bildintensität: die „CT-Zahlen“ Schwächungskoeffizient mG nicht direkt dargestellt, sondern: HU ... „Hounsfield Unit“

  24. ■■■ 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)

  25. ■■■ Entwicklungsetappen der CT 70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen 1. 2. • verwendet für Vorexperimente in EMI-Labs • Parallelstrahlverfahren => einfache Bildrekonstruktion • verwendet für erste Publikationen • deutlich gesenkte Messzeit • modifizierte Bildrekonstruktion

  26. ■■■ Entwicklungsetappen der CT 70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen • Fächerstrahl-Verfahren • keine Translation, nur Rotation 3. + 4. Generation: 4. (1978) 3. (1976) • Röntgenquelle rotiert • Röntgendetektor rotiert • Röntgenquelle rotiert • Röntgendetektor fixiert

  27. ■■■ Entwicklungsetappen der CT Aufbau einer Röntgen-CT-Einheit „Gantry“ (Messeinheit) Untersuchungs-raum Bedienraum Patientenliege Bedienpult + Rechner

  28. ■■■ Entwicklungsetappen der CT 80iger Jahre: Schnelle Einzelschichtmessungen Typische Parameter für CT-Tomographen (nach W. Kalender, Computertomographie, Publicis, 2006)

  29. ■■■ Entwicklungsetappen der CT • schnellere Einzelschicht- messungen • „Spiral-CT“ Röntgen- röhre Detektorring Detektor- elektronik Hochspannung Messdaten 80iger Jahre: Die Schleifringtechnik Bewegung der Gantry: alternierende Rotationsrichtung kontinuierliche Rotation

  30. ■■■ Entwicklungsetappen der CT • modifizierte Rekonstruktion notw. („z-Interpolation“) • Einzelschicht-CT Volumen-CT 90iger Jahre: Spiral-CT • W. Kalender et al., 1989 • P. Vock et al., 1989 • kontinuierliche Rotation der Gantry + kontinuierliche Translation des Patienten !

  31. ■■■ Entwicklungsetappen der CT • deutliche Messzeitsenkung ! • Röntgenquelle: Fächerstrahl Kegelstrahl ! • modifizierte Rekonstruktion notwendig ! 90iger Jahre: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren • GE Light Speed • 16-Zeilen • 4 Schichten variabler Dicke

  32. ■■■ 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 !

  33. ■■■ 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

  34. ■■■ Anwendung der CT Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Beispiele • Siemens „Sensation 64“: 0.4 mm isotrope Auflösung klinisches Bild eines Kopf CT-Angiogramm 3D-CT des Abdomens (Univ.klinik Karlsruhe)

  35. ■■■ 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)

  36. ■■■ 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)

  37. ■■■ Anwendung der CT Dynamische 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

  38. ■■■ Anwendung der CT Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Entwicklungen • Toshiba, 2006: • 256 Schichten a 0.5 mm • 12.8 cm Volumen / Rotation ! * mit Springfokus-Technologie

  39. ■■■ Entwicklung der CT Gantry: 600 kg, R= 0.6 m, 3 Hz F = m . a = m . w2.R: a ~ 22 g ! Volumen: 12.8 cm in 0.33 s vTisch ~ 40 cm/s ! Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Probleme ?! technische / praktische Probleme ? • Fliehkräfte ! • Tischgeschwindigkeit !

  40. ■■■ Entwicklung der CT Phantasie zur Geräteentwicklung ? • CT der 3. Generation

  41. ■■■ 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“)

  42. ■■■ Entwicklung der CT Doppel-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

  43. ■■■ 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 …

  44. ■■■ Anwendung der CT 3D Bild eines Knochens - Auflösung: 6 mm - Osteoporose ? Lungenprobe einer Maus (Fa. Scyscan) • Voxelgröße: 5.7 mm • 3D-Eindruck durch MIP Prinzip des Aufbaus eines m-CT Mikro-CT: prä- und nicht-klinische CT • seit 90iger Jahren • in-vitro-Messungen • Ortsauflösung: < 5-100 mm • rotierende Probe / ruhende Gantry

  45. ■■■ 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

  46. ■■■ 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

  47. ■■■ 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

  48. ■■■ 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

  49. ■■■ Anwendung der CT nicht-klinische m-CT und nano-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 Voxel

  50. ■■■ 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 Einzelphotonen-Empfindlichkeit • z. B. „SkyScan 2011“ der belgischen Fa. ScyScan • Quelle: www.skyscan.be 3D-Messungen von Carbonfasern, 400 nm Voxel

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