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H.D. Nagel
Dr. HD Nagel - Wissenschaft & Technik für die RadiologieBuchholz i.d.N.
www.sascrad.de
Optimierung Kardio-CT
1
• Technische Mindestausstattung
• Scanmodus
• Aktuelles Dosisniveau
• Dosisautomatik
• Spannungseinstellung
• Iterative Rekonstruktion
• Beispiel.
Agenda
2
• Technische Mindestausstattung
• Aktuelles Dosisniveau
• Scanmodus
• Dosisautomatik
• Spannungseinstellung
• Iterative Rekonstruktion
• Beispiel.
Agenda
3
• Geringe Bewegungsunschärfetrotz erheblicher Organbewegung
• Hohe Ortsauflösungisotrop < 0.5 mm
• Hohe KontrastauflösungDifferenzierung von Soft Plaque
• Geringe Gesamt-Scanzeit< bequeme Atemanhaltphase
• Geringe Strahlenexpositionnicht höher als beim diagnostischen Herzkatheter.
Applikatorische Anforderungen
4
Technische Mindestanforderungen
• Scanzeit bei 4-Schicht-Geräten indiskutabel• 16-Schicht-Geräte nur sehr eingeschränkt für Kardio-CTA geeignet• 64-Schicht-Geräte i.d.R. unter 10s => Mindeststandard.
0
10
20
30
40
50
60
0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
Pitch
Tota
l sca
n tim
e (s
)
0
10
20
30
40
50
60
0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
Pitch
Mx (Quad)
Tota
l sca
n tim
e (s
)
4x1mm0.5s
0
10
20
30
40
50
60
0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
Pitch
Mx (Quad)Mx (IDT)
Tota
l sca
n tim
e (s
)
4x1mm0.5s
16x0.75mm0.42s
0
10
20
30
40
50
60
0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
Pitch
Mx (Quad)Mx (IDT)AQI-16
Tota
l sca
n tim
e (s
)
4x1mm0.5s
16x0.5mm0.4s
16x0.75mm0.42s
0
10
20
30
40
50
60
0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
Pitch
Mx (Quad)Mx (IDT)AQI-16B64
Tota
l sca
n tim
e (s
)
4x1mm0.5s
16x0.5mm0.4s
16x0.75mm0.42s
64x0.625mm0.4s
Gesamt-Scanzeit (Lnetto=12cm)
5
• Technische Mindestausstattung
• Scanmodus
• Aktuelles Dosisniveau
• Dosisautomatik
• Spannungseinstellung
• Iterative Rekonstruktion
• Beispiel.
Agenda
6
Scanmodus (retrospektives Gating)
Pitch << 1 für lückenlose gegatete Datenerfassung.
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
Pitch<<1
Pitch=1
Zeit
z-Position
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
Pitch<<1
Pitch=1
R R R R
Zeit
z-Position
1 sec
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
Pitch<<1
Pitch=1
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
1 sec
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
Pitch<<1
Pitch=1
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
1 sec
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
Pitch<<1
Pitch=1
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
N·h
1 sec
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
Pitch<<1
Pitch=1
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
N·h
Daten-lücken
1 sec
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
Pitch<<1
Pitch=1
Delay
R R R R
Zeit
z-Position
Pitch<<1
Pitch=1
N·h
1 sec
Beispiel: Herzfrequenz 60 bpm, Rotationszeit 0.5 s
8
Multi-Cycle-Rekonstruktion
• Datenrekonstruktion aus 2 (3, 4,..., M) aufeinanderfolgenden Herzzyklen• Verbesserung der Zeitauflösung um bis zu Faktor 1/M (theoretisch)• Weitere Pitchreduzierung erforderlich.
Delay
R R
Zeit
z-Position
N·h Delay
R R
Zeit
z-Position
N·h Delay
R R
Zeit
z-Position
N·h Delay
R R
Zeit
z-P
ositi
onN
·h
Subsegment 1
Projektions-winkel αn
90°
Delay
R R
Zeit
z-P
ositi
onN
·h
Subsegment 1
Projektions-winkel αn
Subsegment 2
90°
90°
Zeitauflösung: normalerweise Rotationszeit / 2 (z.B. 200 ms bei trot = 0.4 s)
9
Prospektives vs. retrospektives Gating
prospektiv retrospektiv
Nachteil Anfällig beiHerzhythmus-schwankungen
Dosis(Strahlung imgesamten Zyklus)
Vorteil Dosis (Strahlung nur imZeitfenster)
Flexibilität,3D-Datensatz,alle Phasen
Hauptanwen-dungsgebiet
Kalzium-Scoring,Perfusion
CTA der Koronarien (*),Herzfunktion
Lage desZeitfensters
vorabfestgelegt
nachträglichfrei wählbar
Scanmodus sequentiell spiral
(*) CCTA bei ausreichend breiten Detektoren neuerdings auch prospektiv (‚Step & Shoot‘)
10
Gegated vs. ungegated
• 140 kV• 399 mAs (effektiv)• Pitch 0.2• 80 mAs (elektrisch)
• SD (ungegated): 9.0 HE• SD (gegated): 20.3 HE• entspricht Dosis * 1/5
Retrospektives Gating:
Bildwirksam:Elektrische mAs
(d.h. eff. mAs * Pitch)
Dosisrelevant:Effektive mAs
ungegated gegated
mAs-Nomenklatur:- GE, Toshiba: elektrische mAs- Philips, Siemens: effektive mAs = el. mAs/Pitch- Siemens (neu, nur bei gegateten Untersuchungen):
„mAs/rot.“ = elektrische mAs für 360°-Vollrotation
11
CCTA mit prospektivem Gating
Step&shoot cardiac CTA
0
2
4
6
8
10
12
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Heart rate (bpm)
Effe
ctiv
e do
se (m
Sv) step&shoot
Step&shoot cardiac CTA
0
2
4
6
8
10
12
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Heart rate (bpm)
Effe
ctiv
e do
se (m
Sv) step&shoot
helical
Step&shoot cardiac CTA
0
2
4
6
8
10
12
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Heart rate (bpm)
Effe
ctiv
e do
se (m
Sv) step&shoot
helicalhel. w. TDM
• Erheblich reduzierte Dosis (< 3 mSv)• Einschränkung: niedrige Herzraten, keine Funktionsdarstellung• Voraussetzung: breiter Detektor (≥ 40 mm), sonst Scanzeit zu lang.
Step&shoot cardiac CTA
0
2
4
6
8
10
12
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Heart rate (bpm)
Effe
ctiv
e do
se (m
Sv) step&shoot
useablehelicalhel. w. TDM
12
• Technische Mindestausstattung
• Scanmodus
• Aktuelles Dosisniveau
• Dosisautomatik
• Spannungseinstellung
• Iterative Rekonstruktion
• Beispiel.
Agenda
13
Strahlenexposition kardiovaskuläre CT
• Basis: Protokollempfehlungen in Bruening et al.• Alle Protokolle ohne zeitliche Dosismodulation• Alle (bis auf Calcium Scoring ) im Spiralmodus aufgenommen und retrospektiv gegated• In der Praxis abweichende Werte je nach Anwenderpräferenz.
0
10
20
30
40
50
60
Calciumscoring
CoronaryCTA
Bypass graftimaging
Triplerule-out
Gatedaorta
Type of examination
Effe
ctiv
e do
se (m
Sv)
0
10
20
30
40
50
60
Calciumscoring
CoronaryCTA
Bypass graftimaging
Triplerule-out
Gatedaorta
Type of examination
Effe
ctiv
e do
se (m
Sv)
4-slice
0
10
20
30
40
50
60
Calciumscoring
CoronaryCTA
Bypass graftimaging
Triplerule-out
Gatedaorta
Type of examination
Effe
ctiv
e do
se (m
Sv)
4-slice16-slice
0
10
20
30
40
50
60
Calciumscoring
CoronaryCTA
Bypass graftimaging
Triplerule-out
Gatedaorta
Type of examination
Effe
ctiv
e do
se (m
Sv)
4-slice16-slice64-slice
Q: Bruening et al., Protocols for Multislice CT 2nd ed., Springer 2006
Typische Effektivdosiswerte für Herz- und andere gegatete CT-Untersuchungen
3 (1) mSv
10-15 mSv15-20 mSv
15-25 mSv
30-50 mSv
14
Relatives Dosisniveau (Pitchabhängigkeit)
0%
100%
200%
300%
400%
500%
600%
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Pitch
Rel
ativ
e do
se le
vel
• Signifikante erhöhtes Dosisniveau wegen Notwendigkeit kleiner Pitchwerte• Großteil der Expositionszeit ungenutzt• 4 -> 64-Schicht-CT: verbesserte Zeitauflösung, mit mehr Dosis erkauft.
4-slice
16-slice
64-slice
15
Strahlenexposition 64-Schicht-CT
Hausleiter et al. (JAMA 2008)
GEVCT6419 mSv
PhilipsB64
10 mSv
SiemensS64
9 mSv
SiemensD64
11 mSv
ToshibaAQI6415 mSv
• Ergebnisse einer Multi-Center-Studie, basierend auf eingereichten Fallbeispielen• Mehrzahl der Anwender mit Nutzung der zeitlichen Dosismodulation• Effektivdosisabschätzung aus DLP mit Konversionsfaktor k = 0.014 mSv/mGycm.
Ergebnisse der PROTECTION I Multi-Center-Studie
16
• Effektivdosisberechnung (ICRP103) mit Konversionsfaktor k = 0.021 mSv/mGy·cm• CCTA retrospektiv: Dosis vergleichbar mit PROTECTION I-Studie• CCTA prospektiv: nur knapp Faktor 2 weniger• Weit oberhalb dessen, was technisch möglich• Gründe ???
Ergebnisse CT-Umfrage 2012
CCTA retrospektiv gegated
Mittel: 12.5 mSv
CCTA prospektiv gegated
Mittel: 7.3 mSv
17
Diagnostische Referenzwerte 2016
• Kardio-CT: DRW nur für CCTA prospektiv• DLP von 330 mGy·cm entspricht Effektivdosis (ICRP103) von 7 mSv.
18
• Technische Mindestausstattung
• Scanmodus
• Aktuelles Dosisniveau
• Dosisautomatik
• Spannungseinstellung
• Iterative Rekonstruktion
• Beispiel.
Agenda
19
Verfeinerung:Anguläre (x-y-) Doismodulation (ADM)Dosisanpassung an Patientquerschnitt
A
B
Increasedattenuation
Reducedattenuation
100%
A B A B A
50%
Standard mAs
Average mAs
Modulated mAs
Projectionangle
0%
Verfeinerung:Longitudinale (z-) Dosismodulation (LDM)Dosisanpassung an lokale Patientdicke
100%
50%z-axis
Standard mAs
Average mAs
Modulated mAs
Verfeinerung:Zeitliche Dosismodulation (TDM)Dosisreduktion außerhalb genutzter Herzphasen
20
40
60
80
100
Rel
ativ
e tu
be c
urre
nt (%
)
0
Time (s)n n+1 n+2 n+3
400 ms
250 ms
ECG signalTube current Data window
Grundfunktion:Belichtungsautomatik (BA)Dosisanpassung an Patientenstatur
±0%(bis -35%)
bis -30%
bis -40%
bis -40%
bis -50%
Dosisautomatik: Funktionalitäten
20
Zeitliche Dosismodulation (ECG-Pulsing)
20
40
60
80
100
Rel
ativ
er R
öhre
nstro
m (%
)
0
Zeit (s)n n+1 n+2 n+3
250 ms
EKG-Signal
20
40
60
80
100
Rel
ativ
er R
öhre
nstro
m (%
)
0
Zeit (s)n n+1 n+2 n+3
250 ms
EKG-Signal Datenfenster
20
40
60
80
100
Rel
ativ
er R
öhre
nstro
m (%
)
0
Zeit (s)n n+1 n+2 n+3
400 ms
250 ms
EKG-SignalRöhrenstrom Datenfenster
• ECG-Pulsing: EKG-gesteuerte Röhrenstrommodulation• Max. Strom während gewünschter Herzphase(n)• Strom außerhalb auf 20% reduziert• Ermöglicht dynamische Darstellungen über gesamten Herzzyklus• Dosisreduktion je nach Herzrate und Phasenanzahl bis zu 50%• Realistisch: 10 - 30% Dosiseinsparung.
21
20
40
60
80
100
Rel
ativ
er R
öhre
nstro
m (%
)
0
Zeit (s)n n+1 n+2 n+3
EKG-SignalRöhrenstrom Datenfenster
Zeitliche Dosismodulation (ECG-Pulsing)
• ECG-Pulsing: EKG-gesteuerte Röhrenstrommodulation• Max. Strom während gewünschter Herzphase(n)• Strom außerhalb auf 20% reduziert• Ermöglicht dynamische Darstellungen über gesamten Herzzyklus• Dosisreduktion je nach Herzrate und Phasenanzahl bis zu 50%• Realistisch: 10 - 30% Dosiseinsparung.
22
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
30 45 60 75 90 105 120 135
Heart rate (bpm)
Dos
e sa
ving
sone phaseexpected
DoseRight Cardiac: Regelcharakteristik
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
30 45 60 75 90 105 120 135
Heart rate (bpm)
Dos
e sa
ving
supper limitone phaseexpected
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
30 45 60 75 90 105 120 135
Heart rate (bpm)
Dos
e sa
ving
s upper limitone phaseexpected40%+75%expected
Testprozedur
Protokoll: • U = 120 kV• Qprot = 800 mAs• BW = 64x0.625mm• p = 0.2• hrec = 0.8 mm• DoseRight: Cardiac• Kernel: CB
EKG-Phantom
23
• Technische Mindestausstattung
• Scanmodus
• Aktuelles Dosisniveau
• Dosisautomatik
• Spannungseinstellung
• Iterative Rekonstruktion
• Beispiel.
Agenda
24
Aufnahmespannung < 120 kV
Relatives (Kontrast-Rausch-Verhältnis)2 bei gleicher Patientendosis
CNR2
(rel.)
0255075
100125150175200225
Gewebe/Fett Knochen Jod
80 kV 100 kV 120 kV 140 kV
Gewinnzone
Verlustzone
• Reduzierte Aufnahmespannungen nur bei Jod-KM vorteilhafter• Speziell bei CT-Angiographien• Nutzbar zur Bildqualitätsverbesserung, Dosis- oder KM-Reduzierung.
25
Neu: Spannungsautomatik
Relatives (Kontrast-Rausch-Verhältnis)2 bei gleicher Patientendosis
CNR2
(rel.)
0255075
100125150175200225
Gewebe/Fett Knochen Jod
80 kV 100 kV 120 kV 140 kV
Gewinnzone
Verlustzone
• Reduzierte Aufnahmespannungen nur bei Jod-KM vorteilhafter• Speziell bei CT-Angiographien• Nutzbar zur Bildqualitätsverbesserung, Dosis- oder KM-Reduzierung.
Q: Somatom Sessions Juni 201126
• Technische Mindestausstattung
• Scanmodus
• Aktuelles Dosisniveau
• Dosisautomatik
• Spannungseinstellung
• Iterative Rekonstruktion
• Beispiel.
Agenda
27
Filtered BackProjection (FBP)
FBP +Postprocessing
1st Generation IterativeReconstruction
Next GenerationIterative Reconstruction
Standard-Verfahrenschnell
verrauschtartefakt-anfällig
Alle Hersteller
nur bilddaten-basiertrelativ schnell
rauschreduziertartefakt-anfällig
IRIS (Siemens)AIDR (Toshiba)
SharpViewandere Drittanbieter
roh- und bilddaten-basiertvereinfachte Modellierungerhöhter Rechenbedarf
rauschreduziertartefakt-reduziert
ASIR/ASIR-V (GE)iDose4 (Philips)
SAFIRE/ADMIRE (Siemens)AIDR3D (Toshiba)
roh- und bilddaten-basiertdetaillierte Modellierungsehr hoher Rechenbedarf
rauscharmartefaktarm
Veo (GE)IMR (Philips)
FIRST (Toshiba)
Iterative Rekonstruktion
28
Rohdatenbereich Bilddatenbereich
Bild
raus
chen
Det
ekto
rsig
nal
Artefaktreduktion Rauschreduktion
Iterative Rekonstruktion - roh- und bilddatenbasiert
29
IR-Evaluierungsstudie NeussVergleich 1st Generation IR mit herkömmlicher Rekonstruktion (FBP) bei CCTA
A. Objektive Bildbewertung
• Rauschen mit steigender IR-Stufe abnehmend• Kontraste (z.B. Aorta vs. Muskel) konstant bleibend• Kontrast-Rausch-Verhältnis umso höher, je stärker die gewählte IR-Stufe.
* Publikation: Kröpil et al., RöFo 2014
36
IR-Evaluierungsstudie NeussVergleich 1st Generation IR mit herkömmlicher Rekonstruktion (FBP) bei CCTA
B. Subjektive Bildbewertung
• Score von 1 (= excellent) bis 4 (= non-diagnostic)• Verbesserung mit steigender IR-Stufe - bis mittlere iDose-Stufe (Level 4)• Jenseits iDose Level 4 jedoch zunehmend schlechter bewertet.
* Publikation: Kröpil et al., RöFo 2014
37
Limitationen 1st Generation IR
Limitationen bei kleinen Details mit mittlerem und niedrigem Kontrast• Unterscheidung zwischen Detail und Rauschen zunehmend schwierig
• insbesondere bei reduzierter Dosis
• äußert sich in abnehmendem Detailkontrast, wahrnehmbar als „Unschärfe“
• am unkritischsten bei Hochkontrast-Fragestellungen (z.B. Lunge)
• am deutlichsten bei Niedrigkontrast-Fragestellungen (z.B. CCT)
Betrifft IR-Lösungen aller Hersteller.
38
• Technische Mindestausstattung
• Scanmodus
• Aktuelles Dosisniveau
• Dosisautomatik
• Spannungseinstellung
• Iterative Rekonstruktion
• Beispiel.
Agenda
39
CCTA mit weniger als 1 mSv ?
• Maßnahmen: BMI-Adaption, Spannungsreduzierung, Verzicht auf Padding• Erprobung im Routinebetrieb (HR bis max. 80 bpm) • n = 43 Patienten (17 w., 26 m.) mit mittl. BMI von 25.9• knapp 50% unter BMI 26, damit weniger als 1 mSv Effektivdosis *• Durchschnittliche Effektivdosis: 1.0 mSv *
Applikationsstudie Step & Shoot mit Einröhrengerät (Brilliance iCT)
* mit k = 0.014 mSv/mGyxcm für 12.5 cm Abbildungsbereich
SM
LXL
XXL
XXXLS
M
L
XL
80kV100kV
100kV100kV
120kV
140kV
40
75% R-R
Padding
• Prospektives Gating: Herzphase vorab festgelegt (i.d.R. 75% R-R)• Artefakte bei zwischenzeitlicher Änderung der Herzfrequenz• Lösung: zeitlich erweiterte Datenakquisition (‚Padding‘, ‚Phase Tolerance‘)
- minimal erforderlich: 240°- Reserve von ±5% R-R @ 50 bpm erfordert 130 ms zusätzlich- 360° @ 0.40s Rotationszeit, 410° @ 0.27s Rotationszeit
75% R-R
60 bpm 65 bpm
• Nutzbar zur Korrektur von Herzfrequenzschwankungen (±5 bpm)• Verbesserte Stabilität, mit 1.5 - 1.7-fach erhöhter Dosis erkauft.
41
Wesentliche Maßnahmen zur Optimierung• Technische Mindestanforderung: 64-Zeilen-Scanner• Scanmodus: möglichst prospektiv gegated (‚Step & Shoot‘)
‣ Ansonsten zeitliche Dosismodulation verwenden
• Dosisadaption: Dosisautomatik ‣ Alternativ nach BMI (4-6 Gruppen)
• Spannung: 70 - 100 kV‣ 120 - 140 kV nur, wenn Röhrenleistung nicht ausreicht
• ‚Padding‘: nur, wenn tatsächlich zur Phasenkorrektur genutzt• Dosiseinstellung (CTDIvol) für Normalpatient (BMI 25)
• 5-10 mGy (prospektiv), 20-40 mGy (retrospektiv)
• Iterative Rekonstruktion: mittlere Stufe‣ Damit weitere Dosisreduktion um 50% möglich.
Resumée
42
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