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 (prospektives Gating)

z-Position

Zeit

7

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.

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• 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

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• Technische Mindestausstattung

• Scanmodus

• Aktuelles Dosisniveau

• Dosisautomatik

• Spannungseinstellung

• Iterative Rekonstruktion

• Beispiel.

Agenda

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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

FBP iDose L1

iDose L4 iDose L7

30

FBP

31

iDose L1

32

iDose L4

33

iDose L7

34

FBP

35

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

Merci !

43