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APT-Seminar, Göttingen, 16.6.2017

CT der Brust-

Technische Entwicklungen

Willi Kalender, PhDInstitut für Medizinische Physik

Universität Erlangen

http://www.imp.uni-erlangen.de

Brustkrebs-Screeningmit Mammographie

wird häufig hinterfragt!

Die Nachweisempfindlichkeitwird allgemein mit60-80% angegeben.

Sensitivity 63% - 78%Report and metanalysis of state-of-the-art breastcancer screening and monitoring approaches. Dep. of Radiology, Erasmus MC, Rotterdam 2009

Performance of mammographyin breast cancer screening:

Sensitivity 62% - 88%Carney et al. Annals of Internal Medicine 2003

Projektionsbild vs. CT-Schnittbild (gleicher Patient, gleicher Tag)

Nur die Strukturen in der jeweiligen Schnittbildebene

werden dargestellt.

Alle Strukturen entlang der Strahlenvon der Quelle zum Bildpunktüberlagern sich und könnenwichtige Details verdecken.

Bilder: Prof. Michael Lell, Nürnberg AC Rößler, W. Kalender et al.; DOI 10.1016/j.acra.2016.09.017g.

Projection images vs. spiral CT image (for the same mastectomy imaged on the same day)

All structures along a rayare superpositioned and

often obscure important details.

Only the structures in thesection of interest

are displayed.

AB-CT‘s breast CTTomosynthesisMammography

Dedizierte Brust-CTPatentiert und angekündigt als

“CT Mammography” in den 1970iger Jahren.

Chang et al., Cancer 46, 939–946 (1980)

Schichtdicke: 1 cm; Kontrastmittelgabe: 300 ml

Perrone A et al. AJR 2008; 190:1644-1651

”Dynamic MDCT can be used in the evaluation of selected patients with suspected breast tumours.“

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Dedizierte Brust-CT I Entwicklungen

an der UC Davis, CAseit den frühen 2000ern

durch Prof. John Boone

Bilder: Prof. John Boone, UC Davis

Kegelstrahl-CT-Geometriemit 40x30 cm² Flachdetektor

Prionas … Boone. Radiology 2010; 256:714-723

Lindfors KK, Boone JM et al. Radiology 2008; 246:725-733

Results: Overall, CT was equal to mammography for visualization of breast lesions. Breast CT was significantly better thanmammography for visualization of masses (p<0.002); mammography outperformed CT for visualization of micro-calcifications (p<0.006). CE Label und

FDA-Genehmigung 2015an folgende Bedingungen geknüpft:• nur in Verbindung mit

2-Projektions-Mammographie • kein Einsatzfür Screening

** http:www.koningcorporation.com.

Kegelstrahl-CT-Geometriemit 40x30 cm² Flachdetektor

Dedizierte Brust-CT IIEntwicklungen an der

U of Rochester, NYseit den frühen 2000erndurch Prof. Ruola Ning

Dedizierte Brust-CT Entwicklungen an der U of Rochester, NY,

seit den frühen 2000er durch Prof. Ruola Ning

O'Connell A. et al. AJR 2010; 195:496-509

Prof. Avice O'Connell ist zufrieden mit der Weichgewebedarstellung,bittet aber um höhere Ortsauflösung!

Zielvorgaben für Brust-CT:

• Ortsauflösung von 100 µm oder besser in allen drei Raumrichtungen

• Dynamische kontrastmittelverstärkte Bildgebung zur Differenzierung von benignen und malignen Läsionen

• Dosiswerte, die auch Mammographie-Screening erlauben

• Aufnahme ohne schmerzhafte Brustkompression

• Integrierte Biopsievorrichtung (optional)

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Ein neues Konzeptmit Entwicklung neuerDetektortechnologieund Einsatz vonSpiral-Scans..

Dedizierte Brust-CT IIIEntwicklungen an der FAU Erlangen, D,seit 2004durch Prof. W. Kalender

Danksagungen

• EU FP7“Dedicated CT of the female breast“. 1/2008-6/2010; PI: W.A. Kalender

• DFG-Forschergruppe“Multimodale Bildgebung für diePräklinische Forschung”, 10/2009-9/2012; PI: W.A. Kalender

• BMBF “Breast CT” 10/2010-4/2015; PI: W.A. Kalender

zu

Detektorkonzept für Brust-CT

Übergang von

10-60 s Kreis-Scan mit30 cm hohem Detektor

6-12 s Spiral-CT-Scan mit5,1 cm hohem Detektor

• CdTe-basierter photonenzählender Detektor• 100 % geometrische und Absorptionseffizienz

Kalender WA et al. Eur Radiol 2012; 22(1):1-8

Punktbildfunktionen

Strahlungsnachweisprinzipien

Photodioden + Transistoren-Matrix

Szintillator

Röntgenquant

Transistoren-Matrix

Direktkonverter, z.B. CdTe

Röntgenquant

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Messung der Ortsauflösungmit CdTe-Detektor

100 µm x 100 µm Detektorelemente

Die MTF-Messung mit 10 µm Draht belegt einen Wert derOrtsauflösung von 64 lp/cm bzw. 80 µm Detailgröße.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Spatial frequency / cm-1

MT

F

C/W = 0/1000

��

C/W = 350/2000

64 lp/cmbei 10% MTF

zentraler Draht10 µm Wolfram

32 mm Phantommit 10 µm Draht

Modulationstransferfunktion(MTF)

Abschätzungen der Patientendosismit validierten Monte-Carlo-Berechnungsverfahren

Beispiel: eine Brust mit 14 cm Durchmesser

Gemessene 3D CT-Volumendaten

Berechnete 3D-Dosisverteilungen

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Mittlere Brustdosis pro Scan AGD = 4,8 mGy

Effektive DosisE = 0,61 mSv pro

Zum Vergleich: Die natürliche Umgebungs-strahlung beträgt

E = 2,4 mSv pro Jahr

* J Boone. Persönl. Mitteilung; ** www.koningcorporation.com; *** Kalender WA et al. Eur Radiol (2017) 27:1081–1086

Parameter UC Davis (Boone *)

Koning Corp. (Ning **)

AB-CT (Kalender ***)

3D AuflösungMTF 10%-Wert,

2.00 lp/mm(250 µm)

1.56 lp/mm(320 µm)

6.50 lp/mm(80 µm)

AGD 4-16 mGy 7 mGy ± 20% 5 mGy

Das neue Brust-CT-Design bietet

deutlich verbesserte Auflösung

bei gleichzeitig reduzierter Patientendosis.

• .

Brust-CT: Aktueller Stand der Technik

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Testmessungen mit pcBCT in Erlangen

Alle physikalischen und technischen Tests wurden 2015 weitgehend abgeschlossen.

Messungen an Brustresektaten imdirekten Vergleich zu etablierten Verfahrenwaren angezeigt nd möglich.

Dafür standen zur Verfügung:� Digitale Mammographie (DM)

� Brust-Tomosynthese (BT)

� Photon-counting Brust CT (pcBCT)

� Initial 10 Brustresektate, Lumpektomien und Mastektomien.

Mammographie Tomosynthese pcBCT

1Projektionsbild

(20 mm dick)

56 Tomosynthesebilder

(? mm dick)

133 CT-Schichten(0.15 mm dick)

Teilresektat (Lumpektomie)im direkten Vergleich von

Kalender WA, Kolditz D, et al. Eur Radiol (2017) 27:1081–1086Rößler AC, Kalender WA, et al. ???

Mammographie Tomosynthese pcBCT

1 Projection image33 mm Dicke

33 Tomo slices33 mm Dicke

640 CT-Schichten95 mm Höhe

14 cm Durchmesser

Totalresektat (Mastektomie)im direkten Vergleich von

Kalender WA, Kolditz D, et al. Eur Radiol (2017) 27:1081–1086Rößler AC, Kalender WA, et al. ???

Ergebnis

Mammographie Tomosynthese pcBCT

Nachweis von Kalzifikationen [%] (N = 10)Mammographie Tomosynthese Brust-CT

73 70 100

Kalender WA, Kolditz D, et al. Eur Radiol (2017) 27:1081–1086Rößler AC, Kalender WA, et al. ???

Schlussfolgerungen zum Projekt „BCT“

� 3D Ortsauflösung,

� Erkennbarkeit von Mikrokalzifizkationen und

� Weichgewebedarstellung

bei einer Dosis <5 mGy!

Brust-CT mit photonenzählenden Detektoren und

Spiral-CT-Scans übertrifft Mammographie und

Tomosynthese bezüglich:

Brust-CT-Scannerder Fa. AB-CT GmbH:

Installation in der Klinik für Radiologie

Dedizierte Brust-CT:Wiegeht’s weiter?

Die Entwicklungen an der FAU Erlangen seit 2004

waren erfolgreich.Der klinische Beweissteht leider noch aus.

Das Gerät hat alle Prüfungenbestanden; die Genehmigung

durch das Bundesamt fürStrahlenSchutz steht noch aus.

AB-CT erwartet die CE-Zertifizierung im Okt. 2017

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• Brustuntersuchung ohne Kompression;

• Exzellente Weichgewebe-und Kontrastbildermit jodierten statt Gd-Kontrastmitteln;

• Hohe Auflösung bei zugleich niedriger Dosis, die in der klinischen CT bisher nicht erreicht werden;

• Bildpräsentation und Befundung erfolgenwie in der klinischen CT;

• Zweispektren-Verfahren sind in Vorbereitungund sind sehr vielversprechend bezügl. Gewebeanalyse und Kontrastmitteleinsatz;

Vorteile des“Erlanger Brust-CT-Designs”

Messungen mit einem CdTe-Detektor14 cm Mastektomie, 12 s scan, 5 mGy AGD

0 HU

Water-equivalent material (0 HU)

Polytetra-fluoroethylene

sphere

Foam

3D rendering of the modular QA phantom

Sections 1, 3, and 5 Section 2 Section 4

�

�

�

�

�

�

-1000 HU 30 HU

-30 HUHA100

0 HU

1 52

52

02

51

5

10

0

Section 1: CT value uniformity, image noise

Section 2: CT value linearity, CNRSection 3: CT value uniformity, image

noiseSection 4: Spatial resolution (3D sphere

MTF)Section 5: CT value uniformity, image noise

Ø140

1 52

52

02

51

5

10

0

Section 1: CT value uniformity, image noiseSection 2: CT value linearity, contrast-to-noise

ratioSection 3: CT value uniformity, image

noiseSection 4: Spatial resolution (3D sphere

MTF)Section 5: CT value uniformity, image

noiseØ140

3D rendering of the modular QA phantom

Positioning of the modular QA phantom in the BCT scanner

Phantom holder

Modular QA phantom

X-ray tube and its housing

Detector and its housing

Breast cover

Zwei Nachbetrachtungen!