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

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Präsentation zum Thema: "Grundlagen der Röntgen-Computer-Tomographie und biomedizinische + materialwiss. Anwendungen Wolfgang Dreher Universität Bremen Fachbereich 2 (Biologie/Chemie)"—  Präsentation transkript:

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

2 Literatur WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Grundlagen und Anwendungen der Röntgen-Computer-Tomographie Literatur: H. Morneburg (Hrsg.): Bildgebende Verfahren für die medizinische Diagnostik, Publicis, A. Oppelt (Ed.): Imaging Systems for Medical Diagnostics, Publicis, W.A. Kalender: Computertomographie, Publicis, (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 WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 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

4 Vorarbeiten zur CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Röntgen-Strahlen (X-Strahlen) Wilhem Conrad Röntgen ( ) 1. Nobelpreis für Physik 1901 "… 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 Bild der rechten Hand von Frau Röntgen ( )

5 Vorarbeiten zur CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Prinzip einer Röntgenaufnahme Röntgenröhre Schwächung der Röntgenstrahlen im Messobjekt Strahlendetektor Blendensystem Messobjekt Strahlenintensität I 0 reduzierte Strahlenintensität I(x,y)

6 Vorarbeiten zur CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Erzeugung von Röntgenstrahlen U R = kV Glühkathode Anode kontin. Brems- Strahlung charakt. Strahlung E / keV U R = 80 kV 100 kV 120 kV 140 kV Photonenzahl /bel. Einh Röntgen-Spektrum (Wolfram-Anode) Grenzenergie: E max = e. U R = h. max für U R = 100 kV: max = Hz min = nm Aufhärtung Vakuum- röhre

7 Vorarbeiten zur CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie Absorption von Röntgenstrahlen durch 10 cm Wasserschicht aus: Wachsmann/Drexler: Kurven und Tabellen für die Radiologie. 2. Aufl., Berlin: Springer-Verlag,1976. vollständige Energieübertragung auf Elektronen inkohärente Streuung an Elektronen Bildung eines Elektron-Positron- Paares (E > 2 * 511 keV)

8 Vorarbeiten zur CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie für = (x,y,z) : (Linienintegral) (Lambert-Beersches Gesetz) N0N0N0N0 N d =const. Differentielle Abschwächung in einer dünnen Schicht: dN = -. N(x). dx N(x)... Zahl der auftreffenden Quanten dx... Schichtdicke = Photo + Comp +... totaler Schwächungskoeffizient Materialabhängigkeit von (E,Z, ), Z... (eff.) Ordnungszahl... Dichte des Materials

9 Vorarbeiten zur CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Materialabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten: (E,Z, ) = Photo (E,Z, ) + Comp (E,Z, ) E... Energie der Röntgenstrahlen, Z... (effektive) Ordnungszahl... Dichte des Materials = f(E,Z)... Massenschwächungskoeffizient Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie Massenschwächungskoeffizienten als Fkt(E) (bezogen auf Wasser)

10 Vorarbeiten zur CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) analoge Detektion (Röntgenfilm) Detektion von Röntgenstrahlen in CT z.Z. zwei Detektortypen eingesetzt: – –Ionisationskammern (Hochdruck-Xenon-) – –Szintillationsdetektoren (Cäsium-Jodid, Cadmium- Wolframat, keramische Stoffe) in der CT: Erfassung digitaler Signale notwendig Detektorsystem: – –Detektorelement (Röntgenstrahlen => elektr. Signale) – –Verstärker – –Analog/Digital-Wandler

11 Erfindung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Röntgenbild Röntgen-Tomogramm ? lateral a.p. 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. (x,y) unendlich viele Linienintegrale (x,y) unendlich viele Linienintegrale (x i,y j ) endlich viele Projektionen ? (x i,y j ) endlich viele Projektionen ? (x,y) (x,y) (x 3,y 2 ) (x 3,y 2 )

12 Erfindung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Erfindung der CT: direkte Vorarbeiten Allen M. Cormack ( ) 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, (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 WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Erfindung der CT Godfrey M. Hounsfield ( ) Arbeit in EMI Labs seit 1967 Arbeit zur CT Kopf-CT, /73 erste Ergebnisse und Publikation zur Computerised Tomography – – Hounsfield GN: Computerised transverse axial scanning (tomography). I. Description of system. Br J Radiol 46: , – – Ambrose J: Computerised transverse axial scanning (tomography). II. Clinical application. Br J Radiol 46: , Nobelpreis für Medizin 1979

14 Erfindung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Aufbau und Funktionsweise eines CT Erster klinischer EMI Scanner (Prototyp) im Atkinson Morleys Hospital, London. Funktion nach Translations-Rotations-Verfahren. (aus: G.M. Hounsfield, Nobelvortrag, 1979)

15 Grundprinzip der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Aufbau und Funktionsweise eines CT Translations-Rotations-Verfahren (CT der 1. Generation)

16 Grundprinzip der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Bildrekonstruktion: Algebraische Lösung S 1 = S 2 = S 4 = S 3 = Reko = Lösung eines Gleichungssystems Reko = Lösung eines Gleichungssystems besser (Rauschen !): besser (Rauschen !): überbestimmtes Gleichungssystem (iterative Lösung) S1S1S1S1 S2S2S2S2 S3S3S3S S4S4S4S4 S5S5S5S5 S6S6S6S6 S7S7S7S7 S8S8S8S8 S9S9S9S9 S 12 S 11 S 10 für große Bildmatrizen: für große Bildmatrizen: unpraktikabler Zugang ! unpraktikabler Zugang !

17 Grundprinzip der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Bildrekonstruktion: einfache Rückprojektion x y s r Detektor: I(r, ) I(r, ) Röntgenquelle: I 0 (x,y) (x,y) einfache Rückprojektion: für N Projektionen Wieviele Projektionen N sind für Bild der Matrixgröße (M,M) notwendig ?

18 Grundprinzip der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Bildrekonstruktion: einfache Rückprojektion Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, =1°) einfache Rückprojektion simuliertes Phantom

19 Grundprinzip der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Bildrekonstruktion: 2D-FFT nach Interpolation betrachten FT p(k, ) einer Projektion: d.h. Option 1: Bildrekonstruktion durch 2D FFT nach Interpolation von Polar- auf kartesische Koordinaten ! in kartesischen Koordinaten:

20 Grundprinzip der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion Option 2: Bild-Rekonstruktion durch gefilterte Rückprojektion In Polarkoordinaten: gefilterte Projektion

21 Grundprinzip der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion Filterung: weich Standard hart

22 Grundprinzip der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, =1°) einfache Rückprojektion gefilterte Rückprojektion simuliertes Phantom

23 Grundprinzip der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Dargestellte Bildintensität: die CT-Zahlen Schwächungskoeffizient G nicht direkt dargestellt, sondern: HU... Hounsfield Unit

24 Entwicklungsetappen der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 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 WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen verwendet für Vorexperimente in EMI-Labs Parallelstrahlverfahren => einfache Bildrekonstruktion verwendet für erste Publikationen deutlich gesenkte Messzeit modifizierte Bildrekonstruktion

26 Entwicklungsetappen der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen 3.(1976) Generation: Fächerstrahl-Verfahren keine Translation, nur Rotation 4.(1978) Röntgenquelle rotiert Röntgendetektor rotiert Röntgenquelle rotiert Röntgendetektor fixiert

27 Entwicklungsetappen der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Aufbau einer Röntgen-CT-Einheit Bedienpult + Rechner Patientenliege Gantry (Messeinheit) Bedienraum Untersuchungs- raum

28 Entwicklungsetappen der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 80iger Jahre: Schnelle Einzelschichtmessungen Typische Parameter für CT-Tomographen (nach W. Kalender, Computertomographie, Publicis, 2006) min. Messzeit300 s5-10 s1-2 s s Daten pro 360°60 kB1 MB1-2 MB MB Daten pro Spiralscan MB0.2-4 GB Bildmatrix80*80256*256512* , 1K 2 Leistung2 kW10 kW40 kW kW Schichtdicke13 mm2-10 mm1-10 mm mm Ortsauflösung3.3 mm1 mm0.8 mm mm

29 Entwicklungsetappen der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 80iger Jahre: Die Schleifringtechnik Bewegung der Gantry: alternierende Rotationsrichtung kontinuierliche Rotation Hochspannung Messdaten Röntgen- röhre Detektorring Detektor- elektronik schnellere Einzelschicht- messungen Spiral-CT

30 Entwicklungsetappen der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 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

31 Entwicklungsetappen der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 90iger Jahre: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren GE Light Speed 16-Zeilen 4 Schichten variabler Dicke deutliche Messzeitsenkung ! Röntgenquelle: Fächerstrahl Kegelstrahl ! modifizierte Rekonstruktion notwendig !

32 Entwicklungsetappen der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 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 WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Anwendungsbereiche der CT breite Anwendung in der Radiologie 2007: ~ 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 WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 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

35 Anwendung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Beispiele Toshiba Aquilion 64: 0.5 mm isotrope Auflösung CT der Lunge mit Läsion (Charité, Berlin) (120 kV, 2 Hz) Kontrastmittelverstärkte CT-Bildgebung der Herzgefäße (Universität Leiden) (120 kV; 2.5 Hz; Kontrastmittelgabe: 100 ml Iomeron 400 i.v., 4 ml/s

36 Anwendung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 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 WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 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 WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Entwicklungen Toshiba, 2006: 256 Schichten a 0.5 mm 12.8 cm Volumen / Rotation ! JahrDetektor- zeilen Schichten/ Rotation *-6464 (Klinik) (Prototyp) * mit Springfokus-Technologie

39 Entwicklung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Probleme ?! JahrRotations- frequenz Schichten a 0.5 mm/ Rotation bb Hz zukünftig ?5-10 Hz ?? ?? technische / praktische Probleme ? Gantry: 600 kg, R= 0.6 m, 3 Hz F = m a = m R: a ~ 22 g ! Volumen: 12.8 cm in 0.33 s v Tisch ~ 40 cm/s ! Fliehkräfte ! Tischgeschwindigkeit !

40 Entwicklung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Phantasie zur Geräteentwicklung ? CT der 3. Generation

41 Entwicklung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Mehrquellen-CT-Systeme gleiche Energie: höhere Zeit- und/oder räumliche Auflösung verschiedene Energie: verbesserter Bildkontrast ( = (E) !) seit Ende 2005 erster Prototyp (2 Röhren – 2 Detektorbögen) seit 2006 kommerziell verfügbar (Siemens Definition)

42 Entwicklung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 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 WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 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 WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Mikro-CT: prä- und nicht-klinische CT seit 90iger Jahren in-vitro-Messungen Ortsauflösung: < m rotierende Probe / ruhende Gantry 3D Bild eines Knochens - Auflösung: 6 m - Osteoporose ? Lungenprobe einer Maus (Fa. Scyscan) - -Voxelgröße: 5.7 m - -3D-Eindruck durch MIP Prinzip des Aufbaus eines -CT

45 Anwendung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) nicht-klinische -CT und nano-CT Beispiel der belgischen Fa. ScyScan Quelle: Objekt: kleine SMD-Spule in Plastikgehäuse (SMD=surface mounted device) Scanner: SkyScan1172 /100kV Bild: Schattenprojektion (links) and drei orthogonale Schichten (rechts) 7 m Pixel.

46 Anwendung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) nicht-klinische -CT und nano-CT Beispiel der belgischen Fa. ScyScan Quelle: Objekt: kleine SMD Spule in Plastikgehäuse Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp Bild: 3D-Rekonstruktion 7 m Pixel.

47 Anwendung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) nicht-klinische -CT und nano-CT Beispiel der belgischen Fa. ScyScan und der Kath. Univ. Leuven Quelle: Objekt: Carbon-Schaum Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp Bild: eine der aus dem 3D-Datensatz rekonstruierten 2D-Schichten 1.5 m Pixel.

48 Anwendung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) nicht-klinische -CT und nano-CT Beispiel der belgischen Fa. ScyScan und der Kath. Univ. Leuven Quelle: Objekt: Carbon-Schaum Scanner: SkyScan1172 /100kV / 10Mp Bild: 3D-Datensatz 1.5 m Pixel.

49 Anwendung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) nicht-klinische -CT und nano-CT z. B. SkyScan 2011 der belgischen Fa. ScyScan Quelle: nano-CT scanner höchste Auflösung: 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 WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) nicht-klinische -CT und nano-CT z. B. SkyScan 2011 der belgischen Fa. ScyScan Quelle: nano-CT scanner höchste Auflösung: 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

51 Anwendung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) nicht-klinische -CT und nano-CT z. B. SkyScan 2011 der belgischen Fa. ScyScan Quelle: nano-CT scanner höchste Auflösung: nm Röntgenquelle mit Focusgröße < 400 nm Sehr exakte Probenpositionierung und -rotation (< 100 nm) CCD-Detektor mit Einzelphotonen- Empfindlichkeit 3D-Volumenrekonstruktion von Holz, 290 nm Voxel

52 Strahlenbelastung durch CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Minimierung der Strahlendosis Begriffe: biologische Wirkung: Äquivalenzdosis = Energiedosis. Qualitätsfaktor H = D. Q (1 J/kg=1 Sv) Q... Qualitätsfaktor = Fkt(m, )... für Röntgenstrahlen Q ~ 5-20 natürliche Strahlenbelastung pro Jahr: ~ 3 mSv / Jahr (USA) effektive Dosis von CT-Messungen: Fkt(U a, I 0, T, k 0 ) Fkt(Organ, Volumen) typ. Werte: 3-10 mSv (lokale Mess.) mSv (Ganzkörper) räumliche Inhomogenität höher in kritischen Organen (Auge, Lunge) Gefährlichkeit ? z. Z. vielfältige Maßnahmen zur Dosisreduktion – –Detektoren optimieren – –I 0 minimieren / modulieren (I 0 =I 0 ( ))

53 aktuelle Entwicklung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Kombination mit anderen Bildgebungsverfahren CTPETNMR Signalquelle Röntgenstr. ( keV) -Strahlen (511 keV) HF-Str. ( Mhz) Ortsauflösung+++o++ Funktion (Metab.)-+++ Kontrast Aufwand + Kostenmittelsehr hochhoch Risikomittelhochgering Hardware- + Software-Kombination Software-Kombination

54 aktuelle Entwicklung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) Kombination CT + PET PET/CT-Systeme seit Mitte 90iger Jahre 2005: >500 Installationen zunehmende Bedeutung (auch -PET/CT) Prinzip eines PET/CT-Systems (Siemens Biograph) (aus: W. Kalender: Computertomographie, 2006) Lungenuntersuchung mittels PET/CT

55 aktuelle Entwicklung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) 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 ?

56 Anwendung der CT WS 2011/2012 W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik) weitere medizinische Beispiele und Informationen z.B. in …


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