Fachbereich 2 (Biologie/Chemie) 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 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) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Grundlagen und Anwendungen der Röntgen-Computer-Tomographie (X-CT, CT) ■■■ 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Röntgen-Strahlen (X-Strahlen) ■■■ Vorarbeiten zur CT Röntgen-Strahlen (X-Strahlen) Bild der rechten Hand von Frau Röntgen ( 22.12.1895) "… 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Prinzip einer Röntgenaufnahme ■■■ Vorarbeiten zur CT Prinzip einer Röntgenaufnahme Röntgenröhre Strahlenintensität I0 Blendensystem Schwächung der Röntgenstrahlen im Messobjekt Messobjekt reduzierte Strahlenintensität I(x,y) Strahlendetektor 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Erzeugung von Röntgenstrahlen ■■■ Vorarbeiten zur CT Erzeugung von Röntgenstrahlen Anode Glühkathode Vakuum- röhre UR=50-150 kV Röntgen-Spektrum (Wolfram-Anode) kontin. Brems- Strahlung charakt. Strahlung Grenzenergie: Emax = e . UR = h . nmax für UR = 100 kV: nmax = 2.42 . 1019 Hz lmin = 0.0124 nm UR = 80 kV 100 kV 120 kV 140 kV Photonenzahl /bel. Einh „Aufhärtung“ E / keV 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie ■■■ Vorarbeiten zur CT Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie Absorption von Röntgenstrahlen durch 10 cm Wasserschicht vollständige Energieübertragung auf Elektronen inkohärenteStreuung an Elektronen Bildung eines Elektron-Positron- Paares (E > 2 * 511 keV) aus: Wachsmann/Drexler: Kurven und Tabellen für die Radiologie. 2. Aufl., Berlin: Springer-Verlag,1976. 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie ■■■ Vorarbeiten zur CT 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“ (Lambert-Beer‘sches Gesetz) N0 N d m=const. Materialabhängigkeit von m: m(E,Z,r), Z ... (eff.) Ordnungszahl r ... Dichte des Materials für m = m(x,y,z) : (Linienintegral) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie ■■■ 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) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Detektion von Röntgenstrahlen ■■■ 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) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Röntgenbild Röntgen-Tomogramm ? ■■■ Erfindung der CT 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(x3,y2) m(x,y) a.p. lateral m(x,y)  unendlich viele Linienintegrale m(xi,yj)  endlich viele Projektionen ? 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Aufbau und Funktionsweise eines CT ■■■ 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) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Aufbau und Funktionsweise eines CT ■■■ Grundprinzip der CT Aufbau und Funktionsweise eines CT Translations-Rotations-Verfahren („CT der 1. Generation“) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Bildrekonstruktion: Algebraische Lösung ■■■ 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 S11 S5 S9 S8 S6 S10 S7 Reko = Lösung eines Gleichungssystems besser (Rauschen !): überbestimmtes Gleichungssystem (iterative Lösung) für große Bildmatrizen: unpraktikabler Zugang ! 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Bildrekonstruktion: einfache Rückprojektion ■■■ Grundprinzip der CT Bildrekonstruktion: einfache Rückprojektion Röntgenquelle: I0 s y „einfache Rückprojektion“: für N Projektionen m(x,y) r f x Detektor: I(r,f) Wieviele Projektionen N sind für Bild der Matrixgröße (M,M) notwendig ? 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Bildrekonstruktion: einfache Rückprojektion ■■■ Grundprinzip der CT Bildrekonstruktion: einfache Rückprojektion Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, Df=1°) 100 50 75 einfache Rückprojektion simuliertes Phantom 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Bildrekonstruktion: 2D-FFT nach Interpolation ■■■ 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 ! 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion ■■■ Grundprinzip der CT Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion In Polarkoordinaten: „gefilterte Projektion“ Option 2: Bild-Rekonstruktion durch „gefilterte Rückprojektion“ 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion ■■■ Grundprinzip der CT Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion Filterung: weich Standard hart 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion ■■■ Grundprinzip der CT Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion Vergleich zwischen einfacher und gefilterter Rückprojektion für simuliertes Phantom mit drei Intensitäten (128*128-Bild, 180 Projektionen, Df=1°) 100 50 75 einfache Rückprojektion gefilterte Rückprojektion simuliertes Phantom 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Dargestellte Bildintensität: die „CT-Zahlen“ ■■■ Grundprinzip der CT Dargestellte Bildintensität: die „CT-Zahlen“ Schwächungskoeffizient mG nicht direkt dargestellt, sondern: HU ... „Hounsfield Unit“ 14.11.2011 ■ 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) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen ■■■ 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen ■■■ Entwicklungsetappen der CT 70iger Jahre: Die vier Gerätegenerationen 3. + 4. Generation: Fächerstrahl-Verfahren keine Translation, nur Rotation 3. (1976) 4. (1978) Röntgenquelle rotiert Röntgendetektor rotiert Röntgenquelle rotiert Röntgendetektor fixiert 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Aufbau einer Röntgen-CT-Einheit ■■■ Entwicklungsetappen der CT Aufbau einer Röntgen-CT-Einheit Untersuchungs-raum „Gantry“ (Messeinheit) Bedienraum Patientenliege Bedienpult + Rechner 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

80iger Jahre: Schnelle Einzelschichtmessungen ■■■ Entwicklungsetappen der CT 80iger Jahre: Schnelle Einzelschichtmessungen 1972 1980 1990 2005 min. Messzeit 300 s 5-10 s 1-2 s 0.33-0.5 s Daten pro 360° 60 kB 1 MB 1-2 MB 10-100 MB Daten pro Spiralscan - 24-48 MB 0.2-4 GB Bildmatrix 80*80 256*256 512*512 5122, 1K2 Leistung 2 kW 10 kW 40 kW 60-100 kW Schichtdicke 13 mm 2-10 mm 1-10 mm 0.4-1.0 mm Ortsauflösung 3.3 mm 1 mm 0.8 mm 0.4-0.8 mm Typische Parameter für CT-Tomographen (nach W. Kalender, Computertomographie, Publicis, 2006) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

80iger Jahre: Die Schleifringtechnik ■■■ Entwicklungsetappen der CT 80iger Jahre: Die Schleifringtechnik Bewegung der Gantry: alternierende Rotationsrichtung kontinuierliche Rotation Hochspannung Messdaten Röntgen- röhre Detektorring Detektor- elektronik schnellere Einzelschicht- messungen „Spiral-CT“ 14.11.2011 ■ 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 ■■■ Entwicklungsetappen der CT 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

90iger Jahre: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren ■■■ Entwicklungsetappen der CT 90iger Jahre: Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren GE Light Speed 16-Zeilen 4 Schichten variabler Dicke deutliche Messzeitsenkung ! Röntgenquelle: Fächerstrahl Kegelstrahl ! modifizierte Rekonstruktion notwendig ! 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren ■■■ 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 ! 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Anwendungsbereiche der CT ■■■ 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Beispiele ■■■ Anwendung der CT 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Beispiele ■■■ 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) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Beispiele ■■■ 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) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Dynamische CT: Anwendungsbeispiel ■■■ 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Entwicklungen ■■■ Anwendung der CT Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Entwicklungen Jahr Detektor-zeilen Schichten/ Rotation 1972 2 1998 8-34 4 2001 16-40 16 2004 40*-64 64 (Klinik) 256 256 (Prototyp) 2007 Toshiba, 2006: 256 Schichten a 0.5 mm 12.8 cm Volumen / Rotation ! * mit Springfokus-Technologie 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Probleme ?! ■■■ Entwicklung der CT Spiral-CT + Mehrzeilen-Detektoren: Probleme ?! Jahr Rotations- frequenz Schichten a 0.5 mm/ Rotation bb 2006 3-5 Hz 256-512 zukünftig ? 5-10 Hz ?? 512-1024 ?? technische / praktische Probleme ? Gantry: 600 kg, R= 0.6 m, 3 Hz F = m . a = m . w2.R: a ~ 22 g ! Fliehkräfte ! Tischgeschwindigkeit ! Volumen: 12.8 cm in 0.33 s vTisch ~ 40 cm/s ! 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Phantasie zur Geräteentwicklung ? ■■■ Entwicklung der CT Phantasie zur Geräteentwicklung ? CT der 3. Generation 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Mehrquellen-CT-Systeme ■■■ 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“) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Doppel-Quellen-CT Dual-Source-CT „Somatom Definition Flash“ (Siemens) ■■■ 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

noch offenen Themen … Hardware-Komponenten Rekonstruktionsalgorithmen ■■■ 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 … 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Mikro-CT: prä- und nicht-klinische CT ■■■ Anwendung der CT Mikro-CT: prä- und nicht-klinische CT 3D Bild eines Knochens - Auflösung: 6 mm - Osteoporose ? seit 90iger Jahren in-vitro-Messungen Ortsauflösung: < 5-100 mm rotierende Probe / ruhende Gantry Prinzip des Aufbaus eines m-CT Lungenprobe einer Maus (Fa. Scyscan) Voxelgröße: 5.7 mm 3D-Eindruck durch MIP 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische m-CT und nano-CT ■■■ 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische m-CT und nano-CT ■■■ 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische m-CT und nano-CT ■■■ 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische m-CT und nano-CT ■■■ 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische m-CT und nano-CT ■■■ 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische m-CT und nano-CT ■■■ 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 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

nicht-klinische m-CT und nano-CT ■■■ 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-Volumenrekonstruktion von Holz, 290 nm Voxel 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Minimierung der Strahlendosis ■■■ Strahlenbelastung durch CT Minimierung der Strahlendosis Begriffe: biologische Wirkung: Äquivalenzdosis = Energiedosis . Qualitätsfaktor H = D . Q (1 J/kg=1 Sv) Q ... Qualitätsfaktor = Fkt(m, n) ... für Röntgenstrahlen Q ~ 5-20 natürliche Strahlenbelastung pro Jahr: ~ 3 mSv / Jahr (USA) „effektive Dosis“ von CT-Messungen: Fkt(Ua , I0 , T, k0) Fkt(Organ, Volumen) typ. Werte: 3-10 mSv (lokale Mess.) 20-30 mSv (Ganzkörper) räumliche Inhomogenität höher in „kritischen Organen“ (Auge, Lunge) Gefährlichkeit ? z. Z. vielfältige Maßnahmen zur Dosisreduktion Detektoren optimieren I0 minimieren / modulieren (I0=I0(f)) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Kombination mit anderen Bildgebungsverfahren ■■■ aktuelle Entwicklung der CT Kombination mit anderen Bildgebungsverfahren CT PET NMR Signalquelle Röntgenstr. (50-150 keV) g-Strahlen (511 keV) HF-Str. (15-500 Mhz) Ortsauflösung +++ o ++ Funktion (Metab.) - + Kontrast Aufwand + Kosten mittel sehr hoch hoch Risiko gering Hardware- + Software-Kombination Software-Kombination 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Kombination CT + PET PET/CT-Systeme seit Mitte 90iger Jahre ■■■ aktuelle Entwicklung der CT Kombination CT + PET Lungenuntersuchung mittels PET/CT PET/CT-Systeme seit Mitte 90iger Jahre 2005: >500 Installationen zunehmende Bedeutung (auch m-PET/CT) Prinzip eines PET/CT-Systems („Siemens Biograph“) (aus: W. Kalender: Computertomographie, 2006) 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

Zukünftige Entwicklungen in der CT ■■■ aktuelle Entwicklung der CT 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 ? 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)

weitere medizinische Beispiele und Informationen z.B. in … ■■■ Anwendung der CT weitere medizinische Beispiele und Informationen z.B. in … 14.11.2011 ■ WS 2011/2012 ■ W. Dreher: Grundlagen und Anwendungen der X-CT (Ringvorlesung Analytik)