Nyvinninger innen computer tomografi

Transkript

1 1 Nyvinninger innen computer tomografi Røntgen transmisjons computer tomografi (CT) er kalt det største steg innen radiologi siden røntgenstrålens oppdagelse. Siden den første maskinen for klinisk bruk ble laget i 1972 har utviklingen av maskinene gått raskt. Dette skyldes mest av alt den enorme forandring som har skjedd innen elektronisk databehandling, men også andre hoveddeler som røntgenrør og detektorsystem er stadig under utvikling. Denne artikkelen tar for seg noen utviklingstrekk hos dagens computer tomografer. Kort om prinsippene En CT benytter sterkt kollimerte røntgenstråler til å danne et snittbilde. Prinsippet går ut på å måle transmisjonen av røntgenstrålen gjennom en pasient fra ulike vinkler. Intensiteten i den transmitterte røntgenstrålen er avhengig av attenuasjonskoeffisienten i vevet den passerer gjennom. Attenuasjonskoeffisienten avhenger av elektrontettheten og innslag av tyngre atomkjerner. Et CT-bilde representerer dermed fordelingen av massetetthet. Det er vanlig å dele CT'er inn i ulike generasjoner. De vanligste maskinene i dag går alle inn under 3. generasjons CT'er. Disse skiller seg fra 2. generasjons CT'er hovedsakelig ved at all bevegelse av røntgenrør og detektorer skjer i en sirkel rundt pasienten. 4. generasjons CT'er har detektorer hele veien rundt pasienten, men de blir uforholdsmessig dyre pga alle detektorene. Det finnes også en 5. generasjons maskin der konvensjonelt røntgenrør er byttet ut med en elektronkanon ("electron beam CT", "ultrafast CT") 1. Generasjonsinndelingen er viktigst for å skille de første utviklingsstadiene innen computer tomografi. Det største utviklingstrinnet de siste årene, spiral-ct (også kalt volum-ct, helical CT), fanges ikke opp av denne inndelingen. Spiral-CT Typisk for utviklingen av CT'er er at skantiden og rekonstruksjonstiden har sunket betraktelig, både pga bedre tekniske løsninger og raskere datamaskiner. De første CT'er beveget rør og detektorer både transversalt og sirkulært, men etter få år ble translasjonsbevegelsen kuttet ut. For ytterligere å øke hastigheten ble kablene fra røntgenrør og detektorer erstattet av sleperingskontakter. Dermed behøvde ikke kablene å "nøstes" tilbake, rotasjonsbevegelsen kunne skje kontinuerlig, og interskantiden ble kortere. Med konvensjonell teknikk kan et helt volum avbildes ved at snittene legges kant i kant, uten mellomrom, og avstanden mellom snittposisjonene blir lik snittykkelsen. Selv om skantiden er kort blir det en viss forsinkelse mellom hvert snittopptak mens bordet flyttes til neste snitt posisjon (og røret roteres i posisjon, dersom CT'en ikke har sleperingskontakter).

2 2 Omkring 1989 kom den første spiral-ct. Samtidig med at rør og detektor roterer kontinuerlig rundt pasienten, beveges bordet med pasienten longitudinalt (figur 1). Dette gir to fordeler: 1. Raskere bildeopptak av store områder (100 sekunder og opp til 1 meter uten stans) 2. Muligheten til å rekonstruere snittbilder i vilkårlig valgte posisjoner og med vilkårlige snittykkelser innenfor det skannede området. Med skantid på 1-2 sekund pr. omdreining og kontinuerlig snittopptak kan man ta bilder av større deler av pasienten før denne må trekke pusten. Muligheten for å kjøre programmerte sekvenser med innlagte pustepauser og kontrastinjeksjonspauser gjør det lettere å utnytte fordelene som de hurtige snitt-sekvensene gir. Med raskere bildeopptak forbedres dynamiske studier av f.eks. lever og bukspyttkjertel slik at opptaket av kontrastmiddel kan følges nøye. Her ligger også en muligheten av en mer effektiv bruk av kontrastmiddel 5. Røntgenrøret Computer tomografer setter ekstra store krav til røntgenrøret, både pga sterkt kollimerte stråler og lange skan-sekvenser. Særlig gjelder dette spiral-ct'ene. De beste røntgenrør i dag har maksimal avkjølingsrate på omkring 900 khu/min (11 kw). De nyeste rørene er metall-keramiske med oljestrøm som går direkte til senter av anodeplaten og leder varmen vekk herfra (figur 2). Glass er erstattet av en metallkappe med aluminiumsvindu som slipper gjennom filtrerte røntgenstråler. Anoden roterer på flytende metall i stedet for kulelager, og slik elimineres problemet med varmgang i rørets kulelager 2. En spesiell teknikk som krever et spesialbygd røntgenrør kalles "flying spot". Strømmen av elektroner fra katoden styres til to ulike spor på den roterende anoden, og dermed dannes to fysisk adskilte fokus. Dette gir to ulike projeksjoner for hver posisjon til røntgenrør og detektorsystem. Ved å endre rørstrømmen avhengig av mengde vev som skal penetreres, kan man oppnå en dosereduksjon på 20-40% uten nevneverdig tap av bildekvalitet. Informasjonen som ligger i oversiktsbildet (kalles scanogram, scout-view, topogram) om vevets attenuasjon, brukes til å kalkulere den nødvendige rørstrøm for ulike projeksjoner 3. Detektorer Antall detektorer på en spiral CT ligger i dag omkring Den vanligste detektortypen er Xenon-gass ionisasjonskammer. De er relativt stabile og kan fås med en effektivitet på opp til 85%. Tidligere var scintillasjonskrystaller kombinert med fotomultiplikator-rør en vanlig detektortype. På slutten av 80-tallet gikk noen produsenter tilbake til denne kombinasjonen, men erstattet PM-røret med lysfølsomme halvleder-detektorer. Dette

3 3 gir en langt høyere effektivitet, omkring 99% 4. Halvleder-detektorer krevde i starten å bli kalibrert uforholdsmessig ofte, men i dag er stabiliteten langt bedre. Rekonstruksjon Program for å fjerne artefakter er stadig forbedret. Et vanlig problem er "beamhardening-effekten" - at strålekvaliteten endres og blir hardere jo mer vev strålen har penetrert. Det er utviklet ulike algoritmer som korrigere for denne effekten. Filtrert tilbakeprojeksjon benyttes med ulike filter for ulike undersøkelsesområder. I tillegg benyttes det ulike matematiske filter som programvaren selv velger ut fra de innsamlede rådata. Forsøk har vist at følgende bildekvalitetsparametre er de samme for spiral-ct og konvensjonell CT: Kontrastoppløsning, romlig oppløsning, uniformitet og linearitet 5 (figur 3). Det synes å være noe mer støy i bilder tatt med spiral-ct sammenlignet med konvensjonelle CT-bilder. For å minimere undersøkelsestiden kan rekonstruksjon skje med data fra 240 rotasjon av detektorer og rør. Dette fører naturlig nok til større behov for interpolasjon og dårligere bildekvalitet. Med spiral-skan benyttes gjerne data fra 180 rotasjon, korrigert med data fra 360 rotasjon ("pseudo-helix") 5. CT'er levert i dag kan vise rekonstruerte bilder (512x512 matrise) 2-10 sekunder etter at dataopptaket er gjort. Ved lave doser kan inntil 6 bilder pr. sekund vises, med en forsinkelse på under et sekund. Om ikke lenge vil rekonstruksjonsalgoritmene og datamaskinene bli så raske at "levende" CT-bilder blir vanlig. I dag kan oversiktsbildet vises instantant, med den fordel at bildeopptaket kan avbrytes når brukeren ser at det ønskede område er dekket. Trolig vil det samme gjelde framtidens CT-bildeopptak: Spiralen går til brukeren har "sett nok". Bildebehandling blir stadig viktigere innen CT. Applikasjonsprogram for behandling av CT-bilder kan deles inn i segmentering, bildeanalyse, tre-dimensjonal visning og bildefusjon 6. Segmentering er viktig fordi det gjerne er basis for andre metoder. Bildeanalyse, som planimetri, volumetri eller beregning av vinkler er allerede brukt i kliniske applikasjoner. Tre-dimensjonal visning er særlig nyttig ved planlegging av kirurgiske og stereotaktiske inngrep, men verdien av 3D-bilder er avhengig av segmenteringen. 3D-bilder egner seg også godt for undervisning (figur 4). Bilde fusjon gir mulighet til simultan presentasjon av bildedata fra ulike modaliteter. Multiplanar rekonstruksjon, rekonstruksjon av saggitale og skrå snitt, kan gjøres både fra vanlige snitt-bilde opptak og spiral-opptak, men rekonstruksjonen blir bedre ved spiral-opptak. Overlappende snitt kan rekonstrueres uten nye skan, og dermed uten økt pasientdose. Spiral-CT gjør det mulig med høykvalitets to-dimensjonal angiografi og 3D visning av vaskulære strukturer 7. Det er også rapportert om funn av lungekreft ned til 2 mm, og nøyaktighet og følsomhet rapporteres å være langt bedre enn ved konvensjonelle CT-undersøkelser 8.

4 4 Videre utvikling Et konsept som nylig ble lansert er en transportabel CT. Den står på hjul slik at den kan trilles fra rom til rom, og den kobles til vanlig strømnett. Nytteverdien kan diskuteres, men kanskje er dette et hendig apparat ved kirurgiske avdelinger? Mammografi screening er i startfasen i Norge, men har vært drevet i mange år i andre land. I Japan foregår det prøveprosjekt med CT-screening av brystkassen for å finne lungekreft 4. Kanskje denne typen screening også vil spre seg i Europa? Intervensjons-CT er en kombinasjon av et gjennomlysningsstativ og en CT 4 (figur 5). Før intervensjon er det ofte ønskelig å undersøke pasienten med CT. Dette kombinasjonsapparatet gjør det mulig å undersøke pasienten med begge modaliteter uten at vedkommende flytter seg fra bordet. Noe på siden av den vanlige CT-utviklingen er simulatorer for stråleterapi med innebygd CT-opsjon. Ved å dreie gantry på simulator rundt pasienten kan snittbilder lages, men hastigheten på denne typen snittopptak er selvfølgelig mye lavere enn for en konvensjonell CT, omkring sekund skantid og sekund rekonstruksjonstid. Som nevnt i begynnelsen av artikkelen finnes det også såkalte ultraraske CT'er. Pga store produksjonskostnader er de mindre utbredt enn 3. generasjon, men med en skantid på millisekund 9 er de langt hurtigere, med de fortrinn det innebærer. Prinsippet med elektronkanon gjør at røravkjøling ikke begrenser skantiden. Ulempene er prisen, at gantry ikke kan tiltes og at datamaskinen ikke er oppdatert 10. Det mest betenkelige med dagens CT-utvikling er den økte strålebelastning befolkningen får som en følge av økt CT-bruk. I teorien kan bedring av teknologien enten redusere dosen til pasienten eller øke bildekvaliteten. Det er imidlertid ikke lett å optimalisere dette forholdet, og resultatet blir gjerne at dosereduksjonen uteblir. Det er også en fare for at pasientdosene øker fordi det alltid ønskes "glansbilder" selv om det i noen tilfeller er tilstrekkelig med en lavere bildekvalitet. Takk til Mebi (Toshiba), Medirad (GE), Philips og Siemens for bilder og annen informasjon som er stilt til disposisjon.

5 5 Figur 1 Skjematisk representasjon av spiral-ct. Pasienten beveges kontinuerlig gjennom gantry mens rør og detektorer roterer kontinuerlig. Røntgenstrålen beskriver en heliks rundt pasienten 5. Figur 2 Skjematisk skisse av metall-keramisk røntenrør. Blått er flytende metall, brun er olje og hvitt er vakuum. I K og I A er keramiske isolatorer av hhv katoden og anoden 2. Figur 3 Sammenligning av bilder tatt med konvensjonell teknikk (til venstre) og spiral (til høyre). Begge bilder er tatt med 320 mas, 120 kvp, 1 sekund skantid og 5 mm kollimering (snittykkelse). Den mest iøynefallende forskjellen er mengde kontrastmiddel som skyldes at bildet til høyre er tatt 30 sekund etter det venstre. Pilen markerer høyre binyre 3. Figur 4 Tre-dimensjonalt bilde av adenocystisk karsinom som kommer fra trachea 11. Figur 5 Skisse av kombinert CT og intervensjonsradiologi system 4. 1 Webb S. The physics of medical imaging, Medical Science Series, Behling R. The MRC 200: a new high-output X-ray tube, MedicaMundi 35:57-64, GE Medical Systems, Marketing Communications, RCS Versailles B Yahata M. Recent trends in the development of CT technology - Helical Scan and its applications -, Toshiba Medical Review 50:19-26, Steenbeek JCM. Principles and applications of volumetric CT, MedicaMundi 38(1):20-29, Hagen T. Neidl K. Piepgras U. Informationsverbessernde sekundare Auswerteverfahren in der Neuroradiologie, Radiologe 34(11):632-8, Kalender WA. Wedding K. Polacin A. Prokop M. Schaefer-Prokop C. Galanski M. Siemens AG, Bereich Medizinische Technik, Erlangen, Grundlagen der Gefassdarstellung mit spiral-ct, Aktuelle Radiologie 4(6):287-97, Moriyama N. Ohmatsu H. Wakao H. Development of helical CT and clinical application, Nippon Rinsho - Japanese Journal of Clinical Medicine 53(1):258-67, McCollough CH. Morin RL. The technical design and performance of ultrafast computed tomography, Radiologic Clinics of North America 32(3):521-36, Kirchgeorg H. Plainfosse MC. Hernigou A. Interet et avenir de la tomodensitomtrie a faisceau d electrons, Journal de Radiologie 75(12):647-54, Moriyama N. Development of helical CT and assessment of its clinical value, Toshiba Medical Review 50:27-32, 1994 Rune Sylvarnes er sivilingeniør fra NTH med erfaring fra Haukeland sykehus og Det Norske Radiumhospital. Han er ansatt som fysiker ved Ullevål sykehus med arbeidsområder innen digital og konvensjonell røntgen.